由加工方法留下的表面痕跡的深淺、疏密、形狀和紋理都有差異，生產(chǎn)運(yùn)行中產(chǎn)生的表面痕跡更是千奇百怪。這些微觀的和宏觀的幾何不平整在漏磁檢測(cè)中均會(huì)引起磁場(chǎng)泄漏，由此帶來(lái)的背景漏磁場(chǎng)信號(hào)將會(huì)影響微小裂紋的漏磁場(chǎng)測(cè)量，并進(jìn)一步影響到漏磁檢測(cè)的檢測(cè)極限。為此，研究表面粗糙度對(duì)裂紋漏磁檢測(cè)的影響具有重要意義。

1. 表面粗糙度試塊

  采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼制作試塊，試塊尺寸長(zhǎng)300mm、寬100mm、厚14mm。首先，將三塊試塊表面利用飛刀進(jìn)行銑削加工，如圖1-6所示，其表面粗糙度值從左到右依次為Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hào)1、2、3。然后，利用立銑加工另外三塊試塊表面，如圖1-7所示，其表面粗糙度值從左到右依次為 Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hào)4、5、6。另外，再采用平磨加工一塊試塊表面，此種方式獲得的表面質(zhì)量較好，其表面粗糙度值為Ra0.2μm，編號(hào)7。所有試塊表面均刻有一組寬度為20μm，深度不同的人工線狀缺陷，尺寸如圖1-8所示，從左到右深度依次為20μm、45μm、70μm，相鄰缺陷的間距為70mm。

2. 表面粗糙度對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響試驗(yàn)

  檢測(cè)裝置主要由磁化器、檢測(cè)探頭、信號(hào)采集系統(tǒng)、上位機(jī)等部分組成，如圖1-9所示。磁化器由兩組線圈組成，檢測(cè)探頭安裝在兩組線圈中間，以保證檢測(cè)探頭所在的位置磁場(chǎng)分布均勻。探頭安裝在一T形支架上，T形支架固定在兩組線圈上方。鋼板在支撐輪的驅(qū)動(dòng)下做勻速運(yùn)動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中，試塊始終與探頭保持緊密貼合。檢測(cè)探頭將磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由采集卡進(jìn)行A-D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示。

 a. 表面粗糙度對(duì)同一深度裂紋信噪比的影響

   首先，利用平磨試塊7進(jìn)行飽和磁化下的漏磁檢測(cè)試驗(yàn)。試塊的磁化方向垂直于人工線狀缺陷，試塊以恒定的速度沿磁化方向運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)結(jié)果如圖1-10所示。

   從圖中可以看出，由于平磨的表面質(zhì)量較好，并未帶來(lái)明顯的噪聲信號(hào)。另外，信號(hào)峰值與缺陷的深度成正相關(guān)規(guī)律，當(dāng)缺陷深度為20μm左右時(shí)，基本無(wú)法檢測(cè)出缺陷信號(hào)。

   保持試驗(yàn)條件不變，獲得1～7號(hào)試塊上70μm缺陷的信噪比，如圖1-11所示，信噪比公式為  : SNR=20log(S/N)  (1-1)   ,式中，S代表信號(hào)最大幅值；N代表噪聲最大幅值。

   分析圖1-11曲線變化規(guī)律可知，對(duì)于深度為70μm的缺陷，隨著表面粗糙度值的不斷增大，檢測(cè)信號(hào)的信噪比逐漸降低。其中，在表面粗糙度值Ra=12.5μmm的3號(hào)和6號(hào)試塊上，缺陷檢測(cè)信號(hào)的信噪比非常低，已經(jīng)不能清晰分辨出缺陷信號(hào)。在表面粗糙度值Ra＝3.2μm的1號(hào)和4號(hào)試塊上，缺陷檢測(cè)信號(hào)的信噪比較高，而平磨試塊上同等深度的缺陷檢測(cè)信號(hào)的信噪比最高。由此可見(jiàn)，對(duì)于微小缺陷的檢測(cè)，表面粗糙度會(huì)直接影響檢測(cè)信噪比，較大的表面粗糙度值甚至?xí)?lái)漏判或誤判。換言之，在表面粗糙度確定的情況下，試件上可檢測(cè)缺陷的深度存在極限。

 b. 表面粗糙度對(duì)不同深度裂紋信噪比的影響

   保持試驗(yàn)條件不變，探頭以相同速度掃查所有試塊，對(duì)不同深度的裂紋進(jìn)行漏磁檢測(cè)。各試塊得到的缺陷檢測(cè)信號(hào)如圖1-12所示。

   分析檢測(cè)結(jié)果，根據(jù)式（1-1）得到在不同表面粗糙度下信號(hào)信噪比關(guān)于裂紋深度的關(guān)系曲線，如圖1-13和圖1-14所示。

   分析圖1-13所示飛刀銑表面上不同深度缺陷的信噪比曲線，對(duì)于相同的表面粗糙度，隨著人工裂紋深度的減小，缺陷信號(hào)的信噪比降低。與此對(duì)應(yīng)，如圖1-14所示，從立銑試塊的測(cè)試結(jié)果可以看出，在一定表面粗糙度下，裂紋深度變化引起的信噪比變化趨勢(shì)與飛刀銑試塊基本一致。但是，由于表面加工方式的差異，兩組試塊表面峰谷不平的分布規(guī)律并非完全一樣，從而導(dǎo)致采用不同加工方式形成的相同表面粗糙度表面上的相同深度缺陷信噪比不同。

   以上試驗(yàn)結(jié)果表明，在表面粗糙度確定的情況下，存在漏磁檢測(cè)裂紋極限深度。如果裂紋深度小于極限深度，受信噪比的影響，漏磁檢測(cè)靈敏度將降低。表面粗糙度對(duì)漏磁檢測(cè)的影響機(jī)理在于，表面粗糙度引起表面微觀峰谷不平輪廓，在兩種不同磁導(dǎo)率材料的分界面上，存在磁折射現(xiàn)象，上凸和下凹的輪廓引起了對(duì)應(yīng)表面上方磁場(chǎng)的不同分布。

3. 粗糙表面的磁場(chǎng)分布

   鐵磁性材料的漏磁檢測(cè)機(jī)理通常是基于下凹型缺陷處的磁場(chǎng)泄漏，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完整的檢測(cè)機(jī)理并非傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的描述，如“磁場(chǎng)泄漏”“產(chǎn)生漏磁信號(hào)”這樣一個(gè)過(guò)程。如圖1-15所示，從磁折射的角度考慮，漏磁檢測(cè)中，缺陷附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化主要是界面兩側(cè)不同介質(zhì)的磁導(dǎo)率差異引起的。不同的是由于界面處的磁折射現(xiàn)象，在凹型缺陷如裂紋或腐蝕下產(chǎn)生“正”的MFL信號(hào)，而在小突起物存在的地方，代表凸?fàn)钊毕輨t產(chǎn)生“負(fù)”的MFL信號(hào)?；谶@兩種情況，前者導(dǎo)致上凸的信號(hào)，后者產(chǎn)生一個(gè)凹陷的信號(hào)。由于這種凹凸信號(hào)的存在，當(dāng)感應(yīng)單元沿著凹凸不平的表面進(jìn)行掃查時(shí)，捕獲到的信號(hào)必定影響最終檢測(cè)結(jié)果。在微尺度條件下，工件表面的表面粗糙度模型中，緊密相連的“上凸”部分和“下凹”部分會(huì)產(chǎn)生不同的磁折射效應(yīng)，故采用這種完整的漏磁檢測(cè)機(jī)理。

   無(wú)論采用哪種加工方法，受刀具與零件間的運(yùn)動(dòng)、摩擦，機(jī)床的振動(dòng)及零件的塑性變形等因素的影響，所獲得的工件表面都存在微觀的不平痕跡，即為表面粗糙度，通常波距小于1mm。工件在使用過(guò)程中的磨損、腐蝕介質(zhì)的侵蝕消耗也會(huì)造成表面粗糙，這種較小間距的

   峰谷所組成的微觀幾何輪廓構(gòu)成表面紋理粗糙度，通常采用二維表面粗糙度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)即能基本滿足機(jī)加工零件要求，常用評(píng)定參數(shù)優(yōu)先選用輪廓算術(shù)平均偏差Ra，能夠直接反映工件表面峰谷不平的狀態(tài)。Ra的定義常通過(guò)圖1-16表示。

   由Ra的定義可知，其主要反映工件表面這種峰谷不平的狀態(tài)，在漏磁檢測(cè)中，這種峰谷不平的狀態(tài)會(huì)引起工件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布變化。Ra反映的是垂直于工件表面方向的高度變化，漏磁檢測(cè)中的垂直于工件表面方向?qū)?yīng)著缺陷的深度方向，因此建立表面粗糙度元的簡(jiǎn)化模型可以分析工件粗糙表面的漏磁場(chǎng)分布規(guī)律。

   通常采用規(guī)則的三角形鋸齒狀表面粗糙度元來(lái)建立表面粗糙度模型，模擬原本不規(guī)則的表面粗糙度元分布，便于定性和定量分析。仿真模型的特點(diǎn)是三角形表面粗糙度元緊密相連，其間無(wú)間隙。圖1-17所示為仿真分析獲得工件及周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度分布云圖，表面粗糙度模型中代表峰谷的凹凸三角形造成了周?chē)臻g磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布變化。A區(qū)域代表上凸三角形表面粗糙度元，其上方C區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度弱于該區(qū)域周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度；與此同時(shí)，緊鄰下凹三角形表面粗糙度元B的上方也存在區(qū)域D，該區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于其周?chē)臻g的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

   相對(duì)于基準(zhǔn)面，提離0.15mm，拾取表面上方一段長(zhǎng)度范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量變化曲線，如圖1-18所示。圖中仿真信號(hào)呈現(xiàn)出上凸下凹的變化規(guī)律，與圖1-17中的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律一致。

   當(dāng)表面粗糙度元的高度與缺陷深度具有相同數(shù)量級(jí)時(shí)，表面粗糙度元引起的磁場(chǎng)變化不可忽略。若缺陷附近表面粗糙度元產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度與缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，將難以分辨出缺陷信號(hào)。

   在上述仿真模型中，增加裂紋，仿真計(jì)算得到缺陷所在區(qū)域上方的漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量變化曲線如圖1-19所示。顯然，裂紋周?chē)谋砻娲植诙仍a(chǎn)生的磁噪聲信號(hào)，降低了缺陷的信噪比。當(dāng)然，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可根據(jù)圖1-19 粗糙表面裂紋上方漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量分布表面粗糙度引起的信號(hào)特征，采用合適的濾波算法去除噪聲信號(hào)，以提高信噪比。