Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi đo profile bề mặt chi tiết máy khi sử dụng máy đo ba chiều vk450

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

Nguyễn kiều Ân

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi đo profile bề mặt chi tiết máy khi sử dụng
máy đo ba chiều vk450

Luận văn thạc sĩ khoa học
Cơng nghệ cơ khí

Hà Nội, năm 2010


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

Nguyễn kiều Ân

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi đo profile bề mặt chi tiết máy khi sử dụng
máy đo ba chiều vk450

Chuyên ngành: Máy Chính xác
Mã số:

Luận văn thạc sĩ khoa học
Người hướng dẫn khoa học
TS. Nguyễn Thị Phương Mai

Hà nội - 2010


Mục lục
Trang
Mục lục
Mở đầu

1

Chương I: Tổng quan về các phương pháp đo độ nhám thông dụng
1.1. Khái niệm và định nghĩa độ nhám bề mặt

3

1.1.1. Khái niệm bề mặt

3

1.1.2. Đặc trưng cơ bản của nhấp nhô bề mặt

4

1.1.3. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt

6

1.2. Các phương pháp đo độ nhám thông dụng

7

1.2.1. Các phương pháp đo tiếp xúc

7

1.2.1.1. Nguyên tắc chung của phương pháp

7

1.2.1.2. Ưu nhược điểm của phương pháp đo tiếp xúc

7

1.2.1.3. Các phương pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo
8
tiếp xúc
1.2.2. Các phương pháp đo không tiếp xúc

10

1.2.2.1. Nguyên tắc chung của phương pháp

10

1.2.2.2. Ưu nhược điểm của phương pháp đo không tiếp xúc

10

1.2.2.3. Các phương pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo
không tiếp xúc

1.2.3. Phương pháp đo độ nhám bằng ảnh toàn ký điện tử

11
22

1.2.3.1. Nguyên lý của ảnh toàn ký

23

1.2.3.2. ảnh toàn ký đồng trục

24

1.2.3.3. ảnh toàn ký lệch trục

27

1.2.3.4. ảnh tồn ký sử dụng 2 sóng khác nhau

28


Chương II: Nghiên cứu về ảnh toàn ký điện tử
2.1. Tạo ảnh toàn ký điện tử

30

2.1.1. Biểu đồ tia

30

2.1.2. Thiết bị thí nghiệm

32

a. Súng điện tử và hệ thống chiếu

33

b. Giao thoa kế điện tử

33

c. Hệ thống ghi

34

2.2. Tái tạo hình ảnh

35

2.2.1. Kính hiển vi giao thoa

36

2.2.2. Kính hiển vi giao thoa khuyếch đại pha

37

a. Phương pháp quang học

37

b. Phương pháp số

40

c. Phương pháp chuyển dịch pha trong sự tái tạo quang học

41

d. Phương pháp chuyển dịch pha trong hiển vi điện tử

42

2.2.3. Tái tạo hình ảnh ba chiều

43

2.2.4. Quan sát tức thời

44

2.2.5. Lưu hình ảnh bằng cách bù quang sai

46

2.2.6. Vi nhiễu xạ điện tử

49

Chương III: Thực nghiệm đánh giá các thơng số bề mặt qua phân
tích ảnh
3.1. Tìm hiểu về máy đo VK 450
3.1.1. Giới thiệu tính năng hoạt động

52
52

3.1.2. Đánh giá bề mặt chi tiết qua phân tích ảnh trên VK 450
về cấu trúc profile và độ nhám của chi tiết
3.2. Chế tạo mẫu nhám bề mặt
3.2.1. Chế độ cắt của mẫu phay

61
74
74


3.2.2. Kết quả đo độ nhám của các mẫu gia công phay bằng phương
pháp đo tiếp xúc

76

3.3. So sánh phương pháp quang học và phương pháp đầu dò
85
Kết luận

86

Tài liệu tham khảo

87


DANH MụC CáC HìNH
TT
1
2
3

Ký hiệu hình
Chương 1
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3a

4

Hình 1.3b

5
6

Hình 1.4
Hình 1.5

7

Hình 1.6

8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9.a
Hình 1.9.b
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16
Hình 1.17

20

Hình 1.18

21

Hình 1.19

22
23

Chương 2
Hình 2.1
Hình 2.2

24
25

Hình 2.3 a, b
Hình 2.4

26
27

Hình 2.5 a,b
Hình 2.6 a,b

Nội dung
Minh hoạ các khái niệm bề mặt
Dạng của Profile bề mặt
Những đặc trưng cơ bản của nhấp nhô bề
mặt
Mô tả chiều dài chuẩn , chiều dài khoảng

đo lường
Mô tả đường trung bình Profile
Mơ tả dạng bề mặt kiểm tra và quỹ tích tâm
đầu đo
Nguyên lý đo của Profilemet kiểu thuần cơ
khí
Nguyên lý đo của Profilogafa kiểu cảm ứng
Nguyên lý đo của phương pháp
Nguyên lý dùng bản mỏng hình nêm
Minh hoạ vân dao thoa
Nguyên lý đo của dụng cụ
Sơ đồ đo bằng khí nén
Nguyên lý đo dùng điện dung
Nguyên lý của phương pháp
Mô tả độ nhấp nhô của bề mặt theo màu sắc
Mô tả 3D của bề mặt vật liệu
Nguyên lý đo của phương pháp đốm sáng
ảnh toàn ký điện tử đồng trục của một điểm
vật
Hình ảnh tái tạo khơng bị cản trở bởi ảnh
kết hợp, các kích thước được giảm trong
qua trình hình thành ảnh tồn ký
Phương pháp ảnh tồn ký lệch trục của đối
tượng điểm
Biểu đồ tia ảnh dao thoa điện tử
Sơ đồ mặt cắt ngang của kính hiển vi điện
tử tạo ảnh tồn ký
Lăng kính điện tử kép
Hệ thống tái tạo lại ảnh bằng kính hiển vi
giao thoa

ảnh giao thoa
Nguyên lý sau khuyếch đại pha kính hiển vi


28

Hình 2.7

29

Hình 2.8

30

Hình 2.9

31

Hình 2.10

32
33

Hình 2.11
Hình 2.12

34

Hình 2.13

35

Hình 2.14

36
37

Hình 2.15
Hình 2.16

38

Hình 2.17

39
40
41
42
43

Hình 2.18
Chương 3
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4

44
45
46

Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7

47

Hình 3.8

48

Hình 3.9

49
50
51
52
53

Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14

giao thoa
Hệ thống quang học tái tạo lại đối với giao
thoa dùng kính hiển vi điện tử
Hệ thống lọc quang trong không gian đối
với dạng khuyếch đại pha

Hệ thống tái tạo lại đối với khuyếch đại pha
của kính hiển vi dùng cả hai phương pháp
quang học và phương pháp số.
Nguyên lý sau dịch chuyển pha của dụng cụ
đo giao thoa
Nguyên lý sau tomography trên máy tính
Quan sát tức thời ảnh tồn ký điện tử sử
dụng tấm thuỷ tinh giới hạn
Hệ thống quang tái tạo lại hình ảnh có sử
dụng tấm thuỷ tinh giới hạn
Hình ảnh tái tạo của phần tử MgO ở các
tiêu cự khác nhau
Cấu sai thấu kính
Hệ thống tái tạo lai quang học để điều
chỉnh cầu sai
Mẫu vi nhiếu xạ điện tử vùng phân tử
coban
Mẫu nhiễu xạ từ phân tử
Máy đo ba chiều VK 450
Mô tả chức năng trường qua sát sâu
Mơ tả chức năng phóng đại hình ảnh
Mơ tả khả năng làm giảm các yếu tố ảnh
hưởng
Mô tả hệ quan sát xa
Mơ tả bộ thích nghi chiếu sáng thẳng đứng
Mơ tả quan sát một IC với độ phóng đại
175 lần
Mơ tả một cơ cấu làm tăng khả năng chiếu
sáng
Mô tả sự khác nhau chiếu sáng thẳng đứng,

và chiếu biên
ảnh bề mặt của lớp bề mặt phay thép CT45
ảnh 3D của mẫu CT45
Quan hệ giữa Ra và tốc độ cắt V
Quan hệ giữa Ra và bức tiến S
Quan hệ giữa Ra và chiều sâu cắt t


54
55
56

Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17

ảnh đường cong của loạt mẫu thứ nhất
ảnh đường cong của loạt mẫu thứ hai
ảnh đường cong của loạt mẫu thứ ba


DANH MụC CáC BảNG

TT
1
2

Ký hiệu bảng
Bảng 3.1
Bảng 3.2

3

Bảng 3.3

4

Bảng 3.4

5
6
7
8

Bảng 3.5
Bảng 3.6
Bảng 3.7
Bảng 3.8

Nội dung
Khoảng cách quan sát của đèn
Chế độ cắt của mấu phay khi thay đổi tốc độ cát từ
lớn tới bé
Chế độ cắt của mẫu phay khi thay đổi chiều sâu cắt từ
lớn tới bé
Chế độ cắt của mẫu phay khi thay đổi lượng chay dao
từ lớn tới bé
Kết quả đo độ nhám của loạt mẫu thứ nhât
Kết quả đo độ nhám của loạt mẫu thứ hai
Kết quả đo độ nhám của loạt mẫu thứ ba

So sánh phương pháp đầu dò tiếp xúc và phương pháp
quang học


chương I
tổng quan về các phương 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 trường xung
quanh, không tồn tại các nhấp nhơ và các sai lệch về hình dạng.
- Bề mặt thực: Là bề mặt ngăn cách giữa chi tiết và môi trường, là sản phẩm
nhận được sau một quá trình gia cơng để tạo ra vật thể đó.
- Bề mặt đo: Là bề mặt nhận được 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 được cắt bởi mặt phẳng
theo phương nhất định so với bề mặt hình học.

3


Đầu đo
Profile thực
Profile đo lường

(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
phương nhất định so với bề mặt hình học.
- Profile đo lường: Là tiết diện của bề mặt được đo cắt bởi mặt phẳng theo
phương nhất định so với bề mặt hình học.
1.1.2. Đặc trưng cơ bản của nhấp nhơ bề mặt:

Hình 1.3a: Những đặc trưng cơ bản của nhấp nhô bề mặt
- Bước của nhấp nhô: Là khoảng cách giữa các đỉnh của nhấp nhơ (chu kì
nhấp nhơ) ký hiệu là p.

4


- Chiều cao nhấp nhô h: Là khoảng cách từ các đỉnh nhấp nhô đến chân nhấp
nhô theo phương pháp tuyến với hai đường 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 nhơ.
- Chiều dài chuẩn L: Là chiều dài của khoảng cách được chọn để đo độ nhám

và khơng tính đến dạng nhấp nhơ khác có bước lớn hơn L.

y

L
l

k

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

5


1.1.3. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt:
Người ta dùng các yếu tố hình học của nhám làm chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề
mặt. Các chỉ tiêu này được xác định trong chiều dài chuẩn L và được tính tốn so
với đường trung bình của profile bề mặt. Đường trung bình m gọi là đường chuẩn
(Hình 1.4).
Đường trung bình là đường chia profile bề mặt sao cho tổng diện tích (tạo bởi
nó và profile) ở hai phía đường đó là bằng nhau tức là:
F 1 + F 2 + ... + F n = F 1 ' + F 2 ' + ... + F n '

(1.1)

l
F1
H1max

y1
H1min
h1min

F'1

h1max

F'n

yn

Hình 1.4. Mơ tả đường trung bình profile
1.1.3.1. Sai lệch trung bình số học của profile (R a ):
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 đường trung bình đo theo phương pháp tuyến với
đường trung bình.
Cơng thức tính như sau:
L

1
1 n
Ra = ∫ y(x ) dx ≅ ∑ y i
L

n i =1
0
1.1.3.2. Chiều cao nhấp nhô profile đánh giá theo 10 điểm (Rz):

6

(1.2)


Là trị số tuyệt đối trung bình của chiều cao 5 đỉnh cao nhất H imax và chiều sâu
5 đáy thấp nhất H imin của profile trong giới hạn chiều dài chuẩn.
Cơng thức tính như sau:
5

5

∑ H i max + ∑ H i min

Rz = i =1

i =1

(1.3)

5

Khi đường trung bình là đường thẳng thì cơng thức trở thành:
5

5

∑ hi max − ∑ hi min

Rz = i =1

i =1

(1.4)

5

Tuỳ thuộc vào chất lượng yêu cầu của bề mặt, đặc tính kết cấu của bề mặt mà
người ta chọn một trong hai chỉ tiêu đánh giá độ nhám (R a hay R z ) ở trên đã trình
bày. Trong sản xuất sử dụng chủ yếu chỉ tiêu R a vì nó cho ta đánh giá chính xác hơn
và thuận lợi hơn đối với các bề mặt có độ nhám trung bình.
1.2. các phương pháp đo độ nhám thông dụng:
1.2.1. Các phương pháp đo tiếp xúc:
1.2.1.1. Nguyên tắc chung của phương pháp:
Nguyên tắc của phương pháp đo tiếp xúc chính là di chuyển kim dị vng góc
với các vết gia cơng. Dịch chuyển này sẽ được khuyếch đại bằng phương pháp cơ
khí, quang điện, thuỷ lực ... và được 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
khơng thể chế tạo một kim như vậy. Vì vậy kết cấu thực của đầu dị thường có hình
cơn hay tháp mà đỉnh có một góc lượn bán kính r = 0,2 ÷ 0,3 µm làm bằng vật liệu
chịu mịn (kim cương hoặc hợp kim cứng).
1.2.1.2. Ưu nhược điểm của phương pháp đo tiếp xúc:
* Ưu điểm:

7

Phương pháp này có thể thực hiện đo kích thước tế vi ở những vị trí khó đo, bề
mặt trong mà khơng có phương pháp nào khác đo được.
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).
* Nhược điểm:
Với kết cấu đầu dò như trên khi đo khơng tránh khỏi các sai số đo. Quỹ tích
điểm tâm của các vòng tròn sẽ là bề mặt ta nhận được trên dụng cụ đo và ta thường
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 người ta quy định bán kính r của kim là nhỏ
dần theo chỉ tiêu độ nhám R a .
Đối với phương 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. Mơ tả dạng bề mặt kiểm tra và quỹ tích tâm đầu đo
Dưới tác dụng của lực đo sẽ xảy ra các biến dạng đàn hồi và sự chèn ở các
nhấp nhơ. Nó sẽ san bằng các nhấp nhơ làm cho kết quả đo bị sai.
1.2.1.3. Các phương pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo tiếp xúc:

8

Dưới đây sẽ giới thiệu về nguyên tắc, phạm vi ứng dụng, và ưu nhược điểm
của một số loại dụng cụ đo:
a. Profilomet kiểu thuần cơ khí:

Hình 1.6. Ngun lý đo của Profilomet kiểu thuần cơ khí
* Nguyên tắc:
Khi panme dịch chuyển sẽ đưa đầu đo vng góc với vết gia cơng. Dịch
chuyển kim đo qua bộ khuyếch đại lị xo sẽ được chỉ thị ở bảng chia hoặc dùng chỉ
thị quang, ghi đo theo phương pháp chụp ảnh.
* Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng:
Dùng phương pháp này có thể đo các bề mặt có độ nhám đến R a = 1,25 µm
hoặc R z = 6,3µm.
b. Profilogafa kiểu cảm ứng:

9


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 nhơ được biến đổi thành biến thiên tín hiệu điện áp trên cuộn
dây 4 và được đưa 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 nhược điểm và phạm vi ứng dụng:
Máy đo độ nhám này có độ nhạy cao. Nhưng nhược điểm lớn nhất là độ chính
xác khơng cao vì phải qua bộ phận khuyếch đại tín hiệu, đầu kim dị hay bị mòn.
Dùng dụng cụ này đo được độ nhám từ R a = 5 ữ 0,04 àm.
1.2.2. Cỏc phng phỏp o không tiếp xúc:
1.2.2.1. Nguyên tắc chung của phương pháp:
Phương pháp khơng tiếp xúc là phương pháp đo khơng 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 nhược điểm của phương pháp đo khơng tiếp xúc:
* Ưu điểm:
Khơng có sai số do áp lực đo gây ra. Thích hợp đo các chi tiết mềm, mỏng, dễ
vỡ, dễ biến dạng.
Đo được ở các vị trí khó đo mà các phương pháp khác khơng dùng được.
* Nhược điểm:

10


Kết quả đo nhận được có lẫn rất nhiều sai số khác nhau như: độ bẩn bề mặt đo,
màu sắc của bề mặt, tính chất vật liệu ...
1.2.2.3. Các phương pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo không tiếp xúc:
Dưới đây sẽ giới thiệu về nguyên tắc, phạm vi ứng dụng, và ưu nhược điểm
của một số loại dụng cụ đo tuân theo nguyên tắc đo không tiếp xúc:
a. Phương pháp mặt cắt ánh sáng:

1

5
4

I

Hình 1.8. Nguyên lý đo của phương pháp
* Nguyên tắc:
Dùng một dải sáng song song mỏng chiếu vng góc với các vết gia cơng để
quan sát độ nhấp nhơ thay cho mặt cắt cơ khí chính là nguyên tắc của phương pháp
này.
Để quan sát và đo lường dễ dàng độ nhấp nhơ thì các nhấp nhô này được tạo
ảnh và khuyếch đại lên tiêu diện của các thị kính đo lường.
Hình vẽ 1.8 là sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi 2 ống đo độ nhẵn theo nguyên
tắc mặt cắt ánh sáng.
Trên thực tế người ta thiết kế cho 2 ống kính tạo với nhau một góc 90° và
quang trục của chúng tạo với mặt phẳng ngang một góc 45°.
* Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng:

11


Do nguyên tắc đo dựa trên tính phản xạ của các mặt có độ cao khác nhau thì
vệt sáng gãy khúc sẽ rõ nét. Nếu sự khác nhau về độ cao của các mặt H quá bé ảnh
của các vệt sáng sẽ bị loá, sai số lớn. Bởi vậy phương pháp này chủ yếu dùng để đo
các mặt có độ nhỏm R a = 20 ữ 0,32 àm. Nu o ở các trị số giới hạn thì sai số sẽ lớn
(≈ 20%).
Dùng vật kính có f = 16,5; φ = 0,57 có thể đo tới R a = 2 µm nghĩa là lớn hơn

∇9, song sai số phạm phải tới 40 ữ 50%. Nu R z = 5 àm thỡ sai số 15 ÷ 20% và nếu
R z = 15 µm thì sai số phạm phải là 10%.
ảnh khe sáng sắc nét nhất khi α = 90° nhưng tia phản xạ khơng đi vào kính
quan sát được. ảnh khe sáng càng lớn gợn sóng càng lớn khi α càng nhỏ, nhưng sai
số đo sẽ lớn do ảnh hưởng cuả gợn sóng bị mờ.
Phương 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 phương pháp đo tiếp xúc không thực
hiện được.
b. Phương pháp giao thoa:
I

a

C2

b

λ/2

C1

t1

t2

II

a - Độ cong của nhấp nhô trên vân.
b

b - Khoảng cách giữa các vân.

Hình 1.9a. Nguyên lý dùng bản

Hình 1.9b. Minh hoạ vân giao thoa

mỏng hình nêm

* Nguyên tắc:

12


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. Như vậy mỗi vân có thể đặc
trưng cho độ dày nêm ở điểm tương ứng hai vân cùng tên lân cận sẽ ứng với các
điểm có độ chệch nhau λ/2.
Tại C 1 và C 2 có 2 vân cùng tên t 1 - t 2 = λ/2. Nếu thay bản II bằng mặt kiểm tra
của chi tiết thì hệ vân giao thoa hiện lên sẽ là các vân nhấp nhơ, đó là ảnh của bề
mặt chi tiết nhấp nhơ.
Dùng thị kính panme ta có thể xác định được độ cao của nhấp nhơ a và khoảng
cách giữa các vân cùng tên b.
Như vậy độ cao nhấp nhô thực tế là:

a λ
(1.5)
Rz = .
b 2
9
8

3

7

11
10

12

1
2

4
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 đơi có tráng lên mặt tiếp xúc một lớp mạ (lớp phủ bán thấu).
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 14; 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

13

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 được 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 hoặc để giao thoa trên màn 16 và chụp ảnh qua kính mờ. Chú ý rằng sự giao
thoa xảy ra khi chiều dày nêm tương đối nhỏ (R Z ≤ 2µm).
Khi sử dụng ánh sáng trắng chỉ quan sát được 6, 7 vân giao thoa, cịn bên
ngồi là vùng lố, ứng với chiều dày nêm:

λ
t 6 = .6 ≅ 0,3.6 = 1,8µm
2
λ
t 7 = .7 ≅ 0,3.7 = 2,1µm
2

Khi chọn λ ≈ 600nm.

* Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng:
Khi sử dụng ánh sáng trắng phương pháp giao thoa chỉ dùng đo độ bóng cấp
cao R Z = 1,6 ÷ 0,05 µm sai số đo nhỏ hơn hoặc bằng ± 5%. Muốn quan sát rõ nét và
khắp trường quan sát cần phải sử dụng ánh sáng đơn sắc. Ngoài ra phương pháp này
cịn có sai số do bước sóng khơng đồng nhất.
c. Phương pháp đo độ nhám bằng khí nén:

Đầu đo khí nén

Mặt chi tiết cần đo

14


Hình 1.11. Sơ đồ đo bằng khí nén
* Ngun tắc:
Dựa vào hiện tượng khi cho một lượng khí chảy qua một bề mặt, nếu trên bề
mặt đó có những nhấp nhơ thì nó sẽ gây cho chất khí chảy qua nó những cản trở
nhất định. Nếu độ nhấp nhơ càng lớn thì sự cản trở này càng lớn. Thơng qua lượng
khí chảy qua mặt kiểm tra ta có thể biết được độ nhấp nhô của bề mặt.
* Ưu nhược 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.
Phương pháp đo này đo khơng chính xác do các đặc điểm đã nêu ở trên. Nó

4

3
C
K
2

1
chỉ đo được nhỏm t R a = 10 ữ 0,32 àm.
d. Phương pháp điện dung:
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=

εS εS
=
δ
d

(1.6)

15


Trong đó: S là diện tích bản cực, ε 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 tương đối giữa hai bản cực 1 và 2, làm cho
điện dung của tụ thay đổi.
* Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng:
Dễ sử dụng, đơn giản, thích hợp cho việc đo so sánh nhưng độ chính xác kém,
chỉ có thể đo trong giới hạn R a = 10 ÷ 0,32 µm.
e. Phương pháp đo mật độ chùm phản xạ ánh sáng:
Đo độ nhám bề mặt bằng phương 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. Phương pháp
này chọn tiết diện kiểm tra chi tiết, trên từng vùng để đánh giá chất lượng chung của
bề mặt nhấp nhô. Đây là phương pháp gián tiếp, khơng tiếp xúc. Nó có độ nhạy cao
và có ưu điểm lớn đối với việc đo độ nhám cấp chính xác cao so với các phương
pháp đo thơng thường khác. Ví dụ: Bề mặt có độ nhẵn cao, khó biến dạng. Đo độ
nhám theo phương pháp này là đơn giản, có kết quả nhanh, dễ tự động hoá.
Cơ sở đo độ nhám theo phương 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 đã được nghiên cứu tương đối đầy đủ và chuyên sâu theo hai phương pháp
dựa vào lý thuyết Kupxoφa[74] và lý thuyết Bozmyωuu[75].

Theo phương pháp thứ 1 người 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 tương đối lớn hơn so với độ dài bước
sóng ánh sáng. Phương pháp 1 được áp dụng với những bề mặt có những nhấp nhơ
bề mặt được tạo ra bởi các diện tích phẳng rất nhỏ. Trong trường hợp chiều cao
nhấp nhô thay đổi trong một khoảng cách nhỏ so với bước sóng ánh sáng thì chúng
ta khơng sử dụng được phương pháp 1, lúc đó người ta dùng phương pháp 2.
Phương pháp 2 với giả thiết nhấp nhô rất bé so với độ dài bước sóng ánh sáng.
Những bề mặt được gia cơng bởi các phương pháp cơ khí khác nhau có những bán
kính cong lồi, lõm đáng kể so với độ dài bước sóng ánh sáng trong dải nhìn thấy

16


được. Góc mở các nhấp nhơ như vậy được xem là thoai thoải. Như vậy hình dáng
hình học của các bề mặt này hoàn toàn phù hợp với phương 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 khơng
cịn đúng nữa. Tuy nhiên với các nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng, nếu bỏ qua sự
nhiễu xạ ở nơi có bán kính nhỏ như vậy thì những tính tốn của phương pháp 1 vẫn
đảm bảo đúng đắn. Khi giải bài toán của trường phản xạ người ta sử dụng ánh sáng
tới là một sóng phẳng đơn sắc có biên độ đơn vị là E 1 . Trong trường hợp bề mặt
được coi là phẳng lý tưởng thì sóng phản xạ trên bề mặt đó sẽ có biên độ E 20 , và E 2
là biên độ của trường phản xạ ở bề mặt nhám.
Qua các cơng trình nghiên cứu A.A Ky trin đã nêu ra:
E2 = E20 e −2 k

2

σ cos θ 1

(1.7)

Trong đó: K = 2π/λ; θ 1 - góc tới; σ - thơng số đặc trưng cho độ nhám.
Từ công thức trên ta có:
R ρ =

E2
E 20

= e −2k σ
2

2

cos 2 θ1

(1.8)

Trong đó: <ρ> - hệ số phản xạ tương đối hiệu dụng. Ta thấy rằng khi tăng góc
tới, người ta cịn sử dụng đại lượng I cp là cường độ trung bình của trường phản xạ.
I cp = <E 2 .E 2 *>

(1.9)

Trong đó E 2 * là thành phần liên hợp của E 2 .
Thành phần cường độ tán xạ là:
It = I - Io

(1.10)

Trong đó: I t – cường độ tán xạ, I o – cường độ phản xạ.
I o = <E 2 >.<E 2 *>

(1.11)

I t = <E 2 .E 2 *> - <E 2 >.<E 2 *>

(1.12)

Tương ứng với các cường độ có các cơng thức hệ số phản xạ tương đối (Xác
định từ tài liệu).
Hệ số phản xạ tương đối trung bình:

17


E 22
E 202

f cp =< ρ .ρ * >=< ρ >=
2

(1.13)

Hệ số phản xạ tương đối của thành phần tán xạ:
ρ g = ρ .ρ * − ρ . ρ *

(1.14)

Hệ số phản xạ tương đối thành phần:

R = <ρ>.<ρ*>

(1.15)

Hay:
R=e

− 4 k 2σ 2 cos 2 θ 1

2
  4πσ
 
= exp − 
cosθ1  
 
  λ

(1.16)

Khi chiếu vng góc xuống bề mặt:
2
  4πσ
 
cosθ1   = 00
R = exp − 
λ
 
 

Nhưng khi chiếu vng góc thực tế bao giờ cũng có sai lệch, do vậy công thức

trở thành:
2
4
5 4
  4πσ
  2 .π  σ 
2
cosθ1   +
.  .(∆θ1 )
R = exp − 
2 
m λ
 
  λ

(1.17)

Trong đó: ∆θ 1 - sai lệch góc nghiêng, m - sai lệch bình phương trung bình của
góc nghiêng nhỏ.
Cả hai phương pháp đều xác lập được mối quan hệ nhám bề mặt R a với bước
sóng chùm sáng tới, và góc tới của chùm sáng lên bề mặt đó cũng như các đặc tính
khác của bề mặt vật thể như hệ số hấp thụ, chiết suất, độ từ thẩm, hằng số điện mơi
...
Theo A.A Ky trin thì hệ số phản xạ tuyệt đối (bề mặt có R a = 0) trong trường
hợp chiếu chùm tới vng góc với bề mặt, được xác định bằng biểu thức sau:
2
(
n − 1) − χ 2
R=
(n + 1)2 − χ 2

(1.18)

Trong đó: χ - hệ số hấp thụ, n – chiết suất của vật liệu.

18