WC-10Co4Cr涂層高速磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)研究*

陳新春，蹤雪梅，齊　偉，金　灘

(1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院 工程技術(shù)中心，江蘇 徐州 221004；2.湖南大學(xué) 國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

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WC-10Co4Cr涂層高速磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)研究*

陳新春1，蹤雪梅1，齊偉1，金灘2

(1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院 工程技術(shù)中心，江蘇 徐州 221004；2.湖南大學(xué) 國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

為了優(yōu)選WC-10Co4Cr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，研究了一種基于響應(yīng)曲面法的表面粗糙度預(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高速磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)原理。結(jié)合正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立表面粗糙度預(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。以活塞桿再制造過(guò)程中的磨削加工為例，應(yīng)用上述預(yù)測(cè)模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行了表面粗糙度預(yù)測(cè)，并同實(shí)際加工結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，研究的表面粗糙度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果之間相差0.02μm，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果之間相差0.04μm，證明所提出的表面粗糙度預(yù)測(cè)方法是有效的，更加滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需求，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。

WC-10Co4Cr；高速磨削；表面粗糙度預(yù)測(cè)；響應(yīng)曲面

WC-10Co4Cr涂層以其高耐磨性、高硬度和高耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、礦山機(jī)械和工程機(jī)械等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在硬質(zhì)涂層精密加工方面，與傳統(tǒng)磨削相比，高速磨削具有加工效率高、加工精度高和砂輪耐用度高等優(yōu)勢(shì)，受到了越來(lái)越多的重視[1-5]。在高速磨削加工中，表面粗糙度直接反映了加工質(zhì)量，是參數(shù)選擇的依據(jù)，但是，目前關(guān)于WC-10Co4Cr高速磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)方面的文獻(xiàn)很少，不能有效地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)；因此，為了合理選擇高速磨削參數(shù)，提高加工質(zhì)量，進(jìn)行WC-10Co4Cr高速磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)研究是十分必要的。考慮到表面粗糙度預(yù)測(cè)具有一定的相似性，在開(kāi)展本研究過(guò)程中，可以借鑒已有表面粗糙度預(yù)測(cè)研究中的方法與手段。陳根余等[6]在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)曲面法，建立了冪指數(shù)形式的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。H.O.ktem等[7-8]應(yīng)用回歸分析法建立了車削表面粗糙度回歸預(yù)測(cè)模型。綜上所述，在表面粗糙度預(yù)測(cè)方面，常見(jiàn)的方法有響應(yīng)曲面法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。相比之下，響應(yīng)曲面法在工藝過(guò)程優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)用得更為廣泛，具有比較成熟的理論。

本文基于響應(yīng)曲面法，開(kāi)展WC-10Co4Cr高速磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)研究；結(jié)合正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立表面粗糙度預(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；通過(guò)加工試驗(yàn)，驗(yàn)證上述研究成果的有效性。

1　表面粗糙度預(yù)測(cè)原理

在高速磨削工藝系統(tǒng)中，影響表面粗糙度的磨削參數(shù)主要包括砂輪線速度x1、磨削深度x2、工作臺(tái)進(jìn)給量x3和工件轉(zhuǎn)速x4。根據(jù)響應(yīng)曲面方法，可得表面粗糙度預(yù)測(cè)的一般數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中，β0、βi、βij和βii為多項(xiàng)式的待定系數(shù)；xi、xixj和xi2為擬合變量。

為了獲得響應(yīng)曲面訓(xùn)練樣本，進(jìn)行正交試驗(yàn)。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，去除奇異數(shù)據(jù)。結(jié)合式1所示表面粗糙度響應(yīng)曲面預(yù)測(cè)模型，將數(shù)據(jù)按照模型需求的形式進(jìn)行處理，獲得擬合變量數(shù)據(jù)。采用最小二乘法確定模型中的系數(shù)，獲得中間預(yù)測(cè)模型。運(yùn)用殘差分析法，分析各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)誤差。若誤差超過(guò)允許范圍，則認(rèn)為該組數(shù)據(jù)為奇異數(shù)據(jù)，返回并去除該組數(shù)據(jù)，同時(shí)再次進(jìn)行數(shù)據(jù)模型化處理、回歸擬合和殘差分析，如此循環(huán)，直到所有誤差均在允許范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行方差分析，檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的線性度。若不滿足線性要求，則說(shuō)明預(yù)測(cè)模型不合適，并確定影響預(yù)測(cè)模型線性度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)組合，返回并去除該組奇異數(shù)據(jù)，重新計(jì)算，直至滿足線性要求為止。最終，確定表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。

2　表面粗糙度預(yù)測(cè)模型

為了最大限度地體現(xiàn)參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，在兼顧試驗(yàn)成本的情況下，設(shè)計(jì)與實(shí)施正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)表見(jiàn)表1。

表1　正交試驗(yàn)表

(續(xù))

結(jié)合表面粗糙度預(yù)測(cè)原理與正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將式1中的擬合變量均看作獨(dú)立變量，并將所有獨(dú)立變量數(shù)據(jù)和表面粗糙度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成矩陣形式，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：

Rayc=XC

(2)

式中，C為系數(shù)矩陣；X為擬合變量矩陣。C、X分別表示如下：

為了確保預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度與可信度，計(jì)算預(yù)測(cè)模型的殘差(見(jiàn)圖1)。由圖1可以看出，每個(gè)試驗(yàn)組殘差區(qū)間都包含零點(diǎn)，說(shuō)明擬合誤差在允許范圍之內(nèi)。所以，表面粗糙度預(yù)測(cè)模型精度滿足要求，并且是可信的。

圖1　預(yù)測(cè)模型的殘差區(qū)間

為了進(jìn)一步分析表面粗糙度預(yù)測(cè)模型的擬合程度，對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。本文使用F檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水平α=0.05。若要計(jì)算回歸方程顯著性檢驗(yàn)F值，應(yīng)先進(jìn)行方差分析。計(jì)算得FR(14,10)=113.2。考慮到F0.95(14,10)=2.864 7，F(xiàn)R(14,10)>F0.95(14,10)，說(shuō)明回歸方程的顯著性水平極高；同時(shí)，判定系數(shù)R2=0.993 7，說(shuō)明回歸方程線性關(guān)系明顯，擬合程度高。因此，所搭建的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型具有實(shí)際意義。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述表面粗糙度預(yù)測(cè)模型的有效性，針對(duì)表2所示參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)比較所建立預(yù)測(cè)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證本研究的有效性。兩者的比較結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，響應(yīng)曲面法預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差在0.02 μm以內(nèi)，平均預(yù)測(cè)誤差為0.009 μm；而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差<0.043 μm，平均預(yù)測(cè)誤差為0.016 μm。比較來(lái)看，基于響應(yīng)曲面法建立的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度更高，具有有效性。

表2　驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)表

圖2　驗(yàn)證樣本預(yù)測(cè)情況

4　結(jié)語(yǔ)

圍繞WC-10Co4Cr高速磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)，開(kāi)展了表面粗糙度預(yù)測(cè)原理、正交試驗(yàn)、預(yù)測(cè)模型建立和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，得出了如下結(jié)論。

1)在響應(yīng)曲面法建立表面粗糙度預(yù)測(cè)模型的過(guò)程中，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)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)曲面法建立表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，顯著性極高，具有較高的實(shí)際意義。利用該模型對(duì)WC-10Co4Cr高速磨削表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)，誤差<0.02 μm，平均誤差為0.009 μm。

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)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。

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*國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX04014-021)

責(zé)任編輯鄭練

AStudyontheRoughnessPredictioninHighSpeedGrindingforWC-10Co4Cr

CHNEXinchun1,ZONGXuemei1,QIWei1,JINTan2

(1.EngineeringTechnologyCenter,JiangsuXuzhouConstructionMachineryResearchInstitute,Xuzhou221004,China;2.NationalEngineeringResearchCenterforHighEfficiencyGrinding,HunanUniversity,Changsha410082,China)

Basedontheresponseofsurfacemethodology,aroughnesspredictionmethodinhighspeedgrindingforWC-10Co4Crispresentedtomeettheprocessingrequirementwithhighprecisionandefficiency.FromthecharacteristicofhighspeedgrindingcraftsystemforWC-10Co4Cr,aroughnessforecastingprincipleisgivenbasedonthegivencraftsystem.Theroughnesspredictionmodelisestablishedaccordingtothedataoftheorthogonalexperiment.Toverifythevalidityofthemodel,thefittingdegreeiscalculatedbythevarianceanalysismethod.Takingapistonrodgrindinginremanufacturingprocessasanexample,theroughnessispredictedbytheaboveroughnesspredictionmodelandBPNeuralNetwork,andthebothpredictionresultsarecomparedwiththeactualmachiningresultrespectively.Thepredictionerroroftheroughnesspredictionmodelbasedontheresponsesurfacemethodologyis0.02μm,andthepredictionerrorofBPNeuralNetworkis0.04μm.Itshowsthattheformerismoreaccuratethanthelatter,andtheproposedroughnesspredictionmethodisvalidfortheaccuracyrequirement.ProvideatheoreticalbasisforoptimizationofthemachiningparametersinhighspeedgrindingprocessforWC-10Co4Cr.

WC-10Co4Cr,highspeedgrinding,roughnessprediction,responsesurfacemethodology

TG580.61

A

陳新春(1984-)，男，工程師，博士，主要從事精密加工與檢測(cè)等方面的研究。

2016-01-27