表面粗糙度仪发明与历史

表面粗糙度与零件表面功能有着密切的关系,因此人们在很早以前就认识到测量表面粗糙度的重要性。但由于技术工艺水平的落后,最早只能单纯依靠人的视觉和触觉来估计,即通过目测或用手触摸试件与标准样块进行比较,随着生产技术的发展,人们又采用了比较显微镜进行比对。

这些原始的测量方法只能对表面微观不平度做出定性的综合评定。自从1929年德国的施马尔茨(SchmaltZ)发明了用光杠杆进行放大的表面轮廓记录仪后,人们就一直致力于表面质量检测技术的研究,从此开始了对表面粗糙度的数量化描述。

1936年艾博特(Abbott)制成了台车间用测量表面粗糙度的仪器,它是现在美国Bend公司测微计分厂生产的表面轮廓仪的先驱。这种仪器用测量距离轮廓峰顶的深度与支承面积比的关系曲线即艾傅特曲线来表征表面粗糙度。

测量和评定表面形貌的通用方法是轮廓法,这种方法只需测量工件表面上的几个截面轮廓,然后再根据轮廓曲线上的几何特征计算出评定表面质量的粗糙度参数,目前世界各国有关表面粗糙度的标准都是根据轮廓法制定出来的。现在常用的表面轮廓测量方法有很多,如触针方法、各种光学方法 和扫描探针显微镜技术等。

随着现代工业的飞速发展,对零件的加工表面质量提出了越来越高的要求,而扫描探针显微镜技术、高粗糙度测量仪器的发展和数据处理能力的提高,使得三维表面微观形貌的测量成为可能。近年来,由于计算机技术、电子技术、数据处理能力的提高,研制了许多三维表面微观形貌测量仪,使得在局部表面上三维评定表面粗糙度成为可行,而且国际上方兴未艾。下面将介绍几种典型的检测方法:一接触式测量法最广泛应用的接触式测量仪是触针式轮廓仪。触针式侧量法自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。

触针法是测量表面微观形貌的传统方法,该方法可直接获得被测表面某一截面的轮廓曲线,通过计算机处理,可得出接近真实轮廓参数的各种表面特征参数;但其测量结果带有一定的片面性和偶然性,而且也不可能完整的描述和反映整个表面形貌的几何特征。

传统的触针式轮廓仪只能测量二维轮廓参数,80年代以来,随着产品表面质量要求的提高,有了对三维形貌检测的需要,国内外对传统的二维触针仪进行了改进。传统二维接触式轮廓仪只有x方向和z方向两个自由度 。

如果加上y方向的一维移动,便能进行简单的三维测量。国内还没有这类成熟的产品,国际上最为的是英国RankTayrHobson公司,他们经过数十年的研究成功地推出了一系列比较成熟的产品,并在生产实际中获得了广泛的应用,其代表产品是Ta刃orscan3D scanner型具有高速扫描头的表面三维轮廓仪。它们一般采用金刚石探针扫描被测表面,其横向和纵向分辨率可达ZOnnl和0.1~甚至更高。

这种方法的优点是:测量范围大、分辨率高、测量结果稳定可靠、重复性好。但是接触式测量有其难以克服的缺点:

(1)为了使测头不至于很快磨损,测头的硬度一般都很高,这样测量时势必会划伤被测表面,所以不易测量高质量和软质 表面;

(2)测头的头部为了保证耐磨性并保持刚性而不可能做得非常细小、尖锐,那么如果侧头头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差,使测得的形貌与实际 形貌不吻合,从而影响测量;

(3)测量三维表面时,为了保证扫描方向上的及分辨率,进给步距必须很,卜,这样必然大大降低测量速度。

二非接触式测量法2o世纪so年代,由于光学技术被引入表面形貌测量,从而实现了非接触式测最。该技术由于克服了接触式测最的诸多缺点而成为近年来的研究热点,它是光、机、电、磁等多学科交叉形成的一个综合体。它的特点是通过将表面微观轮廓的高度信息转换为光、声、电等易于测最的信号,从而达到测量的目的。

1.光学测童法光学测量法是基于光学原理的非接触测最法。该法不仅可以实现表面形貌的高的快速非接触测量,而且系统结构简单、成本低,在表面非接触测量领域得到了广泛应用。它包括光学探针法和干涉法。1951年联邦德国奥普托厂生产出测量表面粗糙度的干涉显微镜,1958年苏联生产出性能良好的MNN一4型干涉显微镜,1968年我国上海光学仪器厂生产出6J型干涉显 微镜。

2.扫描探针显徽镜技术1981年,IBM公司苏黎世实验室发明了一种新型的表面分析仪器—扫描隧道显微镜(sc~ingTunn山ngMierosc叩e,sTM)。在此后的短短几年里,它以独特的性能激起了世界各国科学家的极大兴趣和热情。在8o年代,相继诞生了一系列在主要结构和工作方式方面与STM相似的显微仪器,用来获取用STM无法获取的有关表面结构和性质的各种信息。这个目前被称为“扫描探针显微镜的显微仪器家族还在不断发展,成为人类认识微观世界的有力工具。

扫描探针显微镜可以在纳米级乃至原子级的水平上研究物质表面原子和分子结构及相关的物理、化学性质。下面将介绍几种有代表性的扫描探针显微镜

。①扫描隧道显徽镜扫描隧道显微镜(sTM)的工作原理是基于最子力学的隧道效应。它主要由压电陶瓷扫描控制器、针尖样品逼近装里、电子反馈回路以及数据采集、图象处理系统组成。STM具有原子级的极高分辨率,其横向与纵向分辨率分别达到0.1~和o.olnm即可以分辨出单个原子。但其局限性在于:被测件必须导电,垂直和水平测蚤范围小,此外,若表面形貌的波长或峰、谷差太?小,在复制表面时,高分子膜难以渗入,不能正确反映表面真实形貌。

②原子力显微镜为解决非导体的表面微观形貌的检测,1986年Binn谊g等人发明了原子力显微镜,它是利用原子间的作用力而进行测量的。AFM的工作原理图如图1所示。当测量时,AFM的探针被微力弹簧片压向试件表面,探针和试件表面间的原子排斥力将探针微微抬起,达到力的平衡。AFM探针在试件表面扫描时,因微力弹簧的压力基本不变,故探针将随被测表面的起伏而上下波动。通过用隧道电流或光学方法检测微悬臂的位移,可实现对探针原子与表面原子之间的排斥力的监测,进而可测出试件表面的微观形貌。由于不需要在探针与样品间形成电回路,突破了试件必须导电的限制,这使AFM有了更加广泛的应用领域,但其测量分辨率较sTM了氏。Binning等人研制的台AFM当时只有 3nm的横向分辨率。

1987年斯坦福大学Quate等人报道了研制的AFM达到了原子级分辨率。1988年底中科院化学所研制成功国内首台具有原子级分辨率的AFM。光学检侧吕圈定峪XYZ压电肉充扫猫移反债拉侧扫描发生吕1示吕圈1AFM工作原理圈

③其它扫描显微镜扫描力显微镜(sFM)是在STM基础上发展起来的,它通过测盘带尖的力敏感元件与样品表面局部区域的相互作用力来获得高分辨率的图像。激光力显微镜、磁力显微镜等虽然采用不同的测量原理,但都是通过检测探针和样品表面之间的物理化学特性参量来获知样品表面微观形貌的,在此不再赘述。三结论扫描探针力显微镜技术的迅速发展,为超精密加工表面粗糙度的测量,提供了更先进的测t手段,它不仅使测量达到了纳米数最级,而且能够得到加工表面真实的三维图像,从而完整全面地反映出样品表面的功能特性。它克服了传统测量方法如光切法、接触式测量法测量低的弱点,能以相当高的分辨率探测加工表面原子和分子的微观形貌。目前,超精密加工表面形貌的测t技术主要是向提高系统横向分辨率、三维形貌测最和在线检测方向发展,并且对三维表面微观形貌的表征方 法和评定参数的研究越来越迫切。