一種纖維增強複合材料表面粗糙度評價方法

2023-09-20 07:07:15 1

一種纖維增強複合材料表面粗糙度評價方法
【專利摘要】本發明涉及一種纖維增強複合材料表面粗糙度評價方法，屬於材料表面完整性評價【技術領域】。本發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據；其次利用粗大誤差理論，濾除粗大誤差，即材料本身製備缺陷，最後利用分析軟體對濾除後數據進行分析處理，得到相應表面粗糙度數據。由於濾除了材料本身製備缺陷，並且使用三維粗糙度數據作為評價數據，能夠實現對材料加工表面粗糙度的真實評價。
【專利說明】一種纖維增強複合材料表面粗糙度評價方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及材料表面完整性評價【技術領域】，具體涉及一種纖維增強複合材料表面 粗糙度評價方法。

【背景技術】
[0002] 目前，C/C、C/SiC等材料由於具有良好的物理化學性能，逐漸成為空天飛行器關鍵 熱結構的重要候選材料。而複合材料構件的表面質量是影響構件性能、成品率和可靠性的 重要因素，目前國內在複合材料設計、加工及使用過程中，仍沿用傳統的金屬材料表面質量 檢測評價方法，但普通金屬材料切削表面粗糙度的一些結論和經驗並不適用於複合材料。 這主要是因為金屬材料的表面粗糙度評價方法屬於二維評定方法，而C/SiC複合材料是連 續纖維增強的複合材料，具有明顯的各向異性，經機械加工後會出現纖維斷裂、纖維被從 基體中拔出、裂紋、孔隙等特殊的表面微觀形貌特徵，呈現出完全不同於金屬材料的特殊 的表面形貌，而這些又是分布在表面的局部、隨機的信息，採用接觸式測量方法存在探針劃 入孔隙，探針磨損等問題，會影響檢測結果，此外，二維信息不能完整的反應加工後的表面 形貌，測量誤差較大。工程應用中，尚缺乏一種更真實、更全面反應複合材料切削表面質量 的評定方法。


【發明內容】

[0003] (一）要解決的技術問題
[0004] 本發明要解決的技術問題是：如何克服現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，提供一種纖維增強複合材料表面粗糙度評價方法，以實現對材料加 工表面粗糙度的真實評價。
[0005] (二）技術方案
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種纖維增強複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，作為原始數據；
[0008] S2、對每一個一定大小區域的一定數量的原始數據進行處理，濾除原始數據中的 粗大誤差；
[0009] S3、利用分析軟體重新分析處理經處理後的數據，得到相應的三維粗糙度數據；
[0010] S4、利用所得到的三維粗糙度數據進行粗糙度評價。
[0011] 優選地，所述粗大誤差為孔隙。
[0012] 優選地，所述三維粗糙度數據為表面粗糙度數值Sa或Sq。
[0013] 優選地，步驟S2中對一定大小區域的一定數量的原始數據進行處理，濾除原始數 據中的粗大誤差具體為：
[0014] S21、獲取測量的0.8mmX0. 8mm區域的1024X1024個原始數據；
[0015] S22、對樣品進行調平；
[0016] S23、利用判別粗大誤差的3 〇準則判別粗大誤差，並將粗大誤差濾除。
[0017] 優選地，步驟S23具體為：計算1024X1024個原始數據的平均高度值X，進而計算 標準偏差σ和殘餘誤差 Vi，判斷每點殘餘誤差\是否大於3〇,剔除Vi>3〇的點，返回步 驟S22,否則執行步驟S3。
[0018] 優選地，所述材料為增強C/C、C/SiC、碳纖維或金屬。
[0019] 優選地，所述表面為採用機械加工、電加工或特種加工方式成型後的平面或任意 曲面。
[0020] 優選地，所述分析軟體為表面粗糙度儀的分析軟體Talymap。
[0021] 優選地，步驟S1中利用非接觸式測試儀器獲得原始數據。
[0022] (三）有益效果
[0023] 本發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據；其次利用粗大 誤差理論，濾除粗大誤差，即材料本身製備缺陷，最後利用分析軟體對濾除後數據進行分析 處理，得到相應表面粗糙度數據。由於濾除了材料本身製備缺陷，並且使用三維粗糙度數據 作為評價數據，能夠實現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複合材料C纖維預製體針刺成型示意圖；
[0025] 圖2為一種纖維增強C/SiC複合材料加工後典型表面微觀形貌；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；
[0027] 圖4為原始測量30個點Sa數值；
[0028] 圖5為原始數據與處理後數據波面直方圖，分別為a與b ;
[0029] 圖6為原始二維圖與處理後表面等高圖對比，分別為a與b ;其中白色為NAN，黑色 為粗大誤差；
[0030] 圖7為處理後表面測量參數；
[0031] 圖8為對原始測量30個點進行處理後得到的Sa數值與原始測量值對比圖。

【具體實施方式】
[0032] 為使本發明的目的、內容、和優點更加清楚，下面以C/SiC材料為例，結合附圖和 具體測試方法和步驟對本發明做進一步說明：
[0033] C/C、C/SiC複合材料由於本身成型工藝的局限性，材料製備過程中的孔隙率在一 定範圍內都是合格的，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，本發明提出了一種新的纖維增強複合材料表面粗糙度評價方法。
[0034] 本發明所使用的C/SiC複合材料纖維預製體為三維針刺結構，見圖1所示，其中1 為網胎，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（屬於機械加工）。經機械加工後呈現圖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體Talymap (PLATINUM)。
[0036] 評價步驟如下：
[0037] S1、檢測，獲得測量原始數據，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為測量結果的 分析數據。對同一條件下的表面進行檢測，圖4為測量30個點的粗糙度數值Sa，統計規律 性比較差，這完全是由於原材料製備孔隙對其表面粗糙度的影響。因此接下來執行第二步。
[0038] S2、對每一個0. 8mmX0. 8mm測量區域內的1024X1024個原始數據進行處理，濾除 測量原始數據中的粗大誤差。
[0039] 處理過程：
[0040] S21)測量原始數據讀入軟體；
[0041] S22)調平，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 〇準則（萊以特準則），判別粗大誤差，並將此值剔 除，重新計算。
[0043] 計算過程：計算原始數據平均高度值X，殘餘誤差\，計算標準差σ，判斷每點殘 餘誤差Vi是否大於3 σ，剔除Vi>3 σ的點，返回步驟S22,否則執行步驟S3。
[0044] 圖5為原始與處理後數據波面直方圖。圖6所示為計算過程中原始與處理後等值 圖對比，右側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、利用分析軟體重新分析處理經處理後的數據，得到相應的三維粗糙度數據Sa ; 濾除粗大誤差後表面微觀形貌見圖7。利用分析軟體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據，如Sa、Sq等。該粗糙度值即為濾除材料本身制 備孔隙後，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據進行粗糙度評價。
[0047] 本發明對同一條件下的表面用本發明評價方法得到的Sa數據與原始Sa數據進行 對比，得到圖8,可以看出，本發明得到的三維粗糙度數據滿足工程實際，而原始Sa數據顯 示加工表面的粗糙度程度顯然不符合工程實際。
[〇〇48] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形 也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1. 一種纖維增強複合材料表面粗糙度評價方法，其特徵在於，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，作為原始數據； 52、 對每一個一定大小區域的一定數量的原始數據進行處理，濾除原始數據中的粗大 誤差； 53、 利用分析軟體重新分析處理經處理後的數據，得到相應的三維粗糙度數據； 54、 利用所得到的三維粗糙度數據進行粗糙度評價。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述粗大誤差為孔隙。
3. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述三維粗糙度數據為表面粗糙度數值Sa 或Sq。
4. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟S2中對一定大小區域的一定數量的原 始數據進行處理，濾除原始數據中的粗大誤差具體為： 521、 獲取測量的0. 8mmX0. 8mm區域的1024X 1024個原始數據； 522、 對樣品進行調平； 523、 利用判別粗大誤差的3 〇準則判別粗大誤差，並將粗大誤差濾除。
5. 如權利要求4所述的方法，其特徵在於，步驟S23具體為：計算1024Χ 1024個原始 數據的平均高度值X，進而計算標準偏差σ和殘餘誤差Vi，判斷每點殘餘誤差\是否大於 3 σ，剔除Vi>3 σ的點，返回步驟S22,否則執行步驟S3。
6. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述材料為C/C、C/SiC、碳纖維增強或金屬 材料。
7. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述表面為採用機械加工、電加工或特種加 工方式成型後的平面或任意曲面。
8. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述分析軟體為表面粗糙度儀的分析軟體 Talymap。
9. 如權利要求1?8中任一項所述的方法，其特徵在於，步驟S1中利用非接觸式測試 儀器獲得原始數據。
【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 優先權日:2014年7月16日
【發明者】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