CC BY
574
ОПТИКА, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК 681.7
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Александр Викторович Макеев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Получившие широкое развитие методы с применением лазерной интерферометрии в мировом машиностроении позволяют измерять с высоким временным и пространственным разрешением шероховатость поверхности, необходимую для контроля качества деталей, используемых в специальном машиностроении. Методы, основанные на лазерной интерферометрии, редко используются в отечественных экспериментальных установках, их практические возможности и ограничения слабо изучены, готовая аппаратура промышленно не выпускается. В данной работе предлагается обзор и систематический анализ современных методов контроля шероховатости поверхности деталей. Предлагается уделить особое внимание оптической интерферометрии как наиболее перспективному методу при исследовании шероховатости поверхности.
Ключевые слова: шероховатость поверхности, интерферометрические измерения, профиллограф, лазерный эллипсометр.
ANALYSIS OF MODERN METHODS OF INVESTIGATION OF SURFACE ROUGHNESS
Alexander V. Makeev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a graduate student of the department of special devices and technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Valerik S. Hayrapetyan
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., head of the department of special devices and technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
80
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
Has been widely developed methods using laser interferometry in global engineering allow to measure with high temporal and spatial resolution of surface roughness required to control the quality of parts used in special engineering. Methods based on laser interferometry are rarely used in domestic experimental facilities, their feasibility and limitations of poorly studied, ready equipment industry does not produce. This paper presents an overview and systematic analysis of modern methods of control of surface roughness. It is proposed to give special attention to optical interferometry as the most promising methods in the study of surface roughness.
Key words: surface roughness, interferometric measurements, profillograf, laser ellipsometer.
В современном технологическом производстве в процессе изготовления деталей крайне важен систематический контроль поверхности деталей изделия и качества материалов. Состояние поверхностного слоя влияет на эксплуатационные свойства деталей машин: износостойкость, виброустойчивость, контактную жесткость, прочность соединений и т. д. Одним из параметров, определяющих качество поверхностного слоя, является шероховатость поверхности. Контроль шероховатости поверхности должен обеспечивать высокую точность, локальность и воспроизводимость измерений. Важной задачей предстает создание автоматических систем контроля с компьютерной обработкой результатов. В соответствии с требованиями к шероховатости поверхности и точности размеров обрабатываемой детали применяется тот или иной метод контроля обрабатываемой поверхности. В работе рассмотрены наиболее часто применяемые и современные методы контроля шероховатости поверхности.
Профилографы и профилометры. Наибольшее распространение среди контактных методов контроля шероховатости поверхности деталей получили щуповые приборы, работающие по методу ощупывания контролируемой поверхности алмазным стилусом.
Принцип работы профилографа заключается в последовательном ощупывании поверхности иглой, перпендикулярной к контролируемой поверхности, преобразовании колебаний иглы оптическим либо электрическим способом в сигналы, которые записываются на носитель. Для удобства расшифровки профилограмма вычерчивается в увеличенном масштабе. Увеличение записи измеряемых высот неровностей в вертикальном направлении возможно в диапазoне от 400 до 200 000 раз. Современные профилографы позволяют измерять неровности поверхности высотой от 0,8 до 63 мкм. Погрешность вертикального увеличения профилографа для разных видов приборов от ± 5 до ± 10 %, а горизонтального - не более ± 10 % [1, 17].
Сравнительный бесконтактный метод. Данный метод основывается на сравнении измеряемой поверхности с образцами шероховатости, которые регламентированы ГОСТ 9378-93. Стандарт распространяется на образцы шероховатости поверхности, предназначенные для сравнения визуально и на ощупь с поверхностями изделий, полученными обработкой резанием, полированием, электроэрозионной, дробеструйной и пескоструйной обработкой. Этот метод является простым и доступным, обеспечивает достоверность контроля при
81
Вестник СГГА, вып. 4 (28), 2014
Ra > 1,25 мкм и Rz > 10 мкм и широко применяется в цеховых условиях [2]. Достоинством данного метода является простота измерения, к недостаткам можно отнести высокую погрешность измерения, так как результаты измерения напрямую зависят от субъективных навыков и опыта измеряющего, и высокую утомляемость человека, проводящего измерения.
Метод светового сечения. При этом методе измерения производятся по следующей схеме: пучок световых лучей, поступающих от источника света через узкую щель шириной около 0,1 мм, направляется объективом под углом а на контролируемую поверхность. Отражаясь от этой поверхности, лучи через объектив переносят изображение щели в плоскость фокуса окуляра. Если контролируемая поверхность является идеально ровной, то в окуляре щель будет иметь вид светящейся прямой линии. Если на поверхности имеется дефект, то в плоскости окуляра наблюдается искривленная светящаяся линия. Высота микронеровностей измеряется от визирной линии микрометром. Разность отсчетов при совмещении этой линии с верхним и нижним краями неровности считывается с микрометрического барабанчика и позволяет определять значения hi, необходимые для расчета Ra и Rz.
Измерение b1 осуществляется с помощью окулярного микрометра, перекрестие которого перемещается на угол в = 45° и при этом оценивается b2. Если пучок световых лучей направить на контрольную поверхность под углом
а = 45°, то b2 = b1 sin р
H
(sin а • sin р) -Vх ’
откуда H
2Vx .
Если на расстоянии 0,1 мм от контролируемой поверхности установить линейку со скошенным ребром, то последнее отсечет часть пучка света, и на контролируемой поверхности будет видна тень, отбрасываемая линейкой. Верхний край тени отражает профиль изучаемой поверхности, который и рассматривают в микроскоп (метод теневого сечения) [3].
Современные приборы, работающие по принципу светового сечения, позволяют измерять неровности поверхности высотой от 0,8 до 63 мкм при погрешности показаний от 24 до 7,5 %. Данные приборы позволяют определять параметры Rz, Rmax и S, а также осуществлять фотосъемку микронеровностей [2]. В зависимости от окуляра приборы, работающие по данному методу, позволяют измерять высоты микронеровностей в диапазоне от 0,8 до 62,5 мкм.
Лазерный эллипсометрический метод. Этот метод основан на анализе изменения поляризации света, прошедшего или отраженного от исследуемого объекта. На принципах эллипсометрии построены методы чувствительных бесконтактных исследований поверхности различных веществ, процессов адсорбции, коррозии и других. В качестве источника света в эллипсометрических измерениях используется монохроматическое излучение второй гармоники YAG:Nd -лазера (зеленый свет), которое дает возможность исследовать микронеоднородности на поверхности изучаемого объекта. Основной задачей эллипсометрии является исследование строения отражающей системы и опреде-
82
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
ление ее параметров посредством анализа изменений состояния поляризации светового пучка в результате отражения. Количественной мерой этих изменений служат поляризационные углы, определяемые основным уравнением эллипсометрии. Эллипсометрия не только используется для исследования металлов и окисных пленок на них, но и широко применяется для изучения тонкопленочных систем, изготавливаемых на основе полупроводниковых и диэлектрических материалов [10, 19].
Растровая электронная микроскопия. Растровый электронный микроскоп (РЭМ) позволяет получать изображения поверхности образца с высоким разрешением (несколько нанометров). Тонкий электронный луч, генерированный электронной пушкой, фокусируется электронными линзами. Катушки, расположенные согласно двум взаимно перпендикулярным направлениям, перпендикулярным направлению пучка, и контролируемые синхронизированными токами, позволяют подвергнуть зонд сканированию. Электронные линзы в совокупности с отклоняющими катушками образуют систему, называемую электронной колонной. В современных растровых электронных микроскопах изображение регистрируется в цифровой форме [4]. Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом намного больше расстояния между атомами мишени. Однако, сканирующий электронный микроскоп имеет свои преимущества, включая способность визуализировать сравнительно большую область образца, способность исследовать массивные мишени, а также разнообразие аналитических методов, позволяющих измерять фундаментальные характеристики материала мишени [20]. В зависимости от конкретного прибора и параметров эксперимента, может быть получено разрешение от десятков до единиц нанометров [5].
Преимущества РЭМ: значительная глубина резкости изображения (объемность); большие размеры объектов; простота системы электронной оптики; большой диапазон увеличений: от 3 раз до 150 000 раз.
Атомно-силовой микроскоп. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности [6].
Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное острие, располагающееся на конце упругой консоли (кантилевере). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу кантилевера. Появление возвышенностей или впадин под острием приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и к изменению величины изгиба кантилевера.
Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности. В зависимости от характера действия силы между кан-
83
Вестник СГГА, вып. 4 (28), 2014
тилевером и поверхностью образца, выделяют три режима работы атомносилового микроскопа: контактный, полуконтактный, бесконтактный [7, 21].
Достоинствами данного метода является возможность получения снимков микрорельефа поверхности с высоким разрешением (вплоть до атомарного) и возможность полностью автоматизированного измерения.
К недостаткам атомно-силовой микроскопии можно отнести небольшой размер поля сканирования, низкую скорость сканирования, сложность получения изображения, искажение изображения из-за нелинейности, крипа и гистерезиса пьезокерамики сканера [6, 7, 22].
Интерферометрический метод. Оптическая схема интерферометра, позволяющая проводить исследование неоднородности поверхности, представлена на рисунке.
Рис. 1. Оптическая схема интерферометра
В основу данной схемы положен интерферометр Майкельсона. Источником света служит ArF лазер (1) с длиной волны 190 нм, который проходит через полупрозрачную пластину (2) и распадается на два пучка одинаковой интенсивности. Первый пучок попадает на поверхность исследуемого образца (3) и обратно, рассеянное от него излучение проходит полупрозрачную пластину, попадает на экран (5). Второй пучок, отразившись от полупрозрачной пластины, попадает на зеркальную поверхность (4), отраженный пучок от которого, обратно пройдя полупрозрачную пластину, интерферирует с первым пучком и попадает на CCD-матрицу, затем производится цифровая обработка сигналов на ПК [9, 11]. Интерферометры очень чувствительны к внешним возмущениям, контроль этих возмущений предлагается осуществлять с помощью пьезоэлектрических виброметров, установленных на обратной поверхности отражающих зеркал. Сигнал от пьезоэлектрических виброметров с помощью математической обработки вычитается из результатов измерения, либо отбраковываются ре-
84
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
зультаты измерений при недопустимых вибрационных воздействиях на прибор [8]. Повысить точность измерений возможно использованием ArF-лазера с короткой длиной волны и узким спектром излучения, а также применением цифровой обработки результатов измерений [10, 12, 13, 14, 15, 16, 18].
В заключение приведем сравнение технических параметров основных методов контроля шероховатости поверхности деталей (таблица).
Таблица 1
Сравнение технических параметров основных методов контроля шероховатости поверхности деталей
Метод Диапазон измеряемых высот микронеровностей (мкм) Возможность цифровой обработки результатов измерений Сложность обработки результатов измерений Режим работы: Контактный «+» Бесконтактный «-»
Профиллограф 0,8-63 + Сравнительно низкая +
Сравнительный бесконтактный метод Ra > 1,25 Rz > 10 - Низкая -
Метод светового сечения 0,8-62,5 - Сравнительно низкая -
Эллипсометрия 0,000 3-0,057 9 + Очень высокая -
Растровая электронная микроскопия 0,000 4 + Очень высокая -
Атомно-силовая микроскопия > 0,001 + Очень высокая +
Интерферометрия > 0,019 + Сравнительно невысокая -
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Методы исследования и контроля шероховатости поверхности металлов и сплавов / Ю. Ф. Назаров, А. М. Шкилько, В. В. Тихоненко, И. В. Компанеец // Ф1П ФИП PSE. -2007. - Т. 5. - № 3-4. - Vol. 5. - No. 3-4.
2. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. / Под ред. И. Н. Жестковой. - 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001.
3. Мальков О. В., Литвиненко А. В. Измерение параметров шероховатости поверхности детали. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012.
4. Микроанализ и растровая электронная микроскопия / Под ред. Ф. Морис, Л. Мени, Р. Тиксье; пер. с франц. - М.: Металлургия,1985.
5. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Российская академия наук. - Нижний Новгород: Институт физики микроструктур, 2004.
6. Суслов А. А., Чижик С. А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор) // Материалы, Технологии, Инструменты. - 1997. - Т. 2. - № 3.
85
Вестник СГГА, вып. 4 (28), 2014
7. Lapshin R. V., Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology, Nanotechnology, vol. 15, iss. 9, 2004. - pp. 1135-1151.
8. Айрапетян В. С., Губин С. Г., Макеев А. В. Оптические исследования шероховатости // Труды ХV Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск: НГТУ. - 2014. - С. 8-10.
9. Макеев А. В., Киндиров А. А., Губин С. Г. Анализ композиционных материалов для изготовления боеприпасов с отсечкой пороховых газов в переменно-замкнутом объеме // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОп-тика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 120-123.
10. Горшков М. М. Эллипсометрия. - М., 1974.
11. Айрапетян В. С. Рассеяние света от поверхности лазерной керамики // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 3 (23). - С. 115-119.
12. Войновский В. А., Айрапетян В. С., Синякин А. К. Тенденции развития модульных тепловизионных систем // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 107-115.
13. Айрапетян В. С., Мухаметова О. В. Экспресс анализ крови методом ИК-спектроскопии // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 115-120.
14. Можаев Ю. А. Метод анализа взаимодействия парциальных подсистем в механической системе // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 120-126.
15. Айрапетян В. С., Губин С. Г. Устройства для измерения скорости боеприпасов // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 73-78.
16. Джонс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия / Пер. с англ. А. А. Колоколова и др.; под. ред. Г. В. Скороцкого. - М.: Мир, 1986. - 327 с.
17. Степанов С. Н., Табенкин А. Н., Тарасов С. Б. Метрологическое обеспечение производства. Нормирование параметров и способы измерения текстуры поверхности. - СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2012. - 147 с.
18. Привалов В. Е. Лазерные интерферометры для механических измерений. - СПб.: Мех. ин-т, 1992. - 56 с.
19. Асалханов Ю. И. Эллипсометрия субмонослойных покрытий и приповерхностный слой твердых тел / Рос. акад. наук. Сиб. отд-ние. Бурят. науч. центр и др. - Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, 1998. - 208 с.
20. Дюков В. Г., Кудеяров Ю. А. Растровая оптическая микроскопия: монография. -М.: Наука, 1992. - 207 с.
21. Magonov S. N., Whangbo M. H. Surface analysis with STM and AFM: experimental and theoretical aspects of image analysis / Weinheim [et al.] : VCH, 1996. - XII, 323 p.
22. Ефименко Л. П., Жабрев В. А., Пугачев К. Э. Исследование материалов и покрытий методом атомно-силовой микроскопии. - М.: Спутник+, 2010. - 51 с.
Получено 06.12.2014
© А. В. Макеев, В. С. Айрапетян, 2014
86
