切削過程中產(chǎn)生的切削力影響工件的質(zhì)量和刀具磨損。實時、準(zhǔn)確的切削力監(jiān)測對研究切削機理、提高加工質(zhì)量具有重要意義�；谇度氲毒叩谋∧�(yīng)變傳感器的測力原理,本文構(gòu)建了嵌入薄膜應(yīng)變傳感器的切削力測量刀具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)刀具強度、剛度理論與嵌入刀具的多層復(fù)合薄膜應(yīng)變傳感器的變形、靈敏度等相互協(xié)調(diào)的原則,設(shè)計了典型的幾種嵌入優(yōu)化刀柄結(jié)構(gòu)的薄膜傳感器切削力測量刀具系統(tǒng),以實現(xiàn)單向、多向切削力的在線監(jiān)控測量。在此基礎(chǔ)上,本文重點研究了一種嵌入鎳鉻薄膜應(yīng)變傳感器的切削力測量刀具系統(tǒng)。完成了優(yōu)化刀柄結(jié)構(gòu)的嵌入式薄膜傳感器的有限元仿真分析。研究了薄膜傳感器復(fù)合層結(jié)構(gòu)中各功能層膜的制備工藝,對制備的薄膜傳感器試件進(jìn)行了電阻應(yīng)變系數(shù)和靜態(tài)單向力加載試驗研究,確定了薄膜傳感器的靜態(tài)輸出電壓與載荷之間的對應(yīng)關(guān)系,驗證與確定了嵌入車刀刀柄結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式鎳鉻薄膜傳感器實現(xiàn)主切削力測量的可行性與測量方法的正確性。主要研究工作和創(chuàng)新成果如下:(1)以應(yīng)變式薄膜傳感器測力原理和設(shè)計要求為基礎(chǔ),根據(jù)刀具強度、剛度理論及嵌入刀具中的多層薄膜應(yīng)變傳感器的變形、靈敏度等相互協(xié)調(diào)的原則,設(shè)計了幾種嵌入薄膜傳感器的切削力測量的車刀刀具系統(tǒng),主要由薄膜傳感器、優(yōu)化結(jié)構(gòu)的刀柄、切削刀片與壓緊構(gòu)件以及信號發(fā)送與處理系統(tǒng)組成。在此基礎(chǔ)上,本文重點研究了一種嵌入鎳鉻薄膜應(yīng)變傳感器的切削力測量刀具系統(tǒng)。采用在刀柄上局部開槽、鉆孔、階梯過渡等方法對刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。薄膜傳感器由45鋼基底、氮化硅絕緣層和鎳鉻薄膜應(yīng)變電阻柵組成。鎳鉻薄膜電阻應(yīng)變柵以惠斯通電橋形式連接。研究表明,在相同條件下,優(yōu)化后的刀具系統(tǒng)與優(yōu)化前相比,薄膜傳感器的輸出電壓提高1倍以上。(2)基于合金薄膜傳感器的應(yīng)變傳遞的剪滯效應(yīng),建立了合金薄膜傳感器的應(yīng)變傳遞函數(shù),研究了薄膜傳感器中電阻柵的結(jié)構(gòu)尺寸、在基底表面的排布方式對應(yīng)變剪滯系數(shù)和測量精度的影響關(guān)系。提出一種基于基底與薄膜表面的粗糙度模型來計算不同厚度薄膜的電阻率方法,并建立了相應(yīng)薄膜電阻柵的電阻率理論公式。討論了基底與薄膜表面的粗糙度對薄膜電阻柵電阻率的影響規(guī)律。為合理設(shè)計薄膜電阻柵的結(jié)構(gòu)尺寸、基底排布方式提供了一定的理論依據(jù),保證了傳感器較好的應(yīng)變測量性能。(3)以嵌入優(yōu)化刀柄結(jié)構(gòu)的薄膜傳感器為研究對象,基于應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系,建立了嵌入鎳鉻薄膜應(yīng)變傳感器的切削力測量刀具系統(tǒng)有限元分析模型,并對其進(jìn)行了力學(xué)仿真分析,研究基底表面電阻柵的應(yīng)力分布受薄膜電阻柵厚度、寬度、柵間距以及長度變化的影響規(guī)律,并據(jù)此優(yōu)化設(shè)計了薄膜電阻柵尺寸。探討了薄膜傳感器的輸出電壓與加載單向力、多向力之間的關(guān)系。當(dāng)同時施加多向力時,發(fā)現(xiàn)薄膜電阻柵在基底表面的初始排布方式無法消除x、y向力對z向力引起的測量干擾誤差,為減小與消除這種誤差,提出了兩種薄膜電阻柵在基底表面的優(yōu)化排布方式,優(yōu)化后的排布方式可以消除x向力對z向力引起的測量干擾誤差,y向力對z向力引起的測量干擾誤差占比為9.84%,達(dá)到了對z向力的測量干擾誤差減小的效果,得到了薄膜傳感器的輸出電壓與z向力之間的理論關(guān)系式。(4)研究并對比了薄膜傳感器復(fù)合膜系中各層薄膜的制備方法,根據(jù)課題組前期的試驗研究工作,選用射頻濺射沉積方法制備了氮化硅薄膜。通過顯影反膠、濺射沉積鎳鉻薄膜、剝離反膠等工藝步驟在45鋼基底表面制備鎳鉻薄膜電阻柵。借助激光顯微鏡觀察制備好的鎳鉻薄膜電阻柵圖案,并測量氮化硅薄膜、鎳鉻薄膜的厚度,分析了造成薄膜電阻柵缺陷的原因。發(fā)現(xiàn)薄膜厚度偏離理論值誤差較大,在-20%~27.75%之間,但總體上,氮化硅薄膜在2400nm以上,而鎳鉻薄膜在700nm以上。(5)利用超景深顯微鏡測量了鎳鉻合金薄膜電阻柵的寬度,電阻柵寬度與長度誤差均在3%以內(nèi),電阻柵的寬度在電極處的誤差稍大,為4.2%~5.3%。利用RTS-9四探針測試儀測量鎳鉻薄膜的電阻率,其電阻率為0.984×10-6Ω·m,測量結(jié)果比正常值要小一些,誤差為1.06%。利用半導(dǎo)體表征系統(tǒng)4200 SCS測量了若干試件的電阻柵阻值,根據(jù)阻值的測量結(jié)果優(yōu)化了傳感器中各項制備工藝,使測量值與設(shè)計值比值在2與4之間,基本滿足了設(shè)計要求。(6)對制備的嵌入優(yōu)化刀柄結(jié)構(gòu)切削力測量用的鎳鉻薄膜應(yīng)變傳感器進(jìn)行了測力標(biāo)定與試驗,研究了所制備的鎳鉻薄膜應(yīng)變傳感器測力性能與相關(guān)參數(shù)。通過單軸拉伸試驗獲得了薄膜傳感器的電阻應(yīng)變系數(shù)為1.53。通過刀尖加載靜態(tài)載荷試驗標(biāo)定了薄膜應(yīng)變傳感器靜態(tài)測力靈敏度為0.012mV/N,與理論計算值相比,最大誤差為21.44%。以KISTLER-9272測力儀對z向力的測量結(jié)果為參考基準(zhǔn),比較嵌入優(yōu)化刀柄結(jié)構(gòu)與初始刀柄結(jié)構(gòu)的兩種薄膜應(yīng)變傳感器的輸出電壓。試驗結(jié)果表明,優(yōu)化后的刀具系統(tǒng)與優(yōu)化前相比,動態(tài)測量結(jié)果的輸出電壓提高0.68倍。
【學(xué)位單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;TG71
【部分圖文】：

圖 1.4 可嵌入應(yīng)變傳感器的刀柄結(jié)構(gòu)示意圖[64]chematic of tool holder structure capable of embeddin友等[65]設(shè)計了一種相互垂直的兩個八角環(huán)彈刀柄固定連接，在八角環(huán)彈性套筒的表面粘

(a) 單懸臂梁 (b) 雙懸臂梁 (c) 十字交叉式微懸臂梁(a) Single cantilever beam (b) A double cantilever beam (c) A cross cantilever beam圖 1.11 不同懸臂梁結(jié)構(gòu)的薄膜微傳感器在掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)[103]Figure 1.11 Microstructure of thin film sensor with different cantilever structuresunder scanning electron microscope

圖 1.14 用于刀具磨損檢測的薄膜傳感器[105]Figure 1.14 Thin film sensors for detecting tool wear緣層 SiO2薄膜、電阻層 CuNi 合金（Cu55Ni4形結(jié)構(gòu)，上下邊長分別為 2.8mm、9mm。在制
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本文編號：2850826