Pertinence de techniques de mesures morphologiques de surfaces usinées par usinage de haute précision

The relevance of topographic measurements on high precision machined surfaces

¹ Laboratoire Roberval, FRE 2833–CNRS, Université de Technologie de Compiègne, BP. 649, 60206 Compiègne Cedex, France
² Équipe Caractérisation et Propriétés des Périsurfaces, LMPGM, UMR 8517-CNRS, ENSAM, 8 Bd Louis XIV, 59046 Lille Cedex, France

Reçu : 22 Février 2006
Accepté : 9 Mai 2007

Résumé

La pertinence de trois techniques de caractérisation topographiques (Microscope à Force Atomique, microscope interférométrique et profilomètre tactile) a été étudiée sur des surfaces de faibles rugosités réalisées sur un tour de haute précision avec un outil en diamant monocristallin. Une étude multi-échelle des résultats de chaque instrument montre que sur une surface de faible rugosité (Ra ≤ 10 nm) et de texture régulière, les valeurs obtenues du paramètre Ra (de 0,1 à 10 nm) sont cohérentes sur un domaine d'évaluation de longueur variable (de 10 nm à 3 mm). Quand la surface a un paramètre Ra équivalent mais une texture plus aléatoire, le Microscope à Force Atomique et le profilomètre tactile présentent une bonne cohérence de résultats, alors que les valeurs de Ra obtenues avec le microscope interférométrique sont légèrement inférieures aux précédentes. Cette baisse est due à un effet de "moyennage" lié à la technique de mesure de cet appareil. Par ailleurs, la valeur de l'amplitude du paramètre Rt (Pic–Vallée) mesurée avec le microscope interférométrique est inférieure, quelle que soit l'étendue de mesure à celle mesurée par les autres appareils. Cette étude multi-échelle montre la pertinence de l'emploi de ces trois instruments de mesure sur des surfaces (usinées en haute précision) en fonction des paramètres de rugosité choisis et du type de texture que présente la surface.

Abstract

To characterize the topography of very low roughness surfaces (Ra ≤ 10 nm) with a large spectral bandwidth frequencies, the relevance of three different techniques (interferometric microscope, Atomic Force Microscope, stylus profiler) was investigated. Surfaces are generated by a high precision turning machine using a single diamond cutting tool on a pure aluminum sample. A multi-scale study for all instruments shows, on smooth surfaces, a good continuity of the Ra value (from 0.1 to 10 nm) for a huge domain of evaluation length (from 10 nm to 3 mm). When surface becomes more uneven, the AFM and the stylus profiler keep continuous results, but interferometric microscope presents lower Ra due to a smoothing effect. For the amplitude of the “extreme value” parameter (Rt), measured with the interferometric microscope, discrepancies occur at all scales of measurement: whatever the magnification, the higher magnification is, the lower the measured roughness is. This phenomenon is due to both statistical bias and smoothing effect.