發(fā)布時間：2014-09-12 09:10

【摘要】 切削力作為一個重要的監(jiān)測信號直接反映了切削加工過程中刀具的切削狀態(tài)，能實時準確地獲取切削過程中的切削力信號對改進切削方式、提高切削質(zhì)量具有重要意義。而現(xiàn)代切削加工正在向高速、高效、強力切削、精密及超精密加工方向發(fā)展，傳統(tǒng)切削測力儀已難以適應現(xiàn)代切削加工的動態(tài)環(huán)境，研究開發(fā)實時的、高精度的、高效的切削力測力系統(tǒng)是近幾年切削測力儀研究中的主要課題。近年來薄膜傳感器技術越來越成熟，已被廣泛應用到各個不同的領域中，也為應變式切削測力儀的發(fā)展提供了一個新的突破口。在前人研究的基礎上，本文首先探討了應變式傳感器工作的基本原理，設計了一種新型的合金薄膜傳感器單元，此傳感器單元可直接用于切削力的測量；研究了傳感器單元各層的材料和尺寸，并構(gòu)建了一個刀具切削力測量系統(tǒng)，對其進行了理論分析，得出了測量系統(tǒng)的輸出公式。為研究合金薄膜的壓阻特性，用ansys軟件建立了簡化的懸臂梁傳感器模型，探討了用ansys12.0軟件進行壓阻耦合場分析的可行性，研究了合金薄膜厚度、布片位置與傳感器輸出的關系，并利用此模型對康銅薄膜和鎳鉻薄膜的壓阻特性進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)鎳鉻薄膜靈敏度更高；建立了刀具切削力測量系統(tǒng)的簡化模型，對傳感器單元輸出特性進行了仿真分析，驗證了理論輸出公式的正確性，推算了電壓輸出公式。研究了合金薄膜傳感器單元的制備工藝技術，根據(jù)現(xiàn)有加工條件和技術設計了制備傳感器各層所需要的工藝流程，研究了離子束濺射鍍膜和離子束刻蝕的原理，進行了初步試驗研究工作，為后續(xù)研究打下了基礎。
 
【關鍵詞】 合金薄膜； 傳感器單元； 切削力； ANSYS； 離子束濺射； 離子束刻蝕；

第1章 緒論

1.1 課題來源及其依據(jù)
在現(xiàn)代機械制造過程中，切削加工是占比重最大的機械加工方法[1]。在切削加工過程中，影響切削質(zhì)量的因素較多，其中主要因素有刀具的狀態(tài)和性能、工件的特性和加工性等。其中刀具切削狀態(tài)對加工質(zhì)量的影響較大，對切削加工過程中刀具的狀態(tài)的研究一直是廣大學者廣泛關注的領域。切削力作為一個重要的監(jiān)測信號直接反映了切削加工過程中刀具的切削狀態(tài)，能實時準確地獲取切削過程中的切削力信號對改進切削方式、提高切削質(zhì)量具有重要意義[1]。如何能準確有效地獲取切削力信號一直以來都是國內(nèi)外機械加工與研究領域相關人員的重點研究課題。在切削加工過程中，以往有很多研究人員通過大量的切削實驗來獲取切削數(shù)據(jù)，通過這些切削數(shù)據(jù)來研究切削過程中各個切削參數(shù)的規(guī)律，并建立了一些切削參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。正確的切削參數(shù)對提高機床生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有十分重要的意義，選擇合理的切削參數(shù)已成為機械加工領域主要的技術問題之一[2,3]。但是在實際條件下，影響切削加工的因素眾多，不同環(huán)境下微小因素的差別都會導致切削數(shù)據(jù)的不同。而隨著加工技術的進步和材料學的不斷發(fā)展，新興的加工工藝如高速切削、微細切削等不斷出現(xiàn)，新型機床性能不斷提高，刀具材料和刀具參數(shù)較以前有了很大改進，使得以往建立的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫不再適用，只能作為一個研究切削過程的參考。因此，改進切削狀態(tài)監(jiān)測手段、獲取實時準確的切削數(shù)據(jù)，從而重新建立切削參數(shù)的數(shù)據(jù)庫勢在必行。此外通過合理的監(jiān)測手段，還可以檢測刀具的磨損量，選擇合理的切削參數(shù)，預防因刀具磨損帶來的損失[4]。
隨著科學技術的發(fā)展，測試技術也越來越多的應用到了自動化生產(chǎn)過程中，同時自動化生產(chǎn)技術不斷發(fā)展，對測試技術的要求也越來越多。傳感器是測試過程中不可或缺的部分，是最重要的元件，也是測試過程中的一個主要的誤差來源�，F(xiàn)代傳感器技術作為當今世界上最具代表性的高新技術之一，匯集了各個學科領域的先進成果，已經(jīng)成為引導一個國家科技發(fā)展的風向標，代表了一個國家科學技術的最先進水平。切削測力儀是刀具狀態(tài)監(jiān)測中最常用到的傳感器之一。研究切削力的變化，對制定切削用量、優(yōu)化刀具幾何參數(shù)具有指導作用，同時還可以監(jiān)控刀具的切削狀態(tài)，對提高加工生產(chǎn)效率有非常重要的意義。因此，切削測力儀是現(xiàn)代自動化加工中實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、自適應控制和最優(yōu)控制必不可少的工具。
一般常用的切削測力儀主要有壓電式切削測力儀和應變式切削測力儀[5]。其中壓電式切削測力儀剛度高、動態(tài)性好，但是此類測力儀有電荷泄漏的問題，而且存在固有頻率低、造價高的缺點，這樣使它的推廣和應用受到了一定的限制。而一般的應變式切削測力儀雖然造價較低，但是由于其轉(zhuǎn)換元件為箔式應變片，與彈性元件的連接為膠接，因此此類測力儀存在穩(wěn)定性差、蠕變與遲滯較大的缺點[6]。故研究新型轉(zhuǎn)換元件以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的箔式應變片成為了當今應變式切削測力儀研究中的一個關鍵技術。而薄膜傳感器技術的發(fā)展為此項研究帶來了新的契機。相較于其它類型的傳感器，薄膜傳感器有很多優(yōu)點，其具有電阻溫度系數(shù)低、使用溫度范圍廣等優(yōu)點,使其能廣泛應用于高溫環(huán)境中，并且薄膜傳感器還具有響應快、誤差小、穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)點，能滿足在一些惡劣環(huán)境中的使用[6,7]。本項研究擬將薄膜傳感器技術應用于應變式切削測力儀中,從而能大大提高測力儀的精度和穩(wěn)定性，具有很高的應用前景和現(xiàn)實意義。
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1.2 切削測力儀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
為了研究切削過程中的刀具及工件狀態(tài)，人們研制了各種適用于刀具切削過程的傳感器，其中切削測力儀是用來獲取切削力信號的。從切削測力儀產(chǎn)生至今已有七十多年的歷史，對切削測力儀的研究歷程大致可以分為三個階段[8-11]。第一個階段是探索階段，這個階段主要研究的是如何將力轉(zhuǎn)換成其它物理量，例如將力轉(zhuǎn)換成可見位移信號或電壓電流信號等方法性的試驗研究，在此期間先后出現(xiàn)了適用于刀具切削過程的機械式、電阻應變式、電磁式、電容式以及液壓式等測力儀，多在實驗室試用；第二個階段是靜態(tài)條件下對各切削分力的測式研究階段，這個階段研究的是靜態(tài)條件下準確測出不同加工條件下切削力的三個分力，在這個時期電阻應變式測力儀得到了迅速的發(fā)展，已經(jīng)具備了很高的精度，在這個時期應用十分廣泛，是這個時期切削測力儀的代表；第三階段是動態(tài)條件下對切削力的測式研究階段，在實際切削加工中，影響切削力的因素很多，而近代高速切削和精密加工技術的發(fā)展對切削測力儀提出了更高的要求，研制出能適用于各種動態(tài)環(huán)境的切削測力儀是近幾十年來機械加工技術發(fā)展的需要，而近些年傳感器技術的發(fā)展為切削測力儀的動態(tài)化提供了可能。常用的切削測力儀包括壓電式、應變式、電容式及液壓式等，目前使用最廣泛的是壓電式切削測力儀和應變式切削測力儀。
1.2.1壓電式切削測力儀的研究現(xiàn)狀
壓電式切削測力儀的傳感元件是壓電元件。它的主要工作原理是壓電效應[8,12,13]:壓電晶體受到外力作用而發(fā)生形變時，它們表面上會因內(nèi)部產(chǎn)生的極化現(xiàn)象而產(chǎn)生電荷，而將外力去掉時，這些晶體又會回到無電荷的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就是壓電效應。通過測量這些電荷量從而可以達到測量切削力的目的。一般常用的壓電元件材料有壓電晶體、壓電陶瓷和新型壓電材料三類。早在第二次世界大戰(zhàn)以前就出現(xiàn)了壓電式切削測力儀[5]，最早出現(xiàn)的壓電式切削測力儀是以壓電石英晶體作為傳感元件，起初的壓電式切削測力儀只能進行單向力的測量。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，1963年一種三向車削測力儀在德國阿亨工業(yè)大學研制成功，它的核心器件是一種三向壓電石英傳感器。不久以后瑞士Kistler公司對壓電式切削測力儀的研究取得了一系列的成果，他們先是通過技術改進研制成功了一種具備優(yōu)良性能的壓電石英力傳感器；隨后通過這種傳感器研制了新型的車削、鉆削、銑削測力儀，并且設計了一種多分量測力平臺，改進了電荷放大器等技術；然后依據(jù)這些技術的革新開發(fā)了一種成套的壓電測試系統(tǒng)，開辟了壓電測試的新局面。由于技術等原因，我國對壓電切削測力儀的研究開始的較晚，直到1977年才有大連工業(yè)學院的學者孫寶元等人開始了壓電式切削測力儀的研究與開發(fā)工作[14,15]。經(jīng)過數(shù)十年的研究，我國壓電式切削測力儀的研究也取得了不小的成果，其中以大連理工大學為代表，先后研制出了單向、雙向、三向壓電式切削測力儀以及切削力測力平臺[16-20]。
進入新世紀以來，壓電式切削測力儀的發(fā)展也進入了一個新的局面，目前常見的壓電式切削測力儀根據(jù)其結(jié)構(gòu)主要分為測力平臺和刀桿式兩大類別。測力平臺一般是直接安放在切削工作臺面，將刀具或工件裝夾在其上以進行切削力的測量，如圖1.1所示為Kistler公司的測力平臺銑削時測過程力。而目前國內(nèi)外常見的壓電式切削測力儀也以測力平臺居多。其中具有代表性的是瑞士Kistler公司研制的9129A型車削力測量系統(tǒng)，如圖1.2所示，該產(chǎn)品具有較寬的測量范圍和較高的固有頻率, 適合用于實際生產(chǎn)過程中分析復雜的切削過程。此外，國外產(chǎn)的其它先進的切削測力儀還有Kistler公司生產(chǎn)的9255C型車削測力儀和9125A型銑削測力儀、大連理工大學研制的YDCB-III05壓電式三向切削測力儀[19]。測力平臺剛性好，測力范圍寬，靜、動性能好，但是測力儀整體質(zhì)量較大，制造工藝復雜且成本很高。刀桿式測力儀主要有大連理工大學研制的YDC-11189車削測力儀[18]。刀桿式測力儀價格相對較為便宜，但存在電荷泄漏的問題。
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第2章 合金薄膜傳感器單元的理論設計

2.1 應變式傳感器設計原理
所研究的合金薄膜傳感器單元要實現(xiàn)的是切削力的測量，是應變式傳感器，屬于力傳感器的一種。
應變式傳感器是最常用的力傳感器之一，與其它各種力傳感器相比，應變式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小重量輕，使用方便，測量性能穩(wěn)定可靠，分辨率和靈敏度較高，價格十分便宜，能適用于不同環(huán)境中的動態(tài)、靜態(tài)測量[44]。因此在機械、航空航天、醫(yī)學、建筑、船舶、石油化工、汽車工業(yè)等領域都有很廣泛的應用，在各種壓力傳感器中具有很重要的地位。
應變式傳感器屬于位移式傳感器，轉(zhuǎn)換元件是應變電阻，主要的工作原理是電阻應變效應。當金屬或半導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種效應我們稱為電阻應變效應[45]。

如圖 2.1 所示，設一個應變電阻長度為 l，橫截面積為 A，電阻率為 ρ，則此應變電阻阻值應為:

當此應變電阻受拉力 F 作用時，伸長量為 Δl，橫截面積相應減少量為 ΔA，電阻率因晶格變形改變量為 dρ，從而引起電阻值相對變化量為：

其中縱向應變：

橫向應變：

式中：μ 為應變電阻的泊松比，負號表示與應變軸向方向相反�？傻茫�

式中

式中：k0為此電阻材料的靈敏系數(shù)，指單位應變能引起的電阻值變化。其物理意義為單位應變能引起的電阻相對變化量。由式（2.6）可知影響靈敏系數(shù) k0的因素有兩點[44]：
（1）應變片受力后引起的電阻材料幾何尺寸的變化，即 1+2μ；
（2）應變片受力后引起的電阻材料電阻率發(fā)生的變化，即(dρ/ρ)/ε。
其中對于半導體材料來說，電阻靈敏度系數(shù)表達式中(dρ/ρ)/ε 的值要比 1+2μ 的值大得多，因此可以認為半導體的電阻變化主要是由電阻率變化引起的。而對于金屬材料，電阻變化一般認為是由電阻率變化和形變共同作用引起的。其中半導體材料的電阻靈敏度系數(shù)相較于金屬材料要高很多，其中半導體材料的靈敏系數(shù)要比金屬材料高50~80倍，但半導體材料有很大的溫度系數(shù)，應變時非線性比較嚴重，使它的應用范圍受到一定的限制。
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2.2 合金薄膜傳感器單元整體設計
2.2.1 傳感器單元整體方案設計
本文所設計的切削力傳感器用于車削加工中切削力的測量，以車刀整體作為彈性元件結(jié)構(gòu)。除去夾持部分，車刀的其余部分可以看作一個懸臂梁結(jié)構(gòu)的彈性元件。由于在切削過程中，刀尖受到了多向力共同作用，僅用傳統(tǒng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)測力方式難以準確的獲得刀尖所受各方向的切削力信號。為此科研人員設計了許多復雜結(jié)構(gòu)的彈性元件形式，如八角環(huán)式、薄壁筒式等，這些彈性元件可以作為測力刀架直接裝夾刀具，然后將應變片貼在這些彈性元件上，通過測量彈性元件各個方向的變形來確定各個方向切削力的大小。但是這些應變式測力儀一直使用的不廣泛，一是使用這些結(jié)構(gòu)復雜的彈性元件會帶來測力儀剛度的損失，二是應變式切削測力儀的轉(zhuǎn)換元件一直以來用的是箔式應變片，使測力儀靈敏度不高，難以適應動態(tài)測量環(huán)境。
因此，本文設計了一種新的傳感器單元結(jié)構(gòu)，可將其直接焊接在刀具的四個側(cè)面上，避免了彈性元件結(jié)構(gòu)帶來的剛度損失，同時傳感器采用合金薄膜電阻作為轉(zhuǎn)換元件，通過擴散焊直接將傳感器單元焊接在刀體上，具有較高的靈敏度。

本文編號：8819