嵌入薄膜微传感器测量切削力刀具的设计及试验研究

发布时间：2020-03-23 05:11

【摘要】：传统的应变式测力仪已经无法满足机械加工中对加工精度日益增长的需求,同时薄膜技术的发展又为微传感器的制备提供了条件,因而,薄膜传感器成为当前各个领域竞相研究的对象。将薄膜传感器用于测量切削力的研究对提高切削加工的精度、效率以及有效地监控加工过程有着重要的意义。本文主要以薄膜传感器的测力原理、刀具系统设计及有限元分析、薄膜传感器制备等为研究对象,主要工作如下。阐述了传感器的测力原理,并将传感器单元从组成、选材到电阻栅结构一一进行了设计研究。比较了两种电阻栅结构的优缺点,并分析了横向效应对电阻栅阻值的影响。基于提高薄膜微传感器输出特性及协调刀具强度刚性的方法,研究了几种嵌入薄膜微传感器的切削力测量车刀系统。设计了一种由车刀和布置有测力传感器的基底通过螺钉连接的测力刀具结构,建立了刀杆截面形状的图谱,并推导了截面形状与输出特性之间的函数关系。还设计了几种车削刀具结构,在提高灵敏度的同时,还分别实现了双向力、三向力的测量。使用ABAQUS有限元软件,分析了几种刀具结构的应力,验证了结构的可靠性和优越性。分析了当弹性薄片的厚度由大到小依次递减时,刀具结构的应力变化情况,并得出了弹性结构的厚度对传感器输出特性的影响规律。设计了曲面响应法试验方案,对影响薄膜溅射速率的因素进行试验研究,探讨了Ni80Cr20薄膜制备的工艺参数。利用Minitab分析软件对试验数据进行回归拟合,并对曲面图和曲线图进行分析对比,得出各因素的最佳参数范围。
【图文】：

如图 1.1 所示，以当前机械工业的发展趋势，传感器技术想要跟得上发展的脚步，应该从以下途径和方向继续创新和改进。图1.1 传感器技术的发展途径和发展趋势薄膜微传感器的出现主要得益于材料技术和薄膜技术的快速发展，距离溅射技术首次出现已经过去了六十几年了，在这期间，薄膜技术的发展进程如下图 1.2 所示[25-28]。在现阶段，也就是第三阶段，主要攻克的技术难题是如何精准地控制薄膜沉积的过程和怎样制备出均匀性良好及厚度可控的薄膜，而薄膜技术只是确保薄膜性能优良的其

图 1.2 薄膜技术的发展进程料可以是金属、合金或者半导体材料，但三者中合金的性能和获优势，，目前使用的合金多半是康铜、镍铬[29-31]。使用合金材料制稳定性好，能够保证测量的准确性，同时耐高温、耐腐蚀，可以境。近年来，经过对薄膜材料和技术的不断尝试和改进，成果近年来的最新研究。en 和 C.C. Yu 等将 Pd，Au 和 Cu 等材料用到制备压电薄膜传感验研究分析，发现这几种金属作为压电材料测力时，其薄膜的电相关，应变系数与材料的表面电阻率也相关，且薄膜厚度不能。Gaviraj S Nadvi 和 Donald P Butler 使用一种中间物质作为媒介接的方式与基底连接，对薄膜施加载荷使其发生弯曲，导致电桥是一种直接测力的压电传感器。Ali Basti 等人研制了一种温度削速度高达到 16m/s 时，A6061-T6 型铝合金的车削温度[32]。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG71;TP212

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本文编号：2596242