由(you)加工方法(fa)留下(xia)的(de)(de)表面痕跡的(de)(de)深(shen)淺、疏密(mi)、形狀(zhuang)和紋(wen)理都(dou)有差異，生產運行中(zhong)產生的(de)(de)表面痕跡更(geng)是千奇百怪。這(zhe)些微(wei)觀的(de)(de)和宏觀的(de)(de)幾何不平整(zheng)在漏(lou)磁(ci)檢測(ce)中(zhong)均(jun)會(hui)引起磁(ci)場泄漏(lou)，由(you)此(ci)帶來(lai)的(de)(de)背景漏(lou)磁(ci)場信號將會(hui)影響微(wei)小裂(lie)紋(wen)的(de)(de)漏(lou)磁(ci)場測(ce)量，并進一步影響到漏(lou)磁(ci)檢測(ce)的(de)(de)檢測(ce)極限。為(wei)此(ci)，研究(jiu)表面粗糙(cao)度對裂(lie)紋(wen)漏(lou)磁(ci)檢測(ce)的(de)(de)影響具有重要意(yi)義。
1. 表面粗糙度試(shi)塊(kuai)
采用Q235碳素結構鋼(gang)制(zhi)作試塊(kuai)(kuai)，試塊(kuai)(kuai)尺(chi)寸長(chang)300mm、寬100mm、厚14mm。首先，將三塊(kuai)(kuai)試塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)利用飛(fei)刀(dao)進行銑(xian)削加工，如(ru)圖(tu)1-6所示，其表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)值(zhi)從左到(dao)右依次為Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)號1、2、3。然后，利用立銑(xian)加工另外三塊(kuai)(kuai)試塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)，如(ru)圖(tu)1-7所示，其表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)值(zhi)從左到(dao)右依次為 Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)號4、5、6。另外，再采用平磨加工一塊(kuai)(kuai)試塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)，此種方式獲(huo)得的(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)質量較好，其表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)值(zhi)為Ra0.2μm，編(bian)號7。所有試塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)均刻有一組寬度(du)(du)為20μm，深(shen)度(du)(du)不(bu)同的(de)人工線狀缺(que)陷，尺(chi)寸如(ru)圖(tu)1-8所示，從左到(dao)右深(shen)度(du)(du)依次為20μm、45μm、70μm，相鄰缺(que)陷的(de)間距為70mm。
2. 表面粗(cu)糙度對(dui)漏磁檢(jian)測信(xin)號的(de)影響試驗
檢(jian)測裝(zhuang)置主要由磁(ci)(ci)化(hua)器(qi)、檢(jian)測探(tan)(tan)頭(tou)(tou)、信(xin)(xin)號采集系統、上位(wei)機等部(bu)分(fen)組成，如圖1-9所示(shi)。磁(ci)(ci)化(hua)器(qi)由兩組線圈(quan)組成，檢(jian)測探(tan)(tan)頭(tou)(tou)安(an)(an)裝(zhuang)在(zai)兩組線圈(quan)中間，以保證(zheng)檢(jian)測探(tan)(tan)頭(tou)(tou)所在(zai)的位(wei)置磁(ci)(ci)場(chang)分(fen)布均勻(yun)。探(tan)(tan)頭(tou)(tou)安(an)(an)裝(zhuang)在(zai)一(yi)T形支(zhi)架上，T形支(zhi)架固定在(zai)兩組線圈(quan)上方(fang)。鋼板在(zai)支(zhi)撐輪(lun)的驅動下(xia)做勻(yun)速(su)運動，在(zai)移動過程中，試塊(kuai)始終與探(tan)(tan)頭(tou)(tou)保持緊密(mi)貼(tie)合。檢(jian)測探(tan)(tan)頭(tou)(tou)將磁(ci)(ci)場(chang)信(xin)(xin)息轉換成電信(xin)(xin)號，并由采集卡進(jin)行(xing)A-D轉換后進(jin)入(ru)計(ji)算機，由上位(wei)機軟件進(jin)行(xing)顯示(shi)。
a. 表(biao)面粗糙度(du)對同(tong)一(yi)深(shen)度(du)裂紋信(xin)噪比的影(ying)響
首先，利用(yong)平磨試塊(kuai)(kuai)7進行飽和磁化下的漏磁檢(jian)(jian)測試驗(yan)。試塊(kuai)(kuai)的磁化方向(xiang)垂直于(yu)人工線狀(zhuang)缺陷(xian)，試塊(kuai)(kuai)以(yi)恒定的速度(du)沿磁化方向(xiang)運動，檢(jian)(jian)測結果如圖(tu)1-10所示(shi)。
從圖中可(ke)以(yi)看出(chu)，由于平磨的表面質(zhi)量較好(hao)，并未帶來明顯(xian)的噪聲信號(hao)。另外，信號(hao)峰(feng)值與缺陷(xian)的深度(du)成正相關規律，當缺陷(xian)深度(du)為20μm左右時(shi)，基本無法檢測出(chu)缺陷(xian)信號(hao)。
保持(chi)試驗條件不(bu)變，獲得1～7號試塊(kuai)上(shang)70μm缺(que)陷的信噪比(bi)，如圖1-11所示(shi)，信噪比(bi)公式(shi)為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中，S代(dai)表信號最大(da)幅值；N代(dai)表噪(zao)聲最大(da)幅值。
分析圖1-11曲線變化規律可(ke)知，對于深度(du)(du)(du)為70μm的(de)缺(que)陷(xian)，隨著表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)值(zhi)的(de)不(bu)斷增(zeng)大，檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)逐漸降低。其中，在表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)值(zhi)Ra=12.5μmm的(de)3號(hao)(hao)和6號(hao)(hao)試(shi)(shi)(shi)塊(kuai)上，缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)非常低，已經不(bu)能(neng)清晰分辨(bian)出缺(que)陷(xian)信(xin)(xin)號(hao)(hao)。在表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)值(zhi)Ra＝3.2μm的(de)1號(hao)(hao)和4號(hao)(hao)試(shi)(shi)(shi)塊(kuai)上，缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)較高(gao)(gao)，而平(ping)磨試(shi)(shi)(shi)塊(kuai)上同等深度(du)(du)(du)的(de)缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)最(zui)高(gao)(gao)。由此(ci)可(ke)見(jian)，對于微小(xiao)缺(que)陷(xian)的(de)檢(jian)測(ce)(ce)，表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)會直(zhi)接影響檢(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)，較大的(de)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)值(zhi)甚至(zhi)會帶來漏判(pan)或誤判(pan)。換(huan)言之，在表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)確定的(de)情況下(xia)，試(shi)(shi)(shi)件上可(ke)檢(jian)測(ce)(ce)缺(que)陷(xian)的(de)深度(du)(du)(du)存在極限(xian)。
b. 表面粗糙度對(dui)不同深度裂紋信噪比(bi)的影響(xiang)
保持(chi)試(shi)(shi)驗條件不變，探頭(tou)以相同速度掃查所有(you)試(shi)(shi)塊，對不同深(shen)度的裂紋(wen)進行漏(lou)磁檢測。各試(shi)(shi)塊得到的缺(que)陷檢測信號(hao)如圖(tu)1-12所示。
分析檢(jian)測結果，根(gen)據式(shi)（1-1）得到在不同表面粗糙度下信號信噪(zao)比關于裂紋深度的關系曲(qu)線，如(ru)圖(tu)1-13和圖(tu)1-14所示(shi)。
分析圖(tu)1-13所(suo)示飛刀銑表(biao)面(mian)(mian)上不(bu)同(tong)(tong)深(shen)(shen)度(du)缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)(bi)曲線，對(dui)于(yu)相同(tong)(tong)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)，隨著人(ren)工(gong)裂紋(wen)深(shen)(shen)度(du)的(de)(de)(de)減小，缺(que)陷(xian)信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)(bi)降(jiang)低。與此對(dui)應(ying)，如圖(tu)1-14所(suo)示，從立銑試(shi)塊的(de)(de)(de)測試(shi)結果(guo)可以(yi)看出，在一定表(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)下，裂紋(wen)深(shen)(shen)度(du)變(bian)化引起的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)(bi)變(bian)化趨勢與飛刀銑試(shi)塊基本一致。但是，由(you)于(yu)表(biao)面(mian)(mian)加工(gong)方式的(de)(de)(de)差異，兩組試(shi)塊表(biao)面(mian)(mian)峰谷(gu)不(bu)平(ping)的(de)(de)(de)分布規律并非(fei)完(wan)全一樣(yang)，從而導致采用不(bu)同(tong)(tong)加工(gong)方式形成的(de)(de)(de)相同(tong)(tong)表(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)表(biao)面(mian)(mian)上的(de)(de)(de)相同(tong)(tong)深(shen)(shen)度(du)缺(que)陷(xian)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)(bi)不(bu)同(tong)(tong)。
以上試驗結(jie)果(guo)表(biao)明，在表(biao)面(mian)粗糙(cao)度確定的情況(kuang)下(xia)，存在漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)裂紋(wen)極(ji)限深(shen)(shen)度。如果(guo)裂紋(wen)深(shen)(shen)度小于極(ji)限深(shen)(shen)度，受(shou)信噪(zao)比的影響，漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)靈敏度將降低。表(biao)面(mian)粗糙(cao)度對漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)的影響機(ji)理在于，表(biao)面(mian)粗糙(cao)度引起表(biao)面(mian)微觀(guan)峰谷不(bu)平輪廓(kuo)，在兩(liang)種不(bu)同(tong)(tong)磁(ci)導率材(cai)料的分(fen)界(jie)面(mian)上，存在磁(ci)折(zhe)射現(xian)象，上凸(tu)和下(xia)凹的輪廓(kuo)引起了對應表(biao)面(mian)上方磁(ci)場的不(bu)同(tong)(tong)分(fen)布(bu)。
3. 粗糙(cao)表面(mian)的磁場(chang)分布
鐵(tie)磁(ci)(ci)(ci)性(xing)材料的(de)(de)(de)漏磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)機(ji)理(li)(li)通常是(shi)(shi)(shi)基于(yu)下(xia)凹型缺陷(xian)(xian)處的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場泄(xie)漏，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)機(ji)理(li)(li)并非(fei)傳統簡(jian)單的(de)(de)(de)描(miao)述，如(ru)“磁(ci)(ci)(ci)場泄(xie)漏”“產生(sheng)漏磁(ci)(ci)(ci)信(xin)號(hao)”這樣(yang)一(yi)個(ge)(ge)過程。如(ru)圖1-15所示，從磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)的(de)(de)(de)角度考慮，漏磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)中，缺陷(xian)(xian)附近(jin)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感應(ying)強度變化(hua)主(zhu)要是(shi)(shi)(shi)界面(mian)兩側不(bu)同(tong)介質的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)導率(lv)差(cha)異引(yin)起(qi)的(de)(de)(de)。不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)是(shi)(shi)(shi)由于(yu)界面(mian)處的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)現象，在(zai)(zai)凹型缺陷(xian)(xian)如(ru)裂(lie)紋(wen)或腐蝕下(xia)產生(sheng)“正”的(de)(de)(de)MFL信(xin)號(hao)，而在(zai)(zai)小突起(qi)物存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)(de)地方，代表(biao)凸(tu)狀缺陷(xian)(xian)則產生(sheng)“負(fu)”的(de)(de)(de)MFL信(xin)號(hao)。基于(yu)這兩種(zhong)情況，前(qian)者導致上(shang)凸(tu)的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)，后者產生(sheng)一(yi)個(ge)(ge)凹陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)。由于(yu)這種(zhong)凹凸(tu)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)，當(dang)感應(ying)單元沿(yan)著凹凸(tu)不(bu)平的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)進行(xing)掃查時，捕獲到的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)必定影響最終檢(jian)(jian)測(ce)(ce)結果。在(zai)(zai)微尺度條件(jian)下(xia)，工件(jian)表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)粗糙度模(mo)型中，緊密相連(lian)的(de)(de)(de)“上(shang)凸(tu)”部分和“下(xia)凹”部分會(hui)產生(sheng)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)效應(ying)，故采用(yong)這種(zhong)完(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)漏磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)機(ji)理(li)(li)。
無論(lun)采用哪種加工(gong)(gong)方法，受刀具與(yu)零件(jian)間的(de)運動、摩擦，機床的(de)振動及零件(jian)的(de)塑性變形等因(yin)素的(de)影響(xiang)，所獲得的(de)工(gong)(gong)件(jian)表面都存在微觀的(de)不(bu)平痕跡，即為表面粗糙度，通(tong)常波距小于1mm。工(gong)(gong)件(jian)在使用過(guo)程(cheng)中的(de)磨損、腐蝕(shi)介質的(de)侵蝕(shi)消(xiao)耗也會造成(cheng)表面粗糙，這(zhe)種較小間距的(de)
峰谷所(suo)組成(cheng)的微觀幾何(he)輪廓構成(cheng)表(biao)面(mian)(mian)紋理粗(cu)糙度，通常采用二維表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度評定(ding)標準即能基本滿(man)足(zu)機加(jia)工零件要求，常用評定(ding)參數優(you)先選用輪廓算術平均偏差(cha)Ra，能夠直接反(fan)映(ying)工件表(biao)面(mian)(mian)峰谷不平的狀態(tai)。Ra的定(ding)義常通過圖1-16表(biao)示。
由(you)Ra的(de)定義(yi)可知，其(qi)主要(yao)反映工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)這(zhe)種峰谷(gu)不平(ping)的(de)狀態，在漏(lou)磁(ci)檢(jian)測中(zhong)(zhong)，這(zhe)種峰谷(gu)不平(ping)的(de)狀態會引起工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)磁(ci)場強度(du)的(de)分(fen)布變化。Ra反映的(de)是垂直(zhi)于工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)方(fang)向的(de)高度(du)變化，漏(lou)磁(ci)檢(jian)測中(zhong)(zhong)的(de)垂直(zhi)于工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)方(fang)向對應著缺(que)陷的(de)深(shen)度(du)方(fang)向，因此建立(li)表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)元的(de)簡(jian)化模型可以分(fen)析工件(jian)粗糙(cao)表(biao)(biao)面(mian)的(de)漏(lou)磁(ci)場分(fen)布規律(lv)。
通(tong)常(chang)采用(yong)規(gui)則的(de)(de)(de)三(san)角(jiao)形鋸齒狀表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)元來(lai)建立表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)模型(xing)，模擬原(yuan)本不(bu)規(gui)則的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)元分(fen)布，便(bian)于(yu)定(ding)性和定(ding)量分(fen)析(xi)。仿真模型(xing)的(de)(de)(de)特點是三(san)角(jiao)形表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)元緊密相連，其間(jian)(jian)無(wu)間(jian)(jian)隙。圖(tu)1-17所示為仿真分(fen)析(xi)獲得工件(jian)及周(zhou)圍(wei)的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)強度(du)(du)分(fen)布云圖(tu)，表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)模型(xing)中代表(biao)(biao)峰谷(gu)的(de)(de)(de)凹(ao)(ao)凸(tu)三(san)角(jiao)形造成了周(zhou)圍(wei)空間(jian)(jian)磁(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)強度(du)(du)的(de)(de)(de)分(fen)布變化。A區(qu)(qu)域代表(biao)(biao)上凸(tu)三(san)角(jiao)形表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)元，其上方(fang)C區(qu)(qu)域的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)強度(du)(du)弱于(yu)該區(qu)(qu)域周(zhou)圍(wei)的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)強度(du)(du)；與此同時，緊鄰下凹(ao)(ao)三(san)角(jiao)形表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)元B的(de)(de)(de)上方(fang)也存在區(qu)(qu)域D，該區(qu)(qu)域的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)強度(du)(du)大于(yu)其周(zhou)圍(wei)空間(jian)(jian)的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)強度(du)(du)。
相對于基準面，提離0.15mm，拾取表(biao)面上方一段(duan)長度范(fan)圍內(nei)磁感應強度水平分量變(bian)化(hua)曲線，如圖(tu)(tu)(tu)1-18所示。圖(tu)(tu)(tu)中仿真信號呈現出上凸下凹的變(bian)化(hua)規(gui)律，與圖(tu)(tu)(tu)1-17中的磁感應強度變(bian)化(hua)規(gui)律一致。
當表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)(yuan)的(de)高度(du)(du)與缺(que)(que)陷(xian)深度(du)(du)具有相同數量級時(shi)，表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)(yuan)引起的(de)磁場變化(hua)不可忽略(lve)。若缺(que)(que)陷(xian)附(fu)近表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)(yuan)產生(sheng)的(de)漏(lou)磁場強(qiang)度(du)(du)與缺(que)(que)陷(xian)產生(sheng)的(de)漏(lou)磁場強(qiang)度(du)(du)相當時(shi)，將難以分辨出缺(que)(que)陷(xian)信(xin)號。
在(zai)(zai)上述仿真(zhen)模型(xing)中，增加裂(lie)紋(wen)，仿真(zhen)計算(suan)得到缺陷(xian)所(suo)在(zai)(zai)區域上方的(de)漏磁(ci)場磁(ci)感應強度水平(ping)(ping)分量變化曲線如圖1-19所(suo)示。顯(xian)然，裂(lie)紋(wen)周圍的(de)表面(mian)粗糙度元(yuan)產生的(de)磁(ci)噪(zao)(zao)聲信(xin)(xin)號，降低了缺陷(xian)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)。當然，在(zai)(zai)實(shi)際生產過(guo)程中，可根據圖1-19 粗糙表面(mian)裂(lie)紋(wen)上方漏磁(ci)場磁(ci)感應強度水平(ping)(ping)分量分布表面(mian)粗糙度引起的(de)信(xin)(xin)號特征，采用合適的(de)濾波算(suan)法去除(chu)噪(zao)(zao)聲信(xin)(xin)號，以提高信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)。
