刀具嵌入式切削力测量用薄膜传感器关键技术研究-机械制造及自动化专业论文.docxVIP

中北大学学位论文 中北大学学位论文 摘 要 精密、超精密加工技术的不断发展，要求切削力测量传感器及系统微小化、高精度、 高分辨率、高响应、实时性等。研制高精度、能适应恶劣环境测量压力要求的薄膜电阻 测力传感器具有广阔的应用前景和很好的社会效益。基于MEMS技术，在刀具内嵌入薄 膜微传感器测量切削力，可以直接的反应刀具工作情况，具有准确、有效、可靠性高的 特点。 本文对嵌入刀具的薄膜传感器测量切削力的关键技术做了如下研究： 1. 分析研究了切削力测量仪及切削测量技术的现状及发展，特别是切削力测量用的 薄膜应变传感器的应用与优势，介绍了薄膜制备的方法与工艺。 2. 在对薄膜传感器的测力原理进行分析的基础上设计了一种嵌入刀具的薄膜测力 传感器，具体在以下几方面进行了设计：基片大小、薄膜传感器在刀具表面的位置、薄 膜敏感栅的形状及阻值以及传感器的绝缘层与保护层材料的选择。本课题选定了Ni—Cr 合金薄膜为传感器电阻栅的材料。 3. 将刀具—传感器系统简化为悬臂梁结构，对刀具受力、电阻栅应变、传感器输出 电压三者之间关系进行了理论分析与公式推导，得到传感器的输出电压与受到外力大小 的关系。 4. 对薄膜传感器制备过程中的关键工艺进行了研究，包括薄膜传感器基片的制备、 多层薄膜的制备工艺以及电阻栅的光刻工艺，并进行了一些加工上的实验，为后续的研 究工作奠定了必要的基础。 在结论中总结了所做的研究工作，并对后续相关工作提出展望和探讨。这些研究对 嵌入刀具的薄膜传感器测量切削力系统的发展具有一定的价值与意义。 关键词：薄膜传感器，薄膜应变栅，刀具嵌入，离子溅射沉积，压阻系数 Abstract With the development of Precise and ultra-precision machining technology, the cutting force measurement sensors and systems is more miniaturizated, higher-precision, higher-resolution, higher-response, real-time and so on. The research of f thin-film resistors sensor which is high-precision, able to adapt to the harsh environment requirements has broad application prospects and good social benefits. Based on MEMS technology , measuring the cutting force through the micro- sensor embedded in the tool can directly response the cutting behavior and this method is accurate, efficient , and high reliability. This paper made the following studies about some key technology of the measuring cutting force thin-film sensor which is embedded in the tool cutting: Analysis the status quo and development of the cutting force measuring instrument and the measurement technique of cutting, especially the applications and advantages of thin-film strain sensors which is measuring cutting force. Introduce some method of thin film preparation and process. Based on analyzing the thin film sensor principle of measuring the force, this paper designs a thin film sensor embedded in the tool, the design specifically in the following aspects: the substrate size, the position of thin film sensors in the to