3D表面粗糙度的测量方法分析
用于表面微观形貌分析的测量系统,按基于不同的物理原理,可将它们分为参数方法和轮廓方法.参数法所产生的参数表示所检测表面的一些平均性能;而轮廓法逐点扫描获得形貌信息.轮廓法被认为是可以测量真实的3D形貌,给出相对于位置高度的定量信息.
按传统的分类方式,表面测量又可分为接触式和非接触式.触针式仪器是典型的接触方法,而光学仪器是非接触式方法,扫描探针显微镜既是接触式又是非接触式.
1 触针方法
触针法自1927年以来就一直被采用,目前仍然被广泛地用于表面粗糙度测量,而且用它所获得的结果经常作为评价其它方法的参考标准.
在传统的2D测量中,触针装在具有滑橇的测杆上,沿一个方向在水平面上"爬行",而且它的垂直位移是相对于滑橇的位置.滑橇"走过"的迹线作为基准线.
在3D分析中,在具有同一个采样步距的平行平面内,测得许多轮廓.这种情况下,不能使用滑橇,因为所有的轮廓必须具有相同的参考基准面,以便不丢失信息.严格地讲,应采用一个独立的表面作为基准.由于同样的原因,数据在获取过程中,不能象在2D仪器中那样被滤波.如果需要滤波,可以在获取数据以后进行数字化滤波.应该注意的是,对于2D仪器新的标准同样也需要一个独立的基准.
当用X-Y平台获取三维表面的z值时,基准由工作台的移动而产生.移动精度在整个的测量精度中起着基准的作用.有些制造者给出平台的偏差图,以便使用数字技术校正基准.
在2D和3D分析中,触针的几何形状对于测量的准确性影响很大,而且一直是设计和制造者考虑的重要因素之一.它的形状以锥角和顶尖球半径R表示[1];的标准值是60°和90°,R的标准值是2、5和10m;三种半径的最大载荷分别是0.7、4、16mN.
针尖中心点的坐标被认为是测量表面点的坐标,但是实际的接触点根据表面邻近点的形状和高度而变化.在假定触针和表面均是刚性的情况下,触针具有一个自由度,其垂直位移仅由与表面的点接触而定义.然而,这些点的顺序不是包含在一个垂直平面内,而是依赖于表面的斜率分散在一个"带"内,测量误差是表面结构的函数.在对随机的、各向异性的结构表面进行分析时,如磨削表面,Whitehouse[2]指出用2m的半径触针并未减少表面的RMS值,而使用10m的半径触针却减少10%~15%.
一些描述表面形状的参数直接受触针的几何形状的影响,例如:
①针尖的半径R增加了峰的半径,而减少了谷的半径;
②触针加到表面上的力,在与表面接触的区域产生应变;
③由较硬的材料组成触针,可以忽略弹性应变,但是被测试件仍有显著的弹-塑性变形.
如果接触力F小于极限值FL,只有弹性变形发生,弹性偏斜的量依赖于载荷和触针的并径R,而且也依赖于表面的局部曲率半径.根据赫兹(Hertz)理论,接触区的直径是[3]
(1)
其中
(2)
是两种材料的弹性模量E1和E2的函数,和为两种材料的Poisson比.而且
(3)
是曲率半径的函数.
文献[3]中还分析了平表面的弹-塑性材料,并且表面上具有球形针印,给出的FL值为
(4)
s是形成球印时,材料产生的压力.
对于s=400MPa的材料,和Poisson比=0.3,以具有R=2m的半径的金刚石压头,可以产生FL=1.6*10-4mN,当应用的载荷高于FL时,发生塑性变形.
如果知道材料的硬度,有可能计算在平表面上球形压头的塑性凹痕的深度和直径d.当载荷为0.7mN、球径2m、材料硬度HB为140时,得出结果是:为0.04m和d为0.8m.如果表面不光滑,接触面积也不均匀一致.塑性凹印更大.在3D分析中,凹印的直径成了所能探测的直线之间的最小距离.事实上,在触针连续通过的路径上所产生的凹槽不应相互影响.
表面表征需要对一个区域进行采样.可采用快速扫描记录来获得点矩阵(NX.NY),其中NX是一条轮廓上的点数,NY是轮廓的数目.采样间隔x和y根据Nyquist准则确定,截止波长可以被准确地估计.采样点数NX和NY的选择应是2的幂次数,以便能使用FFT变换.
图1是一种触针式三维表面形貌测量仪SURFASCAN 3D[4],由机械装置(包括参考表面和三轴的驱动装置)、采集机构(包括装有触针的探头、驱动器、放大器和模数转换)、数据处理(包括三轴运动控制、测量方式、采样条件、参数评定和数据的贮存)和打印装置构成.机械装置和采集机构安装在一个防振动的与外界隔离的平台上.
图1 SURFASCAN 3D的结构示意图

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