表面粗糙度儀發(fā)明與歷史

表面粗糙度與零件表面功能有著密切的關系,因此人們在很早以前就認識到測量表面粗糙度的重要性 。但由于技術工藝水平的落后,早只能單純依靠人的視覺和觸覺來估計,即通過目測或用手觸摸 試件與標準樣塊進行比較,隨著生產技術的發(fā)展,人們又采用了比較顯微鏡進行比對。

這些原始的 測量方法只能對表面微觀不平度做出定性的綜合評定。自從1929年德國的施馬爾茨(Schm altZ)發(fā)明了用光杠桿進行放大的表面輪廓記錄儀后,人們就一直致力于表面質量檢測技術的 研究,從此開始了對表面粗糙度的數量化描述。

1936年艾博特(Abbott)制成了*臺 車間用測量表面粗糙度的儀器,它是現在美國Bend公司測微計分廠生產的表面輪廓儀的 。這種儀器用測量距離輪廓峰頂的深度與支承面積比的關系曲線即艾傅特曲線來表征表面粗糙度。

測量和評定表面形貌的通用方法是輪廓法,這種方法只需測量工件表面上的幾個截面輪廓,然后再 根據輪廓曲線上的幾何特征計算出評定表面質量的粗糙度參數,目前世界各國有關表面粗糙度的標 準都是根據輪廓法制定出來的?，F在常用的表面輪廓測量方法有很多,如觸針方法、各種光學方法 和掃描探針顯微鏡技術等。

隨著現代工業(yè)的飛速發(fā)展,對零件的加工表面質量提出了越來越高的要求,而掃描探針顯微鏡技術、高精度粗糙度測量儀器的發(fā)展和數據處理能力的提高,使得三維表面 微觀形貌的測量成為可能。近年來,由于計算機技術、電子技術、數據處理能力的提高,研制了許 多三維表面微觀形貌測量儀,使得在局部表面上三維評定表面粗糙度成為可行,而且上方興未艾。下面將介紹幾種典型的檢測方法:一接觸式測量法廣泛應用的接觸式測量儀是觸針式輪廓儀。觸針式側量法自1927年以來就一直被采用,目前仍然被廣泛地用于表面粗糙度測量,而且用它所獲得的結果經常作為評價其它方法的參考標準。

觸針法是測量表面微觀形貌的傳統(tǒng)方法,該方法可直接獲得被測表面某一截面的輪廓曲 線,通過計算機處理,可得出接近真實輪廓參數的各種表面特征參數;但其測量結果帶有一定的片 面性和偶然性,而且也不可能完整的描述和反映整個表面形貌的幾何特征。

傳統(tǒng)的觸針式輪廓儀只 能測量二維輪廓參數,80年代以來,隨著產品表面質量要求的提高,有了對三維形貌檢測的需要 ,國內外對傳統(tǒng)的二維觸針儀進行了改進。傳統(tǒng)二維接觸式輪廓儀只有x方向和z方向兩個自由度 。

如果加上y方向的一維移動,便能進行簡單的三維測量。國內還沒有這類成熟的產品,上為的是英國RankTayr Hobson公司,他們經過數十年的研究成功地推出了一系列比較成熟的產品,并在生產實際中獲得了廣泛的應用,其代表產品是Ta刃orscan 3D scanner型具有高速掃描頭的表面三維輪廓儀。它們一般采用金剛石探針掃描被測表面,其橫 向和縱向分辨率可達ZOnnl和0.1~甚至更高。

這種方法的優(yōu)點是:測量范圍大、分辨率高 、測量結果穩(wěn)定可靠、重復性好。但是接觸式測量有其難以克服的缺點:

(1)為了使測頭不至于 很快磨損,測頭的硬度一般都很高,這樣測量時勢必會劃傷被測表面,所以不易測量高質量和軟質 表面;

(2)測頭的頭部為了保證耐磨性并保持剛性而不可能做得非常細小、尖銳,那么如果側頭 頭部曲率半徑大于被測表面上微觀凹坑的半徑必然造成該處測量數據的偏差,使測得的形貌與實際 形貌不吻合,從而影響測量精度;

(3)測量三維表面時,為了保證掃描方向上的精度及分辨率, 進給步距必須很,卜,這樣必然大大降低測量速度。

二非接觸式測量法2o世紀so年代,由于光學技術被引入表面形貌測量,從而實現了非接觸式測。該技術由于克服了接觸式測的諸多缺點 而成為近年來的研究熱點,它是光、機、電、磁等多學科交叉形成的一個綜合體。它的特點是通過 將表面微觀輪廓的高度信息轉換為光、聲、電等易于測的信號,從而達到測量的目的。

1.光學 測童法光學測量法是基于光學原理的非接觸測法。該法不僅可以實現表面形貌的高精度的快速非 接觸測量,而且系統(tǒng)結構簡單、成本低,在表面非接觸測量領域得到了廣泛應用。它包括光學探針 法和干涉法。1951年聯邦德國奧普托廠生產出測量表面粗糙度的干涉顯微鏡,1958年蘇聯 生產出性能良好的MNN一4型干涉顯微鏡,1968年我國上海光學儀器廠生產出6J型干涉顯 微鏡。

2.掃描探針顯徽鏡技術1981年,IBM公司蘇黎世實驗室發(fā)明了一種新型的表面分析儀器—掃描隧道顯微鏡(sc~ingTunn山ngMierosc叩e,sTM)。在此后的短短幾年里,它以*的性能激起了世界各國科學家的極 大興趣和熱情。在8o年代,相繼誕生了一系列在主要結構和工作方式方面與STM相似的顯微儀 器,用來獲取用STM無法獲取的有關表面結構和性質的各種信息。這個目前被稱為“掃描探針顯微鏡的顯微儀器家族還在不斷發(fā)展,成為人類認識微觀世界的有力工具。

掃描探針顯微鏡可以在納米級乃至原子級的水平上研究物質表面原子和分子結構及相關的物理、化學性質。下面將介紹幾種有代表性的掃描探針顯微鏡

。①掃描隧道顯徽鏡掃描隧道顯微鏡(sTM)的工作原理是基于子力學的隧道效應。它主要由壓電陶瓷掃描控制器、針尖樣品逼近裝里、電子反饋回路以及數據采集、圖象處理系統(tǒng)組成。STM具有原子級的*分辨率,其橫向與縱向 分辨率分別達到0.1~和o.olnm即可以分辨出單個原子。但其局限性在于:被測件必須導 電,垂直和水平測蚤范圍小,此外,若表面形貌的波長或峰、谷差太?小,在復制表面時,高分子 膜難以滲入,不能正確反映表面真實形貌。

②原子力顯微鏡為解決非導體的表面微觀形貌的檢測, 1986年Binn誼g等人發(fā)明了原子力顯微鏡,它是利用原子間的作用力而進行測量的。AF M的工作原理圖如圖1所示。當測量時,AFM的探針被微力彈簧片壓向試件表面,探針和試 件表面間的原子排斥力將探針微微抬起,達到力的平衡。AFM探針在試件表面掃描時,因微力彈 簧的壓力基本不變,故探針將隨被測表面的起伏而上下波動。通過用隧道電流或光學方法檢測微懸 臂的位移,可實現對探針原子與表面原子之間的排斥力的監(jiān)測,進而可測出試件表面的微觀形 貌。由于不需要在探針與樣品間形成電回路,突破了試件必須導電的限制,這使AFM有了更加廣 泛的應用領域,但其測量分辨率較sTM了氏。Binning等人研制的*臺AFM當時只有 3nm的橫向分辨率。

1987年斯坦福大學Quate等人報道了研制的AFM達到了原子級分 辨率。1988年底中科院化學所研制成功*臺具有原子級分辨率的AFM。光學檢側呂圈定峪XYZ壓電肉充掃貓移反債拉側掃描發(fā)生呂1示呂圈1AFM工作原理圈

③其它掃描顯微鏡掃描力顯微鏡(s FM)是在STM基礎上發(fā)展起來的,它通過測盤帶尖的力敏感元件與樣品表面局部區(qū)域的相互作用 力來獲得高分辨率的圖像。激光力顯微鏡、磁力顯微鏡等雖然采用不同的測量原理,但都是通過檢 測探針和樣品表面之間的物理化學特性參量來獲知樣品表面微觀形貌的,在此不再贅述。三結論掃 描探針力顯微鏡技術的迅速發(fā)展,為超精密加工表面粗糙度的測量,提供了更先進的測t手段,它不僅使測量精度達到了納米數級,而且能夠得到加工表面真實的三維圖像,從而完整全面地反映 出樣品表面的功能特性。它克服了傳統(tǒng)測量方法如光切法、接觸式測量法測量精度低的弱點,能以 相當高的分辨率探測加工表面原子和分子的微觀形貌。目前,超精密加工表面形貌的測t技術主要 是向提高系統(tǒng)橫向分辨率、三維形貌測和在線檢測方向發(fā)展,并且對三維表面微觀形貌的表征方 法和評定參數的研究越來越迫切。

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