CN104089601A - 一种纤维增强复合材料表面粗糙度评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纤维增强复合材料表面粗糙度评价方法，属于材料表面完整性评价技术领域。本发明首先选用非接触式测试仪器提取材料已加工表面原始数据；其次利用粗大误差理论，滤除粗大误差，即材料本身制备缺陷，最后利用分析软件对滤除后数据进行分析处理，得到相应表面粗糙度数据。由于滤除了材料本身制备缺陷，并且使用三维粗糙度数据作为评价数据，能够实现对材料加工表面粗糙度的真实评价。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面完整性评价技术领域，具体涉及一种纤维增强复合材料表面粗糙度评价方法。
背景技术
目前，C/C、C/SiC等材料由于具有良好的物理化学性能，逐渐成为空天飞行器关键热结构的重要候选材料。而复合材料构件的表面质量是影响构件性能、成品率和可靠性的重要因素，目前国内在复合材料设计、加工及使用过程中，仍沿用传统的金属材料表面质量检测评价方法，但普通金属材料切削表面粗糙度的一些结论和经验并不适用于复合材料。这主要是因为金属材料的表面粗糙度评价方法属于二维评定方法，而C/SiC复合材料是连续纤维增强的复合材料，具有明显的各向异性,经机械加工后会出现纤维断裂、纤维被从基体中拔出、裂纹、孔隙等特殊的表面微观形貌特征,呈现出完全不同于金属材料的特殊的表面形貌，而这些又是分布在表面的局部、随机的信息，采用接触式测量方法存在探针划入孔隙，探针磨损等问题，会影响检测结果，此外，二维信息不能完整的反应加工后的表面形貌，测量误差较大。工程应用中，尚缺乏一种更真实、更全面反应复合材料切削表面质量的评定方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何克服现有接触式探针测量存在的接触探针磨损及测量不精确的缺陷，提供一种纤维增强复合材料表面粗糙度评价方法，以实现对材料加工表面粗糙度的真实评价。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纤维增强复合材料表面粗糙度评价方法，包括以下步骤：
S1、测量原始的材料样品加工表面上每个点的高度值，作为原始数据；
S2、对每一个一定大小区域的一定数量的原始数据进行处理，滤除原始数据中的粗大误差；
S3、利用分析软件重新分析处理经处理后的数据，得到相应的三维粗糙度数据；
S4、利用所得到的三维粗糙度数据进行粗糙度评价。
优选地，所述粗大误差为孔隙。
优选地，所述三维粗糙度数据为表面粗糙度数值Sa或Sq。
优选地，步骤S2中对一定大小区域的一定数量的原始数据进行处理，滤除原始数据中的粗大误差具体为：
S21、获取测量的0.8mm×0.8mm区域的1024×1024个原始数据；
S22、对样品进行调平；
S23、利用判别粗大误差的3σ准则判别粗大误差，并将粗大误差滤除。
优选地，步骤S23具体为：计算1024×1024个原始数据的平均高度值x，进而计算标准偏差σ和残余误差vi，判断每点残余误差vi是否大于3σ，剔除vi>3σ的点，返回步骤S22，否则执行步骤S3。
优选地，所述材料为增强C/C、C/SiC、碳纤维或金属。
优选地，所述表面为采用机械加工、电加工或特种加工方式成型后的平面或任意曲面。
优选地，所述分析软件为表面粗糙度仪的分析软件Talymap。
优选地，步骤S1中利用非接触式测试仪器获得原始数据。
(三)有益效果
本发明首先选用非接触式测试仪器提取材料已加工表面原始数据；其次利用粗大误差理论，滤除粗大误差，即材料本身制备缺陷，最后利用分析软件对滤除后数据进行分析处理，得到相应表面粗糙度数据。由于滤除了材料本身制备缺陷，并且使用三维粗糙度数据作为评价数据，能够实现对材料加工表面粗糙度的真实评价。
附图说明
图1为一种纤维增强C/SiC复合材料C纤维预制体针刺成型示意图；
图2为一种纤维增强C/SiC复合材料加工后典型表面微观形貌；其中a为层状脆断和纤维拔出图；b为孔隙图；c为裂纹图；
图3为原始测量表面参数；
图4为原始测量30个点Sa数值；
图5为原始数据与处理后数据波面直方图，分别为a与b；
图6为原始二维图与处理后表面等高图对比，分别为a与b；其中白色为NAN，黑色为粗大误差；
图7为处理后表面测量参数；
图8为对原始测量30个点进行处理后得到的Sa数值与原始测量值对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面以C/SiC材料为例，结合附图和具体测试方法和步骤对本发明做进一步说明：
C/C、C/SiC复合材料由于本身成型工艺的局限性，材料制备过程中的孔隙率在一定范围内都是合格的，而孔隙是影响表面粗糙度的重要因素，为解决加工对该类材料表面粗糙度的影响，本发明提出了一种新的纤维增强复合材料表面粗糙度评价方法。
本发明所使用的C/SiC复合材料纤维预制体为三维针刺结构，见图1所示，其中1为网胎，2为X向纤维铺层，3为Y向纤维铺层，4为针刺纤维束。对该材料进行加工的方式为磨削加工(属于机械加工)。经机械加工后呈现图2所示典型微观形貌。
Talysurf CCI MP表面粗糙度仪的配套分析软件Talymap(PLATINUM)。
评价步骤如下：
S1、检测，获得测量原始数据，即原始的材料样品加工表面上每个点的高度值。测量原始表面微观形貌见图3所示，a为微观形貌等值图、b为表面三维形貌，c为测量结果的分析数据。对同一条件下的表面进行检测，图4为测量30个点的粗糙度数值Sa，统计规律性比较差，这完全是由于原材料制备孔隙对其表面粗糙度的影响。因此接下来执行第二步。
S2、对每一个0.8mm×0.8mm测量区域内的1024×1024个原始数据进行处理，滤除测量原始数据中的粗大误差。
处理过程：
S21)测量原始数据读入软件；
S22)调平，消除样品测量过程中倾斜带来的影响；
S23)利用判别粗大误差的3σ准则(莱以特准则)，判别粗大误差，并将此值剔除，重新计算。
计算过程：计算原始数据平均高度值x，残余误差vi，计算标准差σ，判断每点残余误差vi是否大于3σ，剔除vi>3σ的点，返回步骤S22，否则执行步骤S3。
图5为原始与处理后数据波面直方图。图6所示为计算过程中原始与处理后等值图对比，右侧图示黑色为滤除的粗大误差，白色为非测量点。粗大误差即为材料成型过程中的孔隙，故将其判别为粗大误差，计算粗糙度时将此测量点剔除。
S3、利用分析软件重新分析处理经处理后的数据，得到相应的三维粗糙度数据Sa；滤除粗大误差后表面微观形貌见图7。利用分析软件最终得到的表面粗糙度可为二维表面粗糙度Ra、Rq、Rz等或和三维粗糙度数据，如Sa、Sq等。该粗糙度值即为滤除材料本身制备孔隙后，实际加工的表面粗糙度值，针对该材料加工表面的特殊性，本发明使用三维粗糙度Sa效果最佳。
S4、利用所得到的三维粗糙度数据进行粗糙度评价。
本发明对同一条件下的表面用本发明评价方法得到的Sa数据与原始Sa数据进行对比，得到图8，可以看出，本发明得到的三维粗糙度数据满足工程实际，而原始Sa数据显示加工表面的粗糙度程度显然不符合工程实际。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种纤维增强复合材料表面粗糙度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测量原始的材料样品加工表面上每个点的高度值，作为原始数据；
S2、对每一个一定大小区域的一定数量的原始数据进行处理，滤除原始数据中的粗大误差；
S3、利用分析软件重新分析处理经处理后的数据，得到相应的三维粗糙度数据；
S4、利用所得到的三维粗糙度数据进行粗糙度评价。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粗大误差为孔隙。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维粗糙度数据为表面粗糙度数值Sa或Sq。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中对一定大小区域的一定数量的原始数据进行处理，滤除原始数据中的粗大误差具体为：
S21、获取测量的0.8mm×0.8mm区域的1024×1024个原始数据；
S22、对样品进行调平；
S23、利用判别粗大误差的3σ准则判别粗大误差，并将粗大误差滤除。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S23具体为：计算1024×1024个原始数据的平均高度值x，进而计算标准偏差σ和残余误差vi，判断每点残余误差vi是否大于3σ，剔除vi>3σ的点，返回步骤S22，否则执行步骤S3。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料为C/C、C/SiC、碳纤维增强或金属材料。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面为采用机械加工、电加工或特种加工方式成型后的平面或任意曲面。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析软件为表面粗糙度仪的分析软件Talymap。
9.如权利要求1～8中任一项所述的方法，其特征在于，步骤S1中利用非接触式测试仪器获得原始数据。
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