Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.


  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Возможности конфокальной микроскопии при оценке микрогеометрии поверхности
31 мая 2018             

Авторы: Е.А. АЛФЁРОВА, канд. физ.-мат. наук, доцент ДЗЯН ДИЛУН, магистрант (НИ ТПУ, г. Томск) 634050, г. Томск, проспект Ленина, 30, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, e-mail: katerina525@mail.ru
 

Введение


Шероховатость поверхности является одной из важнейших нормируемых характеристик деталей. Она оказывает влияние на различные эксплуатационные свойства деталей машин. Кроме того, параметры рельефа очень важны для ученых, которые па деформационному рельефу могут судить о процессах, протекающих в кристаллах при деформации.
 
Возможности конфокальной микроскопии при оценке микрогеометрии поверхности На сегодняшний день в Российской Федерации основным документом по нормированию параметров шероховатости является ГОСТ 2789, который устанавливает шесть параметров и распространяется только на контактные методы. Очевидно, что их не всегда достаточно для оценки ряда поверхностей с особенными свойствами и научных целей. Кроме того, в сегодняшних условиях необходимость контроля параметров шероховатости поверхности требует использования современных средств измерений, оснащенных соответствующим программным обеспечением. Однако, требования высокой точности, воспроизводимости, чувствительности по-прежнему актуальны. Сегодня ассортимент средств измерений шероховатости и как следствие методик значительно расширился. Средства измерения имеют в своей основе различные физические принципы и требуют применения различных методик, следовательно, могут присутствовать несоответствия в измеряемых параметрах. Дополнительной проблемой становится то, что в мировых стандартах отсутствует единый подход к оценке параметров шероховатости поверхности, а самих параметров с одной стороны очень много, а с другой не всегда достаточно [1-2].
 
Одним из современных методов по оценки параметров является конфокальная микроскопия (КМ). Благодаря ей у исследователей и контролёров появилась возможность оценивать двух и трехмерные параметры шероховатость, а также получать 3D-модель рельефа поверхности. Этот метод является бесконтактным, что сохраняет поверхность от повреждений.
 
В настоящей работе приводится сравнение результатов измерений среднеарифметического отклонения профиля шероховатости (Ra), полученных методом конфокальной микроскопии при использовании объективов с различным увеличением с указанной на образцах шероховатости величиной (ГОСТ 9378, ISO2632-1, ISO2632-2).


Методика


В работе использовали образец шероховатости, соответствующий способу обработки «полирование», для которого допускаемое отклонение среднего значения Ra от номинального составляет +12%, -17%, допускаемое среднеквадратическое отклонение 9%. Определение среднеарифметического отклонения профиля шероховатости проводили на базовых длинах, указанных в ГОСТ 9378, ISO2632-1, ISO2632-2 для соответствующих величин Ra. Были измерены образцы с Ra: 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6 мкм. Численные значения параметров шероховатости получали с использованием программного комплекса Gwyddion. В работе также представлено значение арифметического среднего значения высоты поверхности ограниченного масштаба Sa (ГОСТ Р ИСО 25178-2-2014), которое является трехмерным аналогом двумерного параметра Ra.
alt
 
 
 
 
 
значение на оси ординат z(x,y) - это высота поверхности с ограниченным масштабом в положении х, у. Измерения проводили на конфокальном лазерном сканирующем микроскопе Olympus LEXT OLS4100. Используемые объективы и их разрешение по высоте приведены в таблице.

Таблица

Параметры объективов

Увеличение объектива х10 х20 х50 х100
Разрешение по высоте, мкм  2  0,2  0,06  0,06

 

Результаты и обсуждение

 

На рисунке 1 представлены график зависимости параметров Ra и Sa от увеличения объектива.


Видно, что при увеличении объектива Ч10 величина Ra указанная на образце и полученная КМ отличаются на порядок, что является ожидаемым, т.к. разрешение по высоте у данного объектива составляет 2 мкм. Это разница тем более значительна, чем меньшую шероховатость необходимо измерить. При использовании большего увеличения объективов мы видим приближение к значению 0,1 мкм. Вместе с тем, при пятидесяти и стократном увеличении, получаемые значения практически совпадают, однако разница во времени сканирования ощутимая. Аналогичные результаты были получены нами и для других образцов шероховатости. Поэтому для измерения параметров шероховатости наиболее предпочтительным является объектив с увеличением Ч50. Отличия значений шероховатости, полученных одним типом объективов, с разным увеличением обусловлено разницей в оптическом разрешении и в размерах поля зрения. Кроме того, в связи с множественным рассеянием света на плоскостях, не лежащих в плоскости фокусировки оптические методы могут преувеличивать значение шероховатости.

 
Возможности конфокальной микроскопии при оценке микрогеометрии поверхности
Рис. 1. Зависимость значений параметров шероховатости от увеличения объектива, пунктирной линией указано значение для образца шероховатости Ra=0,1 мкм
 


Значение параметров шероховатости существенно зависят от используемого объектива, причем не только от его увеличения, но и от рабочего расстояния. Об этом сообщается также, например, в работе [3]. Расхождение значений параметров шероховатости, полученных объективами с разными рабочими расстояниями объясняется тем, что при его увеличении числовая апертура обычно уменьшается, а это в свою очередь ведет к уменьшению латерального разрешения и разрешения по глубине.

 

Разница в значениях двух- и трехмерных параметрах объясняется тем, что при трехмерном анализе топографии поверхности резко изменяется объем участвующих в расчете данных. Если при расчете параметра Ra мы оцениваем только срезы поверхности, то при расчете Sa используется вся площадь рассматриваемой области. Об отличии параметров Ra и Sa также сообщается в работах [4-5]. Использование трехмерных параметров повышает достоверность получаемых результатов. Во многих случаях, особенно при исследовании микротопографии поверхностей приоритет отдается трехмерным параметрам в сравнении с двухмерными [6-8]. Это весомое достоинство конфокальной микроскопии позволяет наглядно исследовать морфологию поверхностей, полученных тем или иным видом обработки [9]. Также получение трехмерных изображений поверхностей дает обширные возможности для исследователей [10-15].

 

Таким образом, конфокальная микроскопия является простым, быстрым способом получения двух и трехмерной информации о микрогеометрии поверхности. При контроле параметров шероховатости КМ необходимо правильно выбирать увеличение и рабочее расстояние объектива.


При сравнении результатов важно учитывать с помощью какого метода была проведена оценка шероховатости.

 

В заключении авторы выражают благодарность к.т.н., м.н.с. ИФПМ СО РАН А.В. Филиппову за помощь в получении экспериментальных результатов.


Список литературы


1. Ардашников Б.Н., Витенберг Ю.Р. Исследование влияния шероховатости и наклепа на износостойкость // Технологические методы повышения качества поверхности деталей машин. - Л., 1978. - С. 112-117.
2. Privin I.C., Morgan A., Mairey D. The influence of surface polishihg on the oxidation of the pure nickel // Acta Metallurgica. - 1984. - Vol. 32, N 12. - P. 2203-2212.
3. Исследование шероховатости поверхности подложек CdZnTe различными методами измерения нанометровой точности / И.Д. Бурлаков, И.А. Денисов, А.Л. Сизов, А.А. Силина, Н.А. Смирнова // Прикладная физика. - 2014. - № 4. - С. 80-84.
4. Порошин В.В. Основы комплексного контроля топографии поверхности деталей: монография. - М.: Машиностроение-1, 2007. - 196 с.
5. Дьяченко С.С., Пономаренко И.В. Топографические особенности поверхности стальных изделий после различных технологических воздействий // Прогресивні технології і системи машинобудування. - 2014. - № 1 (47). - С. 128-138.
6. Paradigm shifts in surface metrology. Part I. Historical philosophy / X. Jiang, P.J. Scott, D.J. Whitehouse, L. Blunt // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 2007. - Vol. 463. - Р. 2049-2070.
7. Paradigm shifts in surface metrology. Part II. The current shift / X. Jiang, P.J. Scott, D.J. Whitehouse, L. Blunt // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 2007. - Vol. 463. - Р. 2071-2099. 8. Stout K.J., Blunt L. Three-dimensional surface topography. - 2nd ed. - London: Perton Press, 2000. - 285 p.
9. Особенности использования 3D топографических характеристик поверхности в инженерном деле / В.К. Белов, Д.О. Беглецов, Е.В. Губарев, С.В. Денисов, М.В. Дьякова, К.В. Смирнов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. - 2014. - № 1. - С. 73-80.
10. Алферова Е.А., Лычагин Д.В., Сопрунов Д.В. Складчатые структуры в [ 111]- монокристаллах никеля // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2016. - № 3. - С. 468- 474.
11. Alferova E.A., Lychagin D.V. Characterization of deformation pattern structure elements generated in uniaxial compression of nickel single crystals // Applied Mechanics and Materials. - 2013. - Vol. 379. - Р. 66-70.
12. Lychagin D.V., Alfyorova E.A. Folding in FCC metal single crystals under compression // Physics of the Solid State. - 2015. - Vol. 57. - Р. 2034-2038.
13. Strain-induced folding on [111] copper single crystals under uniaxial compression / D.V. Lychagin, S.Yu. Tarasov, A.V. Chumaevskii, E.A. Alfyorova // Applied Surface Science. - 2016. - Vol. 371. - Р. 547-561.
14. Macrosegmentation and strain hardening stages in copper single crystals under compression / D.V. Lychagin, S.Yu. Tarasov, A.V. Chumaevskii, E.A. Alfyorova // International Journal of Plasticity. - 2015. - Vol. 69. - Р. 36-53.
15. Filippova E.O., Filippov A.V., Shulepov I.A. Experimental study of sliding friction for PET track membranes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2016. - Vol. 125.


Актуальные проблемы в машиностроении. Том 4. № 1. 2017 Инновационные технологии в машиностроении
 
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-32-60007 мол_а_дк

Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru