Xây dựng phương pháp đánh giá các thông số bề mặt gồm độ nhám, profile của chi tiết gia công cơ khí qua phân tích ảnh

Bộ giáo dục và đào tạo
Tr-ờng đại học bách khoa hà nội
---------------------

Nguyễn hoàng Tùng

Xây dựng ph-ơng pháp đánh giá
các thông số bề mặt gồm: độ nhám, profile
của chi tiết gia công cơ khí
qua phân tích ảnh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuËt

Hµ néi - 2004


Bộ giáo dục và đào tạo
Tr-ờng đại học bách khoa hà nội
---------------------

Nguyễn hoàng Tùng

Xây dựng ph-ơng pháp đánh giá
các thông số bề mặt gồm: độ nhám, profile
của chi tiết gia công cơ khí
qua phân tích ảnh

Chuyên ngành: Máy Chính xác
MÃ số:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học
TS. Nguyễn Thị Ph-ơng Mai

Hà nội - 2004


Mục lục
Trang
Mục lục
Mở đầu

1

Ch-ơng I: Tổng quan về các ph-ơng pháp đo độ nhám thông dụng
1.1. Khái niệm và định nghĩa độ nhám bề mặt

4

1.1.1. Khái niệm bề mặt

4

1.1.2. Đặc tr-ng cơ bản của nhấp nhô bề mặt

5

1.1.3. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt

7

1.2. Các ph-ơng pháp đo độ nhám thông dụng

9

1.2.1. Các ph-ơng pháp đo tiếp xúc

9

1.2.1.1. Nguyên tắc chung của ph-ơng pháp

9

1.2.1.2. Ưu nh-ợc điểm của ph-ơng pháp đo tiếp xúc

9

1.2.1.3. Các ph-ơng pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo
tiếp xúc
1.2.2. Các ph-ơng pháp đo không tiếp xúc

10
12

1.2.2.1. Nguyên tắc chung của ph-ơng pháp

12

1.2.2.2. Ưu nh-ợc điểm của ph-ơng pháp đo không tiếp xúc

12

1.2.2.3. Các ph-ơng pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo
không tiếp xúc
1.2.3. Ph-ơng pháp đo độ nhám bằng ảnh toàn ký điện tử

12
25

1.2.3.1. Nguyên lý của ảnh toàn ký

26

1.2.3.2. Ph-ơng pháp giao thoa đồng trục

28

1.2.3.3. Ph-ơng pháp giao thoa lệch trục

31

1.2.3.4. Ph-ơng pháp giao thoa sử dụng 2 sóng khác nhau

32

Ch-ơng II: Nghiên cứu về ảnh toàn ký điện tử
2.1. Tạo ảnh toàn ký điện tử

34

2.1.1. Biểu đồ tia

34


2.1.2. Thiết bị thí nghiệm

36

a. Súng điện tử và hệ thèng chiÕu

37

b. Giao thoa kÕ ®iƯn tư

37

c. HƯ thèng ghi

39

2.2. Tái tạo hình ảnh

39

2.2.1. Kính hiển vi giao thoa

40

2.2.2. Kính hiển vi giao thoa khuyếch đại pha

42

a. Ph-ơng pháp quang học

42

b. Ph-ơng pháp số

46

c. Ph-ơng pháp chuyển dịch pha trong sự tái tạo quang học

46

d. Ph-ơng pháp chuyển dịch pha trong hiển vi điện tử

48

2.2.3. Tái tạo hình ảnh ba chiều

49

2.2.4. Quan sát tức thời

50

2.2.5. L-u hình ảnh bằng cách bù quang sai

52

2.2.6. Vi nhiễu xạ điện tử

55

Ch-ơng III: Xây dựng mô hình toán học mô tả bề mặt gia công bằng
khái niệm cấu trúc t-ơng đ-ơng phù hợp
3.1. Khái niệm chung

58

3.2. Gần đúng kiểu stereologic (logic lập thể)

58

3.2.1. Giới thiệu

58

3.2.2. Cấu trúc hình học t-ơng đ-ơng với các biên dạng

62

3.2.3. Cấu trúc hình học t-ơng đ-ơng hay biểu đồ độ nhám bề mặt

66

3.2.4. Các kết quả

71

3.3. Ph-ơng pháp gần đúng số

79

3.3.1. Giới thiệu

79

3.3.2. Mô tả sơ bộ bề mặt

80

3.3.3. Ph-ơng pháp số

82

3.3.4. Các kết quả thực nghiệm

89


3.4. Kết luận ch-ơng

93

Ch-ơng IV: Tìm hiểu về máy đo VK 8500, chÕ t¹o mÉu
4.1. KÝnh hiĨn vi qt 3 chiều VK 8500

94

4.1.1. Sơ đồ máy

94

4.1.2. Một số hình ảnh về cấu trúc profile, độ nhám của chi tiết

95

4.2. Chế tạo mẫu nhám bề mặt

96

4.2.1. Chế độ cắt của mẫu phay

96

4.2.2. Chế độ cắt của các mẫu tiện, mài, nguội

97

4.3. Kết quả đo độ nhám
4.3.1. Kết quả trên các mẫu phay

98

4.3.2. Kết quả trên các mẫu tiện, mài, nguội

99

Kết luận

100

Tài liƯu tham kh¶o

103


-4-

ch-ơng I

tổng quan về các ph-ơng pháp đo
độ nhám bề mặt
1.1. khái niệm và định nghĩa độ nhám bề mặt:
1.1.1. Khái niệm bề mặt:
Đầu đo
Bề mặt thực
Bề mặt đo

Bề mặt hình học

Hình 1.1: Minh hoạ các khái niệm bề mặt
- Bề mặt hình học: Là bề mặt ngăn cách giữa vật thể và môi tr-ờng xung
quanh, không tồn tại các nhấp nhô và các sai lệch về hình dạng.
- Bề mặt thực: Là bề mặt ngăn cách giữa chi tiết và môi tr-ờng, là sản
phẩm nhận đ-ợc sau một quá trình gia công để tạo ra vật thể đó.
- Bề mặt đo: Là bề mặt nhận đ-ợc sau quá trình sao chép từ bề mặt thực
của chi tiết cần đo qua dụng cụ đo.

- Profile hình học: Là tiết diện của bề mặt hình học đ-ợc cắt bởi mặt
phẳng theo ph-ơng nhất định so với bề mặt hình học.


-5-

Đầu đo
Profile thực
Profile đo l-ờng

(g)

Profile hình học

(b)

(a)

Hình 1.2: Dạng của profile bề mặt
- Profile thực: Là tiết diện của bề mặt thực cắt bởi một mặt phẳng theo
ph-ơng nhất định so với bề mặt hình học.
- Profile đo l-ờng: Là tiết diện của bề mặt đ-ợc đo cắt bởi mặt phẳng
theo ph-ơng nhất định so với bề mặt hình học.
1.1.2. Đặc tr-ng cơ bản của nhấp nhô bề mặt:

Hình 1.3a: Những đặc tr-ng cơ bản của nhấp nhô bề mặt


-6-

- B-ớc của nhấp nhô: Là khoảng cách giữa các đỉnh của nhấp nhô (chu
kì nhấp nhô) ký hiệu là p.
- Chiều cao nhấp nhô h: Là khoảng cách từ các đỉnh nhấp nhô đến chân
nhấp nhô theo ph-ơng pháp tuyến với hai đ-ờng thẳng áp nhau.
Có ba dạng nhấp nhô:
+ Khi p/h 50 gọi là nhấp nhô tế vi hay nhám bề mặt.
+ Khi p/h = 50 1000 gọi là sóng bề mặt.
+ Khi p/h 1000 thuộc về sai lệch hình dạng nhấp nhô.
- Chiều dài chuẩn L: Là chiều dài của khoảng cách đ-ợc chọn để đo độ
nhám và không tính đến dạng nhấp nhô khác có b-ớc lớn hơn L.
y

L
l

k

Hình 1.3b: Mô tả chiều dài chuẩn, chiều dài khoảng đo l-ờng
- Chiều dài khoảng đo l-ờng: Là chiều dài ngắn nhất của khoảng bề mặt
cần thiết để xác định một cách chắc chắn, đặc tr-ng của độ nhám.
Ta có các khoảng đo lk đối với mỗi ph-ơng pháp công nghệ là khác nhau,
trong đó giá trị độ nhám bề mặt trở nên ổn định.
Ví dụ thông số lk phụ thuộc vào ph-ơng pháp gia công:
+ Tiện và phay: lk = 2L; Mài và đánh bóng: lk = (6 7)L
+ Tiện siêu tinh và mài: lk = (3 6)L; Mài rà lần cuối: lk = (10  12)L


-7-

1.1.3. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt:

Ng-ời ta dùng các yếu tố hình học của nhám làm chỉ tiêu đánh giá độ
nhám bề mặt. Các chỉ tiêu này đ-ợc xác định trong chiều dài chuẩn L và đ-ợc
tính toán so với đ-ờng trung bình của profile bề mặt. Đ-ờng trung bình m gọi
là đ-ờng chuẩn (Hình 1.4).
Đ-ờng trung bình là đ-ờng chia profile bề mặt sao cho tổng diện tích
(tạo bởi nó và profile) ở hai phía ®-êng ®ã lµ b»ng nhau tøc lµ:
F1 + F2 + ... + Fn = F1' + F2' + ... + Fn'

(1.1)

l
F1
H1max

y1
H1min
h1min

F'1

h1max

F'n

yn

Hình 1.4. Mô tả đ-ờng trung bình profile
1.1.3.1. Sai lệch trung bình số học của profile (Ra):
Là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của sai lệch profile (y), y là
khoảng cách từ các điểm trên profile đến đ-ờng trung bình đo theo ph-ơng

pháp tuyến với đ-ờng trung bình.
Công thức tính nh- sau:
L

1
1 n
Ra y(x) dx   y i
L
n i 1
0

(1.2)


-8-

1.1.3.2. Chiều cao nhấp nhô profile đánh giá theo 10 điểm (Rz):
Là trị số tuyệt đối trung bình của chiều cao 5 đỉnh cao nhất Himax và chiều
sâu 5 đáy thấp nhất Himin của profile trong giới hạn chiều dài chuÈn.
C«ng thøc tÝnh nh- sau:
5

 H i max 

R z i 1

5

H i min

i 1

5

(1.3)

Khi đ-ờng trung bình là đ-ờng thẳng thì công thức trở thành:
5

5

h i max   h i min

R z  i 1

i 1

5

(1.4)

Tuỳ thuộc vào chất l-ợng yêu cầu của bề mặt, đặc tính kết cấu của bề
mặt mà ng-ời ta chọn một trong hai chỉ tiêu đánh giá độ nhám (Ra hay Rz) ở
trên đà trình bày. Trong sản xuất sử dụng chủ yếu chỉ tiêu Ra vì nó cho ta đánh
giá chính xác hơn và thuận lợi hơn đối với các bề mặt có độ nhám trung bình.


-9-

1.2. các ph-ơng pháp đo độ nhám thông dụng:

1.2.1. Các ph-ơng pháp đo tiếp xúc:
1.2.1.1. Nguyên tắc chung của ph-ơng pháp:
Nguyên tắc của ph-ơng pháp đo tiếp xúc chính là di chuyển kim dò
vuông góc với các vết gia công. Dịch chuyển này sẽ đ-ợc khuyếch đại bằng
ph-ơng pháp cơ khí, quang điện, thuỷ lực ... và đ-ợc chỉ thị trực tiếp trên bảng
chia, chụp ảnh, ghi đồ thị đo liên tục ...
Để phản ánh trung thực bề mặt kiểm tra thì kim phải nhọn tuyệt đối, thực
tế không thể chế tạo một kim nh- vậy. Vì vậy kết cấu thực của đầu dò th-ờng
có hình côn hay tháp mà đỉnh có một góc l-ợn bán kính r = 0,2 0,3 m làm
bằng vật liệu chịu mòn (kim c-ơng hoặc hợp kim cứng).
1.2.1.2. Ưu nh-ợc điểm của ph-ơng pháp đo tiếp xúc:
* Ưu điểm:
Ph-ơng pháp này có thể thực hiện đo kích th-ớc tế vi ở những vị trí khó
đo, bề mặt trong mà không có ph-ơng pháp nào khác đo đ-ợc.
Thích hợp cho việc đo các sản phẩm có bề mặt phản xạ không tốt, hoặc
các sản phẩm không yêu cầu cấp độ nhám cao (thích hợp cho cấp 3 đến cấp
9).
* Nh-ợc điểm:
Với kết cấu đầu dò nh- trên khi đo không tránh khỏi các sai số đo. Quỹ
tích điểm tâm của các vòng tròn sẽ là bề mặt ta nhận đ-ợc trên dụng cụ đo và
ta th-ờng công nhận đây là profile nhấp nhô.
Sai số đo là sai lệch giữa profile thực tế và profile đo, sai lệch này phụ
thuộc vào khả năng tiếp xúc của mũi kim với mặt chi tiết. Bán kính của mũi
kim càng bé thì sự sai khác này càng ít.
Sai số đo xảy ra khi l < 2r. Vì vậy ng-ời ta quy định bán kính r của kim
là nhỏ dần theo chỉ tiêu độ nhám Ra.


- 10 -

Đối với ph-ơng pháp này cần điều chỉnh áp lực đo phù hợp với module
đàn hồi của vật liệu (tránh biến dạng bề mặt chi tiết).
Quỹ tích tâm đầu đo

Dạng bề mặt kiểm tra

Hình 1.5. Mô tả dạng bề mặt kiểm tra và quỹ tích tâm đầu đo
D-ới tác dụng của lực đo sẽ xảy ra các biến dạng đàn hồi và sự chèn ở
các nhấp nhô. Nó sẽ san bằng các nhấp nhô làm cho kết quả đo bị sai.
1.2.1.3. Các ph-ơng pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo tiếp xúc:
D-ới đây sẽ giới thiệu về nguyên tắc, phạm vi ứng dụng, và -u nh-ợc
điểm của một số loại dụng cụ đo:
a. Profilomet kiểu thuần cơ khí:

Hình 1.6. Nguyên lý đo của Profilomet kiểu thuần cơ khÝ


- 11 -

* Nguyên tắc:
Khi panme dịch chuyển sẽ đ-a đầu đo vuông góc với vết gia công. Dịch
chuyển kim đo qua bộ khuyếch đại lò xo sẽ đ-ợc chỉ thị ở bảng chia hoặc
dùng chỉ thị quang, ghi đo theo ph-ơng pháp chụp ảnh.
* Ưu nh-ợc điểm và phạm vi ứng dụng:
Dùng ph-ơng pháp này có thể đo các bề mặt có độ nhám đến R a = 1,25
m hoặc Rz = 6,3m.
b. Profilogafa kiểu cảm ứng:
4

5

6

7

2

3

Hình 1.7. Nguyên lý đo của Profilogafa kiểu cảm ứng
* Nguyên tắc:
Chuyển đổi cảm ứng là lõi sắt 2. Hai cuộn dây mắc vi sai với nhau qua
biến thiên chiều cao nhấp nhô đ-ợc biến đổi thành biến thiên tín hiệu điện áp
trên cuộn dây 4 và đ-ợc đ-a vào bộ khuyếch đại điện áp 5. Máy có thể cho chỉ
thị số trên Vonmet 6 hoặc ghi đồ thị ở bộ phận 7 hay dùng dao động ký tự ghi.
* Ưu nh-ợc điểm và phạm vi ứng dụng:
Máy đo độ nhám này có độ nhạy cao. Nh-ng nh-ợc điểm lớn nhất là độ
chính xác không cao vì phải qua bộ phận khuyếch đại tín hiệu, đầu kim dò
hay bị mòn.
Dùng dụng cụ này đo đ-ợc độ nhám từ Ra = 5 0,04 m.


- 12 -

1.2.2. Các ph-ơng pháp đo không tiếp xúc:
1.2.2.1. Nguyên tắc chung của ph-ơng pháp:
Ph-ơng pháp không tiếp xúc là ph-ơng pháp đo không có sự tiếp xúc cơ
khí giữa yếu tố đo và yếu tố cảm, giữa chúng không tồn tại bất kỳ một áp lực
tiếp xúc nào.
1.2.2.2. Ưu nh-ợc điểm của ph-ơng pháp đo không tiếp xúc:

* Ưu điểm:
Không có sai số do áp lực đo gây ra. Thích hợp đo các chi tiết mềm,
mỏng, dễ vỡ, dễ biến dạng.
Đo đ-ợc ở các vị trí khó đo mà các ph-ơng pháp khác không dùng đ-ợc.
* Nh-ợc điểm:
Kết quả đo nhận đ-ợc có lẫn rất nhiều sai số khác nhau nh-: độ bẩn bề
mặt đo, màu sắc của bề mặt, tính chất vật liệu ...
1.2.2.3. Các ph-ơng pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo không tiếp xúc:
D-ới đây sẽ giới thiệu về nguyên tắc, phạm vi ứng dụng, và -u nh-ợc
điểm của một số loại dụng cụ đo tuân theo nguyên tắc đo không tiếp xúc:
a. Ph-ơng pháp mặt cắt ánh sáng:

1

5
4

I

Hình 1.8. Nguyên lý đo của ph-ơng pháp


- 13 -

* Nguyên tắc:
Dùng một dải sáng song song mỏng chiếu vuông góc với các vết gia
công để quan sát độ nhấp nhô thay cho mặt cắt cơ khí chính là nguyên tắc của
ph-ơng pháp này.
Để quan sát và đo l-ờng dễ dàng độ nhấp nhô thì các nhấp nhô này đ-ợc
tạo ảnh và khuyếch đại lên tiêu diện của các thị kính đo l-ờng.

Hình vẽ 1.8 là sơ ®å nguyªn lý cđa kÝnh hiĨn vi 2 èng ®o độ nhẵn theo
nguyên tắc mặt cắt ánh sáng.
Trên thực tế ng-êi ta thiÕt kÕ cho 2 èng kÝnh t¹o víi nhau một góc 90 và
quang trục của chúng tạo với mặt phẳng ngang một góc 45.
* Ưu nh-ợc điểm và phạm vi ứng dụng:
Do nguyên tắc đo dựa trên tính phản xạ của các mặt có độ cao khác nhau
thì vƯt s¸ng g·y khóc sÏ râ nÐt. NÕu sù kh¸c nhau về độ cao của các mặt H
quá bé ảnh của các vệt sáng sẽ bị loá, sai số lớn. Bởi vậy ph-ơng pháp này chủ
yếu dùng để đo các mặt có độ nhám Ra = 20 0,32 m. Nếu đo ở các trị số
giới hạn thì sai số sÏ lín ( 20%).
Dïng vËt kÝnh cã f = 16,5;  = 0,57 cã thĨ ®o tíi Ra = 2 m nghĩa là lớn
hơn 9, song sai số phạm phải tíi 40  50%. NÕu Rz = 5 m th× sai sè 15 
20% vµ nÕu Rz = 15 m thì sai số phạm phải là 10%.
ảnh khe sáng sắc nét nhất khi = 90 nh-ng tia phản xạ không đi vào
kính quan sát đ-ợc. ảnh khe sáng càng lớn gợn sóng càng lớn khi càng nhỏ,
nh-ng sai số đo sẽ lớn do ảnh h-ởng cuả gợn sóng bị mờ.
Ph-ơng pháp này chỉ dùng để đo các bề mặt có hệ số phản xạ cao và
dùng đo với các bề mặt mỏng dễ vỡ, dễ biến dạng mà ph-ơng pháp đo tiếp xúc
không thực hiện đ-ợc.


- 14 -

b. Ph-ơng pháp giao thoa:
I
C2
Lamda/2

C1
t1

t2

II

b

Hình 1.9. Nguyên lý dùng bản mỏng hình nêm
* Nguyên tắc:
Dựa trên nguyên tắc giao thoa qua bản mỏng hình nêm. Các vân giao
thoa là quĩ tích của những điểm giao thoa có cùng độ dày nêm. Nh- vậy mỗi
vân có thể đặc tr-ng cho độ dày nêm ở điểm t-ơng ứng hai vân cùng tên lân
cận sẽ ứng với các điểm có độ chệch nhau /2.
Tại C1 và C2 có 2 vân cùng tên t1 - t2 = /2. Nếu thay bản II bằng mặt
kiểm tra của chi tiết thì hệ vân giao thoa hiện lên sẽ là các vân nhấp nhô, đó là
ảnh của bề mặt chi tiết nhấp nhô.
Dùng thị kính panme ta có thể xác định đ-ợc độ cao của nhấp nhô a và
khoảng cách giữa các vân cùng tên b.
Nh- vậy độ cao nhấp nhô thực tế là:

a
Rz  .
b 2

(1.5)


- 15 -

9

8
3

7

11
10

12

1
4

2

5

6
13
15

16

14

Hình 1.10. Nguyên lý đo của dụng cụ
ánh sáng đi từ nguồn đơn sắc 1 hoặc nguồn sáng trắng 3 qua tụ quang 2
tới lăng kính xẻ đôi có tráng lên mặt tiếp xúc một lớp mạ (lớp phủ).
Tại đây các chùm sáng bị tách đôi: một phần tới mặt phản xạ trên mẫu 12
rồi phản xạ trở lại qua 10, 11, 13 đến; một phần chùm sáng phản xạ lên mặt

kiểm tra số 9, chùm phản xạ trở lại qua 8, 10, qua 13 đến 14. Trên mặt 14 ảnh
của hai mặt phản xạ số 9 và số 12 tạo với nhau một nêm quang học (ta hơi
quay 12 đi một chút). Sự giao thoa của hai phần chùm sáng bị tách ra ban đầu
đ-ợc thực hiện trên màn 14. Ta có thể quan sát ảnh giao thoa và xác định các
khoảng cách a và b nhờ thị kính panme 17 hoặc để giao thoa trên màn 16 và
chụp ảnh qua kính mờ 18. Chú ý rằng sự giao thoa xảy ra khi chiều dày nêm
t-ơng đối nhỏ (RZ 2m).
Khi sử dụng ánh sáng trắng chỉ quan sát đ-ợc 6, 7 vân giao thoa, còn bên
ngoài là vùng loá, ứng với chiều dày nêm:


t 6 .6  0,3.6  1,8m
2

t 7  .7  0,3.7  2,1m
2

Khi chän   600nm.


- 16 -

* Ưu nh-ợc điểm và phạm vi ứng dụng:
Khi sử dụng ánh sáng trắng ph-ơng pháp giao thoa chØ dïng ®o ®é bãng
cÊp cao RZ = 1,6 .. 0,05 m sai số đo nhỏ hơn hoặc bằng 5%. Muốn quan sát
rõ nét và khắp tr-ờng quan sát cần phải sử dụng ánh sáng đơn sắc. Ngoài ra
ph-ơng pháp này còn có sai số do b-ớc sóng không đồng nhất.
c. Ph-ơng pháp đo độ nhám bằng khí nén:

Đầu đo khí nén

Mặt chi tiết cần đo

Hình 1.11. Sơ đồ đo bằng khí nén
* Nguyên tắc:
Dựa vào hiện t-ợng khi cho một l-ợng khí chảy qua một bề mặt, nếu trên
bề mặt đó có những nhấp nhô thì nó sẽ gây cho chất khí chảy qua nó những
cản trở nhất định. Nếu độ nhấp nhô càng lớn thì sự cản trở này càng lớn.
Thông qua l-ợng khí chảy qua mặt kiểm tra ta có thể biết đ-ợc độ nhấp nhô
của bề mặt.
* Ưu nh-ợc điểm và phạm vi ứng dụng:
Sử dụng đơn giản, thuận lợi cho việc kiểm tra độ nhám chi tiết thông qua
mẫu có sẵn.
Ph-ơng pháp đo này đo không chính xác do các đặc điểm đà nêu ở trên.
Nó chỉ đo đ-ợc độ nhám từ Ra = 10 .. 0,32 m.


- 17 -

d. Ph-ơng pháp điện dung:

4

3
C
K
2

1
Hình 1.12. Nguyên lý đo dùng điện dung

* Nguyên tắc:
Điện dung của một tụ điện là hàm số của khoảng cách giữa 2 bản cực và
hằng số điện môi:

C

S S


d

(1.6)

Trong đó: S là diện tích bản cực, là hằng số điện môi.
Ta chỉ xét C = f(d), d là khoảng cách giữa hai bản cực. Độ nhấp nhô của
bề mặt chi tiết sẽ làm thay đổi khoảng cách t-ơng đối giữa hai bản cực 1 và 2,
làm cho điện dung của tụ thay đổi.
* Ưu nh-ợc điểm và phạm vi ứng dụng:
Dễ sử dụng, đơn giản, thích hợp cho việc đo so sánh nh-ng độ chính xác
kém, chỉ có thể đo trong giới h¹n Ra = 10  0,32 m.


- 18 -

e. Ph-ơng pháp đo mật độ chùm phản xạ ánh sáng:
Đo độ nhám bề mặt bằng ph-ơng pháp phản xạ kế dựa trên sự phụ thuộc
giữa thông số của chùm phản xạ từ bề mặt và các tham số độ nhám bề mặt.
Ph-ơng pháp này chọn tiết diện kiểm tra chi tiết, trên từng vùng để đánh giá
chất l-ợng chung của bề mặt nhấp nhô. Đây là ph-ơng pháp gián tiếp, không
tiếp xúc. Nó có độ nhạy cao và có -u điểm lớn đối với việc đo độ nhám cấp

chính xác cao so với các ph-ơng pháp đo thông th-ờng khác. Ví dụ: Bề mặt có
độ nhẵn cao, khó biến dạng. Đo độ nhám theo ph-ơng pháp này là đơn giản,
có kết quả nhanh, dễ tự động hoá.
Cơ sở đo độ nhám theo ph-ơng pháp phản xạ là lý thuyết tán xạ của sóng
điện từ phát từ bề mặt đo khi chiếu một chùm sóng điện từ tới bề mặt đó. Cơ
sở lý thuyết của nó đà đ-ợc nghiên cứu t-ơng đối đầy đủ và chuyên sâu theo
hai ph-ơng pháp dựa vào lý thuyết Kupxoa và lý thuyết Bozmywuu.
Theo ph-ơng pháp thứ 1 ng-ời ta giả thiết rằng sự phản xạ của sóng ánh
sáng phát ra từ bề mặt của mỗi điểm tiếp tuyến với bề mặt tại điểm đó. Giả
thiết này chỉ đúng khi bán kính cong nhấp nhô trên bề mặt t-ơng đối lớn hơn
so với độ dài b-ớc sóng ánh sáng. Ph-ơng pháp 1 đ-ợc áp dụng với những bề
mặt có những nhấp nhô bề mặt đ-ợc tạo ra bởi các diện tích phẳng rất nhỏ.
Trong tr-ờng hợp chiều cao nhấp nhô thay đổi trong một khoảng cách nhỏ so
với b-ớc sóng ánh sáng thì chúng ta không sử dụng đ-ợc ph-ơng pháp 1, lúc
đó ng-ời ta dùng ph-ơng pháp 2.
Ph-ơng pháp 2 với giả thiết nhấp nhô rất bé so với độ dài b-ớc sóng ánh
sáng. Những bề mặt đ-ợc gia công bởi các ph-ơng pháp cơ khí khác nhau có
những bán kính cong lồi, lõm đáng kể so với độ dài b-ớc sóng ánh sáng trong
dải nhìn thấy đ-ợc. Góc mở các nhấp nhô nh- vậy đ-ợc xem là thoai thoải.
Nh- vậy hình dáng hình học của các bề mặt này hoàn toàn phù hợp với
ph-ơng pháp 1. Đối với bề mặt có bán kính cong, tại chỗ lõm bi. Ví dụ: thuỷ
tinh sau khi mài thì giả thiết 1 không còn đúng nữa. Tuy nhiên với các nghiên


- 19 -

cøu thùc nghiÖm chØ ra r»ng, nÕu bá qua sự nhiễu xạ ở nơi có bán kính nhỏ
nh- vậy thì những tính toán của ph-ơng pháp 1 vẫn đảm bảo đúng đắn. Khi
giải bài toán của tr-ờng phản xạ ng-ời ta sử dụng ánh sáng tới là một sóng
phẳng đơn sắc có biên độ đơn vị là E1. Trong tr-ờng hợp bề mặt đ-ợc coi là

phẳng lý t-ởng thì sóng phản xạ trên bề mặt đó sẽ có biên độ E20, và E2 là biên
độ của tr-ờng phản xạ ở bề mặt nhám.
Qua các công trình nghiên cứu A.A Ky trin đà nêu ra:
E2 E20 e2 k

2

cos1

(1.7)

Trong ®ã: K = 2/; 1 - gãc tíi;  - thông số đặc tr-ng cho độ nhám.
Từ công thức trªn ta cã:
R  

E2
2 2
2
 e 2k  cos 1
E20

(1.8)

Trong đó: <> - hệ số phản xạ t-ơng đối hiệu dụng. Ta thấy rằng khi
tăng góc tới, ng-ời ta còn sử dụng đại l-ợng Icp là c-ờng độ trung bình của
tr-ờng phản xạ.
Icp = <E2.E2*>

(1.9)

Trong đó E2* là thành phần liên hợp của E2.
Thành phần c-ờng độ tán xạ là:
(1.10)

It = I - Io

Trong đó: It c-ờng độ tán xạ, Io c-ờng độ phản xạ.
Io = <E2>.<E2*>

(1.11)

It = <E2.E2*> - <E2>.<E2*>

(1.12)

T-ơng ứng với các c-ờng độ có các công thức hệ số phản xạ t-ơng đối
(Xác định từ tài liệu).
Hệ số phản xạ t-ơng đối trung bình:
E22
f cp  .   
2
E20
*

2

(1.13)


- 20 -

Hệ số phản xạ t-ơng đối của thành phần tán xạ:
g . * . *

(1.14)

Hệ số phản xạ t-ơng đối thành phần:
R = <>.<*>

(1.15)

Hay:
R  e 4 k 
2

2

cos2  1

2
  4
 
 exp 
cos1  
 
  

(1.16)

Khi chiÕu vuông góc xuống bề mặt:

2
4

R exp 
cos1    00
 
  

Nh-ng khi chiÕu vu«ng gãc thùc tÕ bao giê cịng cã sai lƯch, do vậy công
thức trở thành:
2
4
5 4
4
2 .   
2
R  exp 
cos1    2 .  .1 
  m   


(1.17)

Trong đó: 1 - sai lệch góc nghiêng, m - sai lệch bình ph-ơng trung
bình của góc nghiêng nhỏ.
Cả hai ph-ơng pháp đều xác lập đ-ợc mối quan hệ nhám bề mặt R a với
b-ớc sóng chùm sáng tới, và góc tới của chùm sáng lên bề mặt đó cũng nhcác đặc tính khác của bề mặt vật thể nh- hƯ sè hÊp thơ, chiÕt st, ®é tõ thÈm,
h»ng số điện môi ...
Theo A.A Ky trin thì hệ số phản xạ tuyệt đối (bề mặt có Ra = 0) trong
tr-ờng hợp chiếu chùm tới vuông góc với bề mặt, đ-ợc xác định bằng biểu

thức sau:
R

n 12 2
n  12   2

Trong ®ã:  - hƯ sè hÊp thơ, n – chiÕt st cđa vËt liƯu.

(1.18)


- 21 -

Chiết suất xác định theo công thức:
n

C0
. 1
C

(1.19)

Trong đó: - độ từ thẩm của môi tr-ờng mà ánh sáng truyền qua, hằng số điện môi của môi tr-ờng ánh sáng truyền qua, C - vận tốc ánh sáng ở
môi tr-ờng ánh sáng truyền qua, C0 - vận tốc ánh sáng trong chân không.
Ph-ơng pháp này xây dựng trên cơ sở xác định mật độ hay quang năng
của chùm phản xạ ánh sáng trên bề mặt chi tiết khi chùm tới không đổi thì
chùm phản xạ thay đổi tuỳ thuộc vào đặc tính nhám bề mặt. Khi R a 0 ngoài
chùm phản xạ còn có các tia tán xạ theo các góc tán xạ i khác nhau và theo
các h-ớng khác nhau. Độ nhám tăng lên thì quang năng chùm phản xạ giảm
đi và quang năng chùm tán xạ tăng lên. Nh- vậy mật độ năng l-ợng chùm

phản xạ cũng nh- chùm tán xạ có liên quan trực tiếp tới độ nhám bề mặt. Lý
luận này đà hình thành theo hai h-ớng khác nhau:
- Đo độ nhám thông qua đo hệ số phản xạ của bề mặt nhám RP.
- Đo độ nhám thông qua đo hệ số tán xạ của bề mặt nhám Rt.
Hệ số phản xạ RP là tỷ lệ giữa l-ợng quang thông phản xạ (P) và l-ợng
quang thông tới (T):
RP

P
T

(1.20)

Hệ số tán xạ Rt là tỷ lệ giữa l-ợng quang thông tán xạ (t) và l-ợng
quang thông tới (T):
Rt

t
T

(1.21)

Từ cơ sở lý thuyết chặt chẽ nh- vậy đà có nhiều dụng cụ đo theo ph-ơng
pháp này ra đời và đ-ợc ứng dụng từ những năm 80. Tuy nhiên các ph-ơng
tiện, linh kiện điện tử, và kỹ thuật ch-a đầy đủ nh- hiện nay nên kết cấu, hình
dáng ch-a nhỏ gọn và phù hợp.


- 22 -

f. Ph-ơng pháp đo bằng Fresnel:
Nguồn Laser
2. Cảm biến thu tín hiệu

G-ơng
Thấu kính
Tín hiệu Laser
1. Đầu dò và dầm đỡ

5. Màn hiển thị

Đầu dò

Mẫu đo

3. Máy tính và điều khiển ng-ợc
4. Bàn dịch chuyển áp điện

Hình 1.13. Nguyên lý của ph-ơng pháp
* Nguyên tắc:
Khi hai electron cách xa nhau thì giữa chúng có lực hút nh-ng khi chúng
ở khoảng cách quá gần sẽ sinh ra một lực đẩy nhau. Dựa trên nguyên lý này
ng-ời ta chế tạo ra dụng cụ đo độ nhám bề mặt.
Một chùm electron đ-ợc phát ra từ nguồn laser, đi qua thấu kính xuống
bề mặt cần đo. Tại đây các electron t-ơng tác với nhau làm cho chỉ có một
electron rơi xuống bề mặt, nó cũng đ-ợc coi nh- đầu dò với kích th-ớc nhỏ.
Sau khi tới bề mặt electron này sẽ phản xạ trên g-ơng, đi vào cảm biến thu tín
hiệu. Tín hiệu đ-ợc xử lý trong máy tính, sau đó hiển thị kết quả lên màn và
một phần quay lại điều khiển bàn dịch chuyển.
* -u nh-ợc điểm của ph-ơng pháp:

Dụng cụ có cấu tạo nhỏ, gọn, độ chính xác cao.


- 23 -

Một số kết quả đo khi dùng ph-ơng pháp này:

Hình 1.14. Xác định độ nhấp nhô của bề mặt theo mầu

Hình 1.15. Mô tả 3D của bề mặt vËt liÖu