eng
Выпуск #4/2017
А.Усеинов, И.Маслеников, А.Русаков, Е.Гладких, Б.Логинов, В.Логинов, А.Елкин
Измерение профилей деталей сложной формы с помощью сканирующего нанотвердомера
Измерение профилей деталей сложной формы с помощью сканирующего нанотвердомера
Просмотры: 3872
Составные части механизмов, имеющие криволинейные поверхности, требуют строгого контроля формы. Для решения таких задач применяются приборы, основанные на контактных или бесконтактных методах. В данной работе методом контактной профилометрии при помощи сканирующего нанотвердомера "НаноСкан-4D" были измерены профили пресс-форм, применяемых при синтезе монокристаллов алмаза в процессе HPHT-роста.
УДК 681.2.083
ВАК 05.11.13
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.75.4.38.44
УДК 681.2.083
ВАК 05.11.13
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.75.4.38.44
Теги: contour measuring machine mold nanohardness tester profiling контурограф нанотвердомер пресс-форма профилирование
В различных областях техники важную роль играет высокая точность изготовления деталей машин и механизмов. В инженерии широко используются изделия, форма которых значительно отличается от простых прямоугольных тел и тел вращения (например, лопатки турбин). При этом для поддержания оптимальных режимов работы механизмов требуется изготовление деталей с высокой степенью точности. В связи с этим появляется такая инженерная задача, как контроль формы. Эту задачу можно решать различными способами. В частности, в статьях [1, 2] предложены аналитические методы проверки отклонения профиля сопряженного диска кулачкового механизма. Экспериментальная проверка моделей проводилась путем сравнения результатов, даваемых аналитическими выражениями, с данными, полученными при помощи контурографа. В статье [3] на основе контуров, полученных при помощи прецизионного сканирующего профилометра, посредством программного обеспечения оценивалась точность изготовления деталей авиационных двигателей. Все эти работы были бы невозможны без приборов, способных с высокой точностью измерить контуры деталей.
Профили поверхности изделий могут измеряться различными способами, как контактными, так и бесконтактными. К контактным методам можно отнести те, в которых используются щупы или зонды, находящиеся в контакте с измеряемой поверхностью и движущиеся вдоль нее при помощи моторизованных трансляторов. К этому классу приборов относятся контурографы, профилометры. Бесконтактные методы контроля рельефа и шероховатости поверхности осуществляются при помощи оптических профилометров [4]. Профилометры – устройства, предоставляющие данные о рельефе поверхности с точностью менее микрометра, что позволяет вычислять параметры шероховатости. Исторически первыми оптическими профилометрами были гетеродинные интерферометры, в дальнейшем появились интерферометры, измеряющие сдвиг фаз, затем – приборы, измеряющие дифференциальный интерференционный контраст. Работа таких приборов основана на теоретических моделях отражения излучения от поверхностей различных типов (металлов, диэлектриков) [5].
Контактное профилирование может быть применено как в макро-, так и в микромасштабах. Для разных задач измерения рельефа поверхности могут быть использованы различные по своим размерам зонды. Если необходима точность измерений латеральных размеров, превышающая 10 нм, то поверхность изучают при помощи кремниевых кантилеверов с малым радиусом закругления кончика. Однако, при их использовании диапазон измерений по оси X(Y) ограничен сотней микрон, а по оси Z – несколькими десятками микрон. Как было указано выше, в промышленности ставится задача совершенно другого рода – требуется измерить форму детали, имеющей продольные размеры порядка нескольких сантиметров и перепад высот того же масштаба. В таком случае целесообразно использовать прибор с другим масштабом метрологических характеристик.
Для измерений параметров шероховатости и профилей различных деталей, как плоских, так и тел вращения, предназначены контурографы. С их помощью возможно также определение в измеренных профилях геометрических параметров: радиусов дуг, координат точек, расстояний, углов и т.д. [6].
С точки зрения повышения технологичности производства приборы, имеющие в своем арсенале разноплановые методики, являются хорошей альтернативой традиционным установкам. Так, нанотвердомер "НаноСкан-4D" (ФГБНУ "ТИСНУМ", Россия), сконструированный для измерения твердости и модуля упругости, за счет наличия моторизованного транслятора и системы возбуждения резонансных колебаний системы подвеса индентора может осуществлять профилирование поверхности образца. Кроме непосредственно данных о геометрии и линейных размерах детали, совмещение в одном приборе функции профилирования поверхности и измерения механических свойств помогает решить задачу выбора участка для измерения, а также выполнить высокоточное позиционирование индентора.
В данной работе проведены измерения контура детали сложной формы, и экспериментальные данные сопоставлены с результатами, получаемыми с помощью входящего в Государственный реестр средств измерений РФ "Контурографа модели 220" (АО "Завод ПРОТОН", Россия).
ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ
Принцип работы "Контурографа модели 220" (рис.1) стандартен и основан на сканировании неровностей измеряемой поверхности специальным щупом, установленным на консоли. В зависимости от конфигурации измеряемого места на образце, применяются щупы длиной от 1 до 100 мм с радиусом закругления острия в 10 или 20 мкм, углом заострения от 30⁰ до 60⁰. Щуп давит на образец своим весом, а на противоположном конце консоли установлен подвижный груз, позволяющий регулировать измерительное усилие в диапазоне от 1 до 200 мН. Перемещение консоли с щупом в горизонтальной плоскости осуществляется линейным электромеханическим приводом на длину трассирования до 220 мм с точностью до 0,1 мкм и скоростью до 2 мм/с. Возникающие при движении по измеряемой поверхности вертикальные механические колебания щупа преобразуются в цифровой сигнал индуктивным датчиком с точностью до 0,001 мкм во всем диапазоне от –60 до 60 мм поднятия-опускания щупа. Привод с датчиком, консолью и щупом перемещается по вертикали на 400 мм на моторизованной стойке для работы с разными по габаритам образцами. Сами образцы закрепляются либо на координатном столе, либо на шпинделе. Координатный стол позволяет выбирать место на образце для измерения профиля, а также получать трехмерное изображение путем измерения многих профилей. Шпиндель за счет наличия горизонтальной оси вращения позволяет работать в режиме кругломера, измеряя отклонение формы тел вращения. Гранитное основание моторизованной стойки и виброгасящие амортизаторы снижают уровень шумов при измерениях. Возможна работа с образцами весом до 60 кг. Метрологически обеспечиваются точности измерения длин до 0,1 мкм, радиусов до 0,2 мкм, углов до 0,1⁰ и одновременно шероховатости Ra в диапазоне от 0,005 до 50 мкм с точностью до 0,001 мкм.
Типичным режимом работы наноинденторов при профилировании является сканирование в режиме постоянной силы прижима. Это своеобразный аналог контактного режима в атомно-силовых микроскопах (АСМ). Благодаря высокому разрешению по силе и эффективной системе виброизоляции, типичный наноиндентор может сканировать поверхность при уровне прижима в несколько микроньютон (типичная величина для приборов типа "НаноСкан-4D" и Agilent G200 – от 5 до 10 мкН). Использование датчика боковой силы в дополнение к такому режиму позволяет получать не только профиль рельефа поверхности, но и коэффициент сухого трения острия индентора о поверхность материала.
Имеющая высокую собственную частоту измерительная система наноиндентора "НаноСкан-4D" (рис.2) благодаря оптимальному разрешению по силе и смещению может осуществлять профилирование при работе в режиме резонансного возбуждения, что аналогично полуконтактному режиму АСМ. В процессе колебаний необходимо, чтобы отклонение иглы находилось в пределах диапазона измерений датчика. При работе в контактном режиме неизбежно происходит деформация поверхности, а полуконтактный режим снижает влияние на измеряемый образец.
Для уменьшения времени измерений разработан ряд программных алгоритмов управления перемещением в зависимости от степени кривизны поверхности изделия (при движении вдоль плоских поверхностей скорость увеличивается). Изменение скорости перемещения датчика вдоль контуров детали влияет на скорость считывания данных, то есть в местах, где рельеф поверхности меняется быстрее всего, производится большее количество измерений.
Для получения наилучших результатов требуется комплексная обработка и фильтрация данных, чтобы преобразовать результаты измерений в используемую на практике информацию о "слепке" поверхности [7]. Эту задачу решает разработанное для приборов "НаноСкан" программное обеспечение, корректирующее шаг изображения поверхности (вычитающее наклон) с одновременной фильтрацией случайных единичных выбросов в данных.
ПРОВЕДЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве тестового объекта для испытаний возможностей наноиндентора для измерения профилей были выбраны пресс-формы, используемые для выращивания синтетических монокристаллов алмаза в камере высокого давления в процессе HPHT-роста. Они имеют достаточно сложную форму с углублениями, радиус кривизны которых должен иметь заданное значение. Точное соблюдение геометрии необходимо для того, чтобы прикладываемое прессом усилие распределялось равномерно. Проверка точности изготовления деталей со сложным рельефом поверхности была осуществлена путем профилирования в полуконтактном режиме. Получены данные о контуре детали и ее отклонении от формы, заданной чертежами.
Сканирующий нанотвердомер "НаноСкан-4D", при помощи которого в представленном исследовании измерялись профили, имел резонансную частоту системы подвеса индентора 80 Гц, массу подвижной части 30 г и жесткость системы подвеса 7 кН/м. При этом добротность системы подвеса индентора Q равнялась 30, минимально регистрируемое смещение – 0,1 нм, а порог обнаружения по силе – 1 мкН в полосе частот 0,1 Гц – 1 кГц.
Контроль прижима колеблющегося зонда к поверхности может быть осуществлен двумя способами: по изменению амплитуды и по изменению сдвига фазы. Существенно повысить качество сканирования поверхности прибором "НаноСкан-4D" удалось путем реализации режима фазового контроля сдвига резонансной частоты, так как он обеспечивает не только высокое быстродействие, но и менее подвержен влиянию разного рода возмущающих факторов. Уровень средней силы взаимодействия острия с поверхностью был снижен на порядок благодаря динамическому контролю контакта за счет использования резонансного режима возбуждения сенсорной системы подвеса [8]. Был подобран оптимальный алгоритм измерения сдвига фазы при контакте с поверхностью, а также режим работы с наиболее предпочтительной амплитудой колебаний зондирующего острия.
На рис.3 приведен поперечный профиль царапины, полученный при помощи прибора "НаноСкан-4D" в режиме полуконтактного сканирования с поддержанием постоянного сдвига фазы колебаний [9].
На рис.4 представлены профили поверхности пресс-формы, полученные при помощи прибора "НаноСкан-4D" (амплитуда колебаний зондирующего острия составляла 100 нм, уровень силы взаимодействия – менее 1 мкН) и "Контурографа модели 220".
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Неоспоримым преимуществом контактных профилометров и контурографов с точки зрения решения задачи контроля формы, радиусов кривизны поверхностей и параметров шероховатости различных деталей является высокая скорость работы и точность получаемых данных. В то же время, реализация режима профилирования в нанотвердомерах серии "НаноСкан-4D" позволяет сочетать в едином измерительном комплексе такие разноплановые методики, как исследование механических характеристик (твердости и модуля упругости) и регистрация с микрометровой точностью рельефа деталей. При этом, как показывают результаты проведенных экспериментальных исследований, профили, измеренные с помощью двух различных приборов, совпадают в пределах разброса линейных размеров измеряемого объекта. Также показано, что при работе в режиме полуконтактного профилирования наиболее эффективным и быстродействующим методом контроля контакта зонда и поверхности образца для заданных характеристик колебательной системы является способ детектирования фазового сдвига между возбуждающей силой и возникшими колебаниями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Chang W. et al. Inspecting profile errors of conjugate disk cams with coordinate measurement // J. Manuf. Sci. Eng. 2008. Vol. 130.
2. Tsay D., Tseng K., Chen H. A Procedure for Measuring Planar Cam Profiles and Their Follower Motions // J. Manuf. Sci. Eng. 2006. Vol. 128. P. 697–704.
3. Бусурин В. и др. Применение прецизионного сканирующего профилометра для оценки точности изготовления деталей авиационных двигателей // Вестник МАИ. 2011. № 3. С. 200–209.
4. Chumbley L.S., Eisenmann D.J. Use of a scanning optical profilometer for toolmark characterization // Scanning Microsc. 2009. Vol. 7378.
5. Bennett J.M., Mattsson L. Introduction to Surface Roughness and Scattering. 2nd ed. Washngton, D.C.: Optical Society of America, 1999.
6. Loginov V.B. et al. Development and creation of a linear displacement guide rail with nanometric deviation from linearity at submetric scales of the measurement base // Meas. Tech. 2015. Vol. 58. № 5. P. 501–505.
7. http://www.renishaw.ru/ru/scanning-probes–6656 [Electronic resource].
8. Усеинов А. и др. Исследование свойств тонких покрытий в режиме динамического механического анализа с помощью сканирующего нанотвердомера "НаноСкан-4D" // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 1. С. 80–87.
9. Маслеников И. и др. Построение объемных карт механических свойств в режиме динамического механического анализа // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 2. С. 36.
Профили поверхности изделий могут измеряться различными способами, как контактными, так и бесконтактными. К контактным методам можно отнести те, в которых используются щупы или зонды, находящиеся в контакте с измеряемой поверхностью и движущиеся вдоль нее при помощи моторизованных трансляторов. К этому классу приборов относятся контурографы, профилометры. Бесконтактные методы контроля рельефа и шероховатости поверхности осуществляются при помощи оптических профилометров [4]. Профилометры – устройства, предоставляющие данные о рельефе поверхности с точностью менее микрометра, что позволяет вычислять параметры шероховатости. Исторически первыми оптическими профилометрами были гетеродинные интерферометры, в дальнейшем появились интерферометры, измеряющие сдвиг фаз, затем – приборы, измеряющие дифференциальный интерференционный контраст. Работа таких приборов основана на теоретических моделях отражения излучения от поверхностей различных типов (металлов, диэлектриков) [5].
Контактное профилирование может быть применено как в макро-, так и в микромасштабах. Для разных задач измерения рельефа поверхности могут быть использованы различные по своим размерам зонды. Если необходима точность измерений латеральных размеров, превышающая 10 нм, то поверхность изучают при помощи кремниевых кантилеверов с малым радиусом закругления кончика. Однако, при их использовании диапазон измерений по оси X(Y) ограничен сотней микрон, а по оси Z – несколькими десятками микрон. Как было указано выше, в промышленности ставится задача совершенно другого рода – требуется измерить форму детали, имеющей продольные размеры порядка нескольких сантиметров и перепад высот того же масштаба. В таком случае целесообразно использовать прибор с другим масштабом метрологических характеристик.
Для измерений параметров шероховатости и профилей различных деталей, как плоских, так и тел вращения, предназначены контурографы. С их помощью возможно также определение в измеренных профилях геометрических параметров: радиусов дуг, координат точек, расстояний, углов и т.д. [6].
С точки зрения повышения технологичности производства приборы, имеющие в своем арсенале разноплановые методики, являются хорошей альтернативой традиционным установкам. Так, нанотвердомер "НаноСкан-4D" (ФГБНУ "ТИСНУМ", Россия), сконструированный для измерения твердости и модуля упругости, за счет наличия моторизованного транслятора и системы возбуждения резонансных колебаний системы подвеса индентора может осуществлять профилирование поверхности образца. Кроме непосредственно данных о геометрии и линейных размерах детали, совмещение в одном приборе функции профилирования поверхности и измерения механических свойств помогает решить задачу выбора участка для измерения, а также выполнить высокоточное позиционирование индентора.
В данной работе проведены измерения контура детали сложной формы, и экспериментальные данные сопоставлены с результатами, получаемыми с помощью входящего в Государственный реестр средств измерений РФ "Контурографа модели 220" (АО "Завод ПРОТОН", Россия).
ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ
Принцип работы "Контурографа модели 220" (рис.1) стандартен и основан на сканировании неровностей измеряемой поверхности специальным щупом, установленным на консоли. В зависимости от конфигурации измеряемого места на образце, применяются щупы длиной от 1 до 100 мм с радиусом закругления острия в 10 или 20 мкм, углом заострения от 30⁰ до 60⁰. Щуп давит на образец своим весом, а на противоположном конце консоли установлен подвижный груз, позволяющий регулировать измерительное усилие в диапазоне от 1 до 200 мН. Перемещение консоли с щупом в горизонтальной плоскости осуществляется линейным электромеханическим приводом на длину трассирования до 220 мм с точностью до 0,1 мкм и скоростью до 2 мм/с. Возникающие при движении по измеряемой поверхности вертикальные механические колебания щупа преобразуются в цифровой сигнал индуктивным датчиком с точностью до 0,001 мкм во всем диапазоне от –60 до 60 мм поднятия-опускания щупа. Привод с датчиком, консолью и щупом перемещается по вертикали на 400 мм на моторизованной стойке для работы с разными по габаритам образцами. Сами образцы закрепляются либо на координатном столе, либо на шпинделе. Координатный стол позволяет выбирать место на образце для измерения профиля, а также получать трехмерное изображение путем измерения многих профилей. Шпиндель за счет наличия горизонтальной оси вращения позволяет работать в режиме кругломера, измеряя отклонение формы тел вращения. Гранитное основание моторизованной стойки и виброгасящие амортизаторы снижают уровень шумов при измерениях. Возможна работа с образцами весом до 60 кг. Метрологически обеспечиваются точности измерения длин до 0,1 мкм, радиусов до 0,2 мкм, углов до 0,1⁰ и одновременно шероховатости Ra в диапазоне от 0,005 до 50 мкм с точностью до 0,001 мкм.
Типичным режимом работы наноинденторов при профилировании является сканирование в режиме постоянной силы прижима. Это своеобразный аналог контактного режима в атомно-силовых микроскопах (АСМ). Благодаря высокому разрешению по силе и эффективной системе виброизоляции, типичный наноиндентор может сканировать поверхность при уровне прижима в несколько микроньютон (типичная величина для приборов типа "НаноСкан-4D" и Agilent G200 – от 5 до 10 мкН). Использование датчика боковой силы в дополнение к такому режиму позволяет получать не только профиль рельефа поверхности, но и коэффициент сухого трения острия индентора о поверхность материала.
Имеющая высокую собственную частоту измерительная система наноиндентора "НаноСкан-4D" (рис.2) благодаря оптимальному разрешению по силе и смещению может осуществлять профилирование при работе в режиме резонансного возбуждения, что аналогично полуконтактному режиму АСМ. В процессе колебаний необходимо, чтобы отклонение иглы находилось в пределах диапазона измерений датчика. При работе в контактном режиме неизбежно происходит деформация поверхности, а полуконтактный режим снижает влияние на измеряемый образец.
Для уменьшения времени измерений разработан ряд программных алгоритмов управления перемещением в зависимости от степени кривизны поверхности изделия (при движении вдоль плоских поверхностей скорость увеличивается). Изменение скорости перемещения датчика вдоль контуров детали влияет на скорость считывания данных, то есть в местах, где рельеф поверхности меняется быстрее всего, производится большее количество измерений.
Для получения наилучших результатов требуется комплексная обработка и фильтрация данных, чтобы преобразовать результаты измерений в используемую на практике информацию о "слепке" поверхности [7]. Эту задачу решает разработанное для приборов "НаноСкан" программное обеспечение, корректирующее шаг изображения поверхности (вычитающее наклон) с одновременной фильтрацией случайных единичных выбросов в данных.
ПРОВЕДЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве тестового объекта для испытаний возможностей наноиндентора для измерения профилей были выбраны пресс-формы, используемые для выращивания синтетических монокристаллов алмаза в камере высокого давления в процессе HPHT-роста. Они имеют достаточно сложную форму с углублениями, радиус кривизны которых должен иметь заданное значение. Точное соблюдение геометрии необходимо для того, чтобы прикладываемое прессом усилие распределялось равномерно. Проверка точности изготовления деталей со сложным рельефом поверхности была осуществлена путем профилирования в полуконтактном режиме. Получены данные о контуре детали и ее отклонении от формы, заданной чертежами.
Сканирующий нанотвердомер "НаноСкан-4D", при помощи которого в представленном исследовании измерялись профили, имел резонансную частоту системы подвеса индентора 80 Гц, массу подвижной части 30 г и жесткость системы подвеса 7 кН/м. При этом добротность системы подвеса индентора Q равнялась 30, минимально регистрируемое смещение – 0,1 нм, а порог обнаружения по силе – 1 мкН в полосе частот 0,1 Гц – 1 кГц.
Контроль прижима колеблющегося зонда к поверхности может быть осуществлен двумя способами: по изменению амплитуды и по изменению сдвига фазы. Существенно повысить качество сканирования поверхности прибором "НаноСкан-4D" удалось путем реализации режима фазового контроля сдвига резонансной частоты, так как он обеспечивает не только высокое быстродействие, но и менее подвержен влиянию разного рода возмущающих факторов. Уровень средней силы взаимодействия острия с поверхностью был снижен на порядок благодаря динамическому контролю контакта за счет использования резонансного режима возбуждения сенсорной системы подвеса [8]. Был подобран оптимальный алгоритм измерения сдвига фазы при контакте с поверхностью, а также режим работы с наиболее предпочтительной амплитудой колебаний зондирующего острия.
На рис.3 приведен поперечный профиль царапины, полученный при помощи прибора "НаноСкан-4D" в режиме полуконтактного сканирования с поддержанием постоянного сдвига фазы колебаний [9].
На рис.4 представлены профили поверхности пресс-формы, полученные при помощи прибора "НаноСкан-4D" (амплитуда колебаний зондирующего острия составляла 100 нм, уровень силы взаимодействия – менее 1 мкН) и "Контурографа модели 220".
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Неоспоримым преимуществом контактных профилометров и контурографов с точки зрения решения задачи контроля формы, радиусов кривизны поверхностей и параметров шероховатости различных деталей является высокая скорость работы и точность получаемых данных. В то же время, реализация режима профилирования в нанотвердомерах серии "НаноСкан-4D" позволяет сочетать в едином измерительном комплексе такие разноплановые методики, как исследование механических характеристик (твердости и модуля упругости) и регистрация с микрометровой точностью рельефа деталей. При этом, как показывают результаты проведенных экспериментальных исследований, профили, измеренные с помощью двух различных приборов, совпадают в пределах разброса линейных размеров измеряемого объекта. Также показано, что при работе в режиме полуконтактного профилирования наиболее эффективным и быстродействующим методом контроля контакта зонда и поверхности образца для заданных характеристик колебательной системы является способ детектирования фазового сдвига между возбуждающей силой и возникшими колебаниями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Chang W. et al. Inspecting profile errors of conjugate disk cams with coordinate measurement // J. Manuf. Sci. Eng. 2008. Vol. 130.
2. Tsay D., Tseng K., Chen H. A Procedure for Measuring Planar Cam Profiles and Their Follower Motions // J. Manuf. Sci. Eng. 2006. Vol. 128. P. 697–704.
3. Бусурин В. и др. Применение прецизионного сканирующего профилометра для оценки точности изготовления деталей авиационных двигателей // Вестник МАИ. 2011. № 3. С. 200–209.
4. Chumbley L.S., Eisenmann D.J. Use of a scanning optical profilometer for toolmark characterization // Scanning Microsc. 2009. Vol. 7378.
5. Bennett J.M., Mattsson L. Introduction to Surface Roughness and Scattering. 2nd ed. Washngton, D.C.: Optical Society of America, 1999.
6. Loginov V.B. et al. Development and creation of a linear displacement guide rail with nanometric deviation from linearity at submetric scales of the measurement base // Meas. Tech. 2015. Vol. 58. № 5. P. 501–505.
7. http://www.renishaw.ru/ru/scanning-probes–6656 [Electronic resource].
8. Усеинов А. и др. Исследование свойств тонких покрытий в режиме динамического механического анализа с помощью сканирующего нанотвердомера "НаноСкан-4D" // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 1. С. 80–87.
9. Маслеников И. и др. Построение объемных карт механических свойств в режиме динамического механического анализа // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 2. С. 36.
Отзывы читателей
