СПОСОБ ФРАКТАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD FOR FRACTAL MONITORING OF SURFACE ROUGHNESS

Изобретение относится к средствам контроля микронеровностей поверхностей, полученных в результате воздействия машиностроительных технологических операций на шероховатую поверхность, например, поверхность пера лопатки ГТД на заключительных стадиях обработки.
Известен способ капиллярной дефектоскопии, включающий в различных вариантах следующие основные операции: пропитку деталей в индикаторном (ярко окрашенном или люминесцирующем) растворе с целью заполнения полостей дефектов и пространства между неровностями, удаления раствора с поверхности детали, проявления дефектов и выявления следов дефектов. Проявление дефектов осуществляется обычно порошками, наносимыми на поверхность детали и впитывающими индикаторный раствор из полостей дефектов [Назаров С.Т. Методы контроля качества сварных соединений. М.: Машиностроение. - 360 с.; Гурвич А.К. Неразрушающий контроль. Книга 1. Общие вопросы. Контроль проникающими веществами. /А.К. Гурвич, И.Н. Ермолов, С.Г. Сажин. Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высшая школа, 1992. - 242 с.].
Недостатком данного способа является ограничение точности контроля шероховатости поверхности, обусловленное вязкостью используемого индикаторного раствора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ контроля шероховатости поверхности диэлектрических подложек по патенту RU №2331870 C2 от 17.07.2006, опубл. 20.08.2008, МПК G01N 21/88, заключающийся в том, что исследуемую поверхность подложки очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала подложки. Сразу после очистки подложку располагают горизонтально и на ее поверхность с высоты не менее 6 мм и не более 22 мм наносят каплю жидкости фиксированного объема. Определяют время растекания капли жидкости по поверхности подложки от момента касания капли жидкости поверхности подложки до прекращения движения жидкости по поверхности. Шероховатость контролируемой поверхности подложки определяют путем сопоставления полученного значения времени растекания капли жидкости по поверхности подложки с предварительно замеренной калибровочной зависимостью.
Недостатком данного способа является ограничение точности контроля шероховатости поверхности, обусловленное вязкостью жидкости, используемой для формирования капли.
Поставлена задача: повысить точность контроля уровня шероховатости поверхности, расширив при этом диапазон исследуемых материалов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что исследуемую поверхность очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности, сразу после очистки на поверхность наносят жидкость известной вязкости в виде капли фиксированного объема, посредством скоростной цифровой видеокамеры регистрируют время растекания капли жидкости по исследуемой поверхности, затем определяют шероховатость исследуемой поверхности, согласно заявляемому изобретению посредством скоростной цифровой видеокамеры регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли и убирают скоростную цифровую видеокамеру, затем на растекшуюся на исследуемой поверхности каплю наносят каплю жидкости меньшей вязкости, при этом жидкость второй капли должна быть растворимой в жидкости первой капли, помещают в исходное положение скоростную цифровую видеокамеру, посредством которой регистрируют момент окончания растекания второй капли жидкости, растворившейся в первой капле жидкости, после чего определяют периметр и площадь обеих растекшихся капель жидкости различной вязкости после их слияния; по полученным данным определяют фрактальную размерность D исследуемой шероховатой поверхности:
a
длина1
длина2
D=2⋅log(G/G).
а
площадь1
площадь2
длина1
длина2
площадь1
площадь2
Здесь =(G/G), где G - периметр первой растекшейся капли; G - периметр обеих растекшихся капель различной вязкости после их слияния; G - площадь первой растекшейся капли; G - площадь обеих растекшихся капель различной вязкости после их слияния.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена блок-схема устройства для фрактального контроля шероховатости поверхности. Устройство состоит из источника света 1, регулируемого источника питания 2 источника света 1, дозатора 3 капель рабочей жидкости, направляющей иглы 4 дозатора 3 капель рабочей жидкости, скоростной видеокамеры 5, записывающего устройства 6, исследуемой поверхности 7, первой капли 8 жидкости известной вязкости и фиксированного объема, второй капли 9 жидкости меньшей вязкости, чем жидкость капли 8.
Способ осуществляется следующим образом.
Исследуемую поверхность 7 очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности 7, сразу после очистки на исследуемую поверхность 7 наносят каплю 8 жидкости известной вязкости и фиксированного объема, затем посредством скоростной цифровой видеокамеры 5 регистрируют время растекания капли 8 жидкости известной вязкости и фиксированного объема по исследуемой поверхности 7 и определяют шероховатость исследуемой поверхности 7. Для этого предварительно посредством скоростной цифровой видеокамеры 5 регистрируют момент окончания растекания капли 8 жидкости известной вязкости и фиксированного объема, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли 8 известной вязкости и фиксированного объема и убирают скоростную цифровую видеокамеру 5, затем на растекшуюся на исследуемой поверхности 7 каплю 8 жидкости известной вязкости и фиксированного объема наносят жидкость меньшей вязкости в виде капли 9, при этом жидкость капли 9 должна быть растворима в жидкости капли 8, после чего помещают в исходное положение скоростную цифровую видеокамеру 5, посредством которой регистрируют момент окончания растекания капли 9 жидкости, растворившейся в капле 8 жидкости известной вязкости и фиксированного объема. Далее определяют периметр и площадь растекшихся капель 8 и 9 жидкости различной вязкости после их слияния. По полученным данным определяют фрактальную размерность D исследуемой поверхности 7:
a
длинаl
длина2
D=2⋅log(G/G),
а
площадь1
площадь2
длина1
длина2
площаль1
площадь2
где =(G/G), где G - периметр растекшейся капли 8 жидкости известной вязкости и фиксированного объема; G - периметр растекшихся капель 8 и 9 жидкости различной вязкости после их слияния; G - площадь растекшейся капли 8 жидкости известной вязкости и фиксированного объема; G - площадь растекшихся капель 8 и 9 жидкости различной вязкости после их слияния.
В результате растворения капли 9 в капле 8, состоящих из жидкостей различной вязкости, происходит изменение вязкости жидкости, образовавшейся в результате слияния двух капель 8 и 9. При этом вязкость жидкости двух слившихся капель 8 и 9 будет меньше вязкости капли 8, если жидкость капли 9 была меньшей вязкости, чем жидкость капли 8 [Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. М.: Химия, 1966. - 537 с.]. Например, в случае использования дистиллированной воды в качестве жидкости капли 8, а в качестве жидкости капли 9 - этилового спирта, вязкость жидкости двух растворившихся друг в друге капель 8 и 9 уменьшится по сравнению с вязкостью дистиллированной воды.
Метод определения фрактальной размерности основан на подсчете соотношения между периметром и площадью растекшейся капли. Такое соотношение применяют для оценки размерности фрактальной кривой, ограничивающей исследуемую область. Согласно фрактальной геометрии [Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 656 с.] такая зависимость определяется законом Мандельброта:
длина
площадь
2
Здесь G - длина кривой (периметр капли), измеренная с шагом G, G - площадь, ограниченная кривой (площадь капли), измеренная с шагом G, D - фрактальная размерность рассматриваемой разветвленной структуры, Cη - типичный во фрактальной геометрии неопределенный множитель.
По результатам двух измерений периметра растекшихся капель 8 и 9 получаем систему двух уравнений:
длина1
длина2
площадь1
площадь2
Здесь G - периметр растекшейся капли 8 жидкости известной вязкости и фиксированного объема; G - периметр растекшихся капель 8 и 9 после их слияния; G - площадь растекшейся капли 8 жидкости известной вязкости и фиксированного объема; G - площадь растекшихся капель 8 и 9 после их слияния.
Из системы уравнений (2) следует, что
а
площадь1
площадь2
где основание логарифма =(G/G).
В этом случае изменение вязкости вещества капли, образованной каплями 8 и 9 после их слияния, может рассматриваться как изменение шага покрытия при определении фрактальной размерности.
Геометрия растекшихся капель 8 и 9 после их слияния регистрируется посредством скоростной видеокамеры 5 и записывающего устройства 6. Затем определяется периметр и площадь растекшихся капель 8 и 9 после их слияния путем использования методов цифровой обработки изображений [Сойфер В.А. Методы компьютерной обработки изображений. М.: Физматлит, 2003. - 784 с.].
Исследуемая поверхность 7 может иметь различный угол наклона относительно линии горизонта. Наибольший угол наклона исследуемой поверхности 7 определяется экспериментально и выбирается таким образом, чтобы капля, образованная в результате слияния капель 8 и 9 и состоящая из дистиллированной воды и этилового спирта, не могла скатиться с исследуемой поверхности 7.
Световой поток, формируемый источником света 1, должен максимально близко располагаться к объективу скоростной видеокамеры 5, при этом угол между осью симметрии объектива скоростной видеокамеры 5 и осью симметрии светового потока, сформированного источником света 1, должен быть наименьшим. Это необходимо для минимизации неосвещенных (слепых) зон на исследуемой поверхности 7, т.е. для повышения точности определения периметра и площади растекшихся капель 8 и 9 после их слияния.
Используемые жидкости капель 8 и 9 должны быть смешиваемыми, их объемы - максимально близкими. Это необходимо для того, чтобы вязкость жидкости, образованной при слиянии капель 8 и 9, была меньше, чем вязкость жидкости капли 8.
Пример. В качестве исследуемой поверхности использована подложка типа СТ-50. Очистка исследуемой поверхности осуществлена плазмохимическим травлением в среде аргона на установке травления пластин УТП ПДЭ-125-008. Сразу после очистки с помощью дозатора нанесена капля дистиллированной воды на горизонтально расположенную исследуемую поверхность. Момент окончания растекания капли зарегистрирован системой скоростной цифровой видеосъемки на базе камеры VS-FAST со скоростью 1000 кадров/с. Затем на каплю дистиллированной воды нанесена капля этилового спирта. Момент окончания растекания капли, образованной в результате слияния капель дистиллированной воды и этилового спирта, также зарегистрирован системой скоростной цифровой видеосъемки на базе камеры VS-FAST со скоростью 1000 кадров/с.
Фрактальная размерность уровня шероховатости исследуемой поверхности по формуле (3) составила 1,18.