Контроль и оптимизация процессов полирования путем измерения шероховатости поверхности с помощью конфокального лазерного микроскопа модели SRA компании KRUSS

 

Содержание

• Общие сведения
• Экспериментальная часть
• Результаты
• Резюме

Для обеспечения заданного качества механической обработки деталей их шлифуют и полируют, чтобы достичь определенного значения шероховатости поверхности. Данный комплексный параметр играет определяющую роль в плане механических (трение, сопротивление потоку) и химико-физических (подверженность коррозии, смачиваемость, адгезия) свойств поверхностей деталей.

В стандарте ISO 4288 и, в частности, в стандарте ISO 25178 приведены различные методы определения шероховатости поверхности. Среди наиболее значимых можно выделить метод трехмерного оптического анализа шероховатости с применением средств конфокальной микроскопии.

Цель данной работы — демонстрация возможностей применения конфокального лазерного микроскопа SRA компании KRUSS в качестве измерителя шероховатости в соответствии с нормативными требованиями для оптимизации процесса полировки. Оптимизация процесса подразумевает установление корреляции параметров шероховатости с зернистостью применяемой наждачной бумаги и определения оптимальных показателей. На практике выявление подобных корреляций позволяет оптимизировать технологические процессы полирования, а также иные этапы обработки поверхности для получения заданной шероховатости. В настоящем эксперименте был смоделирован процесс полирования заготовок на станке с использованием мелкозернистой наждачной бумаги разной зернистости и последующим измерением достигнутой шероховатости поверхности. На основании результатов измерений необходимо определить зернистость, при которой возможно получение заданного значения шероховатости.

Общие сведения

Зачастую механическую обработку поверхности проводят для получения максимальной чистоты. Однако требуемый уровень шероховатости или текстура заготовки зависит от ее предполагаемого использования. Другими словами, нецелесообразно добиваться избыточной чистоты. И здесь открывается возможность для экономии. Конфокальная микроскопия является идеальным методом проверки качества указанных текстур поверхности, поскольку она позволяет быстро получать трехмерное изображение профиля поверхности, в связи с чем, можно регистрировать не только общие параметры шероховатости, но и ее возможную зависимость от направления. Кроме того, благодаря широкому диапазону разрешения система регистрирует такие параметры, как волнистость и форму.

Таким образом, применение таких конфокальных микроскопов, как SRA обеспечивает широкий спектр возможностей для точного контроля шероховатости поверхности, структуры и форм рабочих поверхностей. А измерения в режиме реального времени позволяют применять эти приборы для оценки шероховатости поверхности в системах контроля качества на производстве.

Еще одно преимущество конфокальной микроскопии заключается в бесконтактном характере данного метода измерений, что позволяет исключить повреждения образцов.

Данные настоящего отчета получены в ходе простого процесса полирования, выполненного для демонстрации того, каким образом полученные с помощью SRA показатели шероховатости можно соотнести с технологическими параметрами (в данном примере – с зернистостью бумаги).

Экспериментальная часть

• Исследуемые поверхности

Объектами исследования послужили поверхности четырех листов из нержавеющей стали после сухой абразивной обработки с использованием наждачной бумаги разной зернистости длительностью 5 минут.

• Анализ шероховатости

Анализ текстуры поверхности проводился с помощью конфокального лазерного микроскопа модели SRA компании KRUSS и программного обеспечения ITOM. Измерение проводилось с объективом 20Х, в поле измерения размером 1,96 х 1,76 мм, при высоте 27 мкм. В соответствии со стандартами ISO 25178 и ISO 4288 установлен фильтр 0,25 мм для исключения возможных неровностей более высокого порядка ("отсечение волнистости") и расчета параметров шероховатости, как по длине, так и по площади.

Результаты

Для оценки процесса полирования и определения необходимых технологических этапов производится сравнение шероховатости поверхности на основе среднего арифметического высот по длине и по площади (Ra, Sa), а также среднеквадратичного значения высоты (Rq, Sq) поверхности у разных образцов. У взятого в качестве модели производственного процесса расчетное заданное значение Ra составляет 0,09 мкм. На рис. 1 приведены примеры трехмерного представления измеренной топологии образца с наибольшей шероховатостью (образец 1) и второй по величине шероховатостью (образец 2). О различиях можно судить уже даже по разной насыщенности цветов на цифровых моделях.

Для определения линейной шероховатости Ra и Rq программное обеспечение ITOM берет на измеряемой поверхности 5 точек и вычисляет шероховатость вдоль указанных профилей. На рисунках 2 и 3 показаны выбранные точки измерений и соответствующие профили шероховатости у образца 1.

Рис. 2: Выбор точек замеров для определения линейной шероховатости образца 1

Рисунок 3: профили шероховатости вдоль точек замеров образца 1

 

Для получения максимально достоверных сведений о чистоте поверхности была также измерена шероховатость по площади Sa и Sq. Для усреднения локальных различий для целей расчета учитывалось поле измерений целиком. На рис. 4 показан участок поверхности, подлежащей измерению программным способом.

Рис. 4: Выбор площади поверхности, по которой будет проводиться измерение шероховатости Sa и Sq образца 1

На рис. 5 указаны параметры шероховатости Ra, Rq, Sa и Sq в зависимости от зернистости наждачной бумаги. На рисунке видно, что значение Ra 0,09 мкм, указанное в нашем технологическом процессе (для примера), уже не подходит под зернистость 1000. Для соблюдения указанных требований, обработка бумагой еще меньшей зернистости не требуется.

Рис. 5: График зависимости параметров шероховатости от зернистости наждачной бумаги

Параметры шероховатости у последних двух поверхностей практически одинаковы, так как измерения у этих образцов проводились с предельным разрешением. Для более качественной дифференциации подобных гладких поверхностей измерения следует проводить с помощью объектива 100Х.

Резюме

В процессе механической обработки измерение шероховатости поверхности имеет большое значение для проверки чистоты обработки поверхностей. Анализатор шероховатости поверхности KRUSS SRA, действие которого основано на принципе конфокальной лазерной микроскопии, позволяет определить параметры шероховатости образцов (60 секунд на каждый образец) в соответствии со стандартами ISO 4288 и 25178. Согласно результатам измерений, при использовании наждачной бумаги со вторым по величине значением зернистости, показатель шероховатости Ra – уже ниже заданного значения. Соответственно, в представленном примере дальнейшие этапы обработки бумагой меньшей зернистости можно исключить. Аналогично можно исследовать зависимость шероховатости заготовок от продолжительности полировки и определить оптимальное время данной технологической операции.

Компания “Тирит” является эксклюзивным представителем компании KRUSS в России. Для получения консультации и заказа конфокального лазерного микроскопа SRA позвоните нам +7 (495) 223-18-03, 8 (800) 600-18-03, напишите на электронную почту info@tirit.org или оставьте заявку через форму обратной связи.

,