CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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基于协同训练SVR的脆性材料亚表面微裂纹深度预测

任闯 盛鑫 牛凤丽 朱永伟

任闯, 盛鑫, 牛凤丽, 朱永伟. 基于协同训练SVR的脆性材料亚表面微裂纹深度预测[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(6): 704-711. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0006
引用本文: 任闯, 盛鑫, 牛凤丽, 朱永伟. 基于协同训练SVR的脆性材料亚表面微裂纹深度预测[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(6): 704-711. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0006
REN Chuang, SHENG Xin, NIU Fengli, ZHU Yongwei. Prediction of subsurface microcrack depth of brittle materials based on co-training SVR[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(6): 704-711. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0006
Citation: REN Chuang, SHENG Xin, NIU Fengli, ZHU Yongwei. Prediction of subsurface microcrack depth of brittle materials based on co-training SVR[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(6): 704-711. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0006

基于协同训练SVR的脆性材料亚表面微裂纹深度预测

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0006
基金项目: 国家自然科学基金联合基金(U20A20293)。
详细信息
    作者简介:

    朱永伟,男,1967年生,教授、博士生导师。主要研究方向:精密及超精密加工、表面工程等。E-mail: meeywzhu@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: TG58; TG732

Prediction of subsurface microcrack depth of brittle materials based on co-training SVR

  • 摘要:

    为克服固结磨料研磨脆性材料的亚表面微裂纹深度有效样本数不足的困境,实现其准确预测,采用协同训练SVR构建预测模型,对比不同标记训练集划分方法对测试集均方误差的影响;后以监督学习PSO-SVR模型为对照,比较二者的预测性能;最后以标记训练集未包含的脆性材料微晶玻璃和氟化钙为加工对象,进行工件的研磨及角度抛光法裂纹深度检测实验,并将检测的4组亚表面微裂纹深度值与协同训练SVR模型的预测值对比。结果表明:分开划分法下的协同训练SVR模型具有更小的均方误差;相比于PSO-SVR模型,协同训练SVR模型的均方误差和平均绝对百分比误差分别减小9%和17%,且其对4组验证实验的预测误差在1.2%~13.8%。表明协同训练SVR模型,可较为准确地预测固结磨料研磨脆性材料的亚表面微裂纹深度。

     

  • 图  1  协同训练SVR算法流程图

    Figure  1.  Algorithm flowchart of co-training SVR

    图  2  不同划分方法下测试集MSE值的变化曲线

    Figure  2.  Change curves of MSE values of test set under different partition methods

    图  3  模型预测误差

    Figure  3.  Prediction error of the models

    图  4  1#工件不同深度的亚表面微裂纹分布

    Figure  4.  Subsurface microcrack distribution at different depths of 1# workpiece

    图  5  亚表面微裂纹消失的终点

    Figure  5.  End point of subsurface microcrack disappearance

    图  6  检测值与模型预测值对比

    Figure  6.  Comparison between the measured values and the predicted values of the model

    表  1  亚表面微裂纹深度训练样本集

    Table  1.   Subsurface microcrack depth training sample set

    样本
    编号
    输入参数输出参数
    材料种类莫氏硬度

    M
    弹性模量

    E / GPa
    断裂韧性

    KIC / (MPa·m1/2)
    磨粒粒径

    D50 / μm
    研磨压力

    p / kPa
    亚表面微裂纹深度
    d / μm
    1 K9玻璃 7.0 61.0 0.70 40 7.10 3.62
    2 K9玻璃 7.0 61.0 0.70 28 7.10 2.91
    3 石英玻璃 7.5 70.0 0.75 70 10.37 14.42
    4 石英玻璃 7.5 70.0 0.75 30 10.37 6.45
    5 石英玻璃 7.5 70.0 0.75 5 10.37 1.36
    6 镁铝尖晶石 8.2 190.0 1.44 30 10.37 7.12
    7 镁铝尖晶石 8.2 190.0 1.44 50 10.37 10.73
    8 铌酸锂 5.0 195.0 0.70 14 15.00 1.73
    9 硫化锌 3.0 85.5 1.06 5 20.00 2.02
    10 蓝宝石 9.0 380.0 3.50 28 28.00 4.98
    11 K9玻璃 7.0 61.0 0.70 20 7.10 1.17
    12 石英玻璃 7.5 70.0 0.75 50 10.37 9.94
    13 镁铝尖晶石 8.2 190.0 1.44 70 10.37 14.95
    14 镁铝尖晶石 8.2 190.0 1.44 5 10.37 1.81
    15 铌酸锂 5.0 195.0 0.70 28 15.00 5.53
    16 铌酸锂 5.0 195.0 0.70 25 12.50 4.82
    17 铌酸锂 5.0 195.0 0.70 14 12.50 1.34
    18 硫化锌 3.0 85.5 1.06 15 20.00 3.98
    19 硫化锌 3.0 85.5 1.06 30 20.00 8.27
    20 蓝宝石 9.0 380.0 3.50 50 28.00 7.53
    21 蓝宝石 9.0 380.0 3.50 14 28.00 2.84
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    表  2  亚表面微裂纹深度测试样本集

    Table  2.   Subsurface microcrack depth test sample set

    样本
    编号
    输入参数输出参数
    材料种类莫氏硬度

    M
    弹性模量

    E / GPa
    断裂韧性

    KIC / (MPa·m1/2)
    磨粒粒径

    D50 / μm
    研磨压力

    p / kPa
    亚表面微裂纹深度
    d / μm
    22 石英玻璃 7.5 70.0 0.75 14 10.37 3.59
    23 镁铝尖晶石 8.2 190.0 1.44 14 10.37 3.71
    24 铌酸锂 5.0 195.0 0.70 28 7.10 3.28
    25 硫化锌 3.0 85.5 1.06 25 20.00 6.27
    26 蓝宝石 9.0 380.0 3.50 65 28.00 10.64
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    表  3  部分未标记数据集

    Table  3.   Partial unlabeled data set

    材料
    种类
    输入参数
    莫氏硬度
    M
    弹性模量
    E / GPa
    断裂韧性
    KIC / (MPa·m1/2)
    磨粒粒径
    D50 / μm
    研磨压力
    p / kPa
    YAG晶体8.5280.01.042021.00
    氧化镓5.5200.00.854010.00
    单晶硅7.0187.00.8228 7.10
    单晶锗6.0115.00.562821.00
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    表  4  模型评价指标

    Table  4.   Evaluation metrics of the models

    评价指标PSO-SVR协同训练SVR
    MSE0.82650.7525
    MAPE / % 15.0 12.5
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    表  5  验证样本集

    Table  5.   Validation sample set

    实验
    编号
    材料种类输入参数
    莫氏硬
    M
    弹性模量
    E / GPa
    断裂韧性
    KIC /
    (MPa·m1/2)
    磨粒粒径
    D50 / μm
    研磨压力
    p / kPa
    1#微晶玻璃6.5 90.00.902010.00
    2#微晶玻璃6.5 90.00.902020.00
    3#微晶玻璃6.5 90.00.902810.00
    4#氟化钙4.0187.00.822020.00
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    表  6  研磨工艺参数

    Table  6.   Lapping process parameters

    参数类型取值
    微晶玻璃氟化钙
    磨料垫转速 n1 / (r·min−1)8585
    工件转速 n2 / (r·min−1)8080
    研磨液流量 Q / (mL·min−1)6060
    研磨时间 t0 / min15 5
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    表  7  角度抛光工艺参数

    Table  7.   Angle polishing process parameters

    参数类型取值
    微晶玻璃氟化钙
    抛光压力 p1 / kPa1015
    磨料垫转速 n3 / (r·min−1)8585
    工件转速 n4 / (r·min−1)8080
    聚氨酯抛光时间 t1 / min3010
    绒布抛光时间 t2 / min4040
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    表  8  腐蚀液及腐蚀条件

    Table  8.   Corrosion liquids and corrosion conditions

    材料种类腐蚀液
    (质量比)
    腐蚀时间
    t3 / min
    腐蚀温度
    θ / ℃
    微晶玻璃HF∶NH4F=1∶20420
    氟化钙浓硫酸520
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-01-10
  • 修回日期:  2023-02-28
  • 录用日期:  2023-03-15
  • 网络出版日期:  2023-11-06
  • 刊出日期:  2023-12-01

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