Описание методов и приборов для контроля шероховатости поверхности

Для контроля по­верхностей применяют в основном ин­терференционные приборы.

Принцип действия интерферометров основан на сравнении световых волн, получаемых при отражении когерент­ных пучков света от контролируемой и эталонной поверхности.

На рис. 1 показана схема двухлучевого микроинтерферометра Линника. В ее основу положен принцип действия интерферометра Майкельсона. Свет от источника 1 (лампа накаливания) проходит через конденсор 2 и диафрагму 3, зеркалом 4 делится на два когерентных пучка, которые фокусируются объективами 5 и 5' на эталонное зеркало 6 и контролируемую поверхность 7 соответственно. После отражения от эталона и изделия пучок проходит через те же элементы схемы и фокусируется линзой 8 в плоскости диафрагмы 9, в которой с помощью окуляра 10 наблюдают интерференционную картину взаимодействия эталонного и ра­бочего пучков света.

Рис.1. Схема двухлучевого микроинтерферометра Линийка

При этом наблюдают полосы интерференции, искривленные в соответ­ствии с профилем исследуемой поверхности. Кривизну полос измеряют, на­пример спомощью окулярного микрометра. Она является количественной характеристикой микронеоднородностей поверхности изделия. Измерения можно проводить в белом или монохроматическом свете.

Микроинтерферометр может быть вы­полнен и с одним объективом. При этом светоделительное зеркало и эталон размещаются между микрообъективом и контролируемой поверхностью при работе в белом свете высота неровности

Н = 0,27 ДN,

где ДN — величина изгиба интерференционной полосы в долях интервала. При работе в монохроматическом свете

H = л ДN/2,

где л — длина волны света.

Величину ДNоценивают на глаз или измеряют окулярным винтовым микрометром типа МОВ-1-15.

При контроле шероховатости крупногабаритных изделий предварительно снимают слепок (реплику) с его поверхности, который затем помещают в кювету с иммерсионной жидкостью, располагаемой в фокальной плоскости микроинтерферометра, и исследуют обычным методом. Этот особ контроля получил название иммерсионнорепликового.

Наибольшая глубина рисок, измеряемых с помощью двухлучевых мик­роинтерферометров, определяется апертурой и увеличением микрообъектива. Согласно ГОСТ 9847—79 микроитперферометры рекомендованы для изме­рений неровностей от 0,1 до 1 мкм.

Микроинтерферометры обычно снабжают устройством для фотографирования интерференционной картины.

Для расширения верхнего предела измерения интерферометров предло­жены различные устройства, Так, с помощью интерференционного клинового компенсатора А. И Карташова микроинтерферометрами МИИ-4 и МИИ-5 можно измерять неровности высотой от 4 до 30 мкм.

Глубину рисок или ступенек, поверхности которых у верхнего и ниж­него краев имеют достаточную отражательную способность, измеряют при­борами МИИ-4 и МИИ-5 интерферен­ционно-индикаторным методом. Ин­терференционные полосы наводят на резкость последовательно на дно риски и ее край. Глубина риски определяется величиной фокусировочного переме­щения микрообъектива. Этим методом можно измерять риски глубиной 20— 100 мкм при ширине до 0,25 мкм

Для определения поверхности с па­раметрами шероховатости Rz = 3,2-80 мкм применяют оптический профилометр Ю. В. Коломийцева, пред­ставляющий собой сочетание микроинтерферометра с двойным микроскопом. Его оптическая схема показана на рис. 12.

Рис. 2. Оптическая схема профилометра Ю. В. Коломийцева:

1 — источник света; 2 — конденсатор; 3 — щель; 4 — объектив коллиматора; 5 — зеркало; 6 — светоделительная призма; 7, 8, 11, 12 — объективы; 9 — контролируемая поверхность; 10 — зеркало; 13 — светоделительная призма; 14 — зеркало; 15 — объектив трубы; 16, 17 -цилиндрическая линза и окуляр объектива трубы; ф — угол падения луча

Свет от источника 1 с помощью конденсора 2 освещает щель 3, располо­женную в фокусе коллиматора 4. Объектив 7 с помощью зеркала 5 и светоделитель ной призмы 6 проектирует щель 3 на контролируемую по­верхность 9. Объектив 8 проектирует ее на зеркало 10. После отражения пучки попадают в объективы 11 и 12, соединяются призмой 13 и зеркалом 14 направляются в объектив 15.

В поле зрения окуляра 17 наблюдаются две линии, представляющие изображение щели, одна из которых искривлена в соответствии с неров­ностью контролируемой поверхности. При этом прибор работает в режиме двойного микроскопа. Включив цилиндрическую линзу 16, его можно использовать как интерферометр. При этом в окуляр видны интерференцион­ные полосы, параллельные изобра­жениям щели. О величине неровностей судят по степени изгиба этих полос.

Поверхности с малыми неровностями (№ 0,002 мкм) контролируют методом многократного отражения лучей, назы­ваемым также методом многолучевой интерферометрии.

Схема многолучевого микроинтер­ферометра показана на рис. 3. Свет от источника 1 (ртутная лампа низкого давления, дающая монохроматическое излучение, выделяемое фильтром 10) через диафрагму 2 проходит конденсор 3 и параллельным пучком падает наполупрозрачное зеркало 4. После отражения пучок проходит пластину 5, накладываемую на объект 6 под ма­лым углом щ. Ее нижняя сторона покрыта слоем вещества с коэффициентом отражения, близким к коэф­фициенту отражения контролируемой поверхности.

Между пластиной 5 и объективом 6 возникает интерференция многократно отраженных лучей. Картину интерференции, локализованную на поверхности пластинки, рассматривают в микроскоп (элементы 7, 8, 9). Прибор позволяет наблюдать как полосы равного наклона (при интерференции в плоскопараллельном слое), так и полосы равной толщины (при интерференции в клине). Распределение яркости полос в многолучевом интерферометре отличается от синусоидального, свойственного двухлучевым схемам. Полосы значительно уже, что определяется коэффициентом отражения сравниваемых поверхностей. При коэффициенте отражения с ≈ 0,94 распределение яркости полосы почти прямоугольное.

Примером многолучевого интерферометра может служить прибор «Мультими» фирмы Иогансон (Швеция). Его увеличение 50 и 150, апертуры объективов 0,14 и 0,18, поле зрения 3,25 и 1,18 мм соответственно. Пределы измерений 2 ... 0,01 мкм, точность до 0,002 мкм.

С помощью почти всех микроинтер­ферометров можно контролировать из­делия не только в отраженном, но и в проходящем свете.

Профилографические методы контроля шероховатости основаны на ре­гистрации перемещений специальной иглы, находящейся в контакте с ис­следуемой поверхностью.

Для измерения перемещения иглы используют принцип оптического ры­чага. Смещения измерительного щупа вызывают наклоны зеркала, которые фиксируются визуально или фотоэлектрически с помощью оптической си­стемы с большим увеличением. При этом масштаб записи может быть бо­лее100 000.

Эти приборы используют для контроля поверхности с параметрами шероховатости Rz = 0,4 - 20 мкм.

Погрешность составляет около 10 %. Радиус иглы 2 и 10 мкм. Измеритель­ное усилие около 0,1—9,8 МН. Длина записываемой трассы до 5 мм, скорость записи около 0,5 мм/с. Габаритные размеры, например, профилографа за­вода «Калибр» 1450X720X1600 мм, масса 400 кг.

Отечественная промышленность так­же выпускает профилометры ИЗП-7 и ИС-18.

Метрологическое обеспечение кон­ троля шероховатости. Образцовые меры шероховатости 1-го разряда могут быть одноштриховыми и с регуляр­ным профилем. Их выпускают в виде металлических пластинок 40Х40Х X 10 мм, комплектуемых в наборы по 4—8 шт. Риски наносят алмазным резцом. Для оценки шероховатости методом сравнения применяют рабочие образцы в виде пластинок или секторов (для цилиндрических деталей) размером 30X20 мм, изготовляемые из стали или чугуна в соответствии с ГОСТ 9378—60. Допускается применение других материалов. Рабочую поверхность обраба­тывают точением, фрезерованием, шлифованием и т. д.

Приборы для контроля и измерения поверхностных дефектов и микроге­метрии. Благодаря малой глубине резкости микрообъективов обычные микроскопы можно использовать в качестве эффективного и достаточно простого средства измерения глубины поверхностных дефектов. Измерение осуществляется последовательной фокусировкой микроскопа на дно риски или царапины и ее верхний край и регистрацией перемещения тубуса микроскопа. Погрешность измерения (в мкм) можно определить по формуле:

Дz=0.2/A²

где Дz  — апертура микрообъектива.

Для А — 0,65 Дz = 1 мкм.