Классификация методов измерения шероховатости, бесконтактные локальные методы исследования шероховатости поверхности

Основные неровности на поверхности порядка долей миллиметра, а в большинстве случаев порядка сотых, тысячных и даже десятитысячных долей его (т. е. порядка нескольких микрометров) нельзя оценить невооруженным глазом. Поэтому естественно рассматривать исследуемую поверхность при некотором увеличении ее с помощью оптических приборов и, в первую очередь, с помощью микроскопа.

Однако это позволит рассмотреть лишь отдельные элементы неровностей (впадины, выступы, их взаимное расположение) – истинного же характера неровностей, а тем более профиля поверхности при простом рассмотрении в микроскоп обнаружить не удастся. При некоторых условиях бокового освещения картина неровностей исследуемого участка поверхности становится рельефнее и можно уже сделать заключение об их характере. Так как в микроскоп трудно определить глубину отдельных участков исследуемой поверхности, то в помощь наблюдателю применено так называемое световое сечение.

Направив пучки света под некоторым углом к исследуемой поверхности, можно получить на ней границу тени от непрозрачного экрана, введенного в часть светового пучка, падающего на поверхность. Эта граница тени подобна профилю в сечении плоскостью, перпендикулярной геометрической поверхности (пунктир точками). При падении на поверхность пучка лучей под некоторым углом тень располагается на разных участках ее (пунктирная линия).

Там, где свет отражается от выступов поверхности, дальнейший его ход Тогда, как он полагал, микроскопические неровности на поверхности стали бы хорошо видимы с помощью контрастного изображения тени, конфигурация которой представляет собой профиль поверхности рассматриваемого участка.

Световое сечение

При первых же исследованиях выявилась большая практическая целесообразность применения прибора, построенного на этом принципе. Были изучены такие поверхности, для которых до того не могли быть использованы ранее существовавшие методы.

Получает направление (под углом) там же, где он падает на впадины, отраженные лучи идут по другим, но параллельным первому направлениям б. По искажению границы света и тени можно судить о расположении конфигурации и характере неровностей на поверхности. Когда исследования шероховатости поверхности еще только начинали развиваться, В. П. Линник в работе предложил использовать этот прием в схеме микроскопа, значительно увеличив теневую проекцию границы тени.

И в настоящее время этот метод, реализованный в двойном микроскопе, широко применяется для исследования шероховатости поверхности. Описание двойного микроскопа дано во многих учебниках и монографиях. Не останавливаясь на нем подробно, считаем необходимым отметить, что при исследовании с помощью двойного микроскопа поверхностей, получаемых в результате механической обработки, отношение расстояния между неровностями к их высоте меняется в некоторых пределах.

Это объясняется особенностями характера технологического процесса, как было уже показано. Указанное отношение обычно меняется от 10 до 50 и более, т. е. высоты неровностей значительно меньше, чем расстояния между ними. Углы раскрытия профильной кривой весьма невелики, и их значения колеблются от 150-160° и почти до 180°. Последнее приводит к тому, что видимая в микроскоп картина имеет некоторые особенности. На ней видны весьма пологие неровности, из-за чего трудно заметить характер их взаимного расположения.

Шаги неровностей и так достаточно велики, для них не требуется столь больших увеличений.

Смещение границы тени

Поэтому в плоскости исследуемого объекта удобно иногда применять разные масштабы увеличения для координат. Большинство приборов, в том числе и приборы, построенные на принципе светового сечения, дают возможность исследовать поверхность только в двух координатах. В системе двойного микроскопа увеличение в направлении непосредственно равно оптическому увеличению микроскопа, т. е. увеличению его наблюдательной системы.

Что же касается вертикального масштаба, то он определяется не только увеличением микроскопа, но и углом, под которым проектируется наблюдаемая картина. Действительно, по схеме светового сечения видно, что смещение границы тени зависит от высоты неровностей Я, и в плоскости, перпендикулярной отраженным световым лучам. Отсюда следует, что в зависимости от угла можно менять масштаб увеличения в вертикальном направлении, т. е. масштаб изображения высот неровностей.

Если угол увеличивать, соответственно увеличится масштаб изображения; при угле 45°, который выбирают обычно для двойных микроскопов, отношение увеличений, где линейное увеличение системы в вертикальном направлении; линейное увеличение системы в горизонтальном направлении. Как видно, при сечении плоскости объекта под некоторым углом кривая этого сечения (кривая пересечения исследуемой поверхности с секущей плоскостью) не представляет собой, строго говоря, профиля соответственно определению, так как там определение профиля относилось только к плоскости, секущей исследуемую поверхность перпендикулярно геометрической поверхности объекта.

И действительно, если рассматривать отдельные точки границы света и тени, получающейся при падении лучей под некоторым углом, то эта граница соответствует геометрическому месту точек, расположенных на поверхности не по прямой, а по изогнутой линии, зависящей от характера неровностей.