發(fā)明屬于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工損傷評價領(lǐng)域，特別涉及一種碳纖維復(fù)合材料表層損傷面積的快速提取及評價方法。

背景技術(shù)：

碳纖維復(fù)合材料(cfrp)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、可整體制造等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域。然而，為了滿足復(fù)合材料構(gòu)件的連接裝配需求，仍需進(jìn)行大量的精加工。而銑削是工業(yè)中普遍使用的精加工方法。但是，cfrp在銑削時極易產(chǎn)生分層、毛刺等加工損傷，并且這些損傷多出現(xiàn)在表層，影響承載性能。因此，為了對不同工藝參數(shù)及刀具幾何結(jié)構(gòu)下的復(fù)合材料加工效果進(jìn)行比較，以選取合適的刀具幾何及切削參數(shù)，需要獲得加工損傷的程度并建立相應(yīng)的量化標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而通過數(shù)值計算表征銑削復(fù)合材料之后的表層材料損傷程度。

2005年davim等在《journalofmaterialsprocessingtechnology》第160期160到167頁發(fā)表的《damageanddimensionalprecisiononmillingcarbonfiber-reinforcedplasticsusingdesignexperiments》一文中采用一維損傷因子(fd)對銑削損傷程度進(jìn)行了表征，該一維損傷因子的計算表達(dá)式為：即最大損傷深度wmax和徑向切深w之商。該方法雖然操作簡單、便于工程技術(shù)人員掌握，但不可避免地會引入人為測量誤差。此外，該方法僅適用于損傷區(qū)形狀較為規(guī)則的情況。然而，銑削加工復(fù)合材料之后，表層損傷通常是由未切斷纖維，細(xì)小裂紋以及材料缺失等組成，加工后的復(fù)合材料損傷形狀不規(guī)則、出現(xiàn)頻率不均勻。在這種情況下，若繼續(xù)使用一維損傷因子，極有可能出現(xiàn)兩種不同的損傷程度卻具有相同的一維損傷因子的情況，計算結(jié)果可靠性較差。2016年上海交通大學(xué)安慶龍等人在專利《碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习逯瓶椎姆謱尤毕菰u價方法》，申請?zhí)枺篶n201610111299.7中，針對鉆削碳纖維復(fù)合材料分層損傷，通過引入不同層的分層損傷體積來描述鉆削分層損傷的程度。但是，由于該方法所用設(shè)備價格昂貴，且對操作人員的專業(yè)技術(shù)水平要求很高，不適合大范圍推廣應(yīng)用。此外，該方法無法描述孔壁表層的毛刺損傷程度，因此無法實(shí)現(xiàn)全面評價鉆削加工效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，特別是現(xiàn)有一維損傷因子表征損傷的不足和分層損傷方法的局限性，發(fā)明了一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工效果評價方法，該方法采用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析和計算損傷區(qū)域的面積，該方法是一種經(jīng)濟(jì)、快捷、準(zhǔn)確的碳纖維復(fù)合材料加工損傷評價方法，有效地表征了加工效果。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工效果評價方法，其特征是，該方法采用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析，計算損傷區(qū)域的面積，損傷程度按照公式計算求出。首先進(jìn)行像素標(biāo)定，然后用彩色平板掃描儀獲取被加工材料銑削前和銑削后的數(shù)字圖像，將銑削前后圖像的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行相減，并顯示出相減后的結(jié)果，確定損傷區(qū)域面積并計算損傷因子；

方法的具體步驟如下：

步驟1.像素標(biāo)定

用一個相機(jī)專用標(biāo)定板來確定物理尺寸和像素間的換算關(guān)系，在彩色平板掃描儀掃描處理得到的圖像中選擇一個特定圓形面積s，計算該圓形面積中含有的像素點(diǎn)的個數(shù)n，則單個像素所代表的面積大小s0，通過公式(1)計算出：

s0＝s/n(1)

步驟2.銑削前后掃描

將加工側(cè)的cfrp樣品的頂層漆成白色，然后將這些樣品置于空氣中1小時，更好地識別和測量分層區(qū)域；在上表面貼10個反光標(biāo)記點(diǎn)，使用彩色平板掃描儀獲取銑削前和銑削后的數(shù)字圖像；

步驟3.圖像相減

按相同順序依次選擇銑削前后兩個圖像上的反光標(biāo)記點(diǎn)，并記錄相應(yīng)反光標(biāo)記點(diǎn)在各自圖像中的坐標(biāo)值，之后利用仿射變換算法將銑削前后兩張圖像上相應(yīng)位置處的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行匹配重合，得到兩張完全重合的圖像，并顯示出來。手動選擇變換后圖像上的目標(biāo)區(qū)域以減少計算量，然后將銑削前后圖像的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行相減并顯示出相減后的結(jié)果，凡是銑削前后沒有發(fā)生任何變化的區(qū)域，相減后灰度值變?yōu)?，而發(fā)生變化的區(qū)域則不為0；

步驟4.二值化并反向

將得到的損傷區(qū)域進(jìn)行二值化，使整個區(qū)域內(nèi)的圖像只有黑和白的視覺效果，再將結(jié)果進(jìn)行反向處理。經(jīng)過處理之后損傷部分呈現(xiàn)黑色，其余部分為白色，這樣可以將銑削前后不一致的區(qū)域凸顯出來，便于下面確定損傷面積的操作。

步驟5.確定損傷區(qū)域面積并計算損傷因子

損傷程度按照下面的公式來判斷：

其中，fd-area是損傷因子，其大小用來判斷損傷的程度；ad為損傷區(qū)域的面積；a0為徑向切削的面積，a0＝ae·l，其中，ae為徑向切削深度，l為被銑削邊緣的長度；

先計算損傷區(qū)域的面積ad，ad＝單個像素所代表的面積大小×損傷區(qū)域含有的像素點(diǎn)的個數(shù)；再根據(jù)徑向切削深度ae、加工邊緣的長度l計算得到a0＝ae·l。再根據(jù)公式(2)求出損傷因子的值

本發(fā)明的有益效果是該方法能夠?qū)μ祭w維復(fù)合材料的加工損傷進(jìn)行快速的評價，計算方法簡單，經(jīng)濟(jì)成本低。測量方法簡單，對測量人員的要求低；同時，該方法對所需測量尺寸的依賴性低，從而增加了結(jié)果的可靠性。

附圖說明

圖1為實(shí)施例的圖像相減法確定損傷區(qū)最終形式：圖中(a)為銑削前圖像，(b)為銑削后圖像，(c)為圖像相減后的圖像。

圖2為實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)心圓陣列標(biāo)定板。

圖3為主軸轉(zhuǎn)速2500r/min時，不同進(jìn)給量對應(yīng)的損傷因子計算值，橫坐標(biāo)為每齒進(jìn)給量，單位為毫米/齒，縱坐標(biāo)為損傷因子。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施。

本實(shí)施例采用的復(fù)合材料由多向cfrp板，浸漬有p2352環(huán)氧樹脂的t800碳纖維制成。cfrp板的堆疊序列為[-45°/0°/45°/90°]，[90°/45°/0°/-45°]。復(fù)合材料厚約5.25mm，纖維體積分?jǐn)?shù)為60％。cfrp試樣尺寸長100mm，寬50mm。在mikronhsm500三軸高速cnc加工中心上進(jìn)行邊緣修整實(shí)驗(yàn)。以主軸轉(zhuǎn)速2500r/min，徑向切削深度保持恒定。以每齒進(jìn)給量0.05mm/齒為例，方法的具體步驟如下：

步驟1.像素標(biāo)定

如附圖2所示，實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)心圓陣列標(biāo)定板，其外形尺寸為100×100mm，中心距8mm，陣列7×7，圓幅面積為64×64mm。該標(biāo)定板中每個圓形圖案的面積為16mm²，在掃描儀掃描處理得到的圖像中選擇一個圓形，圓形面積為。。。。。，計算該圓形中含有的像素點(diǎn)的個數(shù)為32783個，則單個像素所代表的面積大小s0，s0＝圓形面積/圓形中含有的像素點(diǎn)個數(shù)＝4.6×10^-4mm²。

步驟2.銑削前后掃描

將試樣制好后用酒精清理表面雜質(zhì)，并將被銑邊緣的上表面用油漆筆涂成白色，放置一小時待油漆風(fēng)干。在上表面貼10反光標(biāo)記點(diǎn)，之后將試件放置在彩色平板掃描儀的玻璃板上，使用1200ppi的掃描分辨率，掃描獲得銑削加工前的圖像，如附圖1(a)所示。同理，可以得到加工后的圖像，如附圖1(b)所示。

步驟3.圖像相減

在matlab中通過程序?qū)蓚€真彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度強(qiáng)度圖像，將圖像上的每個像素點(diǎn)的亮度用數(shù)值表示。為了減少計算量，手動選擇原始圖像上的一小部分區(qū)域，將損傷區(qū)域全部包含在內(nèi)即可，作為有效區(qū)域。然后將有效區(qū)域中銑削前后的灰度圖像進(jìn)行相減，得到銑削誘導(dǎo)的分層區(qū)域。相減的過程中需要用到前面做的十個標(biāo)記點(diǎn)將兩個圖像做到完全對齊。

步驟4.二值化并反向

將得到的損傷區(qū)域進(jìn)行二值化，使整個區(qū)域內(nèi)的圖像只有黑和白的視覺效果，再將結(jié)果進(jìn)行反向處理。經(jīng)過處理之后損傷部分呈現(xiàn)黑色，其余部分為白色，如附圖1(c)所示。

步驟5.確定損傷區(qū)域面積并計算損傷因子

觀察選擇的有效區(qū)域，計算得到其中損傷區(qū)域含有的像素點(diǎn)的個數(shù)為143010個，即可求出損傷區(qū)域的面積ad，ad＝單個像素所代表的面積大小×損傷區(qū)域含有的像素點(diǎn)的個數(shù)，計算結(jié)果為ad＝65.7846mm²。根據(jù)徑向切削深度ae＝2.5mm、加工邊緣的長度l＝50mm得a0＝ae·l＝125mm²。再根據(jù)損傷因子的公式(2)求出損傷因子為

附圖3是主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min，采用本方法得到的不同進(jìn)給量對應(yīng)的損傷因子計算值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在同一轉(zhuǎn)速下,每齒進(jìn)給量越大，損傷因子越大，即損傷越嚴(yán)重。