一種纖維增強復(fù)合材料表面粗糙度評價方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種纖維增強復(fù)合材料表面粗糙度評價方法，屬于材料表面完整性評價【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明首先選用非接觸式測試儀器提取材料已加工表面原始數(shù)據(jù)；其次利用粗大誤差理論，濾除粗大誤差，即材料本身制備缺陷，最后利用分析軟件對濾除后數(shù)據(jù)進行分析處理，得到相應(yīng)表面粗糙度數(shù)據(jù)。由于濾除了材料本身制備缺陷，并且使用三維粗糙度數(shù)據(jù)作為評價數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對材料加工表面粗糙度的真實評價。
【專利說明】一種纖維增強復(fù)合材料表面粗糙度評價方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料表面完整性評價【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種纖維增強復(fù)合材料表面 粗糙度評價方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，C/C、C/SiC等材料由于具有良好的物理化學(xué)性能，逐漸成為空天飛行器關(guān)鍵 熱結(jié)構(gòu)的重要候選材料。而復(fù)合材料構(gòu)件的表面質(zhì)量是影響構(gòu)件性能、成品率和可靠性的 重要因素，目前國內(nèi)在復(fù)合材料設(shè)計、加工及使用過程中，仍沿用傳統(tǒng)的金屬材料表面質(zhì)量 檢測評價方法，但普通金屬材料切削表面粗糙度的一些結(jié)論和經(jīng)驗并不適用于復(fù)合材料。 這主要是因為金屬材料的表面粗糙度評價方法屬于二維評定方法，而C/SiC復(fù)合材料是連 續(xù)纖維增強的復(fù)合材料，具有明顯的各向異性，經(jīng)機械加工后會出現(xiàn)纖維斷裂、纖維被從 基體中拔出、裂紋、孔隙等特殊的表面微觀形貌特征，呈現(xiàn)出完全不同于金屬材料的特殊 的表面形貌，而這些又是分布在表面的局部、隨機的信息，采用接觸式測量方法存在探針劃 入孔隙，探針磨損等問題，會影響檢測結(jié)果，此外，二維信息不能完整的反應(yīng)加工后的表面 形貌，測量誤差較大。工程應(yīng)用中，尚缺乏一種更真實、更全面反應(yīng)復(fù)合材料切削表面質(zhì)量 的評定方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] (一）要解決的技術(shù)問題
[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：如何克服現(xiàn)有接觸式探針測量存在的接觸探針磨損 及測量不精確的缺陷，提供一種纖維增強復(fù)合材料表面粗糙度評價方法，以實現(xiàn)對材料加 工表面粗糙度的真實評價。
[0005] (二）技術(shù)方案
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種纖維增強復(fù)合材料表面粗糙度評價方 法，包括以下步驟：
[0007] S1、測量原始的材料樣品加工表面上每個點的高度值，作為原始數(shù)據(jù)；
[0008] S2、對每一個一定大小區(qū)域的一定數(shù)量的原始數(shù)據(jù)進行處理，濾除原始數(shù)據(jù)中的 粗大誤差；
[0009] S3、利用分析軟件重新分析處理經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的三維粗糙度數(shù)據(jù)；
[0010] S4、利用所得到的三維粗糙度數(shù)據(jù)進行粗糙度評價。
[0011] 優(yōu)選地，所述粗大誤差為孔隙。
[0012] 優(yōu)選地，所述三維粗糙度數(shù)據(jù)為表面粗糙度數(shù)值Sa或Sq。
[0013] 優(yōu)選地，步驟S2中對一定大小區(qū)域的一定數(shù)量的原始數(shù)據(jù)進行處理，濾除原始數(shù) 據(jù)中的粗大誤差具體為：
[0014] S21、獲取測量的0.8mmX0. 8mm區(qū)域的1024X1024個原始數(shù)據(jù)；
[0015] S22、對樣品進行調(diào)平；
[0016] S23、利用判別粗大誤差的3 〇準(zhǔn)則判別粗大誤差，并將粗大誤差濾除。
[0017] 優(yōu)選地，步驟S23具體為：計算1024X1024個原始數(shù)據(jù)的平均高度值X，進而計算 標(biāo)準(zhǔn)偏差σ和殘余誤差 Vi，判斷每點殘余誤差\是否大于3〇,剔除Vi>3〇的點，返回步 驟S22,否則執(zhí)行步驟S3。
[0018] 優(yōu)選地，所述材料為增強C/C、C/SiC、碳纖維或金屬。
[0019] 優(yōu)選地，所述表面為采用機械加工、電加工或特種加工方式成型后的平面或任意 曲面。
[0020] 優(yōu)選地，所述分析軟件為表面粗糙度儀的分析軟件Talymap。
[0021] 優(yōu)選地，步驟S1中利用非接觸式測試儀器獲得原始數(shù)據(jù)。
[0022] (三）有益效果
[0023] 本發(fā)明首先選用非接觸式測試儀器提取材料已加工表面原始數(shù)據(jù)；其次利用粗大 誤差理論，濾除粗大誤差，即材料本身制備缺陷，最后利用分析軟件對濾除后數(shù)據(jù)進行分析 處理，得到相應(yīng)表面粗糙度數(shù)據(jù)。由于濾除了材料本身制備缺陷，并且使用三維粗糙度數(shù)據(jù) 作為評價數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對材料加工表面粗糙度的真實評價。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為一種纖維增強C/SiC復(fù)合材料C纖維預(yù)制體針刺成型示意圖；
[0025] 圖2為一種纖維增強C/SiC復(fù)合材料加工后典型表面微觀形貌；其中a為層狀脆 斷和纖維拔出圖；b為孔隙圖；c為裂紋圖；
[0026] 圖3為原始測量表面參數(shù)；
[0027] 圖4為原始測量30個點Sa數(shù)值；
[0028] 圖5為原始數(shù)據(jù)與處理后數(shù)據(jù)波面直方圖，分別為a與b ;
[0029] 圖6為原始二維圖與處理后表面等高圖對比，分別為a與b ;其中白色為NAN，黑色 為粗大誤差；
[0030] 圖7為處理后表面測量參數(shù)；
[0031] 圖8為對原始測量30個點進行處理后得到的Sa數(shù)值與原始測量值對比圖。

【具體實施方式】
[0032] 為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點更加清楚，下面以C/SiC材料為例，結(jié)合附圖和 具體測試方法和步驟對本發(fā)明做進一步說明：
[0033] C/C、C/SiC復(fù)合材料由于本身成型工藝的局限性，材料制備過程中的孔隙率在一 定范圍內(nèi)都是合格的，而孔隙是影響表面粗糙度的重要因素，為解決加工對該類材料表面 粗糙度的影響，本發(fā)明提出了一種新的纖維增強復(fù)合材料表面粗糙度評價方法。
[0034] 本發(fā)明所使用的C/SiC復(fù)合材料纖維預(yù)制體為三維針刺結(jié)構(gòu)，見圖1所示，其中1 為網(wǎng)胎，2為X向纖維鋪層，3為Y向纖維鋪層，4為針刺纖維束。對該材料進行加工的方式 為磨削加工（屬于機械加工）。經(jīng)機械加工后呈現(xiàn)圖2所示典型微觀形貌。
[0035] Talysurf CCI MP表面粗糙度儀的配套分析軟件Talymap (PLATINUM)。
[0036] 評價步驟如下：
[0037] S1、檢測，獲得測量原始數(shù)據(jù)，即原始的材料樣品加工表面上每個點的高度值。測 量原始表面微觀形貌見圖3所示，a為微觀形貌等值圖、b為表面三維形貌，c為測量結(jié)果的 分析數(shù)據(jù)。對同一條件下的表面進行檢測，圖4為測量30個點的粗糙度數(shù)值Sa，統(tǒng)計規(guī)律 性比較差，這完全是由于原材料制備孔隙對其表面粗糙度的影響。因此接下來執(zhí)行第二步。
[0038] S2、對每一個0. 8mmX0. 8mm測量區(qū)域內(nèi)的1024X1024個原始數(shù)據(jù)進行處理，濾除 測量原始數(shù)據(jù)中的粗大誤差。
[0039] 處理過程：
[0040] S21)測量原始數(shù)據(jù)讀入軟件；
[0041] S22)調(diào)平，消除樣品測量過程中傾斜帶來的影響；
[0042] S23)利用判別粗大誤差的3 〇準(zhǔn)則（萊以特準(zhǔn)則），判別粗大誤差，并將此值剔 除，重新計算。
[0043] 計算過程：計算原始數(shù)據(jù)平均高度值X，殘余誤差\，計算標(biāo)準(zhǔn)差σ，判斷每點殘 余誤差Vi是否大于3 σ，剔除Vi>3 σ的點，返回步驟S22,否則執(zhí)行步驟S3。
[0044] 圖5為原始與處理后數(shù)據(jù)波面直方圖。圖6所示為計算過程中原始與處理后等值 圖對比，右側(cè)圖示黑色為濾除的粗大誤差，白色為非測量點。粗大誤差即為材料成型過程中 的孔隙，故將其判別為粗大誤差，計算粗糙度時將此測量點剔除。
[0045] S3、利用分析軟件重新分析處理經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的三維粗糙度數(shù)據(jù)Sa ; 濾除粗大誤差后表面微觀形貌見圖7。利用分析軟件最終得到的表面粗糙度可為二維表面 粗糙度Ra、Rq、Rz等或和三維粗糙度數(shù)據(jù)，如Sa、Sq等。該粗糙度值即為濾除材料本身制 備孔隙后，實際加工的表面粗糙度值，針對該材料加工表面的特殊性，本發(fā)明使用三維粗糙 度Sa效果最佳。
[0046] S4、利用所得到的三維粗糙度數(shù)據(jù)進行粗糙度評價。
[0047] 本發(fā)明對同一條件下的表面用本發(fā)明評價方法得到的Sa數(shù)據(jù)與原始Sa數(shù)據(jù)進行 對比，得到圖8,可以看出，本發(fā)明得到的三維粗糙度數(shù)據(jù)滿足工程實際，而原始Sa數(shù)據(jù)顯 示加工表面的粗糙度程度顯然不符合工程實際。
[〇〇48] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種纖維增強復(fù)合材料表面粗糙度評價方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 測量原始的材料樣品加工表面上每個點的高度值，作為原始數(shù)據(jù)； 52、 對每一個一定大小區(qū)域的一定數(shù)量的原始數(shù)據(jù)進行處理，濾除原始數(shù)據(jù)中的粗大 誤差； 53、 利用分析軟件重新分析處理經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的三維粗糙度數(shù)據(jù)； 54、 利用所得到的三維粗糙度數(shù)據(jù)進行粗糙度評價。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粗大誤差為孔隙。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述三維粗糙度數(shù)據(jù)為表面粗糙度數(shù)值Sa 或Sq。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2中對一定大小區(qū)域的一定數(shù)量的原 始數(shù)據(jù)進行處理，濾除原始數(shù)據(jù)中的粗大誤差具體為： 521、 獲取測量的0. 8mmX0. 8mm區(qū)域的1024X 1024個原始數(shù)據(jù)； 522、 對樣品進行調(diào)平； 523、 利用判別粗大誤差的3 〇準(zhǔn)則判別粗大誤差，并將粗大誤差濾除。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟S23具體為：計算1024Χ 1024個原始 數(shù)據(jù)的平均高度值X，進而計算標(biāo)準(zhǔn)偏差σ和殘余誤差Vi，判斷每點殘余誤差\是否大于 3 σ，剔除Vi>3 σ的點，返回步驟S22,否則執(zhí)行步驟S3。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料為C/C、C/SiC、碳纖維增強或金屬 材料。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面為采用機械加工、電加工或特種加 工方式成型后的平面或任意曲面。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析軟件為表面粗糙度儀的分析軟件 Talymap。
9. 如權(quán)利要求1?8中任一項所述的方法，其特征在于，步驟S1中利用非接觸式測試 儀器獲得原始數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01B21/30GK104089601SQ201410338867
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】鄭景珍, 楊援, 楊宏青, 丁國智, 林琳, 徐寶德, 李昂, 姜濤, 王青 申請人:北京星航機電裝備有限公司