СПОСОБ ФРАКТАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD FOR FRACTAL CONTROL 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 С2 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 в виде капли фиксированного объема, посредством скоростной цифровой видеосъемки фиксируют время растекания капли жидкости по 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 над каплей устанавливают импульсный источник света и производят кратковременный световой импульс, в дальнейшем убирают импульсный источник света и помещают в исходное положение скоростную цифровую видеокамеру, которой регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, нагретой световым импульсом, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли, нагретой световым импульсом; по полученным данным определяют фрактальную размерность D исследуемой шероховатой поверхности:
a
длина1
длина2
D=2·log(G/G).
площадь1
площадь2
длина1
длина2
площадь1
площадь2
Здесь а=(G/G), где G - длина периметра растекшейся капли; G - длина периметра растекшейся капли после нагрева; G - площадь растекшейся капли; G - площадь растекшейся капли после нагрева.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена блок-схема устройства для фрактального контроля шероховатости поверхности. Устройство состоит из источника света 1, фильтра 2 инфракрасного излучения, регулируемого источника питания 3 осветителя, дозатора 4 капель рабочей жидкости, направляющей иглы 5 дозатора капель рабочей жидкости, скоростной видеокамеры 6, записывающего устройства 7, исследуемой поверхности 8, капли 9 жидкости фиксированного объема, импульсного источника 10 света, дифракционного оптического элемента 11.
Способ осуществляется следующим образом.
Исследуемую поверхность 8 очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности 8, сразу после очистки на исследуемую поверхность 8 наносят жидкость в виде капли 9 жидкости фиксированного объема, затем посредством скоростной цифровой видеокамеры 6 регистрируют время растекания капли 9 жидкости фиксированного объема по поверхности и определяют шероховатость исследуемой поверхности 8. Для этого предварительно посредством скоростной цифровой видеокамеры 6 регистрируют момент окончания растекания капли 9 жидкости фиксированного объема, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли 9 фиксированного объема и убирают скоростную цифровую видеокамеру 6, затем над каплей 9 жидкости фиксированного объема устанавливают импульсный источник 10 света и производят кратковременный световой импульс, в дальнейшем убирают импульсный источник 10 света и помещают в исходное положение скоростную цифровую видеокамеру 6, посредством которой регистрируют момент окончания растекания капли 9 жидкости фиксированного объема, нагретой световым импульсом. Далее определяют периметр и площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема, нагретой световым импульсом. По полученным данным определяют фрактальную размерность D исследуемой поверхности 8:
a
длина1
длина2
D=2·log(G/G),
площадь1
площадь2
длина1
длина2
площадь1
площадь2
где а=(G/G), где G - длина периметра растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема; G - длина периметра растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема после нагрева; G - площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема; G - площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема после нагрева.
В результате сформированного импульсным источником 10 света кратковременного освещения растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема и прилегающих к ней фрагментов исследуемой поверхности 8 происходит нагрев вещества капли 9 жидкости фиксированного объема. Повышение температуры вещества капли 9 жидкости фиксированного объема приводит к изменению вязкости жидкости. Например, при использовании воды в качестве вещества капли 9 жидкости фиксированного объема вязкость при нагреве уменьшается [http://ru.wikipedia.org/wiki/Вязкость], в результате чего капля 9 жидкости фиксированного объема начинает вновь растекаться по исследуемой поверхности 8.
Материал исследуемой поверхности 8 обладает значительно большей массой, чем масса капли 9 жидкости фиксированного объема, поэтому теплоемкость исследуемой поверхности 8 намного больше теплоемкости капли 9 жидкости фиксированного объема. По этой причине световой импульс, сформированный импульсным источником 10 света, практически не приводит к изменению температуры материала исследуемой поверхности 8.
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 дается законом Мандельброта:
длина
площадь
2
Здесь G - длина кривой (периметра 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 растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема получаем систему двух уравнений:
длина1
длина2
площадь1
площадь2
Здесь G - длина периметра растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема; G - длина периметра растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема после нагрева; G - площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема; С - площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема после нагрева.
Из системы уравнений (2) следует, что
площадь1
площадь2
где основание логарифма а=(G/G).
В этом случае изменение вязкости вещества капли 9 жидкости фиксированного объема может рассматриваться как изменение шага покрытия при определении фрактальной размерности.
Геометрия растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема регистрируется посредством скоростной видеокамеры 6 и записывающего устройства 7. Затем определяется периметр и площадь капли 9 жидкости фиксированного объема путем использования методов цифровой обработки изображений [Сойфер В.А. Методы компьютерной обработки изображений. М.: Физматлит, 2003. - 784 с.].
Исследуемая поверхность 8 может иметь различный угол наклона относительно линии горизонта. Наибольший угол наклона исследуемой поверхности 8 определяется экспериментально и выбирается таким образом, чтобы капля 9 жидкости фиксированного объема не могла скатиться с исследуемой поверхности 8.
Дифракционный оптический элемент (ДОЭ) 11 необходим для обеспечения равномерного распределения плотности света над растекшейся каплей 9 жидкости фиксированного объема. Синтез ДОЭ с заданными свойствами может быть реализован в соответствии с [Сойфер В.А. Методы компьютерной оптики. М.: «Физматлит», 2003. - 688 с.].
Пример. В качестве исследуемой поверхности использована подложка типа СТ-50, в качестве жидкости - дистиллированная вода. 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. Растекшаяся капля воды фиксированного объема освещена одним импульсом фотовспышки ФИЛ-100, которая позволяет формировать длительность светового импульса - 1/500 с, при этом энергия вспышки составляет 68 Дж.
Фрактальная размерность уровня шероховатости исследуемой поверхности по формуле (3) составила 1,72.