金屬表面粗糙度的白光干涉法測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究

趙 樂(lè) 姬寧博 李高益

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710021）

1 概述

金屬表面的微觀(guān)形貌的測(cè)量一般分為接觸式和非接觸式測(cè)量[1]，接觸式測(cè)量具有測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但接觸式測(cè)量在測(cè)量時(shí)由于觸針與被測(cè)表面一直處于接觸狀態(tài)，會(huì)存在劃傷被測(cè)件表面的問(wèn)題[2]，而非接觸測(cè)量具有非接觸、效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前很多非接觸測(cè)量法的主要問(wèn)題無(wú)法達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)量法的精度，且測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。而白光干涉儀是一種高精密的輪廓測(cè)量?jī)x器[3]，為了探究白光干涉儀測(cè)量表面粗糙度的可行性，本文使用白光干涉儀對(duì)已經(jīng)標(biāo)定好Ra 值的立銑和平磨粗糙度樣塊分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比測(cè)量結(jié)果，探究白光干涉法在測(cè)量金屬表面粗糙度的精度等級(jí)，分析其測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 白光干涉儀的測(cè)量原理

白光干涉儀是結(jié)合傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡和白光干涉的組件組成[4]。該儀器可以進(jìn)行3D 表面檢測(cè)，表面粗糙度檢測(cè)等[5]。白光干涉儀的原理是利用白光相干性短不容易發(fā)生干涉，從而形成低相干性的白光干涉波，被測(cè)物體表面的高低起伏都會(huì)在CCD 相機(jī)中的每一個(gè)像素點(diǎn)上形成不同干涉波，求取干涉波為零光程差的位置，就可以知道每個(gè)像素點(diǎn)上干涉波所映射的高度信息，從而求出被測(cè)物的表面形貌信息[6]。

3 白光干涉儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 測(cè)量對(duì)象

為了確定白光干涉儀測(cè)量精度，選擇已經(jīng)標(biāo)識(shí)粗糙度的立銑樣塊和平磨樣塊作為測(cè)量對(duì)象。

3.2 實(shí)驗(yàn)器材選擇

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的美國(guó)ZYGO ZEGAGE 3D 光學(xué)表面輪廓儀對(duì)粗糙度樣塊進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)儀器如圖1 所示。

3.3 白光干涉儀測(cè)量數(shù)據(jù)

圖1 ZYGO ZEGAGE 3D 光學(xué)表面輪廓儀

在測(cè)量時(shí)首先需要根據(jù)所測(cè)的粗糙度樣塊選擇合適的無(wú)限共軛干涉物鏡，不同的物鏡具有不同的工作距離，安裝好物鏡之后需要先驗(yàn)證測(cè)量平臺(tái)是否水平，可以用陶瓷量塊進(jìn)行測(cè)量，在移動(dòng)樣塊時(shí)其測(cè)量的數(shù)據(jù)若沒(méi)有上升或者下降的趨勢(shì)說(shuō)明測(cè)量臺(tái)是調(diào)平的，然后對(duì)粗糙度樣塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)選取的物鏡調(diào)整合適的測(cè)量工作距離，軟件中有幾種速度調(diào)節(jié)可供選擇，我們使用旋鈕調(diào)整到合適的距離之后，使用最慢速進(jìn)行調(diào)焦，當(dāng)光全部調(diào)整在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)就完成了調(diào)焦，劃分測(cè)量方向就可以得到該測(cè)量方向上的粗糙度數(shù)值。

3.3.1 立銑樣塊數(shù)據(jù)（如圖2）

使用白光干涉儀測(cè)量立銑粗糙度樣塊時(shí)，從繪制的輪廓曲線(xiàn)可以看出測(cè)量趨勢(shì)基本滿(mǎn)足樣塊的輪廓趨勢(shì)，根據(jù)計(jì)算的Ra 值可以看出，極差值很小，測(cè)量數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，把四次測(cè)量的平均值作為測(cè)量值，與標(biāo)定的值進(jìn)行對(duì)比誤差很小，測(cè)量精度很高?？梢酝瓿蓪?duì)立銑樣塊的精密測(cè)量。

3.3.2 平磨樣塊數(shù)據(jù)

圖2 立銑輪廓圖

使用白光干涉儀測(cè)量平磨粗糙度樣塊時(shí)，因平磨樣塊的輪廓曲線(xiàn)不固定因此只參照Ra 值，根據(jù)計(jì)算的Ra 值可以看出，極差值很小，測(cè)量數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，把四次測(cè)量的平均值作為測(cè)量值，與標(biāo)定的值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)量精度等級(jí)的提高，當(dāng)測(cè)量Ra=0.1um 的平磨樣塊時(shí)，測(cè)量的值跳動(dòng)變大，和樣塊本身的標(biāo)定值相差較大，不能準(zhǔn)確的進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié)論

白光干涉儀用來(lái)測(cè)量立銑粗糙度樣塊時(shí)，繪制的輪廓曲線(xiàn)與真實(shí)輪廓基本一致，測(cè)量樣塊的Ra 值比較穩(wěn)定，極差很小，分辨率很高。可以準(zhǔn)確的對(duì)立銑樣塊進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)量平磨樣塊時(shí)，可以基本繪制出樣塊的輪廓曲線(xiàn)，根據(jù)測(cè)量的Ra 值可知隨著測(cè)量精度等級(jí)的提高，當(dāng)測(cè)量Ra=0.1um 的平磨樣塊時(shí)，測(cè)量的值為0.179um，與標(biāo)定值相差很大，白光干涉儀基本能滿(mǎn)足金屬表面測(cè)量要求，可以達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)量精度。

表1 測(cè)量立銑樣塊的數(shù)據(jù)

表2 測(cè)量平磨樣塊的數(shù)據(jù)