3.3.8. Измерение шероховатости поверхности оптическими способами

Микронеровности или шероховатости – совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующими рельеф поверхности изделий. От шероховатости поверхностного слоя (размеров, формы и взаимного расположения неровностей) зависят эксплуатационные качества и долговечность деталей и узлов. Поэтому важно контролировать качество обработки поверхностей деталей, назначаемых конструктором. Шероховатость поверхности рассматривается в пределах некоторого участка, длина которого (базовая длина l) выбирается в зависимости от характера поверхности. Чем грубее поверхность, тем больше должно быть значение l: предусмотрено шесть стандартных назначений базовой длины от 0,08 до 25 мм. По ГОСТ 2789 шероховатость поверхности для микропрофиля (рис. 18) оценивается двумя основными критериями: R_а – среднее арифметическое отклонение профиля (среднее значение расстояний y₁, y₂, y₃, …, y_n точек измеряемого профиля до средней линии «т»):

или.

R_z – высота неровностей (среднее расстояние между находящимися в пределах базовой длины пятью высшими точками выступов и пятью низшими точками впадин, измеренное по линии, параллельной средней):

.

Рис. 18. Профиль шероховатой поверхности

По ГОСТ 2789 установлено 14 классов чистоты поверхности. Для классов 1…5 и 13…14 оценку рекомендуется производить по критерию R_z, а для классов 6…12 – по критерию R_а. Максимальные числовые значения параметров шероховатости R_а лежат в пределах от 0,01 (14-й класс) до 80 мкм (1-й класс) и R_z от 0,05 до 320 мкм. В производственных условиях обычно приходится определять класс чистоты обработанной поверхности и измерять шероховатость. При этом используются методы измерения шероховатости и визуального сравнения. Визуальное сравнение дает надежные результаты только для поверхностей до 7-го класса чистоты. Для повышения надежности контроля шероховатости этим методом до 10-го класса применяются микроскопы для сравнения контролируемой поверхности с поверхностью образцовой шероховатости.

Шероховатость измеряют контактным методом с помощью щуповых приборов (профилометров и профилографов) и бесконтактными оптическими приборами (двойными микроскопами, микроинтерферометрами и др.).

При контактных методах измерения шероховатости поверхности по контролируемой поверхности перемещается алмазная или стальная игла (с радиусом закругления 1…12 мкм). При этом она получает микроперемещения в направлении своей оси, соответствующие изменению профиля поверхностных неровностей. Эти микроперемещения усиливаются и регистрируются отсчетными устройствами. Чаще применяются контактные приборы, построенные на пружинно-рычажных, оптико-механических и электромеханических принципах. Так, например, профилометры, разработанные на базе пружинно-измерительных головок (микаторов), имеют малые вес и габариты. Измерительная головка, снабженная ощупывающей иглой, перемещается по контролируемой поверхности от руки с помощью микрометрического винта. Стрелка прибора по шкале показывает высоту неровностей. По этим показаниям можно построить профилограмму и затем по формулам найти значение R_z или R_а.

Профилографы позволяют автоматически получить увеличенную запись микропрофиля поверхности в виде профилограммы. Для этой цели прибор имеет специальное самопишущее устройство.

Бесконтактные (оптические) методы измерения шероховатости поверхности делятся на метод светового сечения и интерференционные методы.

При методе светового сечения контролируемая поверхность освещается узкой полосой света (световой плоскостью). Контур профиля поверхности в виде линии пересечения световой плоскости с контролируемой поверхностью, искривленной микронеровностями (рис. 19,а), рассматривается при значительном увеличении. Приборы, построенные на этом принципе, называются двойными микроскопами (микроскопы МИС – системы акад. В.П. Линника, микроскопы ПСС), так как они состоят из осветительного О и визуального В микроскопов (рис. 19,б). Изображение щелевой диафрагмы 1 (рис. 19,в), расположенной в фокальной плоскости линзы 2, проектируется объективом осветительного микроскопа на исследуемую поверхность 3, а объектив 4 визуального микроскопа проектирует изображение линии пересечения световой плоскости с исследуемой поверхностью в фокальную плоскость 6–6 окуляра 5. В плоскости 6–6 расположено отсчетное устройство (окулярный микрометр). Оптические оси микроскопов располагаются под углом 90° и наклонены под углом 45° к контролируемой поверхности. Наличие угла наклона к контролируемой поверхности приводит к искажению размеров высоты неровностей по сравнению с их шагом (при угле 45° – в раза). Однако если световую плоскость направить перпендикулярно к исследуемой, то будет резкое ухудшение условия освещенности поля зрения визуального микроскопа. При более острых углах (меньших чем 45°) между осью осветительного микроскопа и исследуемой поверхностью получается дополнительное увеличение высоты неровностей, но и возникают бόльшие погрешности при их измерении, так как при этом нельзя добиться одинаково резкой фокусировки изображения выступов и впадин неровностей.

В поле зрения окуляра микроскопа (рис. 19,г) наблюдается картина распределения шероховатостей на некотором участке базовой длины (из-за небольшого поля зрения). Высота неровностей определяется умножением разности отсчетов по шкале окулярного микрометра при совмещении горизонтальной нити перекрестья с выступами и впадинами неровностей на цену деления окулярного микроскопа. Картину шероховатостей на отдельных участках исследуемой поверхности можно фотографировать (с помощью фотонасадок).

Для измерения шероховатости 3-9-го классов к микроскопу придаются несколько пар сменных микрообъективов. Погрешность показаний приборов зависит от общего увеличения и составляет от 7,5 до 24 %. С помощью двойных микроскопов можно измерять толщину тонких прозрачных пленок.

Рис. 19. Двойной микроскоп:

а – схема световых сечений; б – общий вид; в – оптическая схема; г – поле зрения микроскопа

При интерференционном методе измеряют шероховатость поверхности 10-14-го классов. Для этого используется интерференционный микроскоп В.П. Линника. На контролируемой поверхности изделия оптическая система микроскопа образует интерференционные полосы. Из-за неровностей поверхности интерференционные полосы искривляются соответственно профилю неровностей на рассматриваемом через окуляр участке (рис. 20,а). С помощью окулярного микрометра определяются значения искривления интерференционных полос – а и интервал между одноименными полосами – b на некотором участке интерферограммы (рис. 20,б).

Высоту неровности Н можно определить так:

, мкм,

где  – длина световой волны источника света, применяемого в приборе.

Параметр R_z определяется после измерения ординат пяти высших и пяти низших точек от линии, параллельной средней линии профиля.

а)	в)
б)
Рис. 20. Микроинтерферометр: а и б – искривления интерференционных полос; в – оптическая схема

Интерференционные микроскопы (микроинтерферометры) В.П. Линника имеют различные конструктивные разновидности. Их принципиальные оптические схемы идентичны (рис. 20,в). От источника света 1 лучи через конденсор 2, диафрагму 3 и линзу 4 попадают на полупрозрачную пластину 5 и разделяются на два когерентных луча, один из которых, отражаясь от посеребренного слоя, направляется через объектив 6 на контролируемую поверхность 7, находящуюся в фокальной плоскости объектива 6. Отразившись от контролируемой поверхности, луч проходит обратный путь и попадает в объектив 8. Второй луч света проходит через посеребренный слой пластины 5, на пластину 9 (она служит для уравнивания длины хода в стекле двух интерферирующих лучей), объектив 10 и собирается на зеркале 11, расположенном в его фокусе. Отразившись от зеркала 11, второй луч также попадает объектив 8. Оба луча собираются в фокусе объектива 8 на зеркале 12, где и возникает интерференционная картина, которая вместе с изображением контролируемой поверхности 7 рассматривается в окуляр 13. Фотоокуляр 14, зеркало 15 и экран 16 (матовое стекло, фотопленка и т.д.) служат для фотографирования интерференционной картины; при этом зеркало 12 из хода лучей выводят. Ширину и направление интерференционных полос можно изменять, смещая объектив 10 перпендикулярно его оптической оси.