Бесконтактные средства измерения шероховатости

Для количественной оценки шероховатости поверхности бесконтактным методом в основном используют оптические средства измерения. При этом применяют в принципе два способа оценки поверхностных неровностей: получением увеличенного изображения неровности с помощью оптической системы или использованием отражательных способностей обработанной поверхности.

7.1.1. Приборы светового сечения - принцип действия заключается в получении увеличенного изображения профиля измеряемой поверхности с помощью лучей, направленных наклонно к измеряемой поверхности и измерения высоты неровностей в получаемом изображении.

а) Двойной микроскоп - щель 3 (рисунок 7.1.1 а), освещенная с помощью конденсора 2 лампой /, проектируется микрообъективом 4 на поверхность измеряемой детали 5 (ширина щели 0,1, длина 7 мм). В тех местах, где на поверхности детали имеются неровности, изображение щели искривляется, образуя световое сечение профиля под углом к поверхности 5. Изображения щели в увеличенном виде рассматривается в микроскоп, состоящий из объектива 6 и винтового окулярного микроскопа 7. Величина искривления изображения щели Н пропорциональна высоте неровности h и связана с ней соотношением , где - увеличение микрообъектива; - угол наклона наблюдательного микроскопа.

Обычно оптические оси осветительного и наблюдательного микроскопов расположены под углом 45° к вертикали и тогда Значение H измеряют с помощью винтового окулярного микрометра. В двойных микроскопах (МИС-11) относительно небольшой диаметр поля зрения - от 0,3 до 1,8 мм в зависимости от используемых объективов. Прибор предназначен для измерения относительно больших неровностей от 0,8 до 63 мкм для нахождения критериев R_: или R_max.

Поверку двойных микроскопов в отношении точности производят с помощью, так называемой одноштриховой меры, которая представляет собой пластину с доведенной поверхностью, на которой нанесена риска V-образной формы. Поверка заключается в измерении прибором глубины риски на мере и сравнении полученного значения с аттестатом на меру.

б) Прибор теневого сечения - принцип действия прибора основан на измерении высоты неровности по искривлениям тени на неровностях. Свет от источника S (рисунок 7.1.1 б) освещает щель С, которая проектируется объективом О на измеряемую поверхность PP. К этой поверхности под углом 60° к оптической оси микроскопа прикладывается нож К. Тень, создаваемая ножом, искривляется на поверхностных неровностях и рассматривается в микроскоп О₁О₂

Приборы теневого сечения являются накладными и предназначены для измерения относительно больших поверхностных неровностей - от 0,04 до 1,6 мм. С помощью этих приборов обычно определяют параметры R- и R_max.

Рисунок 7.1.1 – Схемы оптических приборов для измерения шероховатости: а – двойной микроскоп; б – прибор теневого сечения; в- микроинтерферометр МИИ-4

7.1.2. Микроинтерферометры - называют интерферометры, предназначенные для измерения поверхностных неровностей. Принцип действия микроинтерферометра такой же, как и обычного интерферометра, и отличается только тем, что в качестве одной из поверхностей, которая создает интерференционную картину, используется измеряемая поверхность. Наиболее типичным является прибор МИИ-4 (рисунок 7.1.1 в)

Нить лампы 1 проектируется конденсором 2 в плоскость диафрагмы 3 (диаметр ее от 0,5 до 5 мм). Диафрагма, расположенная в передней фокальной плоскости проекционного объектива 4, изображается им в бесконечность. Параллельный пучок лучей на выходе из объектива 4 попадает на разделительную пластину 5, на одной из сторон которой нанесен полупрозрачный слой алюминия. Разделительная пластина 5 делит падающий на нее пучок света на два. Пучок, отраженный от пластины 5, попадает в объектив 7 и собирается в его фокусе на измеряемой поверхности. После отражения от этой поверхности пучок света идет в обратном направлении, проходит объектив 7, пластину 5 и собирается в фокальной плоскости объектива 10. Второй пучок света, пройдя разделительную пластину 5, попадает на пластину 6, объектив 8 и на зеркало 9. Отразившись от зеркала, пучок света идет в обратном направлении и, отразившись вновь от пластины 5, так же, как и лучи первой ветви, собирается в фокальной плоскости объектива 10. После разделительной пластины 5 лучи обеих ветвей интерферируют между собой, образуя резкое изображение интерференционных полос. Объектив 10 переносит изображение интерференционных полос в свою фокальную плоскость, которая рассматривается с помощью окуляра.

В поле зрения окуляра 15 видна измеряемая поверхность и интерференционные полосы, которые искривлены, если поверхность имеет неровность. Эта картина может быть сфотографирована, для чего зеркало 11 выключается, и лучи света, пройдя через окуляр 12 и отразившись от зеркала 13, попадают на поверхность матового стекла или фотопленки 14.

Величину неровности определяют по формуле

где а — величина искривления интерференционных полос;

b - ширина полосы.

При использовании белого света , значения а и b обычно

измеряют с помощью окулярного микрометра.

Диапазон измерения прибора находится в пределах от 0,03 до 1 мкм (МИИ-4) и оценивается по параметрам R. или R_max.

Погрешность измерения в основном зависит от точности определения значений отношения а/Ъ. При измерении с помощью окулярного микрометра погрешность измерения составляет не более 0,015 мкм, при оценке этого соотношения «на глаз» погрешность измерения - не более 0,03 мкм.

Имеется еще несколько микроинтерферометров, отличающихся конструктивной схемой, а некоторые — и возможностями измерений. Так, для расширения диапазона измерений поверхностных неровностей изготовляют иммерсионно-репликовый интерферометр (МИИ-10). Принцип измерения относительно больших неровностей заключается в том, что с измеряемой поверхности снимают отпечаток - реплику, которую рассматривают потом с помощью интерферометра. Для получения отпечатка используют кинопленку (нитроцеллюлозную), которую смачивают ацетоном и прижимают к измеряемой поверхности. Полученный отпечаток помещают в камеру, заполненную жидкостью (иммерсионная жидкость), установленную в одну из ветвей микроинтерферометра, и измеряют неровность как на микроинтерферометре. На приборе с помощью реплик можно измерять поверхности любого коэффициента отражения. Диапазон измерения на приборе от 0,1 до 10 мкм.

Рассмотренные приборы не исчерпывают номенклатуры бесконтактных измерительных средств, основанных на оптическом принципе действия.