CC BY
375
УДК 681.7:681.787
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Александр Викторович Макеев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного 10, аспирант кафедры специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
В работе предлагается обзор современных методов и устройств, для исследования и контроля микрогеометрии поверхностей деталей, включая контактные и бесконтактные методы. Уделено особое внимание совершенствованию метода оптической интерферометрии с применением лазерного излучения с короткой длинной волны и цифровой обработкой результатов, как наиболее перспективному методу при исследовании шероховатости поверхности.
Ключевые слова: шероховатость поверхности, профиллограф, интерферометрические измерения, бесконтактные методы контроля шероховатости поверхности, ArF лазер.
THE APPLICATION OF LASER METODS FOR MONITORING OF SURFACE MICRORELIEF
Alexander V. Makeev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 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]
The paper provides an overview of modern methods and devices for the study and control of surface micro-geometry parts, including contact and non-contact methods. Given special attention to improving the method of optical interferometry using laser radiation with shorter wavelengths and digital processing of the results, as the most promising methods in the study of surface roughness.
Key words: surface roughness, profillograf, interferometric measurements, non-contact methods of control of surface roughness, ArF laser.
Повышение качества выпускаемой продукции является очень важной задачей современной промышленности. Безотказность работы и срок службы изделия определяется точностью его размеров, формы и состояния микрогеометрии поверхностного слоя. Последнее свойство достойно особого внимания, поскольку в мировом машиностроении возможности повышения качества изделий путем повышения точности формы и размеров практически исчерпаны. Поэтому создание оптимального микрорельефа рабочих поверхностей, а также применение недорогих и высокоэффективных методов для контроля состояния поверхностных слоев деталей предоставляют большие резервы, для повышения качества выпускаемой продукции. В зависимости от материала, и в соответствии с требованиями к микрорельефу поверхности, и точности размеров обраба-
тываемой детали возможно применение различных методов и средств для контроля обрабатываемой поверхности. Контроль состояния поверхностного слоя деталей должен обеспечивать высокую точность, скорость, локальность и воспроизводимость получаемых в процессе измерения результатов. Важной задачей предстает создание бесконтактых автоматических систем контроля с компьютерной обработкой результатов.
Цель работы: Произвести обзор современных методов контроля шероховатости поверхности деталей. Предложить собственный интерферометрический метод контроля шероховатости поверхности деталей с использованием коротковолнового лазерного излучения, цифровой обработкой лазерного излучения и автоматизацией процесса измерения.
Контактные методы. У приборов, работающих по данному методу в качестве измерительного зонда используется механический измерительный щуп. Данный метод дает лучшее горизонтальное разрешение по сравнению с бесконтактными методами и исключает зависимость от оптических констант исследуемого материала, однако измеренный профиль представляет собой свертку истинного профиля и радиуса щупа (определение точного профиля невозможно), щуп может повредить поверхность, диапазон измеряемых высот микронеровностей должен быть откалиброван с помощью независимого эталона.
Профилографы и профилометры. Наибольшее распространение среди контактных методов контроля шероховатости поверхности деталей получили щу-повые 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 диапазоне 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% [1,13].
Бесконтактные методы. Особенностью бесконтактных профилометров является использование электромагнитного излучения в качестве измерительного зонда. В качестве достоинств данных методов можно выделить то, что луч не может повредить поверхность, диапазон измеряемых высот микронеровностей может быть откалиброван автоматически, потому что они измеряются в единицах известной длинны волны излучения. Также данный метод дает лучшее горизонтальное разрешение. К недостаткам можно отнести зависимость от оптических констант материала, и то что при использовании светового луча шероховатость зачастую измеряют по отношению к референтной поверхности, у которой необходимо исключать шероховатость
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 Яа> 1,25 мкм и Я2> 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 объективпереносят 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 линиимикрометром. Разность отсчетов при совмещении этой линии с верхним и нижним краями неровности считыва-ется с микрометрического барабанчика и позволяет определять значения Ии необходимые для расчета Яа и Яг. Если на расстоянии 0,1 мм от контролируемой поверхности установить линейку 4 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). 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 Я^, 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 УЛО:Кё - лазера (зеленый свет), которое дает возможность исследовать микронеоднородности на поверхности изучаемого объекта. Основной задачей эл-
липсометрии является исследование строения отражающей системы и определение ее параметров посредством анализа изменений состояния поляризации светового пучка в результате отражения. Количественной мерой этих изменений служат поляризационные углы, определяемые основным уравнением эл-липсометрии. Эллипсометрия используется не только для исследования металлов и окисных пленок на них, но и широко применяется для изучения тонкопленочных систем, изготавливаемых на основе полупроводниковых и диэлектрических материалов.[10,15]
Растровая электронная микроскопия. Растровый электронный микроскоп (РЭМ), позволяет получать изображения поверхности образца с высоким разрешением (несколько нанометров). Тонкийэлектронныйлуч генерированныйэ-лектронной пушкой, фокусируется электронными линзами. Катушки, расположенные согласно двум взаимно перпендикулярным направлениям, перпендикулярным направлению пучка и контролируемые синхронизированными токами, позволяют подвергнуть зондсканированию. Электронные линзы в совокупности с отклоняющими катушками образуют систему, называемуюэлектронной 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[16]. 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 поверх-ности[6]. Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли (кантилевере). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу кантилевера. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности. В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют три режима работы атомно-силового микроскопа: контактный,
полуконтактный, бесконтактный [7,17]. 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[6,7,18].
Методы оптической интерферометрии. Оптическая схема установки, позволяющей проводить исследование неоднородности поверхности на основе явления интерференции света представлена на рис 1. Кратко суть явления можно описать следующим образом: при сложении когерентных световых волн (двух и более) интенсивность результирующей волны зависит от разности фаз складывающихся волн. Возможно реализовать два случая интерференции, при которых наблюдаются полосы (кольца) равного наклона или полосы равной толщины [25]. В основу данной схемы положен принцип интерферометра Май-кельсона. Источником света служит ArF лазер , с короткой длиной волны Х=195нм, что позволяет добиться возможности измерения очень малых значений высот микронеровностей поверхностей (1). Луч проходит через полупрозрачную пластину служащую светоделителем (2) и распадается на 2 пучка (объектный и опорный) одинаковой интенсивности. Объектный пучок попадает на поверхность исследуемого образца (3) и обратно рассеянное от него излучение пройдя полупрозрачную пластину попадает на экран (5). Опорный пучок отразившись от полупрозрачной пластины попадает на зеркальную (референтную) поверхность (4), отраженный пучок, от которой обратно пройдя полупрозрачную пластину интерферирует с первым пучком и попадает на CCD- матрицу подключенную через последовательную высокоскоростную шину IEEE 1394 к персональному компьютеру, если длина пути объектного пучка равна длине пути опорного пучка, то наблюдается максимум интерференционной картины, и пиксель на CCD матрице будет иметь высокую интенсивность, если равенство не выполняется наблюдается минимум интерференционной картины, и пиксель имеет меньшую интенсивность. Затем производится цифровая обработка интерференционной картины по интенсивности пикселей для установления микрогеометрии поверхности. Интерференционная картина излучения, рассеянного от шероховатой поверхности дает сложную квазипериодическую структуру, может оказываются зашумленной и для ее исследования и обработки требуются методы, которые позволяют определять локальные особенности пространственно-частотных характеристик интерференционных полос. Таким методом может служить непрерывное вейвлет преобразование с использованием вейвлета Морле [19]. Для интерферометрических установок очень важна точность позиционирования образца относительно референтной поверхности. Позиционирование предлагается осуществлять с помощью трехкоординатных
столиков марки Newport UMR 5.25 с электроприводом LTA-HL и компьютерным управлением через SUB-D Connector (6).
Рис. 1. Схема интерферометра для контроля микрогеометрии поверхности
Минимальную высоту микронеровностей, которую можно измерить в зависимости от характеристик источника лазерного излучения определяется по
следующей формуле [4]: ^ = ^ , где: Х- длина волны лазерного излучения; а -
угол между соседними интерференционными полосами. Угол а можно опреде-
I2Ьког т
лить исходя из а = , где: Ьког- длина когерентности лазерного излуче-
ния; 5Х- спектральная ширина излучения лазера. Подставляя вторую формулу в
г Я Хл/8Х п „
первую имеем: Ь = ,-= . . Расчет минимальной высоты микронеровно-
^ : ^ 2Ьког л/2 Ьког ^ ^
8Л
-5
стей выполним по третьей формуле. Для YAG:Nd лазера получаем:
Я к№ 1,064 • Ю-6 • л/10-13
( = , = , = -----= 3 • 10 ~12м
Ш^г л[21жог л/27ОД
SX
Для ArF лазера:
X 195 • 1(Г9 • VltF1*
f = --= --=----= 1 • 10"
\2Lkoz лШжог • 0,5
>/ SX
Характеристики лазеров представлены в табл. 1.
Таблица
Характеристики лазерных источников света
Тип лазера Длина волны X Спектральная ширина излучения 5X Длина когерентности L^n Минимальная высота микронеровностей f
YAG:Nd3+ 1,064 мкм 10-2-10-3А 0,3м 3 • 1 (Г12л*
ArF 195нм 10-3-10-4 А 0,5м 1 • 10-13м
Выводы: Произведен обзор современных методов контроля шероховатости поверхности. Предложена схема установки интерферометра для автоматизированного измерения шероховатости поверхности деталей. Произведен расчет минимальных высот микронеровностей, возможных для измерения предложенным интерферометрическим методом с использованием коротковолнового лазерного излучения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ю.Ф. Назаров, А.М. Шкилько, В.В. Тихоненко, И.В. Компанеец. Методы исследования и контроля шероховатости поверхности металлов и сплавов 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. Морис Ф., Мени Л., Тиксье Р./, Франция, 1978: пер. с франц.: М.: Металлургия,1985.
5. В. Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии. Российская академия наук, Институт физики микроструктур г. Нижний Новгород, 2004 г.
6. Суслов А. А., Чижик С. А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор) // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), № 3
7. R. V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nano-technology, Nanotechnology, vol. 15, iss. 9, pp. 1135-1151, 2004
8. Айрапетян В.С., Губин С.Г., Макеев А.В. Оптические исследования шероховатости. // Труды XV 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 объёме // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Между нар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОпти-ка-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; Основы эллипсометрии, Новосибирск, 1979. Т. Н. Крылова.
11. Айрапетян В. С. Рассеяние света от поверхности лазерной керамики // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 3(23). - С. 115-119
12. Р.Джонс, К.Уайкс. Голографическая и спекл-интерферометрия /пер.с англ. А.А.Колоколова и др.; под. ред. Г.В.Скороцкого. - М. : Мир, 1986. - 327 с.
13. С. Н. Степанов, А. Н. Табенкин, С. Б. Тарасов. Метрологическое обеспечение производства. Нормирование параметров и способы измерения текстуры поверхности / - Спб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2012. - 147с.
14. В.Е. Привалов. Лазерные интерферометры для механических измерений / - Спб. : Мех. ин-т. 1992. - 56 с.
15. Ю.И. Асалханов. 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.
16. В.Г. Дюков, Ю.А. Кудеяров. Растровая оптическая микроскопия: монография / -М. : Наука, 1992. - 207 с.
17. S.N. Magonov, M.-H. Whangbo. Surface analysis with STM and AFM: experimental and theoretical aspects of image analysis / Weinheim [et al.] : VCH, 1996. - XII,323 p.
18. Л. П. Ефименко, В. А. Жабрев, К. Э. Пугачев. Исследование материалов и покрытий методам атомно-силовой микроскопии /Центр коллектив. пользования по исслед. нано-частиц, наноструктур и нанокомпозитов [и др.]. - М. : Спутник+, 2010. - 51 с.
19. Информационные, вычислительные и управляющие системы. Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). Выпуск 6 / Главн. ред. В Н. Васильев. - СПб.: СПбГИТМО, 2002. - C. 153-157
© А. В. Макеев, 2015
