Метод профилографии

Метод профилографии — это совокупность способов и приёмов количественного и качественного описания рельефа поверхности твёрдых тел, основанная на получении и анализе профилограмм — графических изображений сечения поверхности плоскостью, ориентированной в заданном направлении. Метод относится к контактным и бесконтактным методам измерения шероховатости, волнистости и макроотклонений формы поверхности и широко применяется в машиностроении, приборостроении, металлургии, оптике и других отраслях промышленности для контроля качества обработки деталей.

История развития

Первые попытки количественной оценки шероховатости поверхности относятся к концу XIX — началу XX века. В 1929 году немецкий инженер Густав Шмальц (Gustav Schmalz) предложил один из первых механических профилографов, в котором алмазная игла, перемещаясь по поверхности, передавала колебания на барабан с закопчённой бумагой. В СССР систематические исследования в области профилографии начались в 1930-х годах под руководством профессора В. Д. Кузнецова. В 1940—1950-х годах были разработаны первые отечественные серийные профилографы (модели «Калибр», «Профиль»), а в 1960-х годах — электронные профилографы с записью на фотоплёнку и самописцы. В 1970—1980-х годах с развитием микроэлектроники появились профилографы с цифровой обработкой сигнала, а в 1990—2000-х — лазерные и интерференционные бесконтактные профилографы, позволяющие измерять поверхности с нанометровой точностью.

Классификация методов профилографии

По способу получения профиля

Контактные (щуповые) методы — основаны на механическом ощупывании поверхности алмазной или сапфировой иглой с радиусом закругления от 2 до 10 мкм. Игла перемещается по поверхности, а её вертикальные перемещения преобразуются в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрического или индуктивного датчика. Недостаток — возможность повреждения мягких или хрупких поверхностей.
Бесконтактные (оптические) методы — используют отражение или рассеяние света от поверхности. Включают:
Лазерную триангуляцию — измерение расстояния до поверхности по смещению отражённого лазерного пятна.
Интерференционную микроскопию — анализ интерференционной картины, возникающей при отражении света от поверхности и от эталонного зеркала.
Конфокальную микроскопию — сканирование поверхности сфокусированным лазерным лучом и регистрация интенсивности отражённого света.
Метод белого света (WLI — white light interferometry) — измерение когерентности отражённого света для получения профиля.
Сканирующая зондовая микроскопия — атомно-силовая (АСМ) и туннельная (СТМ) микроскопия, позволяющие получать профиль с атомарным разрешением, но на малых участках (до 100×100 мкм).

По характеру измерений

Профилография — запись профиля поверхности в виде непрерывной кривой (профилограммы) с последующим её анализом.
Профилометрия — измерение числовых параметров шероховатости (Ra, Rz, Rmax и др.) без построения полного графика.

Устройство и принцип работы профилографа

Типичный контактный профилограф состоит из следующих основных узлов:

Измерительный блок — включает алмазную иглу, закреплённую на рычаге, и датчик перемещения (индуктивный, ёмкостной или пьезоэлектрический). Игла оказывает на поверхность усилие от 0,1 до 10 мН.
Привод перемещения — обеспечивает перемещение иглы или столика с образцом вдоль заданной траектории с постоянной скоростью (обычно 0,1—10 мм/с). Привод может быть механическим (винтовая передача с шаговым двигателем) или пьезоэлектрическим.
Блок обработки сигнала — усиливает и фильтрует электрический сигнал от датчика, выделяя из него составляющие шероховатости, волнистости и отклонений формы.
Регистрирующее устройство — в современных приборах — компьютер с программным обеспечением, отображающим профилограмму на экране и вычисляющим параметры.

Принцип работы: игла скользит по поверхности, повторяя её микронеровности. Вертикальные колебания иглы преобразуются датчиком в электрическое напряжение, которое после усиления и фильтрации записывается как график зависимости высоты неровности от длины трассы (профилограмма).

Параметры шероховатости, определяемые методом профилографии

В соответствии с ГОСТ 2789-73 (ISO 4287) и ГОСТ 25142-82, метод профилографии позволяет вычислять следующие основные параметры:

Ra — среднее арифметическое отклонение профиля (мкм): среднее абсолютное значение отклонений профиля от средней линии.
Rz — высота неровностей профиля по десяти точкам (мкм): среднее арифметическое абсолютных отклонений пяти наибольших максимумов и пяти наибольших минимумов профиля.
Rmax — наибольшая высота профиля (мкм): расстояние между линией выступов и линией впадин.
Sm — средний шаг неровностей (мм): среднее арифметическое значение шагов неровностей в пределах базовой длины.
S — средний шаг местных выступов профиля (мм).
tp — относительная опорная длина профиля (%): отношение длины опорной линии профиля на заданном уровне p к базовой длине.

Применение метода профилографии

Машиностроение и металлообработка

Контроль шероховатости поверхностей деталей после различных видов обработки: точения, фрезерования, шлифования, полирования, хонингования, суперфиниширования. Параметры шероховатости влияют на износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость, герметичность соединений и коэффициент трения. Например, для подшипников качения Ra не должно превышать 0,32 мкм, а для цилиндров двигателей внутреннего сгорания — 0,16—0,32 мкм.

Приборостроение и оптика

Измерение качества оптических поверхностей (линз, зеркал, призм) — для них требуется Ra менее 0,01 мкм. Профилография используется для контроля точности изготовления деталей микроэлектромеханических систем (МЭМС), полупроводниковых пластин и магнитных головок.

Металлургия и материаловедение

Оценка рельефа поверхности после прокатки, волочения, штамповки, а также после нанесения покрытий (гальванических, напыляемых, лакокрасочных). Профилография позволяет выявлять дефекты — царапины, риски, задиры, раковины.

Медицина и биология

Исследование рельефа биологических тканей (костная ткань, зубная эмаль, кожные покровы), а также контроль качества имплантатов, эндопротезов и стоматологических материалов.

Трибология

Изучение влияния шероховатости на трение и износ контактирующих поверхностей. Профилограммы, снятые до и после испытаний, позволяют оценить характер износа и определить оптимальную шероховатость для конкретных условий эксплуатации.

Достоинства и недостатки метода

Достоинства

Высокая точность измерений (до 0,1 нм для бесконтактных методов).
Возможность получения полного профиля поверхности, а не только усреднённых параметров.
Применимость для широкого спектра материалов — металлов, пластмасс, керамики, стекла, полупроводников.
Стандартизация метода (ГОСТ, ISO, DIN) — результаты измерений признаются во всём мире.
Относительная простота интерпретации профилограмм для опытного оператора.

Недостатки

Контактные методы могут повреждать мягкие или хрупкие поверхности (например, полированные оптические покрытия).
Ограниченная длина трассы (обычно до 50—100 мм) — для крупных деталей требуется многократное сканирование.
Влияние вибраций, температуры и загрязнений на точность измерений.
Бесконтактные методы чувствительны к отражательной способности поверхности — тёмные, матовые или прозрачные материалы могут давать некорректные результаты.
Высокая стоимость прецизионных профилографов (от нескольких сотен тысяч до миллионов рублей).

Современные тенденции

В XXI веке метод профилографии активно развивается в направлении автоматизации, трёхмерного сканирования и интеграции с компьютерными системами. Появились 3D-профилографы, которые строят не один профиль, а карту высот всей поверхности (топографию) с разрешением до 1 нм по вертикали и 0,1 мкм по горизонтали. Разрабатываются портативные профилографы для контроля в полевых условиях, а также методы, сочетающие профилографию с другими видами анализа (например, с рентгеновской дифракцией или спектроскопией). В России ведущими производителями профилографического оборудования являются ОАО «Калибр» (Москва), АО «ЛОМО» (Санкт-Петербург) и ООО «НПП «Метроника» (Москва).

Источники

ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики».
ГОСТ 25142-82 «Шероховатость поверхности. Термины и определения».
Д. В. Васильев, В. И. Сидоров. «Методы и средства измерения шероховатости поверхности». — М.: Машиностроение, 2005.
А. Н. Табачников, В. А. Козлов. «Профилография и профилометрия в машиностроении». — Л.: Лениздат, 1978.
ISO 4287:1997 «Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface texture: Profile method — Terms, definitions and surface texture parameters».
ISO 25178-2:2012 «Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters».
Материалы сайта ОАО «Калибр» (www.kalibr.ru) — описание моделей профилографов.
Учебное пособие «Метрология, стандартизация и сертификация» под ред. В. Н. Калиниченко. — М.: Юрайт, 2019.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →