WC10Co4Cr涂層高速磨削力預(yù)測(cè)分析研究

1、WC-10Co4Cr涂層高速磨削力預(yù)測(cè)研究機(jī)械制造論文WC-10Co4Cr涂層高速磨削力預(yù)測(cè)研究撰文/江蘇徐州工程機(jī)械研究院陳新春齊偉王燦閆乃晴為了優(yōu)選WC-10Co4C高速磨削參數(shù)、實(shí)現(xiàn)高精度加工，滿足實(shí)際生產(chǎn) 的迫切需求，提出一種基于響應(yīng)曲面法的磨削力預(yù)測(cè)方法。從高速磨削工藝系統(tǒng) 特點(diǎn)出發(fā)，給出面向固定工藝系統(tǒng)的WC-10Co4Cr高速磨削力預(yù)測(cè)原理。結(jié)合 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立磨削力預(yù)測(cè)模型。運(yùn)用方差分析方法,檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的擬合 度。以平面WC-10Co4Cr涂層材料磨削為例，應(yīng)用上述預(yù)測(cè)模型和BP神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)分別進(jìn)行磨削力預(yù)測(cè),并同實(shí)際加工結(jié)果比較。結(jié)果表明,本研究中的法向與 切向磨削力預(yù)測(cè)

2、結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果上喑交,平均誤差率分別為6.29%、5.55% ; BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果比較，平均誤差率分別為7.89%. 35.16% ,證明所提出的磨削力預(yù)測(cè)方法是有效的，更加滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。 本研究為WC-10Co4Cr高速磨削參數(shù)優(yōu)化、高精度加工提供了技術(shù)支捋。、引言WC-10Co4Cr涂層材料具有耐磨性好、硬度高、耐腐蝕性好以及耐高溫 等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶及工程機(jī)械等領(lǐng)域。近年來(lái),隨看綠色制 造理念的推廣,WC-10Co4Cr開始被用于廢舊零件的再制造生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)零 部件表面修復(fù)與強(qiáng)化具有良好的效果。在WC-10Co4Cr涂層高速磨削加工的研究中,

3、磨削力是重要的研究對(duì) 象。磨削力是磨削參數(shù)選擇過(guò)程中重要的參考指標(biāo),對(duì)磨削系統(tǒng)和磨削質(zhì)量均有 顯著的影響。因此,進(jìn)行WC-10Co4Cr高速磨削力預(yù)測(cè)的研究是十分必要的。目前，磨削力預(yù)測(cè)研究的方法主要有解讀法和實(shí)驗(yàn)法兩種。解讀法主要依 據(jù)磨削過(guò)程中產(chǎn)生的彈/塑性變形、磨屑形成以及摩擦作用等磨削機(jī)理預(yù)測(cè)磨削力；實(shí)驗(yàn)法是根據(jù)磨削實(shí)驗(yàn)的設(shè)定參數(shù)及測(cè)量結(jié)果建立相應(yīng)的磨削力預(yù)測(cè)模型。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在傳統(tǒng)磨削力預(yù)測(cè)方面開展了大量工作，但尚未形成面向 WC-10Co4Cr高速磨削力預(yù)測(cè)的理論及相關(guān)模型。對(duì)此,本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)法, 運(yùn)用極差分析法確定高速磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響程度，并運(yùn)用方差分析法及響 應(yīng)曲面法,建

4、立幕指數(shù)型高速磨削力預(yù)測(cè)模型。通過(guò)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測(cè)模型迸行 比較和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明幕指數(shù)型磨削力預(yù)測(cè)模型的有效性。二、磨削力預(yù)測(cè)原理高速磨削加工是一個(gè)復(fù)雜的材料去除過(guò)程。磨削力受很多因素影響，如磨 削液、砂輪特性、工件材料、工件尺寸、機(jī)床精度、砂輪線速度、工件速度和磨 削深度等。上述因素可以歸納為以下三方面：砂輪持性、工件持性和磨削參數(shù)。 在實(shí)際生產(chǎn)中，工件特性是固定不變的，砂輪特性可以通過(guò)磨削經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的對(duì) 比實(shí)驗(yàn)確定最佳參數(shù)。相比之下,磨削參數(shù)的選擇對(duì)磨削力有看更為重要的作用。 因此，研究固定工藝系統(tǒng)的磨削力預(yù)測(cè)具有更為重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前，磨削力的預(yù)測(cè)沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，而國(guó)內(nèi)外學(xué)者在

5、實(shí)驗(yàn)硏究中常 采用幕指數(shù)型模型。據(jù)此，本文采用幕指數(shù)型模型進(jìn)行磨削力的預(yù)測(cè)計(jì)算。磨削 力幕指數(shù)型預(yù)測(cè)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：(1)式中,F為磨削力；k為系數(shù)；vs為砂輪線速度；vw為工作臺(tái)速度； ap為磨削深度；a、b、c為參數(shù)指數(shù)。從公式(1)可得，幕指數(shù)模型如下：(2)由公式(2 )可知，本研究主要目的之一為確定k、a、b和co計(jì)算過(guò)程 如圖1所示。通過(guò)最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)的回歸擬合，獲得相應(yīng)的回歸擬合方程。 對(duì)獲得的回歸擬合方程進(jìn)行殘差分析,檢測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中是否存在誤差較大的數(shù) 據(jù),即奇異數(shù)據(jù)。若存在奇異數(shù)據(jù)，去除奇異數(shù)據(jù)后重新進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,以避免 奇異數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果造成的影響。在確定沒(méi)有奇異數(shù)

6、據(jù)后，利用方差分析法檢驗(yàn) 此時(shí)回歸擬合方程的顯著性。若回歸擬合方程的顯著性較弱，則說(shuō)明該模型不適 合磨削力的預(yù)測(cè),需要重新選擇預(yù)測(cè)模型。若回歸擬合方程的顯著性較強(qiáng),即可 獲得最終的磨削力預(yù)測(cè)模型。圖預(yù)測(cè)模型的建立流程三、磨削力預(yù)測(cè)模型1. 磨削正交實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ髡粚?shí)驗(yàn)在湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心314m/s數(shù)控 超高速平面磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成,機(jī)床如圖2所示。試件：超音速火焰噴涂硬質(zhì)合金WC-10Co4Cr涂層試塊，涂層面積為 44x20mm2 ,厚度 0.35mm。砂輪：奧地利泰利萊金剛石砂輪,樹脂結(jié)合劑，粒度為400# ,直徑為 350mm ,濃度為 100%。測(cè)力儀：瑞士 KISTLE

7、R公司9257B測(cè)力儀。整個(gè)磨削力測(cè)量系統(tǒng)如圖3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：基于工程組長(zhǎng)期的研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)采用三因素五水平L25( 53 ) 的正交實(shí)驗(yàn)方式，以獲得最佳工藝參數(shù)組合,各參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示?？?慮到磨削力可以分解成沿垂直于工件表面和平行于工件表面兩個(gè)方向的力，在本 研究中,分別檢測(cè)兩個(gè)方向的力。最終獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表2所示。2. 極差分析對(duì)表2中記錄的正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,根據(jù)極差分析結(jié)果可以直 觀地了解各個(gè)磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響程度。極差分析過(guò)程及結(jié)果如表3所示。 表3中Ki為各磨削參數(shù)第i水平所對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和Z為各磨削參數(shù)的水平 數(shù)；ki為各磨削參數(shù)第i水平所對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值,k

8、i二Ki/Z ; D為極差。從表3可以看出,磨削深度對(duì)法向磨削力和切向磨削力影響最大;其次 是工作臺(tái)速度造成的影響；最后是砂輪線速度造成的影響。具體影響情況如圖4 所示，法向磨削力和切向磨削力均隨看磨削深度和工作臺(tái)速度的增大而增大，而 隨看砂輪線速度的增大而減小。3. 預(yù)測(cè)模型按照式(2 )所示,令 xl=lnvs ,x2=lnvw ,x3=lnap ,yl=lnFn fy2=lnFt, 并利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸擬合，獲得回歸方程為：(3)(4)式中，和分別是yl、y2的預(yù)測(cè)值。假設(shè)和兩個(gè)預(yù)測(cè)值是理想值，通過(guò) 殘差分析檢驗(yàn)擬合數(shù)據(jù)誤差。殘差指的是預(yù)測(cè)誤差與允許誤差之差；殘差區(qū)間就 是殘差可

9、能存在的范圍。殘差區(qū)間表達(dá)式為：(5 )式中，(pj為某點(diǎn)的預(yù)測(cè)誤差；ri為該點(diǎn)的允許誤差。圖5是置信水平為 1七二0.95的殘差分析結(jié)果。圖5(a)中24號(hào)數(shù)據(jù)殘差區(qū)間不包含零點(diǎn),即預(yù)測(cè)誤差不在允許誤差 區(qū)間之內(nèi)。對(duì)于式(3 )所示法向磨削力預(yù)測(cè)模型來(lái)說(shuō),24號(hào)擬合數(shù)據(jù)為奇異 數(shù)據(jù)。同理，圖5(b)中的20號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)于式(4 )所示切向磨削力預(yù)測(cè)模型來(lái) 說(shuō)為奇異數(shù)據(jù)。去除奇異數(shù)據(jù),重新進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,并再次進(jìn)行殘差分析,如此 反復(fù)，直到去除所有的奇異數(shù)據(jù)。最后，獲得兩個(gè)新的回歸方程分別為：(6 )( 7 )進(jìn)一步通過(guò)方差分析檢驗(yàn)回歸方程的顯著性,從而判斷yl和y2與變量 xl、x2、x3之間是否

10、呈線性關(guān)系。本文使用F檢驗(yàn),檢驗(yàn)水平c（二0.05 ,方差 分析結(jié)果如表4所示。表中顯示，回歸方程（6 ）的F檢驗(yàn)值F1二187.6 ,回歸 方程（7 ）的 F 檢驗(yàn)值 F2=1530.8 ,故有 F2F1 F1 （ 0.95,3,20 ） =3.0984 ,說(shuō) 明回歸方程（6 ）和回歸方程（7 ）的顯著性較強(qiáng)，也說(shuō)明yl和y2與變量xl、 x2、x3之間均呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。綜上所述,回歸方程（6 ）和回歸方程（7 ） 是非常具有實(shí)際意義的。最后，可得到法向磨削力預(yù)測(cè)模型為：（8）切向磨削力預(yù)測(cè)模型為：（9）四、結(jié)果分析1. 擬合精度分析在數(shù)據(jù)擬合及轉(zhuǎn)型獲得磨削力預(yù)測(cè)模型的過(guò)程中，不可避免地

11、會(huì)產(chǎn)生一些 計(jì)算上的誤差，為了能夠直觀地了解這些誤差，我們將各個(gè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值與擬合值 對(duì)比，并引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法擬合值進(jìn)行橫向比較，以確定式（8 ）和式（9 ） 進(jìn)行磨削力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可信性。本文引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法采用量化共馳梯度 法訓(xùn)練模型,隱層含30個(gè)神經(jīng)元，訓(xùn)練時(shí)間600s后結(jié)束。擬合誤差分析結(jié)果 如表5和表6所示。從表5和表6中數(shù)據(jù)可知,利用響應(yīng)曲面法擬合的兩組 數(shù)據(jù)的平均誤差率分別為4.29%和3.64%，說(shuō)明本文所述響應(yīng)曲面法的擬合精 度達(dá)到了 95%以上,符合實(shí)際應(yīng)用的要求。而利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法擬合的兩組 數(shù)據(jù)的平均誤差率分別為0.22%和4.94% ,亦均符合實(shí)際應(yīng)用的要求。但

12、是，上述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練600s后才達(dá)到這樣的擬合精度，擬合 效率非常低；并且，每次模型訓(xùn)練后擬合的結(jié)果都不同,擬合結(jié)果的一致性非常 差。然而，利用響應(yīng)曲面法獲得的預(yù)測(cè)模型是一個(gè)幕指數(shù)型數(shù)學(xué)模型,計(jì)算速度 快,結(jié)果一致性高。所以，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,無(wú)論從精度角度、效率角度，還 是預(yù)測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性角度考慮，本文所述響應(yīng)曲面法都比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法更加適 合磨削力預(yù)測(cè)的應(yīng)用。圖6為磨削力擬合值對(duì)比圖。2. 預(yù)測(cè)精度分析對(duì)建立好的磨削力預(yù)測(cè)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)表7中所示磨削參數(shù)組合 進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn),并測(cè)量記錄相應(yīng)的磨削力數(shù)據(jù),結(jié)果如表7所示。然后z分別 通過(guò)響應(yīng)曲面法預(yù)測(cè)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測(cè)模型獲得

13、相應(yīng)的預(yù)測(cè)值，并計(jì)算誤差 率,結(jié)果如表&表9所示。從表8和表9中預(yù)測(cè)結(jié)果可知，響應(yīng)曲面法預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)誤差率分別 為6.29%和5.55% ,高于之前的擬合誤差率，但兩組誤差率之間的差別是微小 的,在可接受范圍之內(nèi)。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)誤差率分別為7.89%和 35.16% ,完全超出了可接受的范圍，毫無(wú)實(shí)際意義。圖7為磨削力預(yù)測(cè)值對(duì)比 圖。綜上所述，式(9 )所示法向磨削力預(yù)測(cè)模型和式(10 )所示切向磨削力 預(yù)測(cè)模型具有預(yù)測(cè)精度高、預(yù)測(cè)效率高、預(yù)測(cè)結(jié)果穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。五、結(jié)語(yǔ)本研究圍繞WC-10Co4Cr高速磨削力預(yù)測(cè)，開展了磨削力預(yù)測(cè)原理、正 交實(shí)驗(yàn)、預(yù)測(cè)模型建立和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等工作,

14、得出了以下結(jié)論。(1) 在響應(yīng)曲面法建立磨削力預(yù)測(cè)模型的過(guò)程中，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果迸行殘差 區(qū)間分析,可以有效地檢查并去除奇異數(shù)據(jù)，保證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。(2) 基于響應(yīng)曲面方法建立磨削力預(yù)測(cè)模型,顯著性極高，具有較高的 實(shí)際意義。禾I用該模型對(duì)WC-10CO4C高速磨削力進(jìn)行預(yù)測(cè),法向與切向磨削力的擬合平均誤差率分別為4.29%和3.64%預(yù)測(cè)平均誤差率分別為6.29%和 5.55% z置信度達(dá)到95%以上。(3 )與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果相比,本研究成果具有預(yù)測(cè)精度高、置信 度高的特點(diǎn)，更加適合于實(shí)際生產(chǎn)的需求。(4 )在WC-10Co4Cr高速磨削中，對(duì)法向與切向磨削力,均為磨削深 度影響最大,其

15、次是工作臺(tái)速度,最后是砂輪線速度；法向與切向磨削力均隨看 磨削深度和工作臺(tái)速度的在增大而增大,隨看砂輪線速度的增大而減小。(5 )本研究為WC-10Co4Cr高速磨削參數(shù)優(yōu)化、高精度加工提供了技 術(shù)支持。圖1預(yù)測(cè)揆空的述立流程圖2 314m/s數(shù)控超高速平面磨削試驗(yàn)臺(tái)敷18來(lái)蕖泵統(tǒng)盪醬0)於朋力測(cè)理(b)測(cè)力儀實(shí)囲 圖3醍削力瀝原統(tǒng)示意関*禪削券數(shù)試聆數(shù)媒先砂刪眼皮 叫/ W）工住臺(tái)迤農(nóng) vj (rtvn - nun3)胡沫廢17Q7WQ,W29014000.01531102100ao241302800WM5ISO35000.06yJ iir1r, iZHASV1W*3m4KI2MB1%a*m

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