基于散射法测量冷作模具钢表面粗糙度的装置的制造方法
【专利摘要】基于散射法测量冷作模具钢表面粗糙度的装置，属于光学检测领域，本实用新型为了解决我国当前特殊钢厂的质量控制、质量检测手段落后，缺乏在线质量检验设备，产品的表面质量检测精度不高的问题。测量装置包括He?Ne激光器、准直器、隔离器、起偏器、第一分束器、第二分束器、第一扩束装置、第二扩束装置、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一检偏器、第二检偏器、第一会聚透镜、第二会聚透镜、第三会聚透镜、第一光强探测器、第二光强探测器、第三光强探测器；本实用新型具有非接触性、装置简单、快速测量、成本低等优点，用于检测冷作模具钢的表面综合性能参数。
【专利说明】
基于散射法测量冷作模具钢表面粗糙度的装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种冷作模具钢表面性能参数的检测装置，属于光学检测领域。
【背景技术】
[0002] 伴随着工业化的快速发展，我国模具工业在世界模具产值中所占比例显著提高。 目前我国模具钢应用广泛，其中Cr 12、Cr 12M〇V的应用量尤为广泛。我国当前特殊钢厂的质 量检测手段落后且缺乏在线质量检验设备，从而导致产品的表面质量和尺寸精度与国外同 类产品相比还存在着不小的差距。冷作模具钢的表面粗糙度^和单位长度内波峰数是冷作 模具钢表面检测必须要测量的两个重要性能参数，分别表示了被测钢表面在垂直方向和水 平方向的形貌特征，表面微观轮廓误差是用表面粗糙度来表征的，它表示被测表面上具有 的微小间距和微小峰谷的不平度所组成的微观几何形状误差。表面粗糙度作为工厂加工流 程线的最后一道必测工序，冷作模具钢表面粗糙程度反映了其功能特性的好坏，例如表面 的耐磨性、耐腐蚀性、接触刚度、疲劳强度等;表面微观波峰数目是用单位长度内波峰数来 表征的，它表示表面上每个单位长度内波峰的数目，即在水平方向上的横向频率参数，其单 位长度内波峰的数目是以轮廓高于峰点计数线上的高点数来计算的，而此峰点计数线是以 基准中线上方处来确定的。冷作模具钢表面横向波峰数也影响到其性能好坏，例如利 用冷作模具钢加工所得的模具的润滑性能好坏、划痕情况以及模具上是否出现加工纹路 等，都取决于冷作模具钢的横向频率参数，若能同时测量出这两个参数，就能很好地得到表 面形貌的信息。
[0003] 目前测量微观形貌的方法有触针法、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、光干涉法、 光散射法等。触针法仍然被广泛应用于表面粗糙度的测量，但基于其属于接触式测量，测量 时不可避免地会对表面产生一定的损伤以至于越来越不符合当今在线测量的要求。其中光 散射法适合在线测量，因为该方法具有非接触性、装置简单、快速测量、成本低等优点。光散 射法里也涵盖了几个方法，例如全积分散射法、角度分辨散射法、镜面反射法等，各种方法 具有不同的测量范围，其中镜面反射法测量表面粗糙度的测量范围是·?~涵盖了 各种冷作模具钢的表面粗糙度允许值的全部区间，并且标量散射理论对于低散射的金属-冷作模具钢是非常合适的。本实用新型所采用的是基于收集镜面反射光来测量冷作模具钢 表面粗糙度的检测方法，避免了散射光的收集从而使得本测量装置更加简单。当一束激光 入射到粗糙表面时，一部分激光会按照反射定律发生反射，而另一部分激光则会沿四面八 方发生散射，其散射的程度取决于表面的粗糙程度，越粗糙的表面其散射越严重，散射光光 强和表面粗糙度之间的关系可由Beckmann的光散射理论推导出。通过检测冷作模具钢表面 光强的空间分布，再经过相应的理论计算就可以得到表面的性能参数信息。本实用新型装 置可对多参数进行在线测量，在生产线的最后一道工序中使用该装置，一旦检测出表面粗 糙度超过标准范围时，可以及时把冷作模具钢送回之前的工序中继续加工，此在线检测装 置提高了产品的合格率，使得工厂的经济利益得到保证。
[0004] 本实用新型以国内外先进的光电检测技术为依托，研制出具有非接触性、装置简 单、快速测量、成本低等优点的光学系统，在一定程度上弥补了国内现有冷作模具钢表面性 能在线检测领域的不足。
【发明内容】
[0005] 本实用新型目的是为了解决现有冷作模具钢表面性能检测装置只能检测单一特 征参数，不能够准确、快速、简便地在线检测综合性能参数的问题，提供了一种基于散射法 测量冷作模具钢表面粗糙度的装置。
[0006] 基于散射法测量冷作模具钢表面粗糙度的装置，该测量装置包括He-Ne激光器 (1)、准直器(2)、隔离器(3)、起偏器(4)、第一分束器(5-1)、第二分束器(5-2)、第一扩束装 置(6-1)、第二扩束装置(6-2)、第一反射镜(7-1)、第二反射镜(7-2)、第三反射镜(7-3)、第 一检偏器(8-1)、第二检偏器(8-2)、第一会聚透镜(9-1)、第二会聚透镜(9-2)、第三会聚透 镜(9-3)、第一光强探测器(10-1 )、第二光强探测器(10-2)、第三光强探测器(10-3);
[0007] 从He-Ne激光器（1)出射的激光入射至准直器(2)，通过准直器(2)准直的激光入射 至隔离器(3)，通过隔离器(3)准直后的激光入射至起偏器(4)，经过起偏器(4)的激光变为 线偏振光，该线偏振光通过第一分束器(5-1)分为水平激光和垂直激光；
[0008] 通过第一分束器(5-1)分光的水平激光入射至第一扩束装置(6-1)，第一扩束装置 (6-1)出射的激光入射至第一反射镜(7-1)，通过第一反射镜(7-1)反射后的激光入射至第 二反射镜(7-2)，经过第二反射镜(7-2)反射后以Θ角入射至被测冷作模具钢表面，经过冷作 模具钢表面的反射，反射光也以Θ角入射至第三反射镜(7-3)，经过第三反射镜(7-3)的反射 光入射至第一检偏器(8-1)，出射的线偏振光入射至第三会聚透镜(9-3)，经过第三会聚透 镜(9-3)的透射光入射至第三光强探测器；
[0009] 通过第一分束器(5-1)分光的垂直激光入射至第二扩束装置(6-2)，经过第二扩束 装置(6-2)出射的激光入射至第二分束器(5-2)，通过第二分束器(5-2)分光为水平激光和 垂直激光；
[0010] 通过第二分束器(5-2)分光的水平激光通过第一会聚透镜(9-1)入射至第一光强 探测器(10-1);
[0011] 通过第二分束器(5-2)分光的垂直激光以角入射至被测冷作模具钢表面，经过 冷作模具钢表面的反射，反射光入射至第二分束器(5-2)，经过第二分束器(5-2)的激光通 过第二检偏器(8-2)，出射的线偏振光入射至第二会聚透镜(9-2)，通过第二会聚透镜(9-2) 的激光入射至第二光强探测器。
[0012] 所述检偏器的偏振方向与起偏器的偏振方向保持一致，减少进入到光强探测器中 散射角度较小的散射光，保证测量精度。
[0013] 本实用新型的优点:本实用新型利用基于散射法测量冷作模具钢表面粗糙度的装 置，建立了一种准确、非接触性、快速简便、灵敏度高的冷作模具钢表面性能参数的检测装 置，提高了实际检测时的效率，同时可以检测表面粗糙度中轮廓算术平均偏差和单位长度 内的波峰数，这种实用化的检测冷作模具钢表面粗糙度的装置具有相当大的市场优势，而 且能够在一定程度上弥补了国内现有冷作模具钢表面性能在线检测领域的不足。
【附图说明】
[0014] 图1是本实用新型所述基于散射法测量冷作模具钢表面粗糙度的装置结构示意 图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于散射法测量冷作模具钢表面 粗糙度的装置，该测量装置包括He-Ne激光器（1)、准直器(2)、隔离器(3)、起偏器(4)、第(3) 一分束器(5-1)、第二分束器(5-2)、第一扩束装置(6-1)、第二扩束装置(6-2)、第一反射镜 (7-1)、第二反射镜(7-2)、第三反射镜(7-3)、第一检偏器(8-1)、第二检偏器(8-2)、第一会 聚透镜(9-1)、第二会聚透镜(9-2)、第三会聚透镜(9-3)、第一光强探测器(10-1)、第二光强 探测器（10-2)、第三光强探测器（10-3);
[0016] 从He-Ne激光器（1)出射的激光入射至准直器(2)，通过准直器(2)准直的激光入射 至隔离器(3)，通过隔离器(3)准直后的激光入射至起偏器(4)，经过起偏器(4)的激光变为 线偏振光，该线偏振光通过第一分束器(5-1)分为水平激光和垂直激光；
[0017] 通过第一分束器(5-1)分光的水平激光入射至第一扩束装置(6-1)，第一扩束装置 (6-1)出射的激光入射至第一反射镜(7-1)，通过第一反射镜(7-1)反射后的激光入射至第 二反射镜(7-2)，经过第二反射镜(7-2)反射后以Θ角入射至被测冷作模具钢表面，经过冷作 模具钢表面的反射，反射光也以Θ角入射至第三反射镜(7-3)，经过第三反射镜(7-3)的反射 光入射至第一检偏器(8-1)，出射的线偏振光入射至第三会聚透镜(9-3)，经过第三会聚透 镜(9-3)的透射光入射至第三光强探测器；
[0018] 通过第一分束器(5-1)分光的垂直激光入射至第二扩束装置(6-2)，经过第二扩束 装置(6-2)出射的激光入射至第二分束器(5-2)，通过第二分束器(5-2)分光为水平激光和 垂直激光；
[0019] 通过第二分束器(5-2)分光的水平激光通过第一会聚透镜(9-1)入射至第一光强 探测器(10-1);
[0020] 通过第二分束器(5-2)分光的垂直激光以角入射至被测冷作模具钢表面，经过 冷作模具钢表面的反射，反射光入射至第二分束器(5-2)，经过第二分束器(5-2)的激光通 过第二检偏器(8-2)，出射的线偏振光入射至第二会聚透镜(9-2)，通过第二会聚透镜(9-2) 的激光入射至第二光强探测器。
[0021] 被测冷作模具钢表面反射至第二分束器(5-2)的激光通过第二扩束装置(6-2)和 第一分束器(5-1)后入射至起偏器(4)后，由于隔离器(3)阻拦而无法返回激光器，从而保持 了激光器的稳定。
[0022] 激光入射至冷作模具钢表面发生散射时，镜面反射光的偏振态不发生变化，而散 射光的偏振态将会发生改变。激光经过冷作模具钢表面发生散射时，将有一部分散射角度 较小的散射光入射至第三反射镜(7-3)和第二分束器(5-2)，进而进入到光强探测器中影响 测量的精度，保持起偏器和检偏器的偏振方向一致将阻拦这部分散射光进入到光强探测器 中，从而保证测量精度。
[0023] 本发明中，所述表面性能参数的测量装置能够直接检测光强，根据光强推导出综 合性能参数(冷作模具钢表面粗糙度中轮廓算术平均偏差和单位长度内的波峰数）。
[0024] 会聚在第一光强探测器（10-1)的光强记为fs，会聚在第二光强探测器（10-2)的光 强记为lij，会聚在第三光强探测器(10-3)的光强记为
[0025] 1、冷作模具钢表面轮廓算术平均偏差:通过第一光强探测器（10-1)和第三光强探 测器(10-3)，能过得到光强和||，进而得到冷作模具钢表面的轮廓算术平均偏差为：
[0026]
:其中：表不激光波长，9表不激光入射至冷作模具钢表面 的入射角；
[0027] 2、单位长度内的波峰数：另一束激光以P入射到冷作模具钢表面，其入射点与入 射角为Θ的激光相同，通过第二光强探测器（10-2)，能够得到光强,?，设表面的相关长度为 T，则
[0028] 其中：A为激光扩束横截面积;通过该式，能够得到相关长度T，相 关长度的倒数即为单位长度内的波峰数。
【主权项】
1. 基于散射法测量冷作模具钢表面粗糙度的装置，其特征在于，该测量装置包括He-Ne 激光器（1)出射的激光入射至准直器(2)，通过准直器(2)准直的激光入射至隔离器(3)，通 过隔离器(3)准直后的激光入射至起偏器(4)，经过起偏器(4)的激光变为线偏振光，该线偏 振光通过第一分束器(5-1)分为水平激光和垂直激光； 通过第一分束器(5-1)分光的水平激光入射至第一扩束装置(6-1)，第一扩束装置(6-1)出射的激光入射至第一反射镜(7-1)，通过第一反射镜(7-1)反射后的激光入射至第二反 射镜(7-2)，经过第二反射镜(7-2)反射后以Θ角入射至被测冷作模具钢表面，经过冷作模具 钢表面的反射，反射光也以Θ角入射至第三反射镜(7-3)，经过第三反射镜(7-3)的反射光入 射至第一检偏器(8-1)，出射的线偏振光入射至第三会聚透镜(9-3)，经过第三会聚透镜(9-3)的透射光入射至第三光强探测器； 通过第一分束器(5-1)分光的垂直激光入射至第二扩束装置(6-2)，经过第二扩束装置 (6-2)出射的激光入射至第二分束器(5-2)，通过第二分束器(5-2)分光为水平激光和垂直 激光； 通过第二分束器(5-2)分光的水平激光通过第一会聚透镜(9-1)入射至第一光强探测 器(10-1); 通过第二分束器(5-2)分光的垂直激光〖！入射至被测冷作模具钢表面，经过冷作 模具钢表面的反射，反射光入射至第二分束器(5-2)，经过第二分束器(5-2)的激光通过第 二检偏器(8-2)，出射的线偏振光入射至第二会聚透镜(9-2)，通过第二会聚透镜(9-2)的激 光入射至第二光强探测器。2. 根据权利要求1所述的基于散射法测量冷作模具钢表面粗糙度的装置，其特征在于， 检偏器的偏振方向与起偏器的偏振方向保持一致，减少进入到光强探测器中散射角度较小 的散射光，保证测量精度。
【文档编号】G01B11/30GK205642317SQ201620414854
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】于雪莲, 张嘉成, 周坤, 赵文彬, 马文书, 王 琦
【申请人】哈尔滨理工大学