Russian Federation
Russian Federation
The article proposed a method for determining the geometric parameters of surface roughness using the Gwyddion computer program and a Canon Lide 220 flatbed scanner. Using the method, surface roughness samples were investigated. Analysis of the obtained results showed low values of the absolute error of measurement of roughness parameters.
roughness samples, surface roughness, scanning probe microscopy, Gwyddion, flatbed scanner.
Известно, что качество поверхности материала – это комплексная характеристика, включающая в себя ряд свойств: усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная стойкость и др.
Качество поверхности оценивают физическими и геометрическими характеристиками. Последние вычисляются при анализе шероховатости поверхности и определены нормативными документами: ГОСТ 2789-73; ISO 4287:1997; ISO 13565-1:1996; ISO 13565-2:1996 и др.
Условно можно разбить все традиционные методы измерения параметров шероховатости на 4 группы:
– визуальный способ;
– бесконтактный способ с применением оптических средств измерительной техники;
– контактный метод;
– метод, в основе которого лежит применение электронных микроскопов.
В работе [1] подробно рассмотрены все перечисленные выше методы и на основе проведенного их анализа сформулированы недостатки каждого метода.
К современным методам изучения топографии поверхности можно отнести сканирующую зондовую микроскопию (СЗМ) [2-3]. Этот метод предоставляет широкие возможности по анализу (в том числе и по фрактальному анализу [4-5]) поверхностного слоя материала в нанометровом диапазоне. Однако, в силу своих особенностей [6], СЗМ малопригодна для технических измерений и используется в основном в научных исследованиях и в измерениях повышенной точности.
В последнее время активно развивается подход к измерению параметров шероховатости с использованием компьютерных программ. Так, например, авторы работы [7] предлагают для оценки качества поверхности материала использовать планшетный сканер и программное обеспечение для математических вычислений MathCad [8]. Дальнейшим развитием подхода, предложенного в упомянутой выше работе, может быть применение компьютерной программы, предназначенной для математической обработки графических файлов (рис. 1).
В качестве простого и удобного программного обеспечения предлагается использование специализированной компьютерной программы Gwyddion [9]. Данное программное обеспечение распространяется бесплатно и предназначено для работы с СЗМ. При этом стоит отметить, что в программу можно загрузить не только файлы, полученные со сканирующего зондового микроскопа, но и графические файлы популярных форматов: *.bmp, *.tif, *.jpg. Кроме того, программа работает без подключенного к компьютеру СЗМ.
Для реализации предлагаемой схемы (рис. 1) разработана методика измерения параметров шероховатости. Она основана на совместном применении компьютерной программы Gwyddion и планшетного сканера (модель Canon Lide 220).
Методика состоит из следующих этапов:
1. Базирование детали на сканере.
2. Запуск процесса сканирования поверхности детали с последующим сохранением полученного изображения на компьютере.
3. Анализ графических данных в программе Gwyddion.
3.1. Загрузка исследуемого изображения (Файл → Открыть (выбор анализируемого изображения).
3.2. Внесение в специальном окне программы Gwyddion линейных размеров цифрового изображения (по умолчанию сканер сканирует все поле формата А4).
3.3. Вычисление на компьютере геометрических параметров шероховатости через команду «Рассчитать параметры шероховатости».
По предложенной методике были исследованы образцы шероховатости (рис. 2), изготовленные в соответствие с требованиями документов ГОСТ 9378-93 и ГОСТ 2789-59.
Табл. 1 содержит результаты измерений параметров шероховатости поверхности образцов.
Таблица 1
Результаты измерений параметров шероховатости поверхности образцов
|
Метод обработки поверхности образца |
Нормируемое значение параметра Ra (мкм) |
Вычисленное значение параметра Ra (мкм) |
Абсолютная погрешность (Δ) |
|
Фрезерование торцевое |
1,25 |
1,236 |
0,014 |
|
Фрезерование цилиндрическое |
0,32 |
0,334 |
-0,014 |
|
Фрезерование торцевое |
1,0 |
1,100 |
-0,1 |
|
Фрезерование цилиндрическое |
1,6 |
1,587 |
0,013 |
|
Фрезерование торцевое |
3,2 |
3,367 |
-0,167 |
|
Фрезерование цилиндрическое |
3,2 |
3,158 |
0,042 |
|
Шлифование плоское |
1,0 |
1,123 |
0,123 |
|
Шлифование плоское |
0,63 |
0,660 |
-0,03 |
|
Шлифование плоское |
0,25 |
0,249 |
0,001 |
|
Строгание |
5,0 |
5,123 |
-0,123 |
|
Строгание |
1,25 |
1,246 |
0,004 |
|
Строгание |
2,5 |
2,578 |
-0,078 |
|
Образец шероховатости по ГОСТ 2789-59 |
0,59 |
0,161 |
0,429 |
|
Образец шероховатости по ГОСТ 2789-59 |
0,066 |
0,182 |
0,478 |
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
– для образцов шероховатости, изготовленных в соответствие с требованиями нормативного документа ГОСТ 9378-93, значение абсолютной погрешности [10] варьируется от -0,03 до 0,014 мкм. Данный результат позволяет использовать предлагаемый метод для измерения параметров шероховатости поверхности из различных металлов;
– абсолютная погрешность измерения параметров шероховатости образцов из стекла (по по ГОСТ 2789-59) почти на порядок больше по сравнению с аналогичным параметром для образцов из металла. Это объясняется невозможностью сканером получить изображения неровностей на стекле.
1. Bavykin O.B. Modernizaciya mikrointerferometra MII-4 [Tekst] / O.B. Bavykin, O.F. Vyacheslavova // Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta MAMI. - 2013. - T. 2. - № 2 (16). - S. 290-293.
2. Sovremennye metody issledovaniya poverhnosti s ispol'zovaniem programmy "NOVA". Kriterii i celi: ucheb. posobie dlya provedeniya laboratorno-prakticheskih zanyatiy po kursam «Sredstva i metody upravleniya kachestvom», «Metrologiya» dlya studentov, obuchayuschihsya po napravleniyam 221400.62 i 221700.62 / O.F. Vyacheslavova [i dr.]: Moskovskiy gosudarstvennyy mashinostroitel'nyy universitet (MAMI), 2012 - 44 s.
3. Bavykin O.B. Primenenie v obrazovanii specializirovannyh komp'yuternyh programm «NOVA» i «MYTESTX» [Tekst] / O.B. Bavykin // IDO Science. - 2011. - №1. - S. 10-11.
4. Feder J. Fractals // N.Y.: Plenum Pub. Corp.- 1988. - P. 310
5. Bavykin O.B. Issledovanie tochnosti fraktal'noy obrabotki dannyh v komp'yuternoy programme Fractan [Elektronnyy resurs] // Inzhenernyy vestnik Dona. - 2017. - № 2 (45). URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_108_bavykin.pdf_99b786585e.pdf
6. Potapov A.A. Parametricheskaya metodika opredeleniya nalichiya fraktal'nyh svoystv u elektrohimicheski obrabotannyh poverhnostey [Tekst] / A.A.Potapov, O.F.Vyacheslavova, O.B Bavykin // Nelineynyy mir. - 2014. - T. 12. - № 3. - S. 3-12.
7. Yakovlev A.V. Ocenka rezul'tatov v sisteme avtomatizirovannogo analiza sherohovatosti poverhnosti [Tekst] / A.V. Yakovlev, A.N. Milovzorov // Mezhvuzovskiy sbornik nauchnyh trudov MI VlGU. - 2001. - №5. - S. 42-44.
8. Oreshin G.Yu. Reshenie zadachi stroitel'noy mehaniki po raschetu trehsharnirnoy, vertikal'no nagruzhennoy arki parabolicheskogo abrisa v vychislitel'noy srede Mathcad [Elektronnyy resurs] // Inzhenernyy vestnik Dona. - 2019. - № 1. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_164_oreshin_N.pdf_086e9b174d.pdf
9. Gwyddion - Free SPM (AFM, SNOM/NSOM, STM, MFM) data analysis software [Elektronnyy resurs] // URL: gwyddion.net
10. Placko. D., 2006. Metrology in Industry. The Key for Quality French College of Metrology, pp: 38-39.
