1 緒論

切削力是金屬切削過(guò)程中的主要物理現(xiàn)象之一，其大小直接影響切削熱、加工表面質(zhì)量、刀具磨損及刀具耐用度等，加工過(guò)程中軸向分力的不斷變化影響著工件表面質(zhì)量，徑向分力對(duì)工件形狀精度的影響也很大[7]，可見(jiàn)切削狀態(tài)的每一個(gè)細(xì)微的變化都可以通過(guò)切削力的數(shù)值反映出來(lái)，加工過(guò)程中出現(xiàn)的刀具磨損、機(jī)床發(fā)生的故障以及產(chǎn)生的顫振等現(xiàn)象也都可以通過(guò)切削力的監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)�？梢钥闯銮邢髁Φ淖兓冀K貫穿整個(gè)切削過(guò)程，因此實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)切削過(guò)程中的切削力，對(duì)于研究加工過(guò)程的切削機(jī)理、優(yōu)化切削工藝參數(shù)以及確定刀具的幾何角度有著重要作用，同時(shí)對(duì)于提高機(jī)械制造水平也有著重大意義。測(cè)力儀是監(jiān)測(cè)切削過(guò)程常用的一種力傳感器，主要是用于監(jiān)控切削過(guò)程中切削力的變化，通過(guò)觀察切削力的變化可以監(jiān)測(cè)刀具的工作狀態(tài)，并根據(jù)刀具的最佳工作狀態(tài)制定切削參數(shù)，達(dá)到最佳生產(chǎn)效率。有研究表明，數(shù)控系統(tǒng)配置刀具監(jiān)控儀后可減少因故障停機(jī)時(shí)間的 75%，提高生產(chǎn)率 50%以上。對(duì)測(cè)力儀的研制和使用，國(guó)外極為重視，早在二十世紀(jì)七十年代美國(guó)國(guó)際生產(chǎn)工程協(xié)會(huì)就開(kāi)始了測(cè)力儀的設(shè)計(jì)標(biāo)定和試驗(yàn)。我國(guó)也在上世紀(jì)七十年代由國(guó)家科技技術(shù)委員會(huì)對(duì)測(cè)力儀的性能（剛度、靈敏度、固有頻率等）方面提出了基本要求[8]。
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2 嵌入外圓車(chē)刀的薄膜微傳感器的理論分析及有限元仿真

2.1 薄膜微傳感器的工作原理分析

以外圓車(chē)削為例，將薄膜傳感器嵌入外圓車(chē)刀刀桿，當(dāng)外圓車(chē)刀刀尖受到載荷時(shí)，與車(chē)刀一體的薄膜傳感器隨刀桿產(chǎn)生應(yīng)變，電橋電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出電壓。其中薄膜電阻發(fā)生變化的主要原因有兩個(gè)，一個(gè)是基于薄膜電阻幾何參數(shù)的變化，即應(yīng)變效應(yīng)；另一個(gè)是基于薄膜材料的壓阻特性，即應(yīng)力對(duì)電子自由程的影響。本章在 2.3 和 2.5 部分分別建立外圓車(chē)刀刀桿嵌入薄膜微傳感器的理論模型與有限元實(shí)體模型，分析應(yīng)變效應(yīng)下刀尖受載與輸出電壓之間的關(guān)系，仿真壓阻效應(yīng)下刀尖受載與輸出電壓之間的關(guān)系，比較同等條件下的兩種輸出電壓值以確定薄膜微傳感器的主要工作原理。

2.2 嵌入外圓車(chē)刀的薄膜微傳感器的簡(jiǎn)化模型

由上述公式可以看出，懸臂梁表面上任意點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變不僅與外力有關(guān)，同時(shí)與懸臂梁的厚度、寬度以及梁上的任意點(diǎn)到自由端的距離有關(guān)。因此，薄膜應(yīng)變傳感器嵌入外圓車(chē)刀刀桿時(shí)，需要確定最佳的嵌入位置尺寸，即當(dāng)車(chē)刀刀尖受切削力時(shí),薄膜傳感器能夠產(chǎn)生最大應(yīng)變、應(yīng)力，可以獲得最強(qiáng)的輸出信號(hào)。由于外圓車(chē)刀刀具類(lèi)型較多，本章主要是把外圓車(chē)刀分為直頭、彎頭兩種，其中直頭外圓車(chē)刀分為刀尖處于刀桿中心線位置的45°直頭外圓車(chē)刀，，刀尖不在刀桿中心線位置的普通直頭外圓車(chē)刀兩種情況，從理論方面討論車(chē)刀刀尖受力時(shí)，各個(gè)方向上的切削力與傳感器輸出電壓之間的關(guān)系。

3 薄膜傳感器的影響因素分析及設(shè)計(jì) ....... 55

3.1 薄膜微傳感器性能的影響因素分析.... 55 

3.2 薄膜傳感器的設(shè)計(jì)...... 58 

3.3 本章小結(jié).............68

4 鎳鉻合金薄膜傳感器的制備及性能檢測(cè) ..... 70

4.1 薄膜微傳感器的基底........... 70 

4.2 鎳鉻合金薄膜的制備............ 73 

4.3 鎳鉻合金薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸及性能檢測(cè)............. 80 

4.4 本章小結(jié)................ 87

5 薄膜微傳感器的試驗(yàn)驗(yàn)證及信號(hào)處理系統(tǒng) ....... 88

5.1 嵌入外圓車(chē)刀的薄膜微傳感器切削力測(cè)試系統(tǒng)....88

5.2 薄膜微傳感器的試驗(yàn)驗(yàn)證..... 89 

5.3 輸出電壓的對(duì)比................ 99

5.4 信號(hào)處理系統(tǒng)................ 99 

5.5 本章小結(jié)........... 106

5 薄膜微傳感器的試驗(yàn)驗(yàn)證及信號(hào)處理系統(tǒng)

5.1 嵌入外圓車(chē)刀的薄膜微傳感器切削力測(cè)試系統(tǒng)

薄膜微傳感器具有尺寸小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此將其嵌入到外圓車(chē)刀的刀桿上以實(shí)現(xiàn)刀具與傳感器一體化測(cè)量切削力的思想，其與信號(hào)采集、處理部分組成一個(gè)較為完整的切削力測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)此測(cè)力系統(tǒng)可以有效監(jiān)測(cè)和控制切削過(guò)程中的切削力信號(hào)，如圖 5.1 所示。把薄膜微傳感器嵌入到外圓車(chē)刀的刀桿上，切削時(shí)產(chǎn)生的輸出電壓信號(hào)由信號(hào)處理系統(tǒng)采集、傳輸、轉(zhuǎn)換及還原，同時(shí)與電腦中存儲(chǔ)的切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超出正常切削力規(guī)定百分比的時(shí)候，電腦會(huì)通過(guò)反饋系統(tǒng)控制機(jī)床發(fā)出警報(bào)提醒操作人員換刀或者切削力急劇增加的時(shí)候控制機(jī)床緊急停止，通過(guò)測(cè)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)切削力的測(cè)量以及對(duì)切削狀態(tài)的控制。

5.2 薄膜微傳感器的試驗(yàn)驗(yàn)證

按照?qǐng)D5.1與5.2所示的薄膜傳感器嵌入外圓車(chē)刀刀桿的測(cè)力系統(tǒng)，本章把薄膜微傳感器分別粘貼在懸臂梁和外圓車(chē)刀的刀桿上進(jìn)行加載試驗(yàn)，在懸臂梁的自由端和刀尖位置加載砝碼和重物，觀察懸臂梁和刀桿受載產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)薄膜微傳感器產(chǎn)生的應(yīng)變和輸出電壓，分析輸出電壓、應(yīng)變與施加載荷之間的關(guān)系，并與第二章中的理論輸出電壓值與仿真輸出電壓值相互驗(yàn)證。因?yàn)橹苽渫瓿傻幕咨嫌袃煞N方案、四個(gè)薄膜微傳感器，所以首先需要分割微傳感器單元，線切割被認(rèn)為是一種比較合適的方法。在切割試驗(yàn)過(guò)程中，為了避免損壞制備完成的薄膜微傳感器，首先用線切割的方法直接切割鈦合金基底，看是否會(huì)引起基底材料發(fā)生變化，圖 5.3（a）中基底左側(cè)的切割部分為采用線切割方式得到的切割效果，可以發(fā)現(xiàn)切割位置兩側(cè)的鈦合金表面燒傷嚴(yán)重，采用立銑刀銑削的方式銑削同一片鈦合金基底，發(fā)現(xiàn)銑削后的位置表面沒(méi)有任何燒傷，如圖 5.3（a）中右側(cè)的切割部分為銑削后的效果，因此采用銑削方式切割沉積在鈦合金基底上的傳感器。由于銑削時(shí)需用切削液，為了避免在切割過(guò)程中污染合金薄膜表面，在其表面先涂覆一層光刻膠再進(jìn)行切割，如圖 5.3（b）所示；切割后的傳感器單元如圖 5.3（c）所示，從圖中可以看出一個(gè)完整的傳感器基底被切割為 4 組傳感器單元，經(jīng)過(guò)切割的基片在切割位置沒(méi)有被污染、燒傷，切割效果較好。

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6 總結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)薄膜微傳感器在理論、仿真、設(shè)計(jì)、制備、性能檢測(cè)以及試驗(yàn)等幾方面的研究，得出以下一些結(jié)論：（1）針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)力儀在使用中存在的問(wèn)題，提出了刀具與薄膜傳感器一體化測(cè)量切削力的方法，以外圓車(chē)刀為例，把薄膜傳感器嵌入到外圓車(chē)刀刀桿部分，建立了理論模型與有限元模型，分析和仿真了嵌入薄膜微傳感器的輸出電壓。首先基于應(yīng)變效應(yīng)從理論方面分析了直頭、彎頭外圓車(chē)刀在刀尖受到單向力時(shí)，嵌入刀桿表面的薄膜微傳感器產(chǎn)生的輸出電壓與施加載荷之間的關(guān)系，從公式中可以看出薄膜微傳感器的輸出電壓與外圓車(chē)刀刀桿尺寸、合金薄膜性能參數(shù)及其靈敏度系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：59981