由加工方法留(liu)下的(de)表面痕(hen)跡(ji)的(de)深淺、疏密、形狀和(he)紋(wen)理都有差異，生(sheng)(sheng)產(chan)運行中(zhong)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)表面痕(hen)跡(ji)更是千奇百怪。這些(xie)微觀的(de)和(he)宏觀的(de)幾何(he)不(bu)平(ping)整在漏磁(ci)(ci)檢測(ce)(ce)中(zhong)均會引(yin)起磁(ci)(ci)場泄漏，由此帶來的(de)背(bei)景漏磁(ci)(ci)場信號將會影響(xiang)微小裂紋(wen)的(de)漏磁(ci)(ci)場測(ce)(ce)量，并進一(yi)步影響(xiang)到漏磁(ci)(ci)檢測(ce)(ce)的(de)檢測(ce)(ce)極限(xian)。為此，研(yan)究(jiu)表面粗糙度對(dui)裂紋(wen)漏磁(ci)(ci)檢測(ce)(ce)的(de)影響(xiang)具有重(zhong)要意(yi)義。
1. 表面粗(cu)糙度(du)試塊
采用(yong)(yong)Q235碳素結構鋼制作試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)，試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)尺寸(cun)長(chang)300mm、寬100mm、厚14mm。首先(xian)，將三塊(kuai)(kuai)(kuai)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)利用(yong)(yong)飛刀進行銑削加工(gong)(gong)，如(ru)圖1-6所(suo)示(shi)，其表(biao)面(mian)粗(cu)糙度值從(cong)左(zuo)到右(you)依(yi)次為(wei)(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)1、2、3。然(ran)后，利用(yong)(yong)立銑加工(gong)(gong)另外三塊(kuai)(kuai)(kuai)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)，如(ru)圖1-7所(suo)示(shi)，其表(biao)面(mian)粗(cu)糙度值從(cong)左(zuo)到右(you)依(yi)次為(wei)(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)4、5、6。另外，再采用(yong)(yong)平(ping)磨加工(gong)(gong)一塊(kuai)(kuai)(kuai)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)，此種方式獲得的表(biao)面(mian)質量較好，其表(biao)面(mian)粗(cu)糙度值為(wei)(wei)Ra0.2μm，編號(hao)7。所(suo)有試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)均刻有一組(zu)寬度為(wei)(wei)20μm，深(shen)(shen)度不同的人(ren)工(gong)(gong)線狀(zhuang)缺陷，尺寸(cun)如(ru)圖1-8所(suo)示(shi)，從(cong)左(zuo)到右(you)深(shen)(shen)度依(yi)次為(wei)(wei)20μm、45μm、70μm，相鄰(lin)缺陷的間距(ju)為(wei)(wei)70mm。
2. 表面粗(cu)糙度對漏磁檢測信(xin)號的(de)影響試驗
檢(jian)(jian)測(ce)(ce)裝置主要由磁化器、檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探頭(tou)(tou)、信(xin)號采集系統、上位(wei)機等(deng)部分組(zu)成，如圖1-9所示。磁化器由兩(liang)(liang)組(zu)線圈(quan)組(zu)成，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探頭(tou)(tou)安裝在(zai)(zai)兩(liang)(liang)組(zu)線圈(quan)中(zhong)間，以保(bao)證檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探頭(tou)(tou)所在(zai)(zai)的(de)位(wei)置磁場分布均勻。探頭(tou)(tou)安裝在(zai)(zai)一(yi)T形支架上，T形支架固(gu)定在(zai)(zai)兩(liang)(liang)組(zu)線圈(quan)上方。鋼板在(zai)(zai)支撐輪的(de)驅動(dong)(dong)下做勻速運動(dong)(dong)，在(zai)(zai)移動(dong)(dong)過程中(zhong)，試塊始終與探頭(tou)(tou)保(bao)持緊密(mi)貼合。檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探頭(tou)(tou)將磁場信(xin)息轉換(huan)成電信(xin)號，并(bing)由采集卡進(jin)行(xing)A-D轉換(huan)后(hou)進(jin)入計算機，由上位(wei)機軟(ruan)件進(jin)行(xing)顯示。
a. 表(biao)面粗糙(cao)度對同一深度裂紋信(xin)噪比的影響
首先，利用平磨試塊7進行飽和磁(ci)化下的(de)漏(lou)磁(ci)檢(jian)測試驗。試塊的(de)磁(ci)化方向垂直(zhi)于人工線狀缺陷，試塊以恒定的(de)速度沿磁(ci)化方向運動(dong)，檢(jian)測結(jie)果如圖1-10所示(shi)。
從圖(tu)中可以看出，由于平磨的(de)表面(mian)質量較好，并未帶來明顯(xian)的(de)噪(zao)聲信號。另外(wai)，信號峰值與缺陷的(de)深度成正(zheng)相關規律，當(dang)缺陷深度為20μm左右(you)時，基本無法檢測出缺陷信號。
保持試驗(yan)條件不變，獲得1～7號(hao)試塊上70μm缺陷(xian)的信噪比(bi)(bi)，如(ru)圖1-11所示，信噪比(bi)(bi)公(gong)式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中，S代表信號最大幅值；N代表噪聲最大幅值。
分(fen)析圖1-11曲線變化規律可(ke)知，對于深度為70μm的(de)缺陷(xian)，隨著表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度值(zhi)(zhi)的(de)不(bu)斷增大，檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比逐漸降低。其中，在表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度值(zhi)(zhi)Ra=12.5μmm的(de)3號(hao)和6號(hao)試(shi)塊(kuai)上(shang)，缺陷(xian)檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比非常低，已(yi)經不(bu)能(neng)清(qing)晰(xi)分(fen)辨出缺陷(xian)信(xin)(xin)號(hao)。在表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度值(zhi)(zhi)Ra＝3.2μm的(de)1號(hao)和4號(hao)試(shi)塊(kuai)上(shang)，缺陷(xian)檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比較高(gao)，而平磨試(shi)塊(kuai)上(shang)同(tong)等深度的(de)缺陷(xian)檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比最高(gao)。由此可(ke)見(jian)，對于微小(xiao)缺陷(xian)的(de)檢(jian)(jian)測，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度會(hui)(hui)直接影響(xiang)檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比，較大的(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度值(zhi)(zhi)甚(shen)至會(hui)(hui)帶(dai)來漏判(pan)(pan)或誤判(pan)(pan)。換言之，在表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度確(que)定的(de)情況下，試(shi)件上(shang)可(ke)檢(jian)(jian)測缺陷(xian)的(de)深度存在極限(xian)。
b. 表面粗糙度對不同(tong)深度裂紋信噪(zao)比的影響
保持試驗條件(jian)不變，探頭(tou)以相(xiang)同(tong)速度掃(sao)查所(suo)有試塊，對不同(tong)深度的(de)(de)裂紋進行(xing)漏磁檢測。各試塊得到(dao)的(de)(de)缺陷檢測信號如圖1-12所(suo)示。
分析檢測(ce)結果，根(gen)據式（1-1）得到在不(bu)同表面粗糙度下信號信噪比關(guan)于裂紋深度的(de)關(guan)系曲線，如圖1-13和圖1-14所示。
分析(xi)圖(tu)1-13所示(shi)飛(fei)(fei)刀銑表(biao)面(mian)上不(bu)(bu)同(tong)(tong)深度(du)(du)缺(que)陷的(de)(de)(de)(de)信噪(zao)比曲線，對于相同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)，隨著(zhu)人(ren)工(gong)裂(lie)(lie)紋(wen)深度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)減小，缺(que)陷信號的(de)(de)(de)(de)信噪(zao)比降低。與(yu)此對應，如圖(tu)1-14所示(shi)，從立銑試(shi)塊的(de)(de)(de)(de)測試(shi)結果可以看(kan)出，在一定表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)下，裂(lie)(lie)紋(wen)深度(du)(du)變化引起的(de)(de)(de)(de)信噪(zao)比變化趨勢與(yu)飛(fei)(fei)刀銑試(shi)塊基本(ben)一致。但是，由于表(biao)面(mian)加(jia)工(gong)方(fang)式(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)差異，兩組試(shi)塊表(biao)面(mian)峰谷(gu)不(bu)(bu)平(ping)的(de)(de)(de)(de)分布規律并(bing)非完全一樣，從而導致采用不(bu)(bu)同(tong)(tong)加(jia)工(gong)方(fang)式(shi)(shi)形成的(de)(de)(de)(de)相同(tong)(tong)表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)表(biao)面(mian)上的(de)(de)(de)(de)相同(tong)(tong)深度(du)(du)缺(que)陷信噪(zao)比不(bu)(bu)同(tong)(tong)。
以上(shang)(shang)試驗結果表(biao)(biao)明(ming)，在(zai)(zai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)確定的情況下，存在(zai)(zai)漏磁(ci)檢(jian)測(ce)裂紋極(ji)限深度(du)。如(ru)果裂紋深度(du)小于(yu)極(ji)限深度(du)，受(shou)信(xin)噪(zao)比的影響，漏磁(ci)檢(jian)測(ce)靈敏度(du)將降低。表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)對漏磁(ci)檢(jian)測(ce)的影響機(ji)理(li)在(zai)(zai)于(yu)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)引起表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)微觀峰谷不(bu)(bu)平(ping)輪廓，在(zai)(zai)兩種不(bu)(bu)同(tong)磁(ci)導(dao)率材料的分界面(mian)(mian)(mian)上(shang)(shang)，存在(zai)(zai)磁(ci)折(zhe)射現象，上(shang)(shang)凸(tu)和下凹的輪廓引起了對應表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)上(shang)(shang)方(fang)磁(ci)場(chang)的不(bu)(bu)同(tong)分布(bu)。
3. 粗糙表面(mian)的磁場分布
鐵磁(ci)性材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏磁(ci)檢(jian)(jian)測(ce)機(ji)理通常是(shi)基于(yu)(yu)下凹(ao)型(xing)缺陷處的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)場泄漏，而(er)MFL（Magnetic Flux Leakage）完整的(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)機(ji)理并非傳統(tong)簡單的(de)(de)(de)(de)(de)(de)描述，如(ru)“磁(ci)場泄漏”“產(chan)生(sheng)漏磁(ci)信號”這樣一個(ge)過程(cheng)。如(ru)圖1-15所示，從(cong)磁(ci)折射的(de)(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)(du)考慮(lv)，漏磁(ci)檢(jian)(jian)測(ce)中(zhong)，缺陷附近的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)感應(ying)強度(du)(du)變化主(zhu)要是(shi)界面(mian)(mian)兩側不(bu)(bu)同(tong)介質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)導率差(cha)異(yi)引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)由(you)(you)于(yu)(yu)界面(mian)(mian)處的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)折射現象，在(zai)凹(ao)型(xing)缺陷如(ru)裂紋或腐蝕下產(chan)生(sheng)“正”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)MFL信號，而(er)在(zai)小突(tu)起物存(cun)在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)地(di)方，代(dai)表凸狀缺陷則產(chan)生(sheng)“負(fu)”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)MFL信號。基于(yu)(yu)這兩種(zhong)(zhong)情況，前(qian)者導致上(shang)凸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信號，后者產(chan)生(sheng)一個(ge)凹(ao)陷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信號。由(you)(you)于(yu)(yu)這種(zhong)(zhong)凹(ao)凸信號的(de)(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在(zai)，當感應(ying)單元沿著凹(ao)凸不(bu)(bu)平的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表面(mian)(mian)進行掃查時，捕獲到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信號必(bi)定影響最終檢(jian)(jian)測(ce)結果。在(zai)微尺度(du)(du)條件下，工(gong)件表面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表面(mian)(mian)粗糙度(du)(du)模型(xing)中(zhong)，緊密相(xiang)連的(de)(de)(de)(de)(de)(de)“上(shang)凸”部分(fen)(fen)和“下凹(ao)”部分(fen)(fen)會產(chan)生(sheng)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)折射效應(ying)，故采用這種(zhong)(zhong)完整的(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏磁(ci)檢(jian)(jian)測(ce)機(ji)理。
無論采(cai)用哪種(zhong)加工方(fang)法(fa)，受刀具與零(ling)件(jian)間的(de)(de)(de)運動、摩擦，機(ji)床的(de)(de)(de)振動及零(ling)件(jian)的(de)(de)(de)塑性變形(xing)等(deng)因素的(de)(de)(de)影(ying)響，所(suo)獲得的(de)(de)(de)工件(jian)表(biao)面都存在微觀(guan)的(de)(de)(de)不(bu)平痕跡(ji)，即(ji)為表(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)，通常(chang)波距小于(yu)1mm。工件(jian)在使用過程中(zhong)的(de)(de)(de)磨損、腐(fu)蝕介(jie)質(zhi)的(de)(de)(de)侵(qin)蝕消耗也會(hui)造成表(biao)面粗(cu)糙(cao)，這種(zhong)較(jiao)小間距的(de)(de)(de)
峰(feng)谷(gu)所組成的(de)(de)微觀幾何輪廓構成表面紋理粗糙度，通(tong)常(chang)采用二維表面粗糙度評(ping)定(ding)標(biao)準(zhun)即能基(ji)本滿足機(ji)加(jia)工零件(jian)要求(qiu)，常(chang)用評(ping)定(ding)參數優(you)先(xian)選(xuan)用輪廓算術平均偏差Ra，能夠直接反映工件(jian)表面峰(feng)谷(gu)不平的(de)(de)狀(zhuang)態。Ra的(de)(de)定(ding)義常(chang)通(tong)過圖1-16表示。
由Ra的(de)(de)定(ding)義可(ke)知，其主要(yao)反映工(gong)件(jian)表面(mian)這種峰谷不平的(de)(de)狀態，在漏磁檢測(ce)中，這種峰谷不平的(de)(de)狀態會引起工(gong)件(jian)表面(mian)磁場強度的(de)(de)分布(bu)變(bian)化。Ra反映的(de)(de)是垂直(zhi)于工(gong)件(jian)表面(mian)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)高度變(bian)化，漏磁檢測(ce)中的(de)(de)垂直(zhi)于工(gong)件(jian)表面(mian)方(fang)向(xiang)(xiang)對應著(zhu)缺陷的(de)(de)深度方(fang)向(xiang)(xiang)，因此(ci)建立表面(mian)粗糙度元(yuan)的(de)(de)簡化模型可(ke)以(yi)分析工(gong)件(jian)粗糙表面(mian)的(de)(de)漏磁場分布(bu)規(gui)律。
通(tong)常采用規(gui)則的三角形(xing)鋸齒狀表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)來建立(li)表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)模(mo)型(xing)，模(mo)擬原(yuan)本不規(gui)則的表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)分(fen)布(bu)，便于定性和定量分(fen)析(xi)。仿真(zhen)模(mo)型(xing)的特點是三角形(xing)表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)緊(jin)密相連，其(qi)間無間隙(xi)。圖(tu)1-17所示為仿真(zhen)分(fen)析(xi)獲(huo)得工件及周(zhou)圍(wei)的磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)分(fen)布(bu)云(yun)圖(tu)，表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)模(mo)型(xing)中代表峰谷的凹凸三角形(xing)造成了周(zhou)圍(wei)空(kong)間磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)的分(fen)布(bu)變化。A區(qu)域代表上(shang)凸三角形(xing)表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)，其(qi)上(shang)方C區(qu)域的磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)弱于該(gai)區(qu)域周(zhou)圍(wei)的磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)；與此(ci)同時，緊(jin)鄰下凹三角形(xing)表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)B的上(shang)方也存在區(qu)域D，該(gai)區(qu)域的磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)大于其(qi)周(zhou)圍(wei)空(kong)間的磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)。
相對于基準面，提離0.15mm，拾取表面上方一段長度(du)范(fan)圍內磁(ci)感(gan)應強度(du)水平分量變(bian)(bian)化曲線，如圖(tu)1-18所(suo)示。圖(tu)中仿真(zhen)信號(hao)呈現(xian)出(chu)上凸下凹(ao)的變(bian)(bian)化規(gui)律，與(yu)圖(tu)1-17中的磁(ci)感(gan)應強度(du)變(bian)(bian)化規(gui)律一致。
當(dang)(dang)表(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)元的(de)高度(du)與缺(que)陷深度(du)具有相同數量級時，表(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)元引起的(de)磁場變(bian)化不可忽略。若缺(que)陷附近表(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)元產(chan)生(sheng)的(de)漏(lou)磁場強(qiang)度(du)與缺(que)陷產(chan)生(sheng)的(de)漏(lou)磁場強(qiang)度(du)相當(dang)(dang)時，將難以分辨出缺(que)陷信號。
在(zai)上(shang)述(shu)仿真模型中，增加裂(lie)紋，仿真計算得到缺陷(xian)所在(zai)區(qu)域上(shang)方的漏磁場磁感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)水(shui)平分量(liang)變(bian)化曲(qu)線如圖1-19所示。顯然，裂(lie)紋周圍的表(biao)面(mian)粗糙度(du)元產生(sheng)的磁噪(zao)(zao)聲信號，降低了缺陷(xian)的信噪(zao)(zao)比(bi)。當然，在(zai)實(shi)際生(sheng)產過程中，可根(gen)據(ju)圖1-19 粗糙表(biao)面(mian)裂(lie)紋上(shang)方漏磁場磁感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)水(shui)平分量(liang)分布表(biao)面(mian)粗糙度(du)引起(qi)的信號特征，采用合(he)適的濾波算法去除噪(zao)(zao)聲信號，以提高(gao)信噪(zao)(zao)比(bi)。
