CN102288505B - 表面质量评价中的原位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了表面质量评价中的原位测量方法，首先，使用激光雕刻的方法，在被测工件表面上刻出一道沟槽，此沟槽作为测量标靶区，测量标靶区本身不参与工作过程；其次，通过测量标靶区特征点在非接触式三维微观形貌仪扫描区域内的坐标值来进行定位，并进行表面质量评价。本发明对表面微观形貌进行原位测量，揭示实际工作表面的规律，准确的评价表面在其服役周期中所具有的物理演化过程的渐进性，为表面质量评价提供新视角和新方法。

Description

表面质量评价中的原位测量方法

技术领域

    本发明涉及原位测量方法，具体涉及一种表面质量评价中的原位测量方法。

背景技术

表面质量评价的依据为表面粗糙度理论，传统表面粗糙度参数多是对初始表面微观形貌几何特征的描述，没有同表面使用性能建立紧密联系。即现有粗糙度理论的表面质量评价是用初始表面描述整个服役周期，显然是不合理的。初始表面和其使用性能之间的关系，一直是研究的重点。 

表面的使用性能是在其服役周期中表现出来或得以验证的，其物理演化过程具有明显的渐进性，从精度保持、衰减直至失效，依据现有粗糙度理论的表面质量评价无法准确表征。对于表面整个服役周期和渐进物理过程的表征，多采用模拟建模的方式来解决，即用数学表达方式来表征表面形貌特征及其服役过程，其建模的基本方法有基于概率的有限元、运动学和切削机理的分析方法等，迄今为止尚未有一种规范性、***性、通用性和完整性的建模理论，现有建模方法还存在适用范围小、通用性差以及易产生人为推导误差等问题。

原位测量的概念较宽泛，在不同的技术领域有不同的解释和实现方法，其中共性的内容：为避免样品取样和搬运对被测对象造成的扰动，在保持周围环境未发生变化的情况下，使测量结果更加准确、可靠。原位测量在不同的技术领域都有具体应用，比如航天器材料表面光学性能的原位测量、海底沉积物声学原位测量、对微位移的原位测量等。

但是原位测量用于表面质量评价却是非常困难。表面质量评价的依据为表面粗糙度理论，表面粗糙度是表面微观几何结构的描述，其测量应限制在一段足够短的长度上，以抑制或减弱波纹度、排除宏观形状误差的影响，对于轮廓算术平均偏差Ra在0.1μm～2μm 的常用精度表面，其测量的取样长度仅为0.8mm，如果是三维表面粗糙度，其测量的取样区域约为0.8mm×0.6mm。即要实现表面质量评价中微观的原位测量，依靠传统的机械重复定位方法很难达到所需精度。 

表面质量评价除了测试区域很小外，由于表面包含大量加工中的随机不稳定因素，会导致测量结果的不稳定，同一表面不同处测量的结果会出现较大偏差。所以要用表面质量评价参数体系描述工件表面工作的物理演化过程，并衡量参数本身的稳定性以及参数本身和使用性能的对应程度，必须要实现同一位置的精确测量才有意义。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种表面质量评价中的原位测量方法，采用原位测量方法对表面微观形貌进行原位测量，准确的评价表面在其服役周期中所具有的物理演化过程的渐进性，为表面质量评价提供新视角和新方法。

本发明的技术解决方案是：在被测工件表面设定一个测量标靶区，对应表面在其服役周期中所具有的物理演化过程的渐进性，获得不同时间点的实际工作表面，通过测量标靶区特征点的识别，得到不同时间点的实际工作表面在同一位置的精确测量，揭示渐进性过程中表面的精度保持、衰减直至失效的规律，这些规律通过表面质量评价参数体系表达出来。

本发明的原位测量方法的步骤是：首先，使用激光雕刻的方法，在被测工件表面上刻出一道沟槽，此沟槽作为测量标靶区，测量标靶区本身不参与工作过程；其次，通过测量标靶区特征点在非接触式三维微观形貌仪扫描区域内的坐标值来进行定位，并进行表面质量评价。

本发明的原位测量方法的具体步骤是：首先，使用激光雕刻的方法，在被测工件表面上刻出一道沟槽，沟槽宽度60μm、沟槽长度200μm、沟槽深度4μm，此沟槽即作为测量标靶区；其次，使用非接触式三维微观形貌仪，扫描包含沟槽的某一区域，形成扫描区域的平面图；非接触式三维微观形貌仪对工件进行检测时，工件直接放置在工作台上，工件没有经过定位和固定，工作台具有平面的横向、纵向移动调整功能，工件被测区域的查找是通过工作台横向、纵向的移动调整，工作台横向、纵向移动的最小步距1μm，由于表面测量的取样长度多为800μm，结合仪器功能选定三维微观形貌扫描仪的扫描区域为857μm×637μm，非接触式三维微观形貌仪在扫描区域内具有坐标拾取功能，即选定扫描区域857μm×637μm内的某一点，显示该点的平面坐标值，平面坐标系由x轴、y轴所示，其x轴、y轴的零点分别位于两轴的中心，非接触式三维微观形貌仪在扫描区域内任意选取两点并连接为一线段，得到两点间线段的二维轮廓图，选取过y轴0点并与x轴平行的线段即获得此线段的二维轮廓图，使用非接触式三维微观形貌仪在扫描区域内的坐标拾取功能，选定沟槽四个直角点中的两个，记录两个直角点坐标值；然后，取出被测工件，被测工件开始其工作过程，工作过程中避开沟槽位置，即沟槽作为不参与工作过程的测量标靶区，被测工件工作一定时间或达到一定磨损量后，重新放置在非接触式三维微观形貌仪的工作台上，使工件的位置和初次测量位置基本一致，通过非接触式三维微观形貌仪工作台横向、纵向的移动调整，使作为测量标靶区的沟槽位于扫描视场内，使用非接触式三维微观形貌仪在扫描区域内的坐标拾取功能，再次选定沟槽的两个直角点，记录两个直角点坐标值，根据同一点两次坐标值的差值，调整工作台横向、纵向移动，使本次测量区域和上次测量区域完全重合，扫描相同区域857μm×637μm的平面图，同样截取过y轴0点并与x轴平行的线段，得到此线段的二维轮廓图，读出并记录测试结果，如此反复，得到被测工件表面不同工作阶段的原位测量；最后，将若干二维轮廓图重叠，从而得被测工件表面摩擦磨损的渐进性演化过程。

本发明具有以下优点： 

1、本发明的原位测量方法看似简单，却在表面质量评价中具有重要意义，它突破了现有表面质量评价体系仅仅基于原始表面的做法，改变了传统思维定式，为表面质量评价提供了新视角和新方法，使进一步准确考察表面渐进性演化过程成为可能。

2、对于表面在其服役周期中所具有物理演化过程的渐进性的描述，相比目前仍然不成熟的模拟建模的方法，本发明的原位测量方法更准确可靠；如果以表面的服役周期为时间轴，零点t₀对应初始表面，终点t对应失效表面，中间各点t₁至t_n对应服役过程中的渐次表面，通过测量标靶区的准确定位，分别原位测量各渐次表面，表面渐进性演化过程利用t_i与t_i+1表面特征信息的相关性、相似性等进行描述，具体包括特征信息或特征量的延续性、变化方式、变化量等，依次两个表面的渐次变异过程和渐次对比，构成表面服役周期完整的渐进性演化过程及其描述。

3、评定表面质量的参数种类很多，从国标到行业标准，曾经出现百余种参数，行业戏称“参数***”，这个现象一方面说明表面质量评价的复杂性和重要性，另一方面也说明表面质量评价缺少稳定的、能够代表表面本质特征的综合参数；通过本发明所述的原位测量方法，可获得同样的评价参数对应不同工作阶段表面的具体参数值，据此可有效衡量参数本身的稳定性以及参数本身和使用性能的对应程度，对于传统表面质量评价体系是个良好的补充。

4、表面质量评价的核心就是零件表面微观几何结构和其使用性能之间的关系，基于原位测量方法的表面服役周期渐进性过程的分析，有可能产生新的综合参数，用以描述表面微观几何结构和其使用性能之间的内在联系，与使用性能亲密关联的综合参数将是表面质量评价的一大进步。 

附图说明

图1 为被测工件示意图。

图2为沟槽三维图。

图3为扫描区域的平面图。

图4为截取扫描区域的线段。

图5为截取线段的二维轮廓图。

图6为t₁时间截取线段的二维轮廓图。

图7为t₂时间截取线段的二维轮廓图。

图8为t₃时间截取线段的二维轮廓图。

图9为t₄时间截取线段的二维轮廓图。

图10为基于原位测量的摩擦磨损工作过程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例说明原位测量方法的实施过程，进一步详细描述本发明。应理解，实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

截取被测工件的一部分作为实验试件，如图1所示，试件尺寸为35mm×35mm×8mm，其中试件上平面为工件原始的实际工作表面，试件其余面的加工要求为：试件底面与上平面平行，试件四个侧面分别于相邻面垂直； 

试件放置在激光雕刻机的工作台上，调整设备的相关参数，在试件上平面即工件原始的实际工作表面上刻出一道沟槽，沟槽宽度60μm、沟槽长度200μm、沟槽深度4μm，沟槽三维图如图2所示，此沟槽即作为测量标靶区；

取出试件，放置在非接触式三维微观形貌仪的工作台上，使用非接触式三维微观形貌仪，扫描包含沟槽的857μm×637μm区域，沟槽位于扫描区域的边缘为佳，扫描区域平面图如图3所示，其中深色的矩形部分即为沟槽；使用非接触式三维微观形貌仪在扫描区域内的坐标拾取功能，选定图3中沟槽四个直角点中的两个，记录两个直角点坐标值；截取扫描区域平面图中过y轴0点并与x轴平行的线段，如图4所示，得到此线段的二维轮廓图，如图5所示；保存记录测试结果，用于后期的分析，测试结果包括扫描区域平面图、截取线段的二维轮廓图，以及算术平均偏差、表面偏斜度及陡度、轮廓的支承长度率、表面支承指数、中心液体滞留指数、谷区液体滞留指数等粗糙度参数及图形等；

取出试件，把试件固定在摩擦磨损实验机的工作台上，施加一定的载荷，开始模拟被测工件表面摩擦磨损的工作过程，摩擦磨损区域要求避开沟槽位置，即沟槽作为不参与工作过程的测量标靶区，试件模拟工作t₁时间后取出；

把经过工作t₁时间的试件重新放置在非接触式三维微观形貌仪的工作台上，使工件的位置和初次测量位置基本一致，通过非接触式三维微观形貌仪工作台横向、纵向的移动调整，使作为测量标靶区的沟槽位于扫描视场内，使用非接触式三维微观形貌仪在扫描区域内的坐标拾取功能，再次选定沟槽的两个直角点，记录两个直角点坐标值，根据同一点两次坐标值的差值，调整工作台横向、纵向移动，使本次测量区域和上次测量区域完全重合，如需要角度调整，直接手工移动工件作相应微调，或在非接触式三维微观形貌仪工作台上放置固定靠铁以保证工件不发生平面的旋转，扫描相同区域857μm×637μm的平面图，同样截取平面图中过y轴0点并与x轴平行的线段，得到此线段的二维轮廓图，如图6所示，保存记录测试结果；

取出试件，再次把试件固定在摩擦磨损实验机的工作台上，试件模拟工作t₂时间后取出；把经过工作t₂时间的试件重新放置在非接触式三维微观形貌仪的工作台上，按试件工作t₁时间的操作过程进行调整和测量，保存记录测试结果；如此反复，得到试件表面不同工作阶段的原位测量；

从试件表面不同工作阶段原位测量的测试结果中，得到试件模拟工作过程t₁至t₄时间对应扫描平面图中过y轴0点并与x轴平行的线段的二维轮廓图，如图6-9所示，即图6至9为同一位置不同摩擦磨损工作阶段的二维轮廓图，加上试件原始的实际工作表面同一位置的二维轮廓图5，使用图形处理软件，可以很容易使5个二维轮廓图重叠，从而得到试件表面摩擦磨损的渐进性演化过程，如图10所示；

通过所保存图形及各参数值的分析，构成表面服役周期完整的渐进性演化过程及其描述；通过同样的评价参数对应不同工作阶段表面的具体参数值，可有效衡量参数本身的稳定性以及参数本身和使用性能的对应程度，对于传统表面质量评价体系是良好的补充。 

    所述的测量标靶区应足够小，不能影响或改变表面的性能；所述的测量标靶区并不限定为本申请中的矩形及尺寸，本申请中作为测量标靶区的沟槽仅为说明本发明的实施过程，而不是对其进行限制；同样非接触式三维微观形貌仪扫描区域的尺寸也是仅为说明本发明的实施过程，而不是对其进行限制。

Claims (2)

1.表面质量评价中的原位测量方法，在被测工件表面设定一个测量标靶区，对应表面在其服役周期中所具有的物理演化过程的渐进性，获得不同时间点的实际工作表面，通过测量标靶区特征点的识别，得到不同时间点的实际工作表面在同一位置的精确测量，揭示渐进性过程中表面的精度保持、衰减直至失效的规律，这些规律通过表面质量评价参数体系表达出来；其特征在于原位测量方法的步骤是：首先，使用激光雕刻的方法，在被测工件表面上刻出一道沟槽，此沟槽作为测量标靶区，测量标靶区本身不参与工作过程；其次，通过测量标靶区特征点在非接触式三维微观形貌仪扫描区域内的坐标值来进行定位，并进行表面质量评价。

2.根据权利要求1所述的表面质量评价中的原位测量方法，其特征在于该原位测量方法的具体步骤是：首先，使用激光雕刻的方法，在被测工件表面上刻出一道沟槽，沟槽宽度60μm、沟槽长度200μm、沟槽深度4μm，此沟槽即作为测量标靶区；其次，使用非接触式三维微观形貌仪，扫描包含沟槽的某一区域，形成扫描区域的平面图；非接触式三维微观形貌仪对被测工件进行检测时，工件直接放置在工作台上，工件没有经过定位和固定，工作台具有平面的横向、纵向移动调整功能，工件被测区域的查找是通过工作台横向、纵向的移动调整，工作台横向、纵向移动的最小步距1μm，由于表面测量的取样长度多为800μm，结合仪器功能选定非接触式三维微观形貌仪的扫描区域为857μm×637μm，非接触式三维微观形貌仪在扫描区域内具有坐标拾取功能，即选定扫描区域857μm×637μm内的某一点，显示该点的平面坐标值，平面坐标系由x轴、y轴所示，其x轴、y轴的零点分别位于两轴的中心，非接触式三维微观形貌仪在扫描区域内任意选取两点并连接为一线段，得到两点间线段的二维轮廓图，选取过y轴零点并与x轴平行的线段即获得此线段的二维轮廓图，使用非接触式三维微观形貌仪在扫描区域内的坐标拾取功能，选定沟槽四个直角点中的两个，记录两个直角点坐标值；然后，取出被测工件，被测工件开始其工作过程，工作过程中避开沟槽位置，即沟槽作为不参与工作过程的测量标靶区，被测工件工作一定时间或达到一定磨损量后，重新放置在非接触式三维微观形貌仪的工作台上，使工件的位置和初次测量位置基本一致，通过非接触式三维微观形貌仪工作台横向、纵向的移动调整，使作为测量标靶区的沟槽位于扫描视场内，使用非接触式三维微观形貌仪在扫描区域内的坐标拾取功能，再次选定沟槽的两个直角点，记录两个直角点坐标值，根据同一点两次坐标值的差值，调整工作台横向、纵向移动，使本次测量区域和上次测量区域完全重合，扫描相同区域857μm×637μm的平面图，同样截取过y轴零点并与x轴平行的线段，得到此线段的二维轮廓图，读出并记录测试结果，如此反复，得到被测工件表面不同工作阶段的原位测量；最后，将若干二维轮廓图重叠，从而得到被测工件表面摩擦磨损的渐进性演化过程。

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