刀具嵌入式合金薄膜应变测力传感器工艺参数耦合作用对其电学及力学性能的影响研究

The project takes the process control of the tool-embedded alloy thin-film strain force sensor as the object. The basic theory of the innovative design of the tool structure, the sensors structure design and the process preparation are discussed. These issues such as sensor influence mechanism that the design parameters, sputter deposition process parameters on itself of the electrical and mechanical properties, sensors performance prediction and control, macroscopic evaluation and so on are researched. The influence law of process parameters on the electrical and mechanical properties of the sensors are explored by process test research, performance test analysis and simulation calculation. Based on the sensitivity of the controllable process parameters to the sensor performance, established the preparation control method and the performance evaluation system of the alloy thin-film strain sensors based on the tool-embedded. The control method of the sensor performance stable region based on the sensitivity of the process parameter is proposed. The mechanism model of the coupling of the process parameter to the sensor performance is established. On this basis, through the optimization of the process parameters of multi-objective and multi-variable coupling. According to the sensor performance requirements, obtained the basic theory and data to select and control process parameters. Research work will facilitate the development of intelligent monitoring and inspection techniques for cutting systems and have important theoretical significance and engineering application value.

项目以刀具嵌入式合金薄膜应变测力传感器的制备过程控制为载体，结合刀具结构创新设计、传感器结构设计及工艺制备的基本理论分析，研究设计工艺参数、溅射沉积工艺参数对传感器电学及力学性能影响机理、性能预测、控制及宏观评价等难题。通过工艺试验研究、性能测试分析、仿真计算等，掌握工艺参数对传感器电学及力学性能的影响规律；基于可控工艺参数对传感器性能影响的敏感度，建立刀具嵌入式合金薄膜应变测力传感器制备工艺控制方法和性能评价体系；提出基于工艺参数敏感度的传感器性能稳定域控制方法，建立工艺参数对传感器性能耦合作用机理模型，揭示工艺参数对工艺过程及传感器性能影响的耦合作用机理；在此基础上，通过对多目标多变量耦合作用的工艺参数进行优化，以获得依据传感器性能要求选择和控制工艺参数的基础理论和数据。研究工作对于切削加工系统的智能监控与检测技术的发展，具有重要的理论指导意义和工程应用价值。

切削力是机械加工的重要参数，是研究切削机理、指导实际加工、设计加工系统的基础。本项目针对机械加工过程中切削力测量的问题，采用结构集成与信息集成的方法实现切削力测量用合金薄膜传感器的应变结构和惠斯通电桥一体化方式，利用磁控、离子束溅射沉积薄膜技术及湿法刻蚀等半导体技术，将弹性薄膜应变传感器沉积嵌入刀具结构中，将加工过程中刀具的切削力变形映射到薄膜应变传感器的输出信号，提出了一种与刀具一体化的薄膜传感器结构与切削力在线测量方法。.通过对刀具切削力性质及应变传感器测量原理的分析，揭示了切削力与传感器信号的映射关系，建立了切削力测量系统的力学模型和传感器理论模型，研究了刀具基体上沉积多层功能膜系构建薄膜应变传感器嵌入式刀具测量系统的设计原理、方法及技术；基于刀具强度、刚度、灵敏度等性能指标相互协调的原则，建立了薄膜应变传感器嵌入式刀具测量系统刀具结构设计理论与优化方法；研究薄膜应变传感器结构，建立了包含有整体结构、弹性基底结构、电阻栅结构、传感器各部分材料选择的薄膜应变传感器设计理论；通过研究多目标工艺参数对薄膜应变传感器电学及力学性能影响的耦合作用机理，建立了刀具嵌入式薄膜应变传感器电学、力学性能表征参数及宏观评价体系。.为切削加工系统的切削力测量与智能监控与检测的发展提供了一种新的研究手段和理论依据。研制的刀具系统可以填补国内空白，为推动智能制造装备技术研究的发展奠定基础，具有十分重要的学术价值和应用价值。

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