Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке
Описана методика измерения коэффициентов отражения и рассеяния лазерного излучения полированными поверхностями деталей из неметаллических материалов. Исследована связь между интенсивностью рассеянного света и шероховатостью полированной поверхности. Показана возможность определения колориметрических...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20698 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке / Ю.Д. Филатов, В.И. Сидорко, С.В. Ковалев, А.Ю. Филатов, В.П. Ящук, О.А. Пригодюк, У. Хайзель, М. Сторчак // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 3. — С. 75-80. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860196523702222848 |
|---|---|
| author | Филатов, Ю.Д. Сидорко, В.И. Ковалев, С.В. Филатов, А.Ю. Ящук, В.П. Пригодюк, О.А. Хайзель, У. Сторчак, М. |
| author_facet | Филатов, Ю.Д. Сидорко, В.И. Ковалев, С.В. Филатов, А.Ю. Ящук, В.П. Пригодюк, О.А. Хайзель, У. Сторчак, М. |
| citation_txt | Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке / Ю.Д. Филатов, В.И. Сидорко, С.В. Ковалев, А.Ю. Филатов, В.П. Ящук, О.А. Пригодюк, У. Хайзель, М. Сторчак // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 3. — С. 75-80. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Описана методика измерения коэффициентов отражения и рассеяния лазерного излучения полированными поверхностями деталей из неметаллических материалов. Исследована связь между интенсивностью рассеянного света и шероховатостью полированной поверхности. Показана возможность определения колориметрических характеристик неметаллических материалов по коэффициентам рассеяния и отражения света.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:08:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 2 75
УДК 621.623
Ю. Д. Филатов, В. И. Сидорко, С. В. Ковалев,
А. Ю. Филатов, В. П. Ящук, О. А. Пригодюк (г. Киев)
У. Хайзель, М. Сторчак (г. Штуттгарт)
Контроль качества поверхностей
неметаллических деталей при финишной
алмазно-абразивной обработке
Описана методика измерения коэффициентов отражения и
рассеяния лазерного излучения полированными поверхностями деталей из неме-
таллических материалов. Исследована связь между интенсивностью рассеянно-
го света и шероховатостью полированной поверхности. Показана возможность
определения колориметрических характеристик неметаллических материалов
по коэффициентам рассеяния и отражения света.
Ключевые слова: контроль качества, шероховатость, коэффи-
циент отражения, спектр рассеяния света.
Одним из основных показателей, характеризующих эффек-
тивность процессов финишной алмазно-абразивной обработки деталей из
неметаллических материалов (естественного строительного и поделочного
камня, синтетических — плавленого базальта, декоративных ситаллов, кера-
мического гранита, стекла, оптических и полупроводниковых кристаллов и
т. п.), является качество обработанной поверхности. Повышение эффектив-
ности этих процессов невозможно без разработки и применения надежных
методов контроля качества обработанных поверхностей, в том числе таких,
которые обеспечивают возможность in-process мониторинга параметров ше-
роховатости поверхностей, их рефлектометрических и колориметрических
характеристик, эллипсометрических параметров и оптических постоянных,
дефектности и глубины нарушенного слоя [1—3].
Финишную обработку поверхности деталей из неметаллических материалов
(НМ) осуществляли при шлифовании и полировании образцов диаметром
60 мм на шлифовально-полировальном станке мод. 3ШП-350 при давлении
прижима детали к инструменту ра = 0,05 МПа и частоте вращения инструмента
200 об/мин. В качестве смазывающе-охлаждающей технологической среды
использовали воду. Для алмазного шлифования образцов применяли инстру-
менты из алмазных микропорошков АСМ 40/28—10/7 и полиэтилентерефтала-
та, а для полирования — инструменты со связанными полировальными порош-
ками оксидов алюминия и церия, ультрадисперсного алмаза [4—5].
Для контроля обработанных поверхностей методом рефлектометрии оп-
ределяют интенсивности отраженного и рассеянного света, которые зависят
от шероховатости поверхности и потому могут быть использованы для оцен-
ки ее величины [6]. Для этого необходимо установить связь между шерохова-
тостью и коэффициентами отражения и рассеяния света. Погрешности изме-
рений этих коэффициентов могут быть незначительными, поскольку измере-
ние интенсивности отраженного и рассеянного света значительно точнее, чем
© Ю. Д. ФИЛАТОВ, В. И. СИДОРКО, С. В. КОВАЛЕВ, А. Ю. ФИЛАТОВ, В. П. ЯЩУК, О. А. ПРИГОДЮК,
У. ХАЙЗЕЛЬ, М. СТОРЧАК, 2008
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 76
измерение малых линейных размеров механическим способом при профило-
метрии. Отраженный от диэлектрика свет содержит две компоненты: поверх-
ностную (отраженный от поверхности пучок) и объемную (свет, рассеянный
в объеме диэлектрика). Поверхностная компонента имеет определенную диа-
грамму направленности, ориентированную вдоль направления зеркального
отражения от поверхности диэлектрика. Объемная компонента наблюдается в
пределах телесного угла 2π. Эти компоненты по-разному зависят от шерохо-
ватости поверхности, показателя преломления, текстуры материала и идио-
хроматической окраски, которая влияет на поглощение света внутри мате-
риала. Интенсивность поверхностной компоненты зависит от шероховатости
поверхности и показателя преломления, но не зависит от текстуры и окраски
материала. Интенсивность объемной компоненты, наоборот, не зависит от
шероховатости и показателя преломления, но зависит от текстуры и идио-
хроматической окраски диэлектрика.
Анализ влияния шероховатости поверхности как наиболее общего пара-
метра состояния на интенсивность и спектр отраженного света показывает,
что от шероховатости зависит индикатриса поверхностной компоненты от-
раженного света. При увеличении шероховатости индикатриса расширяется
вследствие рассеяния на неоднородностях поверхности, в результате чего
интенсивность поверхностной компоненты в зеркальном направлении (зер-
кально отраженный пучок) падает, а в незеркальном (рассеянный свет) —
возрастает. При малой шероховатости поверхности основная интенсивность
сосредоточена в зеркальной составляющей. С увеличением шероховатости
она быстро падает вследствие потери направленности отраженного пучка и
перехода от остронаправленной индикатрисы к расширенной. При значи-
тельной шероховатости индикатриса приближается к изотропной, интенсив-
ность зеркальной составляющей падает до уровня незеркальной (рассеянной),
а изменения ее интенсивности становятся незначительными. Интенсивность
незеркальной составляющей приближается к интенсивности объемной ком-
поненты, что ухудшает отношение сигнал/шум. Поэтому наибольшей чувст-
вительности интенсивности зеркальной составляющей к изменению шерохо-
ватости поверхности нужно ожидать при малой шероховатости характерной
для полированных поверхностей.
При наблюдении отраженного излучения в незеркальном направлении ре-
гистрируются одновременно два сигнала: рассеянная составляющая поверх-
ностной компоненты и объемная компонента. При малой шероховатости
поверхности первая имеет намного меньшую интенсивность и потому ее
тяжело регистрировать из-за малого соотношения сигнал/шум. При увеличе-
нии шероховатости рассеянная составляющая поверхностной компоненты по
отношению к объемной возрастает. Однако при значительной шероховато-
сти, когда индикатриса приближается к изотропной, чувствительность интен-
сивности рассеянной составляющей, как и зеркальной, к изменениям шеро-
ховатости теряется. Поэтому рассеянная составляющая поверхностной ком-
поненты может быть использована для контроля умеренных значений шеро-
ховатости, характерных для тонкошлифованных поверхностей.
Спектр отраженного излучения от поверхности неметаллических материа-
лов (НМ) является суперпозицией спектров объемной и поверхностной ком-
понент. Спектр объемной компоненты определяется поглощением внутри
материала и потому является колориметрической характеристикой материа-
ла, которая характеризует его идиохроматическую окраску. Спектр поверх-
ностной компоненты близок к спектру источника зондирующего излучения,
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 2 77
поскольку это излучение отражается на всех длинах волн одинаково. В огра-
ниченном спектральном интервале этот спектр можно считать “белым”, т. е.
имеющим одинаковую интенсивность излучения на всех длинах волн. По-
скольку относительный вклад объемной и поверхностной компонент зависит
от шероховатости и угла наблюдения, то и общий спектр отраженного излу-
чения НМ зависит от этих параметров. Поэтому для получения спектральной
зависимости коэффициента отражения, в которой лучше всего проявляется
колориметрическая характеристика материала, необходимо выбрать условия,
при которых вклад объемной компоненты в общую интенсивность зарегист-
рированного излучения был бы максимальным.
Регистрацию спектров рассеянного излучения от поверхности образцов
осуществляли с помощью экспериментальной установки (рис. 1).
14
13 1112
10
9
7
8
6
5
4
3
1
2
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования спектров рассеяния шлифо-
ванных и полированных поверхностей: лампа накаливания (1), линзы (2, 7), образец (3),
зеркальный (4) и рассеянный (5) лучи, диафрагма (6), световод (8), монохроматор (9),
шаговый двигатель (10), фотоэлектронный умножитель (11), усилитель (12), амплитудно-
цифровой преобразователь (13), персональный компьютер (14).
Свет источника со сплошным спектром излучения (галогенной лампы на-
каливания) фокусировали на образце линзой с фокусным расстоянием 14 см.
Образец был ориентирован так, чтобы зеркальная составляющая отраженного
света задерживалась экраном. Угол между направлением регистрации и зер-
кальным направлением составлял 30°. Рассеянную составляющую диафраг-
мировали и фокусировали на входное отверстие световода, направляли на
вход дифракционного монохроматора МДР-2 и регистрировали с помощью
фотоэлектронного умножителя ФЭУ-136. Сигнал фотоумножителя усиливали
предварительным усилителем, превращали в цифровой код амплитудно-
цифровым преобразователем и записывали с помощью специальной про-
граммы записи и обработки спектров “Спектр 2” в запоминающее устройство
персонального компьютера. Сканирование по длинам волн осуществляли с
помощью шагового двигателя, угол поворота которого задавался ПК. Спектр
записывали при последовательном измерении интенсивности рассеянного
света на длинах волн, которые изменяли с постоянным шагом в видимом
диапазоне 400—680 нм. Число считываний (50—100 раз) сигнала оптимизи-
ровали, исходя из минимизации погрешности и приемлемой продолжитель-
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 78
ности регистрации. Для получения спектральной зависимости коэффициента
рассеяния регистрировали спектры излучения, рассеянного от образца и от-
раженного от эталонного алюминиевого зеркала. Спектральную зависимость
коэффициента рассеяния определяли как отношение первого и второго спек-
тров.
При исследовании зависимости интенсивности рассеянного света от ше-
роховатости поверхности серого гранита Янцевского месторождения (Украи-
на) показано, что шероховатость поверхности слабо влияет на интенсивность
рассеяния. Это влияние в значительной мере маскируется шумом и более
значительной зависимостью интенсивности от длины волны излучения. Для
нейтрализации этих факторов спектры рассеянного излучения образцов с
различной шероховатостью поверхности были отнесены к спектру образца с
максимальной шероховатостью. Отношение β(λ) = Ii(λ)/Imax(λ) (рис. 2) прак-
тически не зависит от длины волны излучения λ, что обусловлено фактиче-
ским отсутствием спектральной зависимости коэффициента рассеяния серого
гранита при диаметре зондирующего пучка, превышающего характерное для
материала расстояние, на котором изменяется его окраска. Шумы проявляют-
ся как флюктуации величины β, и составляют ∼ 1–2 %.
Устранение влияния спектральной зависимости позволяет считать эти
шумы равнозначными независимо от λ и провести усреднение величины β по
всему спектру, который дает погрешность в определении отношения < 0,5 %.
В этом случае спектральные точки выступают как статистические данные для
определения β . На рис. 3 при-
ведена зависимость величины β
от параметра шероховатости
поверхности Rz, из которой сле-
дует, что, несмотря на малые
изменения интенсивности рассе-
янного света и достаточный шум
в спектрах, флюктуации величи-
ны β минимальны. Это позволя-
ет уверенно фиксировать изме-
нение этой величины, состав-
ляющее ∼0,5 %. Отношение β
линейно возрастает с увеличе-
нием шероховатости. Зависи-
мость β (Rz) демонстрирует
принципиальную возможность
использования изменения ин-
тенсивности рассеянного света
для контроля шероховатости по-
верхности полированных образ-
цов.
На рис. 4, 5 приведены спек-
тры отражения и рассеянного
излучения поверхностью крас-
ной яшмы в зависимости от ус-
ловий наблюдения. При наблю-
дении в направлении зеркально-
го отражения (см. рис. 4, а) ко-
400 450 500 550 600 650 700
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
l, нм
β
=
І i /І
m
ax
1
2
3
Рис. 2. Отношение спектров рассеянного излуче-
ния поверхностей образцов серого гранита к
спектру поверхности максимальной шероховато-
сти (Rmax = 0,353 мкм): Rz = 0,31 (1), 0,22 (2),
0,15 (3) мкм.
0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
0,90
0,92
0,94
0,96
Rz, мкм
β
Рис. 3. Зависимость средней величины отноше-
ния спектров рассеянного излучения от парамет-
ра шероховатости.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 2 79
лориметрическая характеристика материала практически не проявляется — в
отраженном свете доминирует интенсивная зеркальная составляющая по-
верхностной компоненты и спектр рассеянного (отраженного) света является
“белым”.
400 500 600 700
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
λ, нм
К
оэ
ф
ф
и
ц
и
ен
т
от
ра
ж
ен
и
я,
о
тн
. е
д.
а
400 500 600 700
0,1
0,2
0,3
λ, нм
К
оэ
ф
ф
и
ц
и
ен
т
от
ра
ж
ен
и
я,
о
тн
. е
д.
б
Рис. 4. Коэффициент отражения в зеркальном направлении образцов яшмы с полирован-
ной (а) и шлифованной (б) поверхностями.
При наблюдении в незеркальном направлении (см. рис. 5) колориметриче-
ская характеристика хорошо проявляется. В этом направлении поверхностная
компонента рассеянного излучения слабая, а доминирует объемная компо-
нента. При увеличении шероховатости поверхности (шлифованная поверх-
ность образца) интенсивность поверхностной рассеянной компоненты суще-
ственно возрастает и дает заметный вклад в общий спектр в виде пьедестала.
Из приведенных данных следует, что при приближении к направлению зер-
кального отражения общий спектр рассеянного излучения становится более
“белым”, поскольку возрастает вклад поверхностной компоненты. При фик-
сированном угле наблюдения далеком от направления зеркального отраже-
ния с уменьшением шероховатости поверхности общий спектр рассеянного
излучения становится менее “белым”, поскольку вклад поверхностной ком-
поненты падает. Поэтому для нахождения спектральной зависимости коэф-
фициента отражения, которая определяет колориметрическую характеристи-
ку материала, регистрацию отраженного света следует проводить в незер-
кальном направлении. Спектры рассеянного от шлифованной поверхности
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 80
излучения практически не зависят от направления наблюдения, поэтому при
их регистрации оно не играет существенной роли.
400 500 600 700
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
λ, нм
К
оэ
ф
фи
ци
ен
т
ра
сс
ея
н
и
я,
о
тн
. е
д.
1
2
Рис. 5. Спектры рассеяния шлифованной (1) и полированной (2) поверхностей яшмы.
Выводы
Разработана установка и методы регистрации коэффициента отражения
полированных поверхностей деталей из неметаллических материалов и опре-
деления их колориметрических характеристик.
Показана принципиальная возможность и созданы предпосылки для раз-
работки экспресс-метода ориентировочной оценки шероховатости полиро-
ванных поверхностей.
Представляет интерес использование зависимости β (Rz) для контроля ка-
чества обработки полированных поверхностей изделий из природного и син-
тетического камня и других НМ.
Получен достаточный объем экспериментальных данных и сформирована
база для изучения зависимости коэффициентов рассеяния и отражения поли-
рованных поверхностей деталей из НМ от параметров их шероховатости.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования
и науки Украины (проекты № Ф25/691-2007, № М/55-2008).
1. Сидорко В. И., Филатов А. Ю. Состояние полированных поверхностей изделий из
природного и синтетического камня // Породоразрушающий и металлообрабатываю-
щий инструмент — техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр.
— Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля, 2006. — Вып. 9. — С. 365—368.
2. Skryabin V. V., Filatov Yu. D., Sidorko V. I., Yashchuk V. P. The control of quality parameters
of polished surfaces of articles from silica-alumina materials // Problems of Optics and High
Technology Material Science SPO 2004: Sci. Works 5th Int. Young Sci. Conf., Kyiv,
Ukraine, 28—31 Oct., 2004. — Kyiv: Taras Shevchenko Kyiv National University. — P. 60.
3. Filatov A. Yu., Poperenko L. V. In situ ellipsometry of surface layer of nonmetallic transparent
materials during its finish processing // Appl. Surf. Sci. — 2006. — 253, N. 1. — P. 163—166.
4. Rogov V. V., Filatov Yu. D., Kottler W., Sobol V. P. New technology of precision polishing of
glass optic // Opt. Eng. — 2001. — 40, N 8. — P. 1641—1645.
5. Филатов Ю. Д. Полирование алюмосиликатных материалов инструментом со связан-
ным полировальным порошком // Сверхтв. материалы. — 2001. — № 3. — С. 36—49.
6. Топорец А. С. Оптика шероховатой поверхности. — Л.: Машиностроение, 1988. — 191 с.
Ин-т сверхтвердых материалов Поступила 22.01.08
им. В. Н. Бакуля НАН Украины
Киевский национальный ун-т им. Тараса Шевченко
Штуттгартский университет (Германия)
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20698 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:08:47Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Филатов, Ю.Д. Сидорко, В.И. Ковалев, С.В. Филатов, А.Ю. Ящук, В.П. Пригодюк, О.А. Хайзель, У. Сторчак, М. 2011-06-03T22:05:05Z 2011-06-03T22:05:05Z 2008 Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке / Ю.Д. Филатов, В.И. Сидорко, С.В. Ковалев, А.Ю. Филатов, В.П. Ящук, О.А. Пригодюк, У. Хайзель, М. Сторчак // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 3. — С. 75-80. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20698 621.623 Описана методика измерения коэффициентов отражения и рассеяния лазерного излучения полированными поверхностями деталей из неметаллических материалов. Исследована связь между интенсивностью рассеянного света и шероховатостью полированной поверхности. Показана возможность определения колориметрических характеристик неметаллических материалов по коэффициентам рассеяния и отражения света. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Украины (проекты № Ф25/691-2007, № М/55-2008). ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Исследование процессов обработки Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке Article published earlier |
| spellingShingle | Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке Филатов, Ю.Д. Сидорко, В.И. Ковалев, С.В. Филатов, А.Ю. Ящук, В.П. Пригодюк, О.А. Хайзель, У. Сторчак, М. Исследование процессов обработки |
| title | Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке |
| title_full | Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке |
| title_fullStr | Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке |
| title_full_unstemmed | Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке |
| title_short | Контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке |
| title_sort | контроль качества поверхностей неметаллических деталей при финишной алмазно-абразивной обработке |
| topic | Исследование процессов обработки |
| topic_facet | Исследование процессов обработки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20698 |
| work_keys_str_mv | AT filatovûd kontrolʹkačestvapoverhnosteinemetalličeskihdetaleiprifinišnoialmaznoabrazivnoiobrabotke AT sidorkovi kontrolʹkačestvapoverhnosteinemetalličeskihdetaleiprifinišnoialmaznoabrazivnoiobrabotke AT kovalevsv kontrolʹkačestvapoverhnosteinemetalličeskihdetaleiprifinišnoialmaznoabrazivnoiobrabotke AT filatovaû kontrolʹkačestvapoverhnosteinemetalličeskihdetaleiprifinišnoialmaznoabrazivnoiobrabotke AT âŝukvp kontrolʹkačestvapoverhnosteinemetalličeskihdetaleiprifinišnoialmaznoabrazivnoiobrabotke AT prigodûkoa kontrolʹkačestvapoverhnosteinemetalličeskihdetaleiprifinišnoialmaznoabrazivnoiobrabotke AT haizelʹu kontrolʹkačestvapoverhnosteinemetalličeskihdetaleiprifinišnoialmaznoabrazivnoiobrabotke AT storčakm kontrolʹkačestvapoverhnosteinemetalličeskihdetaleiprifinišnoialmaznoabrazivnoiobrabotke |