切削加工是现代机械制造业中一种广泛应用的机械加工方法,随着现代加工制造业的发展,对切削加工提出了高质量、高效率的要求,切削力是金属切削加工过程中一个重要的物理现象,直接对切削热、刀具磨损、刀具耐用度及工件的表面加工质量等方面产生影响。现有的切削测力仪由于体积较大,在应用时经常受到空间大小与环境因素等方面的限制,因此开展测量切削力的新原理、新方法和新技术的研究对有效监控现代加工过程具有重要的现实意义。本文提出一种基于刀具、薄膜微传感器一体化测量切削力的方法,以刀具嵌入式薄膜微传感器所涉及的理论、仿真、设计、制备及试验等关键技术为研究对象,重点在薄膜微传感器测量切削力的主要原理、薄膜及基底材料的选择、电阻栅的设计、制备工艺、检测及试验等方面进行了相关研究,为测量各种条件下的切削力提供了一种新的方法和手段。论文的主要研究内容如下:(1)以外圆车削为例,开展了薄膜传感器嵌入外圆车刀刀杆实现一体化测量切削力的研究,首先分析了在车刀刀尖施加载荷时,薄膜传感器产生的应变、输出电压与施加载荷之间的关系,结果表明嵌入外圆车刀刀杆的薄膜传感器在受到载荷时产生的输出电压与载荷之间呈良好的线性关系;(2)建立了薄膜微传感器嵌入直头、弯头两种外圆车刀的理论模型,讨论了在刀尖受各单向载荷时,传感器输出电压与施加载荷之间的理论关系,发现传感器产生的输出电压不仅与施加载荷的大小有关,而且与刀杆尺寸,薄膜材料及性能以及传感器到夹持端的距离有关;(3)建立了嵌入薄膜微传感器外圆车刀的有限元实体模型,仿真了外圆车刀受到单向力、双向力、三向力时的输出电压,研究了各向载荷与输出电压之间的关系,一方面发现同等载荷条件下,在Z向产生的输出电压远远大于在X,Y方向的输出电压,验证了在外圆车削中向力是主切削力的观点;另一方面发现双向或三向力产生的输出电压值等于所施加两个或三个方向载荷时产生输出电压的代数和,相互独立,互不干涉,说明在外加载荷条件下产生的输出电压符合线性叠加原理;Z(4)阐述了影响薄膜微传感器性能的主要因素以及各因素的影响程度,选择了薄膜微传感器的基底和薄膜材料,确定了薄膜溅射工艺,根据车削工艺参数确定的切削力范围,结合合金薄膜性能、掩模版的制作工艺等方面设计了薄膜微传感器的电阻栅结构及参数,讨论了电阻栅的横向效应对电阻变化的影响,表明横向效应对传感器的输出电压影响很小,可以忽略;(5)研制了嵌入式薄膜微传感器,检测了离子束溅射薄膜的厚度、方阻、微观硬度及电阻栅结构尺寸,利用扫描电镜和能谱分析观察了合金薄膜的微观结构和成分,发现薄膜表面致密,没有气孔、裂纹等缺陷,合金薄膜的微观硬度远远大于材料的宏观硬度,且合金薄膜的成分及百分含量稳定,完全可以满足薄膜传感器的试验要求;(6)完成了薄膜微传感器粘贴在悬臂梁和外圆车刀刀杆上测量外加载荷的试验,试验结果表明薄膜微传感器的应变值随着载荷的梯度增加而呈阶跃式梯度增加,输出电压与施加载荷的大小呈良好的线性关系,验证了所提出的理论方法。(7)比较了同等条件下输出电压的理论值、仿真值及试验值,结合试验过程中因施加载荷产生的应变值,发现压阻效应下的仿真输出电压最小,远远小于理论值及试验值,说明应变效应是薄膜传感器测量切削力的主要原理;同时发现载荷越大,差值越大,也说明在载荷较大的情况下,压阻效应产生的输出电压不可忽略;(8)构建了嵌入外圆车刀的薄膜微传感器与信号处理部分组成的一个较为完整的测力系统,设计、编写了采集与处理信号中滤波放大、A/D转换等相关模块的电路和程序,可以实现对薄膜微传感器产生的应变以及对应电压输出的信号采集、分析与处理。