基于深度學(xué)習(xí)的TC32 鈦合金B(yǎng)TA 深孔鉆削容屑系數(shù)和切屑形態(tài)研究

馮亞洲 陶覓辰 劉戰(zhàn)鋒 孔 浩

（①西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；②陜西深孔智越科技有限公司，陜西 西安 710077）

Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr-0.15Si（TC32）鈦合金是由中國航發(fā)北京航空材料研究院研制的一種新型鈦合金，具有中高強(qiáng)度、高塑性、高韌性和損傷容限高等特點(diǎn)[1]。TC32 鈦合金在航空航天、汽車、化工等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力和發(fā)展前景[2]。在航空航天、造船、石油勘探和生物醫(yī)學(xué)儀器儀表等行業(yè)，常需要加工高精度和高質(zhì)量的復(fù)雜深孔結(jié)構(gòu)[3]。用于加工深孔結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)根據(jù)排屑方式和冷卻方法可分為槍鉆系統(tǒng)和深孔鉆系統(tǒng)（boring and trepanning association，BTA）。槍鉆系統(tǒng)主要用于直徑小于20 mm的小直徑深孔加工，BTA 系統(tǒng)主要用于直徑大于16 mm 中等直徑深孔加工[4]。BTA 系統(tǒng)與槍鉆系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)相對簡單，操作方便，系統(tǒng)剛度更高，因此被廣泛應(yīng)用于深孔加工領(lǐng)域[5]。在對TC32 鈦合金進(jìn)行BTA 深孔鉆削的過程中，隨著鉆削深度的增加，排屑難度也會(huì)增加，散熱條件會(huì)越來越惡劣進(jìn)而導(dǎo)致斷屑困難，易造成切屑堵塞、刀具磨損嚴(yán)重等問題，嚴(yán)重影響內(nèi)孔加工質(zhì)量[6]。因此，對TC32 鈦合金B(yǎng)TA 深孔鉆削的切屑形態(tài)研究格外重要。

為了探究不同鈦合金在鉆削過程中的切屑形態(tài)及影響切屑形態(tài)的各種參數(shù)，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。劉戰(zhàn)鋒等[7]采用有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法對主軸轉(zhuǎn)速為355～400 r/min、進(jìn)給量為0.01～0.05 mm/r 的TC4 鈦合金切屑形態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)給量為0.03 mm/r、主軸轉(zhuǎn)速為355 r/min時(shí)加工孔內(nèi)壁精度高，排屑良好。Feng Y Z 等[8]對主軸轉(zhuǎn)速為104～191 r/min、進(jìn)給量為0.10～0.15 mm/r時(shí)的TC10 鈦合金進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)，分析了不同工藝參數(shù)下的切屑形態(tài)，結(jié)果表明：進(jìn)給量為0.10～0.15 mm/r、主軸轉(zhuǎn)速小于191 r/min 時(shí)切屑形態(tài)為短螺旋切屑，孔表面質(zhì)量滿足加工要求。Liu Z F等[9]對主軸轉(zhuǎn)速為98～174 r/min、進(jìn)給量為0.10～0.20 mm/r 的TC18 進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，分析了加工過程中切屑的形態(tài)變化，結(jié)果表明：隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，切屑越來越長，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為98 r/min、進(jìn)給量為0.20 mm/r 時(shí)排屑順暢，加工過程穩(wěn)定。綜上所述，可以通過選擇合理的切削參數(shù)來控制切屑形態(tài)，但目前關(guān)于對TC32 進(jìn)行深孔鉆削的切屑形態(tài)和容屑系數(shù)研究較少。

因此，本文以TC32 鈦合金為研究對象，基于深度學(xué)習(xí)和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出容屑系數(shù)的預(yù)測模型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)測模型的性能，分析了不同進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對容屑系數(shù)和切屑形態(tài)的影響。

1 容屑系數(shù)預(yù)測模型

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)特殊領(lǐng)域，深度學(xué)習(xí)模型類似于人類大腦，可以自動(dòng)從原始數(shù)據(jù)中識別、提取高水平的特征。因此本文基于深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)出容屑系數(shù)預(yù)測模型，模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，然后基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建出預(yù)測模型并對模型進(jìn)行訓(xùn)練，最后輸入TC32 鈦合金的元素含量和工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)TC32 容屑系數(shù)的預(yù)測。

圖1 容屑系數(shù)預(yù)測模型

1.1 切屑的容屑系數(shù)

切屑的容屑系數(shù)R是切屑容積Vq與所切除金屬體積Vj的比值，即：

容屑系數(shù)R可以作為切屑形態(tài)的量化指標(biāo)，不同形狀切屑的容屑系數(shù)R的數(shù)值不同[10]。一般情況下，帶直長屑R=300～400；帶狀散亂屑R=100～300；螺卷長屑R=30～50；半環(huán)狀屑（包括大C 形屑和帶狀短屑）R=15～30；發(fā)條狀屑R=10～15；褶皺單元屑R=8～9；斷裂單元屑（包括小C 形屑）R=5～6。切屑容屑系數(shù)計(jì)算公式如下[11]。

式中：ω為切屑寬度；K為切屑曲率半徑；ap為切削深度；f為進(jìn)給量；ε為切屑壓縮率。

式中：hch為切屑厚度；hd為切削層厚度；f為進(jìn)給量；Kr為主偏角。

1.2 預(yù)測模型

1.2.1 數(shù)據(jù)集構(gòu)建

數(shù)據(jù)集包含TC4、TC10、TC11、TC18、TC21鈦合金元素含量、容屑系數(shù)和BTA 深孔鉆削工藝參數(shù)，數(shù)據(jù)來源于引言中的參考文獻(xiàn)和陜西深孔智越科技有限公司的加工經(jīng)驗(yàn)。由參考文獻(xiàn)可知，鈦合金B(yǎng)TA 深孔鉆削的主軸轉(zhuǎn)速范圍為98～535 r/min，進(jìn)給量范圍為0.01～0.21 mm/r。因此選擇主軸轉(zhuǎn)速為235 r/min、335 r/min、435 r/min、535 r/min 進(jìn)給量為0.02 mm/r、0.08 mm/r、0.14 mm/r、0.20 mm/r來預(yù)測TC32 鈦合金的容屑系數(shù)。

1.2.2 模型選擇與開發(fā)

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的非線性擬合能力，能夠處理多維輸入輸出問題。在不限制隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的情況下，使用三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)任意非線性映射。因此選用經(jīng)典的三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，包含輸入層、隱藏層和輸出層[12]。輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)即鈦合金的元素含量和工藝參數(shù)，值為17。輸出層即容屑系數(shù)，值為1。隱藏層一般根據(jù)前人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來確定[13]，參考經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：m、q、n分別指輸入層、隱藏層和輸出層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；a取1～10 的任意常數(shù)；隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)q在5～15。

在預(yù)測模型中，激活函數(shù)是關(guān)鍵組成部分，顯著影響著預(yù)測模型對于非線性數(shù)據(jù)的計(jì)算能力以及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的收斂速度。目前常用的激活函數(shù)主要包括兩種：Sigmoid函數(shù)和ReLU函數(shù)，其中Sigmoid函數(shù)存在求導(dǎo)過程計(jì)算量大、模型訓(xùn)練的時(shí)間較長、復(fù)雜度較高等問題[13]。而ReLU函數(shù)將模型的負(fù)區(qū)域取值歸為0，可以有效地解決梯度消失的問題。ReLU函數(shù)的表達(dá)式見式（6），當(dāng)輸入值大于0 時(shí)，該函數(shù)的導(dǎo)數(shù)始終為1，此特性有助于模型的訓(xùn)練和收斂，因此選用ReLU函數(shù)作為激活函數(shù)。

1.2.3 模型訓(xùn)練與評價(jià)

采用構(gòu)建的數(shù)據(jù)集作為模型的訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，采用加工試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)集作為測試集來驗(yàn)證模型性能。

本研究采用決定系數(shù)（R2）對預(yù)測模型進(jìn)行評價(jià)，通常情況下，R2越接近1，表明模型擬合程度越高[14]。決定系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：yi為真實(shí)值；為預(yù)測值；為真實(shí)值平均值。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)條件

圖2 BTA 深孔鉆削原理

圖3 TK 智控深孔機(jī)床

刀具采用φ45 mm 錯(cuò)齒內(nèi)排屑機(jī)夾鉆頭，斷屑槽寬度為1.22 mm，深度為0.5 mm，圓弧半徑為0.9 mm。根據(jù)相關(guān)參數(shù)制造的刀具如圖4 所示。因本材料的特殊性，選用耐磨性能良好、強(qiáng)度與沖擊韌性良好且導(dǎo)熱性能好的YG8 刀片[15]。

圖4 φ45 mm 錯(cuò)齒內(nèi)排屑機(jī)夾鉆頭

2.2 試驗(yàn)方法

深孔鉆削的工藝參數(shù)包括進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速和冷卻液類型，其中進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速的選擇見表1。在深孔鉆削過程中，冷卻液可以降低刀具和工件表面熱量并帶走切屑。水基冷卻液具有良好的熱導(dǎo)性和熱容量，因此將壓力為2 MPa、流量為120 L/min的水基冷卻液作為本試驗(yàn)的冷卻液。

表1 切削加工參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證模型預(yù)測性能，選擇與模型中相同的工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同工藝參數(shù)下的加工結(jié)果

3.1 預(yù)測結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的模型的性能，將基于TK 智控深孔機(jī)床進(jìn)行的加工試驗(yàn)所獲得的容屑系數(shù)真實(shí)值作為測試集，預(yù)測值與真實(shí)值如圖5 所示。

圖5 不同工藝參數(shù)下TC32 的容屑系數(shù)預(yù)測值與真實(shí)值

計(jì)算可得R2為0.921，表明模型擬合程度和精度較高，預(yù)測性能良好。

3.2 切屑形態(tài)分析

容屑系數(shù)反映了切屑的形狀與體積的關(guān)系，在相同工藝參數(shù)的加工過程中產(chǎn)生的切屑形態(tài)也有差異，因此收集加工過程中產(chǎn)生主要的4 種切屑，將這4 種切屑容屑系數(shù)的平均值作為該組工藝參數(shù)下切屑形態(tài)的容屑系數(shù)真實(shí)值。

如圖6a 所示，當(dāng)進(jìn)給量為0.02 mm/r 時(shí)，4 種主軸轉(zhuǎn)速下的切屑形態(tài)為長卷切屑，這是由于TC32 鈦合金具有高韌性，進(jìn)給量小時(shí)刀具上的斷屑槽附加變形力小，不能及時(shí)使切屑破碎從而造成輕微堵屑的現(xiàn)象。容屑系數(shù)真實(shí)值介于65.4～91.4，模型預(yù)測值介于49.6～93.7，預(yù)測值與真實(shí)值吻合度高且對應(yīng)的切屑形態(tài)均為薄長卷屑，表明模型預(yù)測效果較好。

圖6 TC32 切屑形態(tài)

當(dāng)進(jìn)給量增加至0.08 mm/r 時(shí)，4 種主軸轉(zhuǎn)速下的切屑形貌略有不同。容屑系數(shù)真實(shí)值介于5.6～47.6，預(yù)測值介于4.9～44.3，預(yù)測值與真實(shí)值的最大差值為3.3，此區(qū)間內(nèi)容屑系數(shù)預(yù)測值與真實(shí)值所對應(yīng)的切屑形態(tài)一致，均為短帶狀屑、C 形屑和短卷屑。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為235 r/min 時(shí)，出現(xiàn)薄短卷屑，容屑系數(shù)為45.8，如圖6b 所示，這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量的增大，切削厚度增加，在斷屑槽的附加變形后，能及時(shí)將切屑破碎，形成較短的卷屑。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為335 r/min 時(shí)，出現(xiàn)螺卷短屑，容屑系數(shù)為47.6，如圖6c 所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加至435 r/min和535 r/min 時(shí)，切屑形態(tài)帶狀短屑和C 形屑，如圖6d 和6e 所示，容屑系數(shù)真實(shí)值為5.6 和6.8。這是由于主軸轉(zhuǎn)速增大，附加在斷屑槽上的力增加，能夠?qū)⑶行技皶r(shí)折斷從而形成短帶狀屑和C 形屑。

當(dāng)進(jìn)給量增長至0.14 mm/r 時(shí)，試驗(yàn)9～試驗(yàn)11 產(chǎn)生的切屑形態(tài)為毛刺短屑，容屑系數(shù)真實(shí)值為41.7～54.3，預(yù)測值為42.1～47.8，預(yù)測值與真實(shí)值最大差值為6.5，如圖6f 所示，這是由于進(jìn)給量進(jìn)一步增加使溫度增加，刀具產(chǎn)生磨損導(dǎo)致加工過程不穩(wěn)定而形成的帶毛刺短卷屑，從而導(dǎo)致預(yù)測值與真實(shí)值差值偏大。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增大至535 r/min時(shí)，預(yù)測值與真實(shí)值比較接近，切屑形態(tài)為破碎狀屑，如圖6h 所示，這是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速過高引起的加工系統(tǒng)振動(dòng)、切削不穩(wěn)定造成的。

當(dāng)進(jìn)給量增加至0.20 mm/r 時(shí)，切屑總體上變短變厚。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為235 mm/r 和335 r/min 時(shí)，出現(xiàn)了厚短卷屑，容屑系數(shù)的預(yù)測值與真實(shí)值均在30.6～32.3，對應(yīng)的切屑形態(tài)均為厚短卷屑，預(yù)測值與真實(shí)值吻合度較高，如圖6g 所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加至455 r/min 和555 r/min 時(shí)，切削溫度進(jìn)一步增加導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)切削，加工中斷，切屑為破碎狀，如圖6h 所示。

進(jìn)給量為0.08 mm/r、主軸轉(zhuǎn)速為435 r/min 深孔鉆削完成的工件如圖7 所示。測得工件內(nèi)孔表面粗糙度為5.643 μm，滿足加工要求。

圖7 TC32 鈦合金成品

4 結(jié)語

本文基于深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)出容屑系數(shù)預(yù)測模型，獲得TC32 在不同工藝參數(shù)下容屑系數(shù)預(yù)測值。再對幾何尺寸為的16 個(gè)TC32 鈦合金工件進(jìn)行了深孔鉆削試驗(yàn)，收集加工過程產(chǎn)生的切屑，計(jì)算得到容屑系數(shù)的真實(shí)值。通過對預(yù)測值和真實(shí)值進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

（1）工藝參數(shù)直接影響切屑形態(tài)，進(jìn)而影響切屑的容屑系數(shù)。與主軸轉(zhuǎn)速相比，進(jìn)給量對切屑的容屑系數(shù)影響更大，當(dāng)進(jìn)給量小于0.08 mm/r 時(shí)，進(jìn)給量越高產(chǎn)生的切屑容屑系數(shù)越小，切屑更容易順利排出。

（2）當(dāng)進(jìn)給量為0.08 mm/r、主軸轉(zhuǎn)速為435 r/min 時(shí)，切屑形態(tài)以C 形屑和短帶狀屑為主，加工過程穩(wěn)定。測得成品內(nèi)孔表面粗糙度為5.643 μm，同時(shí)滿足加工效率要求和加工質(zhì)量要求。

（3）基于深度學(xué)習(xí)模型獲得容屑系數(shù)預(yù)測值，加工試驗(yàn)獲得容屑系數(shù)真實(shí)值。計(jì)算可得模型的決定系數(shù)（R2）為0.921。表明模型擬合程度和精度較高，預(yù)測性能良好。