發(fā)布時(shí)間：2014-09-12 09:10

【摘要】 切削力作為一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)信號(hào)直接反映了切削加工過程中刀具的切削狀態(tài)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取切削過程中的切削力信號(hào)對(duì)改進(jìn)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(qiáng)力切削、精密及超精密加工方向發(fā)展，傳統(tǒng)切削測(cè)力儀已難以適應(yīng)現(xiàn)代切削加工的動(dòng)態(tài)環(huán)境，研究開發(fā)實(shí)時(shí)的、高精度的、高效的切削力測(cè)力系統(tǒng)是近幾年切削測(cè)力儀研究中的主要課題。近年來薄膜傳感器技術(shù)越來越成熟，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)不同的領(lǐng)域中，也為應(yīng)變式切削測(cè)力儀的發(fā)展提供了一個(gè)新的突破口。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文首先探討了應(yīng)變式傳感器工作的基本原理，設(shè)計(jì)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(cè)量；研究了傳感器單元各層的材料和尺寸，并構(gòu)建了一個(gè)刀具切削力測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行了理論分析，得出了測(cè)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(jìn)行壓阻耦合場(chǎng)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(guān)系，并利用此模型對(duì)康銅薄膜和鎳鉻薄膜的壓阻特性進(jìn)行了對(duì)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(cè)量系統(tǒng)的簡化模型，對(duì)傳感器單元輸出特性進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)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(shù)，根據(jù)現(xiàn)有加工條件和技術(shù)設(shè)計(jì)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(jìn)行了初步試驗(yàn)研究工作，為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。
 
【關(guān)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(jī)械制造過程中，切削加工是占比重最大的機(jī)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(duì)加工質(zhì)量的影響較大，對(duì)切削加工過程中刀具的狀態(tài)的研究一直是廣大學(xué)者廣泛關(guān)注的領(lǐng)域。切削力作為一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)信號(hào)直接反映了切削加工過程中刀具的切削狀態(tài)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取切削過程中的切削力信號(hào)對(duì)改進(jìn)切削方式、提高切削質(zhì)量具有重要意義[1]。如何能準(zhǔn)確有效地獲取切削力信號(hào)一直以來都是國內(nèi)外機(jī)械加工與研究領(lǐng)域相關(guān)人員的重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(duì)提高機(jī)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(jī)械加工領(lǐng)域主要的技術(shù)問題之一[2,3]。但是在實(shí)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(huì)導(dǎo)致切削數(shù)據(jù)的不同。而隨著加工技術(shù)的進(jìn)步和材料學(xué)的不斷發(fā)展，新興的加工工藝如高速切削、微細(xì)切削等不斷出現(xiàn)，新型機(jī)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(jìn)，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(gè)研究切削過程的參考。因此，改進(jìn)切削狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段、獲取實(shí)時(shí)準(zhǔn)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(shì)在必行。此外通過合理的監(jiān)測(cè)手段，還可以檢測(cè)刀具的磨損量，選擇合理的切削參數(shù)，預(yù)防因刀具磨損帶來的損失[4]。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試技術(shù)也越來越多的應(yīng)用到了自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，同時(shí)自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)測(cè)試技術(shù)的要求也越來越多。傳感器是測(cè)試過程中不可或缺的部分，是最重要的元件，也是測(cè)試過程中的一個(gè)主要的誤差來源�，F(xiàn)代傳感器技術(shù)作為當(dāng)今世界上最具代表性的高新技術(shù)之一，匯集了各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的先進(jìn)成果，已經(jīng)成為引導(dǎo)一個(gè)國家科技發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，代表了一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)的最先進(jìn)水平。切削測(cè)力儀是刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)中最常用到的傳感器之一。研究切削力的變化，對(duì)制定切削用量、優(yōu)化刀具幾何參數(shù)具有指導(dǎo)作用，同時(shí)還可以監(jiān)控刀具的切削狀態(tài)，對(duì)提高加工生產(chǎn)效率有非常重要的意義。因此，切削測(cè)力儀是現(xiàn)代自動(dòng)化加工中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、自適應(yīng)控制和最優(yōu)控制必不可少的工具。
一般常用的切削測(cè)力儀主要有壓電式切削測(cè)力儀和應(yīng)變式切削測(cè)力儀[5]。其中壓電式切削測(cè)力儀剛度高、動(dòng)態(tài)性好，但是此類測(cè)力儀有電荷泄漏的問題，而且存在固有頻率低、造價(jià)高的缺點(diǎn)，這樣使它的推廣和應(yīng)用受到了一定的限制。而一般的應(yīng)變式切削測(cè)力儀雖然造價(jià)較低，但是由于其轉(zhuǎn)換元件為箔式應(yīng)變片，與彈性元件的連接為膠接，因此此類測(cè)力儀存在穩(wěn)定性差、蠕變與遲滯較大的缺點(diǎn)[6]。故研究新型轉(zhuǎn)換元件以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的箔式應(yīng)變片成為了當(dāng)今應(yīng)變式切削測(cè)力儀研究中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。而薄膜傳感器技術(shù)的發(fā)展為此項(xiàng)研究帶來了新的契機(jī)。相較于其它類型的傳感器，薄膜傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，其具有電阻溫度系數(shù)低、使用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn),使其能廣泛應(yīng)用于高溫環(huán)境中，并且薄膜傳感器還具有響應(yīng)快、誤差小、穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，能滿足在一些惡劣環(huán)境中的使用[6,7]。本項(xiàng)研究擬將薄膜傳感器技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)變式切削測(cè)力儀中,從而能大大提高測(cè)力儀的精度和穩(wěn)定性，具有很高的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。
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1.2 切削測(cè)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(cè)力儀是用來獲取切削力信號(hào)的。從切削測(cè)力儀產(chǎn)生至今已有七十多年的歷史，對(duì)切削測(cè)力儀的研究歷程大致可以分為三個(gè)階段[8-11]。第一個(gè)階段是探索階段，這個(gè)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(hào)或電壓電流信號(hào)等方法性的試驗(yàn)研究，在此期間先后出現(xiàn)了適用于刀具切削過程的機(jī)械式、電阻應(yīng)變式、電磁式、電容式以及液壓式等測(cè)力儀，多在實(shí)驗(yàn)室試用；第二個(gè)階段是靜態(tài)條件下對(duì)各切削分力的測(cè)式研究階段，這個(gè)階段研究的是靜態(tài)條件下準(zhǔn)確測(cè)出不同加工條件下切削力的三個(gè)分力，在這個(gè)時(shí)期電阻應(yīng)變式測(cè)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(gè)時(shí)期應(yīng)用十分廣泛，是這個(gè)時(shí)期切削測(cè)力儀的代表；第三階段是動(dòng)態(tài)條件下對(duì)切削力的測(cè)式研究階段，在實(shí)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(shù)的發(fā)展對(duì)切削測(cè)力儀提出了更高的要求，研制出能適用于各種動(dòng)態(tài)環(huán)境的切削測(cè)力儀是近幾十年來機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展的需要，而近些年傳感器技術(shù)的發(fā)展為切削測(cè)力儀的動(dòng)態(tài)化提供了可能。常用的切削測(cè)力儀包括壓電式、應(yīng)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(cè)力儀和應(yīng)變式切削測(cè)力儀。
1.2.1壓電式切削測(cè)力儀的研究現(xiàn)狀
壓電式切削測(cè)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(yīng)[8,12,13]:壓電晶體受到外力作用而發(fā)生形變時(shí)，它們表面上會(huì)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(shí)，這些晶體又會(huì)回到無電荷的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就是壓電效應(yīng)。通過測(cè)量這些電荷量從而可以達(dá)到測(cè)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(cè)力儀[5]，最早出現(xiàn)的壓電式切削測(cè)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(cè)力儀只能進(jìn)行單向力的測(cè)量。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，1963年一種三向車削測(cè)力儀在德國阿亨工業(yè)大學(xué)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(duì)壓電式切削測(cè)力儀的研究取得了一系列的成果，他們先是通過技術(shù)改進(jìn)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(cè)力儀，并且設(shè)計(jì)了一種多分量測(cè)力平臺(tái)，改進(jìn)了電荷放大器等技術(shù)；然后依據(jù)這些技術(shù)的革新開發(fā)了一種成套的壓電測(cè)試系統(tǒng)，開辟了壓電測(cè)試的新局面。由于技術(shù)等原因，我國對(duì)壓電切削測(cè)力儀的研究開始的較晚，直到1977年才有大連工業(yè)學(xué)院的學(xué)者孫寶元等人開始了壓電式切削測(cè)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(cè)力儀的研究也取得了不小的成果，其中以大連理工大學(xué)為代表，先后研制出了單向、雙向、三向壓電式切削測(cè)力儀以及切削力測(cè)力平臺(tái)[16-20]。
進(jìn)入新世紀(jì)以來，壓電式切削測(cè)力儀的發(fā)展也進(jìn)入了一個(gè)新的局面，目前常見的壓電式切削測(cè)力儀根據(jù)其結(jié)構(gòu)主要分為測(cè)力平臺(tái)和刀桿式兩大類別。測(cè)力平臺(tái)一般是直接安放在切削工作臺(tái)面，將刀具或工件裝夾在其上以進(jìn)行切削力的測(cè)量，如圖1.1所示為Kistler公司的測(cè)力平臺(tái)銑削時(shí)測(cè)過程力。而目前國內(nèi)外常見的壓電式切削測(cè)力儀也以測(cè)力平臺(tái)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(cè)量系統(tǒng)，如圖1.2所示，該產(chǎn)品具有較寬的測(cè)量范圍和較高的固有頻率, 適合用于實(shí)際生產(chǎn)過程中分析復(fù)雜的切削過程。此外，國外產(chǎn)的其它先進(jìn)的切削測(cè)力儀還有Kistler公司生產(chǎn)的9255C型車削測(cè)力儀和9125A型銑削測(cè)力儀、大連理工大學(xué)研制的YDCB-III05壓電式三向切削測(cè)力儀[19]。測(cè)力平臺(tái)剛性好，測(cè)力范圍寬，靜、動(dòng)性能好，但是測(cè)力儀整體質(zhì)量較大，制造工藝復(fù)雜且成本很高。刀桿式測(cè)力儀主要有大連理工大學(xué)研制的YDC-11189車削測(cè)力儀[18]。刀桿式測(cè)力儀價(jià)格相對(duì)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(shè)計(jì)

2.1 應(yīng)變式傳感器設(shè)計(jì)原理
所研究的合金薄膜傳感器單元要實(shí)現(xiàn)的是切削力的測(cè)量，是應(yīng)變式傳感器，屬于力傳感器的一種。
應(yīng)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(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小重量輕，使用方便，測(cè)量性能穩(wěn)定可靠，分辨率和靈敏度較高，價(jià)格十分便宜，能適用于不同環(huán)境中的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)測(cè)量[44]。因此在機(jī)械、航空航天、醫(yī)學(xué)、建筑、船舶、石油化工、汽車工業(yè)等領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用，在各種壓力傳感器中具有很重要的地位。
應(yīng)變式傳感器屬于位移式傳感器，轉(zhuǎn)換元件是應(yīng)變電阻，主要的工作原理是電阻應(yīng)變效應(yīng)。當(dāng)金屬或半導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種效應(yīng)我們稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)[45]。

如圖 2.1 所示，設(shè)一個(gè)應(yīng)變電阻長度為 l，橫截面積為 A，電阻率為 ρ，則此應(yīng)變電阻阻值應(yīng)為:

當(dāng)此應(yīng)變電阻受拉力 F 作用時(shí)，伸長量為 Δl，橫截面積相應(yīng)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(duì)變化量為：

其中縱向應(yīng)變：

橫向應(yīng)變：

式中：μ 為應(yīng)變電阻的泊松比，負(fù)號(hào)表示與應(yīng)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(yīng)變能引起的電阻值變化。其物理意義為單位應(yīng)變能引起的電阻相對(duì)變化量。由式（2.6）可知影響靈敏系數(shù) k0的因素有兩點(diǎn)[44]：
（1）應(yīng)變片受力后引起的電阻材料幾何尺寸的變化，即 1+2μ；
（2）應(yīng)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(duì)于半導(dǎo)體材料來說，電阻靈敏度系數(shù)表達(dá)式中(dρ/ρ)/ε 的值要比 1+2μ 的值大得多，因此可以認(rèn)為半導(dǎo)體的電阻變化主要是由電阻率變化引起的。而對(duì)于金屬材料，電阻變化一般認(rèn)為是由電阻率變化和形變共同作用引起的。其中半導(dǎo)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(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)要比金屬材料高50~80倍，但半導(dǎo)體材料有很大的溫度系數(shù)，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重，使它的應(yīng)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(shè)計(jì)
2.2.1 傳感器單元整體方案設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的切削力傳感器用于車削加工中切削力的測(cè)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(gè)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(cè)力方式難以準(zhǔn)確的獲得刀尖所受各方向的切削力信號(hào)。為此科研人員設(shè)計(jì)了許多復(fù)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(cè)力刀架直接裝夾刀具，然后將應(yīng)變片貼在這些彈性元件上，通過測(cè)量彈性元件各個(gè)方向的變形來確定各個(gè)方向切削力的大小。但是這些應(yīng)變式測(cè)力儀一直使用的不廣泛，一是使用這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的彈性元件會(huì)帶來測(cè)力儀剛度的損失，二是應(yīng)變式切削測(cè)力儀的轉(zhuǎn)換元件一直以來用的是箔式應(yīng)變片，使測(cè)力儀靈敏度不高，難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)測(cè)量環(huán)境。
因此，本文設(shè)計(jì)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(gè)側(cè)面上，避免了彈性元件結(jié)構(gòu)帶來的剛度損失，同時(shí)傳感器采用合金薄膜電阻作為轉(zhuǎn)換元件，通過擴(kuò)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(hào)：8819