CN109856337A - 一种碳纤维复合材料加工表面质量评定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种碳纤维复合材料加工表面质量评定方法及装置,用于解决碳纤维复合材料切削加工表面微观形貌复杂造成的稳定表征困难的技术问题,该方法使用非接触式三维轮廓仪在加工表面获取采样阵列,进而计算出采样阵列中各个样本三维表面粗糙度值;对采样阵列内样本的三维表面粗糙度绘制频率直方图,并进行高斯拟合,得到拟合高斯函数的平均值u和标准差σ,使用(u±3σ)表征碳纤维复合材料切削加工表面质量。本发明能够减小因复合材料各向异性和非均匀性造成的表面质量表征对采样位置的依赖性,提高测量精度,实现碳纤维复合材料切削加工表面质量的稳定有效表征,为机械加工质量评定、工艺参数优化提供数据支持。
Description
技术领域
本发明实施例涉及碳纤维复合材料表面质量分析领域,尤其涉及一种碳纤维复合材料加工表面质量评定方法及装置。
背景技术
碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳及耐腐蚀等优异特性,在航空航天、国防、汽车、医疗及体育等领域得到越来越广泛的应用。碳纤维复合材料增强相和基体具有明显不同的物理、力学性能,导致其具有各向异性和各相分布不连续的特点,使其加工表面形貌特征与金属加工表面形貌特征具有较大的差别,出现诸如纤维断裂、纤维拔出、界面脱粘及层间分层等加工缺陷。加工表面质量会直接影响零部件的密封性、耐磨性、支撑性能及疲劳强度等功能特性,是评定机械加工和产品质量的重要指标,传统的用于金属材料的基于轮廓线的二维表面质量评定方法已无法全面有效评定复合材料加工表面质量。
三维表面质量评定方法基于区域表面,包含表面形貌的空间特性,能够从整体上对零件表面微观特征进行描述,目前表面质量评价相关的研究集中在三维评定参数的提出和选择上。由于碳纤维复合材料具有各向异性和非均匀性,表面微观形貌依赖于纤维方向及采样位置,在实际工程应用中,尚缺乏一种稳定有效地反映碳纤维复合材料切削加工表面质量的评定方法。
发明内容
本发明实施例提供一种碳纤维复合材料加工表面质量评定方法及装置,用以解决碳纤维复合材料各向异性和非均匀性造成的表面质量评定的位置依赖性,实现复合材料切削加工表面质量稳定有效表征,为机械加工质量评定、工艺参数优化提供数据支持。
第一方面,本发明实施例提供一种碳纤维复合材料加工表面质量评定方法,包括:
S1,在碳纤维复合材料表面进行切削加工,获得碳纤维复合材料切削加工表面;
S2,通过非接触式三维轮廓仪获取碳纤维复合材料切削加工表面的采样阵列;其中,所述采样阵列包括阵列布置的若干切削加工表面三维形貌样本;
S3,计算采样阵列内每个样本的三维表面粗糙度;
S4,对采样阵列内样本的三维表面粗糙度绘制频率分布直方图,并进行高斯拟合;
S5,使用(u±3σ)表征碳纤维增强复合材料切削加工表面质量,其中,u和σ分别表示拟合高斯函数的平均值和标准差。
第二方面,本发明实施例提供一种碳纤维复合材料加工表面质量评定装置,包括:
切削加工模块,用于在碳纤维复合材料表面进行切削加工,获得碳纤维复合材料切削加工表面;
采样模块,用于通过非接触式三维轮廓仪获取碳纤维复合材料切削加工表面的采样阵列;其中,所述采样阵列包括阵列布置的若干切削加工表面三维形貌样本;
计算模块,用于计算采样阵列内各个样本的三维表面粗糙度;
评定模块,用于计算采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图的高斯拟合函数的平均值u和标准差σ,使用(u±3σ)评定碳纤维复合材料加工表面质量。
本发明实施例提供的碳纤维复合材料加工表面质量评定方法及装置,采用三维表面粗糙度表示采样阵列样本的表面质量,与传统二维参数评定方法相比,能够从整体上对表面微观特征进行描述。而且切削加工表面的采样阵列由非接触式三维轮廓仪获得,能够避免传统接触式测量方法破坏加工表面形貌和探针磨损的问题,提高了测量精度。并且采用采样阵列的(u±3σ)评定碳纤维复合材料加工表面质量,能够减小因复合材料各向异性和非均匀性造成的表面质量表征对于采样位置的依赖性,提高测量精度,从而实现碳纤维复合材料切削加工表面质量的稳定有效表征,为机械加工表面质量评定、工艺参数优化提供数据支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例提供的碳纤维复合材料加工表面质量评定方法流程示意图;
图2为根据本发明实施例提供的采样阵列示意图;
图3为根据本发明实施例提供的获取样本表面微观形貌流程示意图;
图4为根据本发明实施例提供的采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图;
图5为根据本发明实施例提供的不同采样阵列的拟合高斯函数的平均值与样本数的关系示意图;
图6为根据本发明实施例提供的碳纤维复合材料加工表面质量评定装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,在本发明实施例的描述中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
由于碳纤维复合材料具有各向异性和非均匀性,使其加工表面形貌特征与金属加工表面形貌特征具有较大的差别,出现诸如纤维断裂、纤维拔出、界面脱粘及层间分层等加工缺陷。因此传统的用于金属材料的基于轮廓线的二维表面质量评定方法已无法全面有效评定复合材料加工表面质量。三维表面质量评定方法基于区域表面,包含表面形貌的空间特性,能够从整体上对零件表面微观特征进行描述,目前表面质量评价相关的研究集中在三维评定参数的提出和选择上。由于碳纤维复合材料具有各向异性和非均匀性,切削加工表面的表面微观形貌依赖于纤维方向及切削加工表面的采样位置。
因此,本发明实施例提供一种碳纤维复合材料加工表面质量评定方法及装置,采用三维表面粗糙度表示采样阵列样本的表面质量,能够从整体上对表面微观特征进行描述。切削加工表面的采样阵列由非接触式三维轮廓仪获得,能够避免传统接触式测量方法破坏加工表面形貌和探针磨损的问题,提高了测量精度。根据采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图的拟合高斯函数的平均值和标准差,评定碳纤维复合材料加工表面质量,能够减小因复合材料各向异性和非均匀性造成的表面质量表征对于采样位置的依赖性,提高测量精度,从而实现碳纤维复合材料切削加工表面质量的稳定有效表征。
图1为根据本发明实施例提供的碳纤维复合材料加工表面质量评定方法流程示意图,参照图1,该方法包括:
S1,在碳纤维复合材料表面进行切削加工,获得碳纤维复合材料切削加工表面。
在实际应用中,本实施例以碳纤维树脂基复合材料CFRP层合板为试验试件,试件尺寸为96mm×40mm×5mm,铺层方向包含[0°/90°];将试件放置在立铣超声加工中心工作台上,使用杯型铣磨头进行面铣加工,得到切削加工表面,为碳纤维复合材料切削加工表面质量的表征评定做准备。
在获得碳纤维复合材料切削加工表面之后,所述方法还包括,使用超声清洗机对所述碳纤维复合材料切削加工表面进行清洗,并将清洗后的切削加工表面晾干。
S2,通过非接触式三维轮廓仪获取碳纤维复合材料切削加工表面的采样阵列。
图2为根据本发明实施例提供的采样阵列示意图,其中,采样阵列包括阵列布置的若干切削加工表面三维形貌样本。阵列中的相邻样本间距相同。可选的,本实施例中样本数为N×N,样本间隔为1mm。单个样本的样本面积为0.865mm×0.865mm。其中,采样阵列中每个样本的采样面积和相邻样本间隔与碳纤维复合材料的制备工艺、结构特征及加工表面尺寸有关,可以预先试验确定。
需要说明的是,本实施例中切削加工表面的采样阵列由非接触式三维轮廓仪获得,能够避免传统接触式测量方法破坏加工表面形貌和探针磨损的问题,提高对切削加工表面的采样测量精度。
S3,计算采样阵列内每个样本的三维表面粗糙度。
在获取图2所示的切削加工表面的采样阵列之后,对各个样本进行处理,计算每个样本的三维表面粗糙度。具体包括:
三维表面粗糙度是基于样本表面微观形貌计算所得,图3为根据本发明实施例提供的获取样本表面微观形貌流程示意图,参照图3,首先,针对采样阵列内各个样本原始表面采用中值滤波器(S滤波器)去除噪声,得到基础表面。图3中的原始表面即是指切削加工表面样本。
然后,使用二阶多项式拟合方法(F操作)从所述基础表面去除形状,获得S-F表面。
最后,使用高斯滤波器(L滤波器)去除S-F表面的表面起伏,获得每个切削加工表面样本各自对应的表面微观形貌(S-L表面)。
根据每个切削加工表面样本各自对应的表面微观形貌,计算采样阵列内每个样本的三维表面粗糙度。
需要说明的是,本发明实施例中,三维表面粗糙度包括表面算术平均高度Sa。Sa为表面算术平均高度,指轮廓表面内的点与基准面距离的算术平均值。进一步地,三维表面粗糙度参数还包括ISO 25178国际标准中的高度参数、间距参数、混合参数、功能参数、特征参数及其他参数。
需要说明的是,传统的二维粗糙度评定是基于轮廓线,不能够完整地反映整个表面的全部信息,越来越不能满足加工行业的发展需要。三维表面质量评定方法基于区域表面,包含表面形貌的空间特性,能够从整体上对零件表面微观特征进行描述,具有全局性。
S4,对采样阵列内样本的三维表面粗糙度绘制频率分布直方图,并进行高斯拟合。
具体地,对采样阵列内样本的三维表面粗糙度值绘制频率分布直方图,如图4所示,图4为根据本发明实施例提供的采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图。对频率分布直方图进行高斯拟合,获得拟合高斯函数的平均值u和标准差σ。
S5,使用(u±3σ)表征碳纤维复合材料切削加工表面质量,其中,u和σ分别表示拟合高斯函数的平均值和标准差,u表征表面质量平均水平;σ表征表面粗糙度值波动程度,σ越小,反映表面粗糙度值波动越小,表面损伤分布越均匀;反之,表面损伤分布越分散。根据3σ原理,±3σ范围内包含了99.7%的可能值。
本发明实施例提供的碳纤维复合材料加工表面质量评定方法,采用采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图的拟合高斯函数的平均值和标准差,评定碳纤维复合材料加工表面质量,能够减小因复合材料各向异性和非均匀性造成的表面质量表征对于采样位置的依赖性,提高测量精度,从而实现碳纤维复合材料切削加工表面质量的稳定有效表征。
在上述各实施例的基础上,采样阵列内的样本数与碳纤维复合材料的制备工艺、结构特征及加工缺陷类型相关,需试验确定合适的采样阵列样本数。上述步骤S2中,采样阵列内样本数具体通过以下步骤得出:
首先根据步骤S2的方法在碳纤维复合材料切削加工表面不同位置采集一系列采样阵列,一系列采样阵列所采集的样本数分别为i×i,(i+1)×(i+1),……,N×N(i≥2)。
然后,根据步骤S3~S4计算各个采样阵列的样本三维表面粗糙度频率分布直方图的拟合高斯函数的平均值u及标准差σ。
进一步地,以样本数为横坐标,平均值u为纵坐标,绘制平均值与样本数的关系示意图,并根据关系示意图中平均值u达到稳定值时的临界值所对应的样本数为采样阵列样本数。
为了便于理解本发明实施例中试验确定采样阵列的样本数的具体过程,现通过如下示例进行具体说明:
使用非接触式三维轮廓仪在碳纤维复合材料切削加工表面采集采样阵列,样本数为9×9,通过上述实施例中步骤S3~S4的方法,得到采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图的拟合高斯函数的平均值u(9×9)和标准差σ(9×9);
使用非接触式三维轮廓仪继续在碳纤维复合材料切削加工表面不同位置采集采样阵列,样本数分别为10×10,11×11,……,15×15,重复上述实施例中步骤S3~S4的方法,分别得到拟合高斯函数的平均值u(10×10),u(11×11),……,u(15×15)和标准差σ(10×10),σ(11×11),……,σ(15×15)。
以样本数为横坐标,平均值u为纵坐标,得到图5所示的关系示意图;
图5为根据本发明实施例提供的不同采样阵列的拟合高斯函数的平均值与样本数的关系示意图。由图5可知,当采样数达到13×13(此时u=1.64μm,σ=0.11μm)后,平均值u随着采样数的增加趋于稳定,则确定该碳纤维复合材料在此加工方式下的最小采样数为13×13,由此确定采样阵列的切削加工表面样本数N×N≥13×13。得到的表面粗糙度值表示为(1.64±0.33)μm。
本发明实施例通过上述方法试验确定采样阵列的切削加工表面样本数,能够解决碳纤维复合材料的制备工艺、结构特征及加工缺陷对于质量评定结果的影响,提高了复合材料切削加工表面质量评定结果的可靠性。
图6为根据本发明实施例提供的碳纤维复合材料加工表面质量评定装置的结构框图,参照图6,该装置包括切削加工模块601、采样模块602、计算模块603和评定模块604,其中:
切削加工模块601用于在碳纤维复合材料表面进行切削加工,获得碳纤维复合材料切削加工表面。采样模块602用于通过非接触式三维轮廓仪获取碳纤维复合材料切削加工表面的采样阵列;其中,所述采样阵列包括阵列布置的若干切削加工表面三维形貌样本。计算模块603用于计算采样阵列内各个样本的三维表面粗糙度。评定模块604用于计算采样阵列内三维表面粗糙度频率分布直方图的拟合高斯函数的平均值和标准差,评定碳纤维复合材料加工表面质量。
具体地,在实际应用中,本实施例以碳纤维树脂基复合材料CFRP层合板为试验试件,试件尺寸为96mm×40mm×5mm,铺层方向包含[0°/90°];将试件放置在立铣超声加工中心工作台上,切削加工模块601使用杯型铣磨头对碳纤维复合材料表面进行面铣加工,得到切削加工表面,为碳纤维复合材料切削加工表面质量的表征评定做准备。
在获得碳纤维复合材料切削加工表面之后,使用超声清洗机对所述碳纤维复合材料切削加工表面进行清洗,并将清洗后的切削加工表面晾干。
采样模块602通过非接触式三维轮廓仪获取碳纤维复合材料切削加工表面的采样阵列。图2为根据本发明实施例提供的采样阵列示意图,其中,采样阵列包括阵列布置的若干切削加工表面三维形貌样本。阵列中的相邻样本间距相同。可选的,本实施例中样本数为N×N,样本间隔为1mm。单个样本的样本面积为0.865mm×0.865mm。其中,采样阵列中每个样本的采样面积和相邻样本间隔与碳纤维复合材料的制备工艺、结构特征及加工表面尺寸有关,可以预先试验确定。
需要说明的是,本实施例中切削加工表面的采样阵列由非接触式三维轮廓仪获得,能够避免传统接触式测量方法破坏加工表面形貌和探针磨损的问题,提高对切削加工表面的采样测量精度。
进一步地,在获取图2所示的切削加工表面的采样阵列之后,计算模块603对各个样本进行处理,计算采样阵列内各个样本的三维表面粗糙度。
需要说明的是,传统的二维粗糙度评定是基于轮廓线,不能够完整地反映整个表面的全部信息,越来越不能满足加工行业的发展需要。三维表面质量评定方法基于区域表面,包含表面形貌的空间特性,能够从整体上对零件表面微观特征进行描述,具有全局性。
评定模块604计算采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图的拟合高斯函数的平均值u和标准差σ,使用(u±3σ)评定碳纤维复合材料加工表面质量。
本发明实施例采用采样阵列的(u±3σ)表征加工表面质量,能够减小因复合材料各向异性和非均匀性造成的表面质量表征的位置依赖性,提高测量精度,从而实现复合材料切削加工表面质量稳定有效表征。
在上述各实施例的基础上,计算模块603具体用于:
首先,获取采样阵列内样本的表面微观形貌,图3为根据本发明实施例提供的获取样本表面微观形貌流程图,参照图3,首先,针对采样阵列内各个样本采用中值滤波器(S滤波器)去除噪声,得到基础表面。图3中的原始表面即是指切削加工表面样本。
然后,使用二阶多项式拟合方法(F操作)从所述基础表面去除形状,获得S-F表面。
最后,使用高斯滤波器(L滤波器)去除S-F表面的表面起伏,获得每个切削加工表面样本各自对应的表面微观形貌(S-L表面)。
根据采样阵列内各个样本对应的表面微观形貌,计算每个样本的三维表面粗糙度。
在上述各实施例的基础上,评定模块604具体用于:
根据采样阵列内样本的三维表面粗糙度,获取所述样本三维表面粗糙度频率分布直方图拟合高斯函数的平均值u和标准差σ,通过u±3σ表征碳纤维复合材料切削加工表面质量。
具体地,对采样阵列内样本的三维表面粗糙度值绘制频率分布直方图,如图4所示,图4为根据本发明实施例提供的采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图。对图4所示的频率分布直方图进行高斯拟合,计算拟合高斯函数的平均值u和标准差σ。
进一步地,通过u±3σ表征碳纤维复合材料切削加工表面质量。
其中,u表征表面质量平均水平;σ表征表面粗糙度值波动程度,σ越小,反映表面粗糙度值波动越小,表面损伤分布越均匀;反之,表面损伤分布越分散。根据3σ原理,±3σ范围内包含了99.7%的可能值。
本发明实施例提供的碳纤维复合材料加工表面质量评定装置,采用三维表面粗糙度表示采样阵列样本的表面质量,能够从整体上对表面微观特征进行描述。切削加工表面的采样阵列由非接触式三维轮廓仪获得,能够避免传统接触式测量方法破坏加工表面形貌和探针磨损的问题,提高了测量精度。根据采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图的拟合高斯函数的平均值和标准差,评定碳纤维复合材料加工表面质量,能够减小因复合材料各向异性和非均匀性造成的表面质量表征对于采样位置的依赖性,提高测量精度,从而实现碳纤维复合材料切削加工表面质量的稳定有效表征。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种碳纤维复合材料加工表面质量评定方法,其特征在于,包括:
S1,在碳纤维复合材料表面进行切削加工,获得碳纤维复合材料切削加工表面;
S2,通过非接触式三维轮廓仪获取碳纤维复合材料切削加工表面的采样阵列;其中,所述采样阵列包括阵列布置的若干切削加工表面三维形貌样本;
S3,计算采样阵列内每个样本的三维表面粗糙度;
S4,对采样阵列内样本的三维表面粗糙度绘制频率分布直方图,并进行高斯拟合;
S5,使用(u±3σ)表征碳纤维复合材料切削加工表面质量,其中,u和σ分别表示拟合高斯函数的平均值和标准差。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料加工表面质量评定方法,其特征在于,在步骤S1获得碳纤维复合材料切削加工表面之后,所述方法还包括:
使用超声清洗机对所述碳纤维复合材料切削加工表面进行清洗,去除残留污染物,并将清洗后的切削加工表面晾干。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料加工表面质量评定方法,其特征在于,所述的步骤S2中,采样阵列内样本数具体根据以下步骤确定:
在加工表面不同位置采集一系列采样阵列,一系列采样阵列的采样数分别为i×i,(i+1)×(i+1),……,N×N;(i≥2)
计算各个采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图的拟合高斯函数的平均值u及标准差σ;
以采样数为横坐标,平均值u为纵坐标,绘制不同采样阵列拟合高斯函数的平均值与样本数的关系示意图;
所述关系示意图中平均值u达到稳定值时的临界值所对应的样本数为采样阵列样本数。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料加工表面质量评定方法,其特征在于,步骤S3中,所述的计算每个样本的三维表面粗糙度具体包括:
针对采样阵列内各个样本采用低通滤波器(S-Filter)去除噪声,得到各个样本对应的基础表面;
使用F操作(F-operation)或校平(Level)从所述基础表面去除形状,获得各个样本对应的S-F表面;
使用高通滤波器(L-Filter)去除S-F表面的表面起伏,获得各个样本对应的表面微观形貌;
根据各个样本对应的表面微观形貌计算采样阵列内各个样本的三维表面粗糙度。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料加工表面质量评定方法,其特征在于,所述三维表面粗糙度参数包括ISO 25178国际标准中的高度参数、间距参数、混合参数、功能参数和特征参数。
6.一种碳纤维复合材料加工表面质量评定装置,其特征在于,包括:
切削加工模块,用于在碳纤维复合材料表面进行切削加工,获得碳纤维复合材料切削加工表面;
采样模块,用于通过非接触式三维轮廓仪获取碳纤维复合材料切削加工表面的采样阵列;其中,所述采样阵列包括阵列布置的若干切削加工表面三维形貌样本;
计算模块,用于计算采样阵列内各个样本的三维表面粗糙度;
评定模块,用于计算采样阵列内样本三维表面粗糙度频率分布直方图的高斯拟合函数的平均值u和标准差σ,使用(u±3σ)评定碳纤维复合材料加工表面质量。
7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料加工表面质量评定装置,其特征在于,所述计算模块具体用于:
针对采样阵列内各个样本采用低通滤波器(S-Filter)去除噪声,得到各个样本对应的基础表面;
使用F操作(F-operation)或校平(Level)从所述基础表面去除形状,获得各个样本对应的S-F表面;
使用高通滤波器(L-Filter)去除S-F表面的表面起伏,获得各个样本对应的表面微观形貌;
根据各个样本对应的表面微观形貌计算采样阵列内各个样本的三维表面粗糙度。
8.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料加工表面质量评定装置,其特征在于,所述三维表面粗糙度参数包括ISO 25178国际标准中的高度参数、间距参数、混合参数、功能参数和特征参数。
9.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料加工表面质量评定装置,其特征在于,所述评定模块具体用于:
根据采样阵列内各个样本的三维表面粗糙度,获取所述切削加工表面样本三维表面粗糙度的频率分布直方图,并进行高斯拟合,计算拟合高斯函数的平均值u和标准差σ;
通过u±3σ表征碳纤维复合材料切削加工表面质量。
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