机械工程全国博士生学术论坛中文_机械工程博士课程

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2014年机械工程全国博士生学术论坛论文集，哈尔滨，2014年6月

基于神经网络的双层辉光离子渗金属

工艺预测模型(二号黑体)

张伟1,*(*号用以表示尾注)，苗秀，费常(四号仿宋)

12(1．哈尔滨工业大学机电工程学院

黑龙江 哈尔滨

150001； 2．上海交通大学机械工程与动力学院

上海

200030)（五号宋体）

摘要（小五黑体）：将人工神经网络理论和算法应用于双层辉光离子渗金属工艺的研究，在对网络进行训练的基础上，建立了双层辉光离子渗金属工艺与渗层表面成分和元素总质量分数、渗层厚度和吸收率之间的数学模型，试验结果与计算结果十分吻合。（小五宋体）

关键词（小五黑体）：双层辉光，人工神经网络，预测模型（小五宋体）

RESEARCH ON ANN-BASED PREDICTION MODEL USED TO DOUBLE GLOW PLASMA SURFACE ALLOYING PROCESSING（小四，粗体）

ZHANG Wei1, MIAO Xiu1, FEI Chang2（五号）

(1.School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, Heilongjiang 150001； 2.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030)（小五斜体）

Abstract（小五粗体）：The theory and the algorithm of the artificial neural network are applied in the research of the technique and the composition, the gro ma fraction of element, the thickne of surface alloying layer as well as the absorption rate is built.The calculation results are in good agreement with the experimental results.（小五）Key words（小五粗体）：Double glow, Artificial neural network, Prediction model

*0 前言（四号宋体）(此处尾注符号*号改白色)

（五号宋体）双层辉光离子渗金属技术是我国在国内外都获得专利的一项等离子表面冶金新技术[1－4],它可以在普通材料表面形成具有特殊物理、化学性质的表面合金层。双层辉光离子多元共渗是一个非常复杂的问题，各种合金元素在源极表面溅射的特性、工件表面的沉积扩散，等离子体空间传输存在较大的差异。而且宏观工艺参数较多，它们之间相互作用关系复杂，以往人们都是借助于经验，很难找到反映其内在规律的数学模型。

人工神经网络理论的提出与发展为研究非线性系统提供了一种强有力的工具，它已成功的应用于许多研究领域，在材料热处理学科的应用越来越受到重视[5－6]。首次以美国HAYEN公司生产的 Hastelloy C—2000镍基耐蚀合金为源极，进行Ni-Cr-Mo-Cu多元共渗工艺研究。利用人工神经网 作者简介：姓名（出生年-），性别，民族，籍贯，？？学校博士研究生

联系方式：电话，Email

络技术，建立了双层辉光离子渗金属工艺与渗层合金成分及合金元素总质量分数、渗层厚度和吸收率之间的预测模型。试验方法和试验方案（四号宋体）

1.1 试验方法

渗金属试验在自制双层辉光离子渗金属炉中进行，源极材料为Hastelloy C—2000合金，尺寸为130 mm×50 mm×4 mm，工件材料为20钢，尺寸为80 mm×25 mm×3 mm。采用脉冲放电模式：源极采用直流电源，工件采用脉冲电源。源极材料Hastelloy C—2000的质量分数：wNi=59%，wMo=16%，wCr=23%，wCu=1.6%，wC＜0.01%。1.2 试验方案（五号黑体）

为了选定正交试验各个工艺参数的取值范围，先结合以往试验研究的经验，然后又进行了20余炉的摸索性试验，确定了正交工艺参数。正交试验按照L16(45)正交表进行试验。指标项目为渗层表面合金元素成分及总质量分数、渗层厚度和吸收率。因素水平表如表1所示。

-2014年机械工程全国博士生学术论坛论文集，哈尔滨，2014年6月

表

1因素水平表（小五黑体）

因素（六号宋体）源极电压U／V 工件电压U／V

气压p／Pa 极间距d／mm

水平1 050 275 35 15 2 1 000 250 30 20950 350 45 25900 300 40 22.5

f是激励函数，采用Sigmoid型，即f(x)1ex(2)数学模型

在网络学习部分，采用三层BP神经网络来完成函数的映射。误差逆传播神经网络是一种具有三层或三层以上的阶层型神经网络，如图所示为一个三层前馈神经网络：它包括输入层、隐含层(中间层)、输出层；输入层有i个节点，隐含层有j 个节点，输出层有t个节点。上、下层之间各神经元实现全连接，即下层的每一单元与上层的每一单元都实现权连接，而每层各神经元之间无连接。网络按有教师示教的方式进行学习，当一对学习模式提供给网络后，神经元激活值从输入层经各中间层向输出层传播，在输出层的各神经元获得网络的输入响应。这以后，按减小希望输出与实际输出之间误差的方向，从输出层经各中间层逐层修正各连接权值，最后回到输入层。

可由输入层经隐层至输出层，求得网络输出层节点的输入。

(3)计算网络的目标函数J

设Ep为在第p组样本输入时网络的目标函数，取L2范数，则

211122Ep(t)dpyp(t) dkpykp(t)ekp(t)

322k2k(3)

式中

ykp(t)——在第p组样本输入时，经t次权值调

整网络的输出，k是输出层第k个节点

网络的总目标函数为

(4)J(t)EP(t)

p作为对网络学习状况的评价。

判别： 若

J ≤ 式中

 —— 预先确定的，≥0

(5)

则算法结束，否则，至步骤(4)。

(4)反向传播计算 由输出层，依据J按“梯度下降法”反向计

算，逐层调整权值。

wij(t1)wij(t)ηJ(t)wij(t) wij(t)(6)

（六号宋体）

图1 典型BP网络示意图（小五宋体）

ηpEp(t)wij(t)wij(t)wij(t)

式中 —— 步长或称为学习率，本文中n取000 000，取0.9

算法步骤：

(1)设置初始权系w(0)为较小的随机非零值。(2)给定输入/输出样本对，计算网络的输出：

设第p组样本输入、输出分别为

up=(u1p,u2p,„,unp)计算结果与比较

为检验程序的可靠性与实用性，对双层辉光离子多元共渗工艺参数：源极电压、工件电压、极间距、气压对渗层表面的合金元素总质量分数、渗层厚度、各合金元素质量分数、吸收率(工件增重/源极增重)的影响进行了网络学习，并与试验结果进行dp=(d1p,d2p,„,dnp)

p=1,2,„,L

了比较。模型的输入节点数为4个工艺参数，隐含 节点i在第p组样本输入时，输出为

层节点数为5，输出分别为上叙各指标项。为保证网络训练准确可靠，同时又具有一定的推广能力，(1)

yipf[xip(t)]fwij(t)Ιjp

j在正交试验16组数据中选择13组作为训练样本，余下的3组以及正交优化工艺作为检测样本。经过式中

IjP——在第p组样本输入时，节点i的第j个000 000次训练的试验数据与计算结果的比较见表输入

2、表3。2014年机械工程全国博士生学术论坛论文集，哈尔滨，2014年6月

表

2预测渗层表面的成分

编号 5 预测值 12 预测值 16 预测值 质量分数w/%

Ni

Cr

Mo

Cu 49.881 51.734 50.514 51.171 50.290 50.826 14.695 16.962 16.691 17.509 19.164 18.104

11.365 11.211 14.071 13.048 6.480

7.8130

1.605 1.661 0.912 0.415 1.308 1.333预测值

57.168 59.891

19.655 20.107

14.732 12.163

1.353 1.403

从表

2、表3可以看出训练样本和检测样本的网络实际输出值与期望值都很接近，说明应用神经网络描述双层辉光离子渗金属工艺参数与渗层的表面合金成分和合金总质量分数、渗层厚度、吸收率之间的映射模型是十分有效的。

表

3人工神经网络训练与预测值

试验编号 1 2 3 4 5* 17* 源极电压 工件电压 U∕V U∕V 1 1 1 1 2 1 1 2 3 4 1 2 极间距 d∕mm 1 2 3 4 2 1

气压 p∕Pa 1 2 3 4 3 1

吸收率s∕%

试验值

预测值 70.900 70.587 61.200 60.871 33.330 32.847 44.650 44.401 48.100 47.753 79.340 80.920

渗层厚度δ∕μm 试验值

预测值

34.5 34.579 36.5 36.380 19.0 19.245 21.0 20.871 25.5 24.950 38.0 38.459

元素总质量分数w∕%

试验值

预测值

87.496 87.437 89.796 89.237 84.895 84.508 77.579 77.321 77.546 76.796 92.908 92.210

注：*为检测样本值，试验编号17为正交优化工艺（六号宋体）结论

通过对基于神经网络的双层辉光离子多元共渗的工艺研究，建立起工艺参数与渗层的表面合金成分和合金总质量分数、渗层厚度和吸收率之间的映射模型。该模型的建立为多元共渗这种多变量、非线性系统的问题的解决提供了一个有效的工具。

参

考

文

献（五号黑体）

[1] ZHONG X，YUAN G，SU Y A, et al.Double glow surface alloying proce[C]．In：Third Pacific RimInternational Conference on Advanced Materials and Proceing，Hawaii.1998，6：1 969-1 978．

[2] 高原，贺志勇，赵晋香.机用锯条齿部表面强化组织的研究[J]．材料科学与工艺，1995，3(3)：62-66．（小五宋体）

[3] 高原，贺志勇，赵晋香．一种新型的表面高速钢的形成方法[J].太原理工大学学报，1996，27(1)：33-35． [4] 高原，贺志勇，刘小萍.离子渗铬钼手用锯条合金元素与切削性能的研究[J]．兵工学报，1998，19(4)：331-335． [5] 李延民，潘清跃，黄卫东，等．应用人工神经网络于激光加工工艺优化[J].金属热处理学报，1998，19(4)：14-17． [6] 吴良，钟文锋.基于人工神经网络的结构钢端淬曲线预测系统模型的研究[J].金属热处理学报，2000，21(4)：13-17．

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