刀具嵌入式薄膜微傳感器切削力測量技術(shù)的基礎(chǔ)研究.pdf

1、切削加工是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中一種廣泛應(yīng)用的機(jī)械加工方法，隨著現(xiàn)代加工制造業(yè)的發(fā)展，對切削加工提出了高質(zhì)量、高效率的要求，切削力是金屬切削加工過程中一個(gè)重要的物理現(xiàn)象，直接對切削熱、刀具磨損、刀具耐用度及工件的表面加工質(zhì)量等方面產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有的切削測力儀由于體積較大，在應(yīng)用時(shí)經(jīng)常受到空間大小與環(huán)境因素等方面的限制，因此開展測量切削力的新原理、新方法和新技術(shù)的研究對有效監(jiān)控現(xiàn)代加工過程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文提出一種基于刀具、薄膜

2、微傳感器一體化測量切削力的方法，以刀具嵌入式薄膜微傳感器所涉及的理論、仿真、設(shè)計(jì)、制備及試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)為研究對象，重點(diǎn)在薄膜微傳感器測量切削力的主要原理、薄膜及基底材料的選擇、電阻柵的設(shè)計(jì)、制備工藝、檢測及試驗(yàn)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，為測量各種條件下的切削力提供了一種新的方法和手段。論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)以外圓車削為例，開展了薄膜傳感器嵌入外圓車刀刀桿實(shí)現(xiàn)一體化測量切削力的研究，首先分析了在車刀刀尖施加載荷時(shí)，薄膜傳感

3、器產(chǎn)生的應(yīng)變、輸出電壓與施加載荷之間的關(guān)系，結(jié)果表明嵌入外圓車刀刀桿的薄膜傳感器在受到載荷時(shí)產(chǎn)生的輸出電壓與載荷之間呈良好的線性關(guān)系;
　　(2)建立了薄膜微傳感器嵌入直頭、彎頭兩種外圓車刀的理論模型，討論了在刀尖受各單向載荷時(shí)，傳感器輸出電壓與施加載荷之間的理論關(guān)系，發(fā)現(xiàn)傳感器產(chǎn)生的輸出電壓不僅與施加載荷的大小有關(guān)，而且與刀桿尺寸，薄膜材料及性能以及傳感器到夾持端的距離有關(guān);
　　(3)建立了嵌入薄膜微傳感器外圓車刀的有限

4、元實(shí)體模型，仿真了外圓車刀受到單向力、雙向力、三向力時(shí)的輸出電壓，研究了各向載荷與輸出電壓之間的關(guān)系，一方面發(fā)現(xiàn)同等載荷條件下，在Z向產(chǎn)生的輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在X，Y方向的輸出電壓，驗(yàn)證了在外圓車削中Z向力是主切削力的觀點(diǎn);另一方面發(fā)現(xiàn)雙向或三向力產(chǎn)生的輸出電壓值等于所施加兩個(gè)或三個(gè)方向載荷時(shí)產(chǎn)生輸出電壓的代數(shù)和，相互獨(dú)立，互不干涉，說明在外加載荷條件下產(chǎn)生的輸出電壓符合線性疊加原理;
　　(4)闡述了影響薄膜微傳感器性能的主要因素

5、以及各因素的影響程度，選擇了薄膜微傳感器的基底和薄膜材料，確定了薄膜濺射工藝，根據(jù)車削工藝參數(shù)確定的切削力范圍，結(jié)合合金薄膜性能、掩模版的制作工藝等方面設(shè)計(jì)了薄膜微傳感器的電阻柵結(jié)構(gòu)及參數(shù)，討論了電阻柵的橫向效應(yīng)對電阻變化的影響，表明橫向效應(yīng)對傳感器的輸出電壓影響很小，可以忽略;
　　(5)研制了嵌入式薄膜微傳感器，檢測了離子束濺射薄膜的厚度、方阻、微觀硬度及電阻柵結(jié)構(gòu)尺寸，利用掃描電鏡和能譜分析觀察了合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和成分，發(fā)

6、現(xiàn)薄膜表面致密，沒有氣孔、裂紋等缺陷，合金薄膜的微觀硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的宏觀硬度，且合金薄膜的成分及百分含量穩(wěn)定，完全可以滿足薄膜傳感器的試驗(yàn)要求;
　　(6)完成了薄膜微傳感器粘貼在懸臂梁和外圓車刀刀桿上測量外加載荷的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明薄膜微傳感器的應(yīng)變值隨著載荷的梯度增加而呈階躍式梯度增加，輸出電壓與施加載荷的大小呈良好的線性關(guān)系，驗(yàn)證了所提出的理論方法。
　　(7)比較了同等條件下輸出電壓的理論值、仿真值及試驗(yàn)值，結(jié)合試

7、驗(yàn)過程中因施加載荷產(chǎn)生的應(yīng)變值，發(fā)現(xiàn)壓阻效應(yīng)下的仿真輸出電壓最小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值及試驗(yàn)值，說明應(yīng)變效應(yīng)是薄膜傳感器測量切削力的主要原理;同時(shí)發(fā)現(xiàn)載荷越大，差值越大，也說明在載荷較大的情況下，壓阻效應(yīng)產(chǎn)生的輸出電壓不可忽略;
　　(8)構(gòu)建了嵌入外圓車刀的薄膜微傳感器與信號處理部分組成的一個(gè)較為完整的測力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)、編寫了采集與處理信號中濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換等相關(guān)模塊的電路和程序，可以實(shí)現(xiàn)對薄膜微傳感器產(chǎn)生的應(yīng)變以及對應(yīng)電壓輸出的信