刀具嵌入式薄膜微传感器切削力测量技术的基础研究

发布时间：2016-06-22 06:43

1 绪论

切削力是金属切削过程中的主要物理现象之一，其大小直接影响切削热、加工表面质量、刀具磨损及刀具耐用度等，加工过程中轴向分力的不断变化影响着工件表面质量，径向分力对工件形状精度的影响也很大[7]，可见切削状态的每一个细微的变化都可以通过切削力的数值反映出来，加工过程中出现的刀具磨损、机床发生的故障以及产生的颤振等现象也都可以通过切削力的监测及时发现。可以看出切削力的变化始终贯穿整个切削过程，因此实时、准确地监测切削过程中的切削力，对于研究加工过程的切削机理、优化切削工艺参数以及确定刀具的几何角度有着重要作用，同时对于提高机械制造水平也有着重大意义。测力仪是监测切削过程常用的一种力传感器，主要是用于监控切削过程中切削力的变化，通过观察切削力的变化可以监测刀具的工作状态，并根据刀具的最佳工作状态制定切削参数，达到最佳生产效率。有研究表明，数控系统配置刀具监控仪后可减少因故障停机时间的 75%，提高生产率 50%以上。对测力仪的研制和使用，国外极为重视，早在二十世纪七十年代美国国际生产工程协会就开始了测力仪的设计标定和试验。我国也在上世纪七十年代由国家科技技术委员会对测力仪的性能（刚度、灵敏度、固有频率等）方面提出了基本要求[8]。
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2 嵌入外圆车刀的薄膜微传感器的理论分析及有限元仿真

2.1 薄膜微传感器的工作原理分析

以外圆车削为例，将薄膜传感器嵌入外圆车刀刀杆，当外圆车刀刀尖受到载荷时，与车刀一体的薄膜传感器随刀杆产生应变，电桥电阻发生变化，产生输出电压。其中薄膜电阻发生变化的主要原因有两个，一个是基于薄膜电阻几何参数的变化，即应变效应；另一个是基于薄膜材料的压阻特性，即应力对电子自由程的影响。本章在 2.3 和 2.5 部分分别建立外圆车刀刀杆嵌入薄膜微传感器的理论模型与有限元实体模型，分析应变效应下刀尖受载与输出电压之间的关系，仿真压阻效应下刀尖受载与输出电压之间的关系，比较同等条件下的两种输出电压值以确定薄膜微传感器的主要工作原理。

2.2 嵌入外圆车刀的薄膜微传感器的简化模型

由上述公式可以看出，悬臂梁表面上任意点的应力、应变不仅与外力有关，同时与悬臂梁的厚度、宽度以及梁上的任意点到自由端的距离有关。因此，薄膜应变传感器嵌入外圆车刀刀杆时，需要确定最佳的嵌入位置尺寸，即当车刀刀尖受切削力时,薄膜传感器能够产生最大应变、应力，可以获得最强的输出信号。由于外圆车刀刀具类型较多，本章主要是把外圆车刀分为直头、弯头两种，其中直头外圆车刀分为刀尖处于刀杆中心线位置的45°直头外圆车刀，，刀尖不在刀杆中心线位置的普通直头外圆车刀两种情况，从理论方面讨论车刀刀尖受力时，各个方向上的切削力与传感器输出电压之间的关系。

3 薄膜传感器的影响因素分析及设计 ....... 55

3.1 薄膜微传感器性能的影响因素分析.... 55 

3.2 薄膜传感器的设计...... 58 

3.3 本章小结.............68

4 镍铬合金薄膜传感器的制备及性能检测 ..... 70

4.1 薄膜微传感器的基底........... 70 

4.2 镍铬合金薄膜的制备............ 73 

4.3 镍铬合金薄膜传感器的结构尺寸及性能检测............. 80 

4.4 本章小结................ 87

5 薄膜微传感器的试验验证及信号处理系统 ....... 88

5.1 嵌入外圆车刀的薄膜微传感器切削力测试系统....88

5.2 薄膜微传感器的试验验证..... 89 

5.3 输出电压的对比................ 99

5.4 信号处理系统................ 99 

5.5 本章小结........... 106

5 薄膜微传感器的试验验证及信号处理系统

5.1 嵌入外圆车刀的薄膜微传感器切削力测试系统

薄膜微传感器具有尺寸小、响应快等优点，因此将其嵌入到外圆车刀的刀杆上以实现刀具与传感器一体化测量切削力的思想，其与信号采集、处理部分组成一个较为完整的切削力测量系统，通过此测力系统可以有效监测和控制切削过程中的切削力信号，如图 5.1 所示。把薄膜微传感器嵌入到外圆车刀的刀杆上，切削时产生的输出电压信号由信号处理系统采集、传输、转换及还原，同时与电脑中存储的切削力数据进行比较，当采集到的数据超出正常切削力规定百分比的时候，电脑会通过反馈系统控制机床发出警报提醒操作人员换刀或者切削力急剧增加的时候控制机床紧急停止，通过测力系统实现切削力的测量以及对切削状态的控制。

5.2 薄膜微传感器的试验验证

按照图5.1与5.2所示的薄膜传感器嵌入外圆车刀刀杆的测力系统，本章把薄膜微传感器分别粘贴在悬臂梁和外圆车刀的刀杆上进行加载试验，在悬臂梁的自由端和刀尖位置加载砝码和重物，观察悬臂梁和刀杆受载产生应变时薄膜微传感器产生的应变和输出电压，分析输出电压、应变与施加载荷之间的关系，并与第二章中的理论输出电压值与仿真输出电压值相互验证。因为制备完成的基底上有两种方案、四个薄膜微传感器，所以首先需要分割微传感器单元，线切割被认为是一种比较合适的方法。在切割试验过程中，为了避免损坏制备完成的薄膜微传感器，首先用线切割的方法直接切割钛合金基底，看是否会引起基底材料发生变化，图 5.3（a）中基底左侧的切割部分为采用线切割方式得到的切割效果，可以发现切割位置两侧的钛合金表面烧伤严重，采用立铣刀铣削的方式铣削同一片钛合金基底，发现铣削后的位置表面没有任何烧伤，如图 5.3（a）中右侧的切割部分为铣削后的效果，因此采用铣削方式切割沉积在钛合金基底上的传感器。由于铣削时需用切削液，为了避免在切割过程中污染合金薄膜表面，在其表面先涂覆一层光刻胶再进行切割，如图 5.3（b）所示；切割后的传感器单元如图 5.3（c）所示，从图中可以看出一个完整的传感器基底被切割为 4 组传感器单元，经过切割的基片在切割位置没有被污染、烧伤，切割效果较好。

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6 总结与展望

通过对薄膜微传感器在理论、仿真、设计、制备、性能检测以及试验等几方面的研究，得出以下一些结论：（1）针对传统测力仪在使用中存在的问题，提出了刀具与薄膜传感器一体化测量切削力的方法，以外圆车刀为例，把薄膜传感器嵌入到外圆车刀刀杆部分，建立了理论模型与有限元模型，分析和仿真了嵌入薄膜微传感器的输出电压。首先基于应变效应从理论方面分析了直头、弯头外圆车刀在刀尖受到单向力时，嵌入刀杆表面的薄膜微传感器产生的输出电压与施加载荷之间的关系，从公式中可以看出薄膜微传感器的输出电压与外圆车刀刀杆尺寸、合金薄膜性能参数及其灵敏度系数等参数有关。

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参考文献（略）

本文编号：59981