1、论 文 题 目基于 BP神经网络切削温度的实验研究目 录摘 要 3-4第一章 绪 论1.1 背景 51.2 研究现状 6-7第二章 车削加工与切削温度2.1车削加工 7-82.1.1 主运动 82.1.2 进给运动 92.1.3 切削用量 9-102.2 切削温度 102.2.1 切削热 10-112.2.2切削温度 112.3 切削温度的测量方法 112.3.1 热电偶法 11-122.3.2 光、热辐射法 12-132.3.3 金相结构法 132.3.4 其他方法 132.4 切削温度的影响因素2.4.1 切削用量2.4.2 刀具几何参数2.4.3 工件材料2.4.4 刀具磨损的影响第 3
2、章 切削温度的实验测量3.1 正交试验3.2 正交试验方案设计3.2.1 外圆车削正交试验方案3.2.2 切削温度测量试验第四章 切削温度的 BP神经网络建模4.1 神经网络4.1.1 神经网络的概述4.1.2 BP神经网络的一般建模过程4.1.3 BP神经网络的训练方式4.2 MATLAB软件及其工具箱的介绍4.3 切削温度的 BP神经网络建模4.3.1 训练样本的选取4.3.2 训练参数的选择4.3.3 切削温度 BP神经网络的创建和训练齐鲁工业大学本科毕业论文摘 要在车削加工过程中，切削温度是表征车削加工过程中各因素是否合适的重要参数。切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。前刀面
3、的平均温度可近似地认为是剪切面的平均温度和前刀面与切屑接触面摩擦温度之和。车削加工过程中的切削温度的影响因素有很多种，如，切削速度、进给量、背吃刀量、工件材料和切削液等因素。切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高；切削温度还会使加工精度降低，使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷。本文采用车削力正交试验，建立切削温度的 BP 神经网络预测模型，分别验证各影响因素对切削温度的影响。由实验结果可知，影响切削温度的因素中，切削速度影响最大，其次是进给量，接着是背吃刀量。采用正交试验法选取样本，利用动量梯度下降法训练的 BP 神经网络模型对切削温度的预测具有很好的效果。关键词：切削温度 正
4、交试验 BP 神经网络 动量梯度下降法齐鲁工业大学本科毕业论文ABSTRACTIn the machining process, the cutting temperature is an important parameter for the characterization of factors in the process of turning processing who is appropriate. The cutting temperature generally refers to the rake face and chip contact area average temp
5、erature. The rake face of the average temperature can be approximately considered shear surface average temperature and the rake face and chip contact surface friction and temperature. There are many kinds of factors that influence the cutting temperature in turning process such as cutting speed, fe
6、ed rate and cutting depth, work piece material and cutting fluid etc. Is the main reason of tool wear high cutting temperature, it will limit the productivity increase; cutting temperature will make the machining accuracy is reduced, so that the machined surface residual stress and other defects.Thi
7、s paper uses the orthogonal of cutting force , model of BP neural network is established to predict the cutting temperature, respectively, to verify the influence factors on the cutting temperature.Experiment results show that the factors affecting the cutting temperature, cutting speed is the great
8、est impact, followed by feed rate, then cutting depth. Selected samples by orthogonal test method using gradient descent BP neural network model training method on cutting temperature prediction has good effect.Key words：the cutting temperature ;the orthogonal ;BP neural network ;gradient descent齐鲁工
9、业大学本科毕业论文第一章 绪 论1.1 背景大量实验证明，切削温度对切削加工的影响非常明显。由于材料的塑性变形和刀屑之间的接触摩擦,会产生切削热,而且微细切削单位切削面积上的切削力较大,所以加工中会产生很大的热量,使刀尖局部区域的温度升高。切削温度随着切削厚度的变化而变化,随着切削温度的升高,工件材料的强度降低;反之，则亦然。切削热是通过切削温度影响切削加工过程的，切削温度的高低取决于切削热产生多少和散热条件的好坏。切削温度是指切削过程中切削区域的温度。切削温度的升高对切削加工过程的影响主要有以下几方面：（一）对刀具材料的影响高速钢刀具材料的耐热性为 600 度左右，超过该温度后，刀具将失效。
10、硬质合金刀具材料耐热性好，在高温 800-1000 度时，强度反而更高，韧性更好。因此，适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。（二）对工件材料物理力学性能的影响金属切削时虽切削温度很高，但对工件材料的物理力学性能影响并不大。实验表明，工件材料预热到 500-800C 后进行切削，切削力显著降低。但高速切削时，切削温度可达 800-900 度，切削力却下降并不多。在生产中，对于难加工材料可进行加热切削。（三）利用切削温度自动控制切削用量大量切削试验表明，对给定的工件材料、刀具材料，以不同的切削用量加工时，都可以得到一个最佳的切削温度范围，使刀具磨损程度最低，加工精度稳定。因此，
11、可用切削温度作为控制信号，自动控制机床转速或进给量，以提高生产率和工件表面质量。（四）对工件尺寸精度的影响车削工件外圆时，工件受热膨胀，外圆直径发生变化，切削后冷却至室温，工件直径变小，就不能达到精度要求。刀杆受热膨胀伸长，切削时的实际背吃刀量增加，使工件直径变小。特别是在精加工和超精加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大，因此，控制好切削温度是保证加工精度的有效措施。由以上可以看出，切削温度的研究对车削加工过程是非常重要的。由此，展开了本文的创作。齐鲁工业大学本科毕业论文1.2 研究现状切削温度是车削加工中的一个重要指标，对刀具寿命、表面质量和刀具磨损有很大的影响。1931 年，由
12、德国 Carl Salomon 博士发表了著名的切削专利，他指出，随切削速度的提高，切削温度会上升到最大值；若速度继续升高，切削温度就会随之下降。如图 1.1 所示。图 1.1 切削速度与切削温度的关系但对于这一变化，存在了两种不同的观点：一种是，Salomon 曲线存在，并在一些轻金属的加工中得到了证明；另一种观点则认为切削温度随切削速度的提高而不断升高，直到达到工件材料的熔点。高精度的表面质量和较低的表面粗糙度是高速切削加工技术所要求实现的目标之一。由于切削温度所具有的特点以及在生产效益方面的影响，国外对此方面的研究开展的较早。利用有限元进行研究的：E.G.Ng，D.K.Aspinwall
13、,D.Brazil,J.Monaghan 提出了单刃切削有限元解析模型，使用 FE 软件 FORGE2（R）模拟了切削淬硬钢（ANSI H13(52HRC)）时的切削温度分布。美国 Ohio 州大学净成形制造（Net Shape Manufacture）工程研究中心的 T.Altan 教授，在国际上金属塑性成形加工界享有很高的学术声誉，在金属塑性成形数值模拟方面做出了许多令人瞩目的成就，近年来，他与意大利 Brescia 大学机械工程系的 E.Cerett 合作，对切削工艺进行了大量的有限元模拟研究。利用实验法进行研究的：日本的 Norihiko Narutkai 研究了高速切削加工难加工材料
14、钦合金。从切削温度和刀具磨损角度讨论了高速切削钦合金 Ti-6Al-4V.在车齐鲁工业大学本科毕业论文削时，切削温度非常高。据有高热导率的刀具如天然金刚石刀具合适在冷却液的情况下高速车削钦合金。使用小直径立铣刀高速铣削钦合金时，切削温度却不高，在干切削条件下，甚至能够达到 283m/min。油雾冷却是延长刀具寿命的有效方法。在国内，由于对切削温度的研究起步比较晚，因为有关这方面的理论研究报告还比较缺少。不过，还是有几所高校对切削加工中的切削温度问题进行了初步研究，主要以实验研究为主，比如华南理工大学、上海大学等。顾、袁在其文章中为了能够获得较为合适的模型，设定了切屑流向与剪切面成一定角度，建立
15、了正交连续成屑的切屑模型。实验测得的实际温度分布表明这个假定模型是可行的。袁人炜等人在实验中应用红外热像仪测系统对高速铣削过程中切削温度的变化规律进行了研究，首次给出了铝合金高速铣削过程中存在的临界切削速度关键数据和切削温度随切削速度的变化规律。针对难加工材料，南京航空学院的徐鸿钧等人对铣削加工时高速钢铣削刀具温度场的分布进行了实验研究，并使用了有限差元分的方法对铣削加工区的三维非稳定温度场进行了计算，在计算中对其边值条件的确定、差分格式的选用以及解的稳定性问题进行了讨论。终上所述，经过多年的发展，切削温度场的研究早金属切削理论、切削温度场测量以及切削加工模型的建立等方面虽然取得了很大的进步，
16、但是，仍然有很多的问题有待进一步解决。第二章 车削加工与切削温度2.1 车削加工车削加工就是在车床上，利用工件的旋转运动和刀具的直线运动(曲线运动)来改变毛坯的形状和尺寸大小，把它加工成符合图纸的要求的工件。车削加工是在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法。车削加工的切削能主要由工件提供。车削是最基本、最常见的切削加工方法，在生产中占有十分重要的地位。车削适于加工回转表面，大部分具有回转表面的工件都可以用车削方法加工，如内外圆锥面、内外圆柱面、端面、沟槽和回转成形面等，所用刀具主要是车刀。切削运动金属切削加工是利用刀具从工件待加工表面上切去一层多余的金属，从而使工件达到规定的集
17、合形状、尺寸精度和表面质量的机械加工方法。为了切除多余的金属，刀具和工件之间必须有相对运动，即切削成形运动（简称切削运动）。切削运动可分为主运动和进给运动。齐鲁工业大学本科毕业论文图 2.1 外圆车削的切削运动图 2.2 平面刨削的切削运动2.1.1 主运动使工件与道具产生相对运动以进行切削的最基本运动，称为主运动。主运动的速度最高，所耗功率也最大。在车削加工中，主运动只有一个。他可以由工件完成，也可以由刀具完成；可以是旋转运动，也可以是直线运动。列如，外圆车削时工件的旋转运动和平面刨削时刀具的直线往复运动都是主运动（见上图 2.1、2.2）2.1.2 进给运动不断地把被切削层投入切削，以逐渐
18、切削出整个工件表面的运动叫做进给运动。进给运动一般速度较低，消耗的功率较少，可由一个或多个运动组成。外圆车削时的进给运动是车刀沿平行于工件轴线方向的连续直线运动，平面刨削时的进给运动是工件沿垂直于主运动方向的间歇直线运动。进给运动可由工件或刀具分别完成，也可以由刀具单独完成。有些机床（如拉床）加工时，没有进给运动。2.1.3 切削用量所谓切削用量是指切削速度、进给量和背吃刀量三者的总称。（1）切削速度 cv它是切削加工时，刀刃上选定点相对于工件的主运动速度。刀刃上各点的切削速度可能是不同的。当主运动为旋转运动时，刀具或工件的最大直径处的切削速度由下式确定：齐鲁工业大学本科毕业论文（m/s 或
19、m/min）10dncv式中：d 为完成主运动的刀具或工件的最大直径（mm）；n 为主运动的转速（r/s 或r/min）。（2）进给速度 与进给量fvf进给速度 是刀刃上选定点相对于工件的进给运动的速度，单位是 mm/s。若进给f运动是直线的，则刀刃上所有点的进给速度都相等。进给量 f 是工件过刀具的主运动每转或每一行程时，工件和刀具在在进给运动方向上的相对位移量。例如，外圆车削时的进给量 是指工件每转一转是车刀相对于工件在进给运动方向上的位移量，其单f位是 mm/r；又如在牛头刨床上刨削平面时，进给量是指刨刀每往复一次，工件在进给运动方向上相对刨刀的位移量，其单位是 mm/双行程。另外，在实
20、际生产中有时将进给运动称为走刀运动，进给量称为走刀量。（3）背吃刀量 pa其是一个和主刀刃与工件切削表面接触长度有关的量，在包含主运动和进给运动的平面的垂直方向上测量。(mm)2mwpda式中： 为工件待加工表面的直径（mm）； 为工件已加工表面的直径（mm）。wd md2.2 切削温度切削热和由它产生的切削温度，直接影响刀具的磨损和使用寿命及工件的加工精度和表面质量。因此研究切削热和切削温度及其变化规律是非常重要的。2.2.1 切削热切削过程中，切削热的来源有两个：切削层金属发生弹性变形和塑性变形所产生的热和切屑与前刀面、工件与主后刀面间的摩擦热。因此，工件上的三变形区，每个变形区都是一个发热源，如图 2.3 所示。
