Оценка шероховатости поверхности с использованием трехмерных топографий Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 620.179.118

Е. А. Филимонова, О. С. Юльметова, С. Д. Третьяков

ОЦЕНКА ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРЕХМЕРНЫХ ТОПОГРАФИЙ

Представлены графические (непараметрические) критерии оценки шероховатости поверхности на базе трехмерных топографий. Разработана программа построения указанных критериев, реализованная в среде Ма1ЬаЪ.

Ключевые слова: шероховатость, непараметрический критерий, трехмерная топография.

На функциональные свойства различных изделий существенно влияет микрогеометрия их поверхностей [1]. С целью повышения качества изготавливаемых деталей, имеющих функциональные показатели, существенно зависящие от шероховатости поверхности, необходимо определить микрогеометрию последней. Несмотря на многочисленные исследования задача оптимизации микрогеометрии остается нерешенной, поскольку полученные результаты носят в лучшем случае частный характер и оказываются невоспроизводимыми при малейшем изменении условий реализации технологии обработки поверхностей по сравнению с условиями эксперимента.

В работах профессора В. А. Валетова доказано, что с помощью существующих параметрических стандартов нельзя решить задачу оптимизации микрогеометрии поверхностей для их конкретных функциональных свойств [2, 3].

На рис. 1 представлены микротопографии (а, б), профили (в, г) и параметры шероховатости (д, е) двух различных поверхностей с разными функциональными свойствами (оптическими коэффициентами отражения меток, сформированных методом лазерного маркирования), однако стандартные параметры микрогеометрии этих поверхностей одинаковы (см. рис. 1, д, е).

Рис. 1

Очевидно, что использование микротопографий поверхностей в качестве критериев оценки и контроля их микрогеометрии является наиболее эффективным [4]. В настоящей работе предложена методика оценки и контроля микрогеометрии поверхностей на основе непа-

Оценка шероховатости поверхности с использованием трехмерных топографии

59

раметрических критериев — графических изображений эмпирических плотностей распределения ординат (или тангенсов углов наклона) микротопографии.

На рис. 2 представлены микротопография модели исследуемой поверхности (а), результат разбиения микротопографии на слои (б; I, II, III) и плотность распределения ординат то-пографий H(y) (в), где Н — отношение числа ординат, попавших в слой, к общему числу ординат трехмерной топографии (Hi — 3/19, Нц — 9/19, Нш — 7/19); yt — значения ординаты для i-го слоя. Аналогично графику плотности распределения ординат строится график плотности распределения тангенсов углов наклона а трехмерных топографий H(tga). При сравнении нескольких микротопографий следует осуществлять построение указанных кривых в едином масштабе.

Для оценки микрогеометрии поверхности с помощью графических критериев в среде MatLab [4] была разработана программа [5].

Как видно из рис. 1, использование параметрических критериев для анализа шероховатости прецизионной поверхности неэффективно. Наиболее полную информацию о характере поверхности несет ее трехмерная топография, которая может быть построена с помощью приборов ощупывающего типа (например, измерительной станции Hommel Tester T8000) либо с использованием средств сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ Nanoeducator).

Практическое использование методики оценки микрогеометрии начинается с измерения шероховатости поверхности прибором ощупывающего типа и сохранения координат микротопографии в виде текстового файла (эта функциональная возможность включена в меню любого современного прибора, предназначенного для исследований микротопографий поверхностей). После этого осуществляется загрузка txt-файла в среду MatLab при помощи функции load ('имя файла', '-ascii'), в виде матрицы с тремя столбцами. В первом столбце приведены координаты перемещения щупа прибора по оси X, во втором — по оси Y, в третьем — по оси Z. Построение графика плотности распределения ординат осуществляется с помощью функции hist.

Ниже приведен фрагмент кода программы, позволяющей:

1) осуществить загрузку файла с расширением .txt

3) построить эмпирическую плотность распределения ординат трехмерной топографии

4) осуществить нормирование эмпирической плотности распределения ординат трехмерной топографии

Рис. 2

P=load(,topography.txt','-ascii'); 2) получить координаты щупа прибора по осям X, Y, Z

X=P(:,1); Y=P(:,2); Z=P(:,3);

[m,n]=hist(Y,10);

m=m./length(Y);

5) вывести график кривой в отдельном окне

figure(l)

plot(n,m,'black','LineWidth',1.5) hold on

xlabel('Y,mkm','Fontsize',14); ylabel('H','rotation',0,'Fontsize',14).

На рис. 3 представлен результат работы программы.

я

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 Y, мкм Рис. 3

Разработанная программа позволяет визуализировать предложенные непараметрические характеристики микрогеометрии — плотность распределения ординат и тангенсы углов наклона трехмерных топографий. Предложенный подход дает возможность перейти от субъективной зрительной оценки топографий к объективной компьютерной и контролю с использованием максимально информативных критериев — микротопографий поверхностей. Примером тому может послужить работа [4], в которой предложена процедура оптимизации шероховатости поверхности электростатического гироскопа для функционального свойства „контрастность" [4].

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 14-08-31097.

список литературы

1. Waletow W., Staufert G. Moderne Methoden der Oberflaechenforschung // Technische Rundschau. 1981. N 10. S. 5—7.

2. Valetov W. A., Grabow J. Neue Verfahren auf dem Gebiet der Analyse und Kontrolle der Oberflaechenmikrogeometrie // 41 Intern. Wissenschaftliches Kolloquium. 1996. Bd 2. S. 622—625.

3. Valetov W. A., J.Grabow., S. Tretiakow. Zur experimentuellen Erforshung der Mikrogeometrie von Reibungsobertlaechen // 47 Intern. Wissenshaftliches Kolloqium. 2002. Tagussband. S. 403—404.

4. Юльметова О. С. Разработка технологических методов управления функциональными характеристиками узлов гироприборов: Дис. ... канд. техн. наук. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. 120 с.

5. Юльметова О. С., Юльметова Р. Р., Сисюков А. Н. Разработка программы в среде MatLab для обработки и анализа микрогеометрии поверхности // Сб. тр. конф. молодых ученых. Вып. 2. Биомедицинские технологии, мехатроника и робототехника. СПб: СПбГУ ИТМО. 2009. С. 300—304.

Сведения об авторах

Сергей Дмитриевич Третьяков — канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО, кафедра технологии

приборостроения, Санкт-Петербург; E-mail: [email protected] Ольга Сергеевна Юльметова — канд. техн. наук; ОАО Концерн ЦНИИ „Электроприбор", Санкт-

Петербург; старший научный сотрудник; E-mail: [email protected] Елена Алексеевна Филимонова — аспирант; Университет ИТМО, кафедра технологии приборостроения,

Санкт-Петербург; E-mail: [email protected]

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

технологии приборостроения 09.04.14 г.