机械合金薄膜传感器测量切削力技术的研究

发布时间：2014-09-12 09:10

【摘要】 切削力作为一个重要的监测信号直接反映了切削加工过程中刀具的切削状态，能实时准确地获取切削过程中的切削力信号对改进切削方式、提高切削质量具有重要意义。而现代切削加工正在向高速、高效、强力切削、精密及超精密加工方向发展，传统切削测力仪已难以适应现代切削加工的动态环境，研究开发实时的、高精度的、高效的切削力测力系统是近几年切削测力仪研究中的主要课题。近年来薄膜传感器技术越来越成熟，已被广泛应用到各个不同的领域中，也为应变式切削测力仪的发展提供了一个新的突破口。在前人研究的基础上，本文首先探讨了应变式传感器工作的基本原理，设计了一种新型的合金薄膜传感器单元，此传感器单元可直接用于切削力的测量；研究了传感器单元各层的材料和尺寸，并构建了一个刀具切削力测量系统，对其进行了理论分析，得出了测量系统的输出公式。为研究合金薄膜的压阻特性，用ansys软件建立了简化的悬臂梁传感器模型，探讨了用ansys12.0软件进行压阻耦合场分析的可行性，研究了合金薄膜厚度、布片位置与传感器输出的关系，并利用此模型对康铜薄膜和镍铬薄膜的压阻特性进行了对比分析，发现镍铬薄膜灵敏度更高；建立了刀具切削力测量系统的简化模型，对传感器单元输出特性进行了仿真分析，验证了理论输出公式的正确性，推算了电压输出公式。研究了合金薄膜传感器单元的制备工艺技术，根据现有加工条件和技术设计了制备传感器各层所需要的工艺流程，研究了离子束溅射镀膜和离子束刻蚀的原理，进行了初步试验研究工作，为后续研究打下了基础。
 
【关键词】 合金薄膜； 传感器单元； 切削力； ANSYS； 离子束溅射； 离子束刻蚀；

第1章 绪论

1.1 课题来源及其依据
在现代机械制造过程中，切削加工是占比重最大的机械加工方法[1]。在切削加工过程中，影响切削质量的因素较多，其中主要因素有刀具的状态和性能、工件的特性和加工性等。其中刀具切削状态对加工质量的影响较大，对切削加工过程中刀具的状态的研究一直是广大学者广泛关注的领域。切削力作为一个重要的监测信号直接反映了切削加工过程中刀具的切削状态，能实时准确地获取切削过程中的切削力信号对改进切削方式、提高切削质量具有重要意义[1]。如何能准确有效地获取切削力信号一直以来都是国内外机械加工与研究领域相关人员的重点研究课题。在切削加工过程中，以往有很多研究人员通过大量的切削实验来获取切削数据，通过这些切削数据来研究切削过程中各个切削参数的规律，并建立了一些切削参数的数据库。正确的切削参数对提高机床生产效率、降低生产成本具有十分重要的意义，选择合理的切削参数已成为机械加工领域主要的技术问题之一[2,3]。但是在实际条件下，影响切削加工的因素众多，不同环境下微小因素的差别都会导致切削数据的不同。而随着加工技术的进步和材料学的不断发展，新兴的加工工艺如高速切削、微细切削等不断出现，新型机床性能不断提高，刀具材料和刀具参数较以前有了很大改进，使得以往建立的切削参数数据库不再适用，只能作为一个研究切削过程的参考。因此，改进切削状态监测手段、获取实时准确的切削数据，从而重新建立切削参数的数据库势在必行。此外通过合理的监测手段，还可以检测刀具的磨损量，选择合理的切削参数，预防因刀具磨损带来的损失[4]。
随着科学技术的发展，测试技术也越来越多的应用到了自动化生产过程中，同时自动化生产技术不断发展，对测试技术的要求也越来越多。传感器是测试过程中不可或缺的部分，是最重要的元件，也是测试过程中的一个主要的误差来源。现代传感器技术作为当今世界上最具代表性的高新技术之一，汇集了各个学科领域的先进成果，已经成为引导一个国家科技发展的风向标，代表了一个国家科学技术的最先进水平。切削测力仪是刀具状态监测中最常用到的传感器之一。研究切削力的变化，对制定切削用量、优化刀具几何参数具有指导作用，同时还可以监控刀具的切削状态，对提高加工生产效率有非常重要的意义。因此，切削测力仪是现代自动化加工中实现状态监控、自适应控制和最优控制必不可少的工具。
一般常用的切削测力仪主要有压电式切削测力仪和应变式切削测力仪[5]。其中压电式切削测力仪刚度高、动态性好，但是此类测力仪有电荷泄漏的问题，而且存在固有频率低、造价高的缺点，这样使它的推广和应用受到了一定的限制。而一般的应变式切削测力仪虽然造价较低，但是由于其转换元件为箔式应变片，与弹性元件的连接为胶接，因此此类测力仪存在稳定性差、蠕变与迟滞较大的缺点[6]。故研究新型转换元件以代替传统的箔式应变片成为了当今应变式切削测力仪研究中的一个关键技术。而薄膜传感器技术的发展为此项研究带来了新的契机。相较于其它类型的传感器，薄膜传感器有很多优点，其具有电阻温度系数低、使用温度范围广等优点,使其能广泛应用于高温环境中，并且薄膜传感器还具有响应快、误差小、稳定性好、耐腐蚀等优点，能满足在一些恶劣环境中的使用[6,7]。本项研究拟将薄膜传感器技术应用于应变式切削测力仪中,从而能大大提高测力仪的精度和稳定性，具有很高的应用前景和现实意义。
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1.2 切削测力仪国内外研究现状
为了研究切削过程中的刀具及工件状态，人们研制了各种适用于刀具切削过程的传感器，其中切削测力仪是用来获取切削力信号的。从切削测力仪产生至今已有七十多年的历史，对切削测力仪的研究历程大致可以分为三个阶段[8-11]。第一个阶段是探索阶段，这个阶段主要研究的是如何将力转换成其它物理量，例如将力转换成可见位移信号或电压电流信号等方法性的试验研究，在此期间先后出现了适用于刀具切削过程的机械式、电阻应变式、电磁式、电容式以及液压式等测力仪，多在实验室试用；第二个阶段是静态条件下对各切削分力的测式研究阶段，这个阶段研究的是静态条件下准确测出不同加工条件下切削力的三个分力，在这个时期电阻应变式测力仪得到了迅速的发展，已经具备了很高的精度，在这个时期应用十分广泛，是这个时期切削测力仪的代表；第三阶段是动态条件下对切削力的测式研究阶段，在实际切削加工中，影响切削力的因素很多，而近代高速切削和精密加工技术的发展对切削测力仪提出了更高的要求，研制出能适用于各种动态环境的切削测力仪是近几十年来机械加工技术发展的需要，而近些年传感器技术的发展为切削测力仪的动态化提供了可能。常用的切削测力仪包括压电式、应变式、电容式及液压式等，目前使用最广泛的是压电式切削测力仪和应变式切削测力仪。
1.2.1压电式切削测力仪的研究现状
压电式切削测力仪的传感元件是压电元件。它的主要工作原理是压电效应[8,12,13]:压电晶体受到外力作用而发生形变时，它们表面上会因内部产生的极化现象而产生电荷，而将外力去掉时，这些晶体又会回到无电荷的状态，这种现象就是压电效应。通过测量这些电荷量从而可以达到测量切削力的目的。一般常用的压电元件材料有压电晶体、压电陶瓷和新型压电材料三类。早在第二次世界大战以前就出现了压电式切削测力仪[5]，最早出现的压电式切削测力仪是以压电石英晶体作为传感元件，起初的压电式切削测力仪只能进行单向力的测量。经过几十年的发展，1963年一种三向车削测力仪在德国阿亨工业大学研制成功，它的核心器件是一种三向压电石英传感器。不久以后瑞士Kistler公司对压电式切削测力仪的研究取得了一系列的成果，他们先是通过技术改进研制成功了一种具备优良性能的压电石英力传感器；随后通过这种传感器研制了新型的车削、钻削、铣削测力仪，并且设计了一种多分量测力平台，改进了电荷放大器等技术；然后依据这些技术的革新开发了一种成套的压电测试系统，开辟了压电测试的新局面。由于技术等原因，我国对压电切削测力仪的研究开始的较晚，直到1977年才有大连工业学院的学者孙宝元等人开始了压电式切削测力仪的研究与开发工作[14,15]。经过数十年的研究，我国压电式切削测力仪的研究也取得了不小的成果，其中以大连理工大学为代表，先后研制出了单向、双向、三向压电式切削测力仪以及切削力测力平台[16-20]。
进入新世纪以来，压电式切削测力仪的发展也进入了一个新的局面，目前常见的压电式切削测力仪根据其结构主要分为测力平台和刀杆式两大类别。测力平台一般是直接安放在切削工作台面，将刀具或工件装夹在其上以进行切削力的测量，如图1.1所示为Kistler公司的测力平台铣削时测过程力。而目前国内外常见的压电式切削测力仪也以测力平台居多。其中具有代表性的是瑞士Kistler公司研制的9129A型车削力测量系统，如图1.2所示，该产品具有较宽的测量范围和较高的固有频率, 适合用于实际生产过程中分析复杂的切削过程。此外，国外产的其它先进的切削测力仪还有Kistler公司生产的9255C型车削测力仪和9125A型铣削测力仪、大连理工大学研制的YDCB-III05压电式三向切削测力仪[19]。测力平台刚性好，测力范围宽，静、动性能好，但是测力仪整体质量较大，制造工艺复杂且成本很高。刀杆式测力仪主要有大连理工大学研制的YDC-11189车削测力仪[18]。刀杆式测力仪价格相对较为便宜，但存在电荷泄漏的问题。
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第2章 合金薄膜传感器单元的理论设计

2.1 应变式传感器设计原理
所研究的合金薄膜传感器单元要实现的是切削力的测量，是应变式传感器，属于力传感器的一种。
应变式传感器是最常用的力传感器之一，与其它各种力传感器相比，应变式传感器结构简单，体积小重量轻，使用方便，测量性能稳定可靠，分辨率和灵敏度较高，价格十分便宜，能适用于不同环境中的动态、静态测量[44]。因此在机械、航空航天、医学、建筑、船舶、石油化工、汽车工业等领域都有很广泛的应用，在各种压力传感器中具有很重要的地位。
应变式传感器属于位移式传感器，转换元件是应变电阻，主要的工作原理是电阻应变效应。当金属或半导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种效应我们称为电阻应变效应[45]。

如图 2.1 所示，设一个应变电阻长度为 l，横截面积为 A，电阻率为 ρ，则此应变电阻阻值应为:

当此应变电阻受拉力 F 作用时，伸长量为 Δl，横截面积相应减少量为 ΔA，电阻率因晶格变形改变量为 dρ，从而引起电阻值相对变化量为：

其中纵向应变：

横向应变：

式中：μ 为应变电阻的泊松比，负号表示与应变轴向方向相反。可得：

式中

式中：k0为此电阻材料的灵敏系数，指单位应变能引起的电阻值变化。其物理意义为单位应变能引起的电阻相对变化量。由式（2.6）可知影响灵敏系数 k0的因素有两点[44]：
（1）应变片受力后引起的电阻材料几何尺寸的变化，即 1+2μ；
（2）应变片受力后引起的电阻材料电阻率发生的变化，即(dρ/ρ)/ε。
其中对于半导体材料来说，电阻灵敏度系数表达式中(dρ/ρ)/ε 的值要比 1+2μ 的值大得多，因此可以认为半导体的电阻变化主要是由电阻率变化引起的。而对于金属材料，电阻变化一般认为是由电阻率变化和形变共同作用引起的。其中半导体材料的电阻灵敏度系数相较于金属材料要高很多，其中半导体材料的灵敏系数要比金属材料高50~80倍，但半导体材料有很大的温度系数，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。
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2.2 合金薄膜传感器单元整体设计
2.2.1 传感器单元整体方案设计
本文所设计的切削力传感器用于车削加工中切削力的测量，以车刀整体作为弹性元件结构。除去夹持部分，车刀的其余部分可以看作一个悬臂梁结构的弹性元件。由于在切削过程中，刀尖受到了多向力共同作用，仅用传统的悬臂梁结构测力方式难以准确的获得刀尖所受各方向的切削力信号。为此科研人员设计了许多复杂结构的弹性元件形式，如八角环式、薄壁筒式等，这些弹性元件可以作为测力刀架直接装夹刀具，然后将应变片贴在这些弹性元件上，通过测量弹性元件各个方向的变形来确定各个方向切削力的大小。但是这些应变式测力仪一直使用的不广泛，一是使用这些结构复杂的弹性元件会带来测力仪刚度的损失，二是应变式切削测力仪的转换元件一直以来用的是箔式应变片，使测力仪灵敏度不高，难以适应动态测量环境。
因此，本文设计了一种新的传感器单元结构，可将其直接焊接在刀具的四个侧面上，避免了弹性元件结构带来的刚度损失，同时传感器采用合金薄膜电阻作为转换元件，通过扩散焊直接将传感器单元焊接在刀体上，具有较高的灵敏度。

本文编号：8819