三维表面微观形貌的测量方法

2000年8月宇航计测技术第20卷 第4期

三维表面微观形貌的测量方法

李成贵 李行善 强锡富

文 摘 分析了表面结构的形成过程及其分类,介绍了目前在3D微观形貌测量过程中广泛使用的触针法、扫描探针显微镜和几种光学方法的基本原理、测量范围、分辨力等特性。最后指出了3D分析技术的现状和将来的发展趋势。*

主题词 +表面形貌 三维测量 发展趋势

1 引 言

工程表面的许多性能是由表面形貌决定的,粗糙度、波纹度、表面结构等几何形状的测量和表征是形貌计量学的范畴之一。

表面形貌的测量始于30年代初,当时研制的第一台仪器是根据容易测量的峰谷高度信息而设计,并提供了简单的图像。随后在英国和德国迅速研制了类似的仪器,能够计算平均表面粗糙度参数。这些仪器使用简单的2RC滤波技术移去较长的波长成份(形状和波纹度)。在60年代后期数字计算机的出现,使得表面分析明显增多,数字技术被首次用于描述表面参数。这些参数被随机地引进,试图在操作环境里描述表面特征的功能意义,结果导致了所谓的/参数爆炸0,后来发现许多参数并没有什么实际意义。

表面分析的首次开创性工作是1968年在牛津大学举行的/工程表面的性能及其计量0国际会议[1],会议论文集变成了最初的表面结构测量的/珍贵标准0。1991年由英国伯明翰大学计量研究组发起并组织的/工程表面的计量学和性能0国际会议在英国Leicester大学召开[2],表明了有意义的基础性研究,已开始转向工业上感兴趣的3D表面测量的分析和实验研究。2 表面结构

表面的几何形状通常被认为是表面结构,这个结构是由所定义的粗糙度、波纹度和形状特征组成的。定量测量表面/微观0结构时,只分析粗糙度,波纹度和形状成分被采用机械、电收稿:2000-01-15

*修回:2000-03-28国家博士后科学基金资助项目

**北京航空航天大学自动化学院,副教授,博士,男,36岁,100083)

气或数字的方式从所记录的数据中滤

除。

图1给出了表面滤波前轮廓的结

构,也给出了滤除波纹度、形状误差后

的粗糙度表示。有些标准(DIN4760)把

表面结构进一步分成六类:形状、波纹

度和称之为一、二、三、四阶轮廓偏差的

粗糙度。粗糙度、波纹度和形状特征之

间的差异是基于表面波长或峰与峰之

间的间距。这些传统定义的最大问题是

粗糙度变成小波纹度(截止波长)的分界点是随意的,而且与工件的制造过程、功能和尺寸有关。如:在汽车轴上认为是粗糙度,在钟表的主轴上可能认为是波纹度或形状误差。

粗糙度主要由制造方法所产生,如机床、刀具和砂轮等,通常具有周期性;在精细的尺度上存在材料撕裂,或由加工边缘和工具刀尖造成的不规则性。波纹度是单独由机床引起,如不平衡的磨削轮、工具进给的不规则性和不断的震颤。形状误差通常是在加工过程中由工件刚度不够造成弯曲而引起,导轨的波动、热引起的材料弯曲或表面残余应力,也能引起弯曲和形状误差。通常形状误差在所评定的表面长度上只产生一个或两个波动。

一般地,开始加工的表面是理想的,随后却有周期性。由于刀具磨损,在实际中没有任何制造过程会保持恒定。因而在制造和性能之间存在一个中介过程)))测量。测量监控着影响表面最后性能所规定的偏差,并可实现制造过程的/测量与控制0。表面结构对加工设备的性能和参数变化是非常敏感的,特别是刀具磨损、进给速率、切削速度、材料成份和硬度等。因此通过测量这个手段,可以把表面形貌和加工过程很好地联系起来(参见图2)。

工程表面可由多种不同的

加工方法形成,如:车、铣、刨、

磨、镗等。然而随着新的表面处

理技术的发展,有许多与其它固

体表面相互接触的表面,被进一

步处理后仅影响其表层质量,目

的是产生不同功能要求的表面。

表面形貌和表面性能之间的关

系,通过二维分析已得到部分研

究。然而,要全面理解表面形貌

和功能特性,只有实现表面的三维(3D)表征。过去的许多事实均可说明二维表面分析的局限性,如在镗加工表面垂直于纹理方向的轮廓,表现出周期性;而平行于纹理方向的轮廓,表面结构和参数有明显的不同。

三维表面分析研究的出现主要是由于二维分析的局限性,也是由于具有强大计算能力的计算机的发展。在几年前就已看到,三维表面测量在分析表面的磨损、热交换、压痕形貌和接触等方面是个很有用的工具。但由于三维表面分析所要求的软件和硬件的复杂性不断增加,所以3)图2 测量与制造过程的联系图1 表面结构的表示

主要在理论研究领域。

二维表面计量学的无限制发展,导致了100多个数字粗糙度参数,其中许多参数只有有限的意义。为了避免再出现类似情况,欧洲成立了一个专门委员会,目的是发展新的3D表面测量标准。目前讨论稿已经形成,其中包括14个数字表征参数的/最小体系0,而且大部分已被试验证实。文中推荐了测量方法、测量循环时间和最大的触针力(0.5mN);并建议栅格扫描采用128@128点或256@256点的等间距数据采样区域;定义3D表征的最小二乘基准表面为:/具有理想表面的几何形状,在采样区域内,实际表面偏离基准表面的偏差的平方和为最小0。指出在2D标准中推荐的电气滤波 …… 此处隐藏：8460字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……