一种嵌入薄膜传感器的一体式车削力测量刀具系统的制作方法

本发明涉及车削加工中的车削力测量技术，具体是一种嵌入薄膜传感器的一体式车削力测量刀具系统。

背景技术：

在车削加工过程中，车削力直接影响着工艺系统的变形、刀具磨损、功率消耗以及切削热的产生。因此，车削力的测量对研究车削机理和指导实际车削加工具有十分重要的意义。在现有技术条件下，车削力的测量主要是采用应变式测力仪或压电式测力仪来实现的。然而，这两种测力仪由于自身结构所限，存在如下问题：其一，应变式测力仪存在的问题是：由于电阻应变片粘贴工艺的局限性，一方面导致其测量精度低，另一方面导致其不适合在高温环境下使用，由此导致其适用范围受限。其二，压电式测力仪存在的问题是：由于压电晶体单向性不够，导致其测量三向力时存在相互干涉、测量静态力时具有滞后性，由此导致其测量精度低。其三，应变式测力仪和压电式测力仪共同存在的问题是：体积较大，由此导致适用范围受限。基于此，有必要发明一种全新的车削力测量系统，以解决现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限的问题，提供了一种嵌入薄膜传感器的一体式车削力测量刀具系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种嵌入薄膜传感器的一体式车削力测量刀具系统，包括车刀刀杆、车刀刀片、第i沉头螺钉、方形弹性基片、薄膜传感器、惠斯通电桥模块、第ii沉头螺钉、信号处理模块、pc机；

其中，车刀刀杆的上侧面前端开设有装配凹槽，且装配凹槽的槽底开设有第i螺纹凹孔；车刀刀杆的左侧面后端开设有两个第ii螺纹凹孔；车刀刀杆的四个侧面中部各开设有一个方形定位凹槽，且四个方形定位凹槽连通为一体；每个方形定位凹槽的前槽壁均延伸设置有两个相互对称的前定位凸起；每个方形定位凹槽的后槽壁均延伸设置有两个相互对称的后定位凸起；每个方形定位凹槽的槽底中央均开设有一个跑道形凹槽，且跑道形凹槽的槽腔为外粗内细的阶梯形槽腔；相对的两个跑道形凹槽的槽底中央之间各开设有一个圆形通孔，且两个圆形通孔交叉连通；车刀刀片嵌设于装配凹槽内，且车刀刀片的下表面与装配凹槽的槽底接触；车刀刀片的表面贯通开设有第i沉头孔，且第i沉头孔与第i螺纹凹孔连通；第i沉头螺钉贯穿第i沉头孔，且第i沉头螺钉的尾端旋拧于第i螺纹凹孔内；

方形弹性基片的数目为四个；每个方形弹性基片的前边缘均开设有两个相互对称的前定位豁口；每个方形弹性基片的后边缘均开设有两个相互对称的后定位豁口；四个方形弹性基片分别嵌设于四个方形定位凹槽内，且四个方形弹性基片的内侧面分别与四个方形定位凹槽的槽底扩散焊接；八个前定位豁口分别与八个前定位凸起吻合；八个后定位豁口分别与八个后定位凸起吻合；薄膜传感器的数目为四个；四个薄膜传感器分别磁控溅射沉积于四个方形弹性基片的外侧面中央；惠斯通电桥模块的输入端分别与四个薄膜传感器的输出端连接；惠斯通电桥模块的表面贯通开设有两个第ii沉头孔；第ii沉头螺钉的数目为两个；两个第ii沉头螺钉分别贯穿两个第ii沉头孔，且两个第ii沉头螺钉的尾端分别旋拧于两个第ii螺纹凹孔内；信号处理模块的输入端与惠斯通电桥模块的输出端连接；信号处理模块的输出端与pc机的输入端连接。

具体工作过程如下：在进行车削加工时，车刀刀片的刀尖处受到车削力，车削力经车刀刀杆作用于四个方形弹性基片，使得车刀刀杆的中部和四个方形弹性基片产生较大的应力，由此使得车刀刀杆的中部和四个方形弹性基片发生形变，从而使得四个薄膜传感器发生形变。此时，由于四个薄膜传感器的输出信号不一致，使得惠斯通电桥模块处于非平衡状态，惠斯通电桥模块由此输出电压信号，该电压信号经信号处理模块进行处理后传输至pc机，pc机根据接收到的电压信号即可实时获取车削加工中的车削力信息。在上述过程中，四个跑道形凹槽和两个圆形通孔能够显著减小车刀刀杆的截面惯性矩，由此有助于提高惠斯通电桥模块的输出灵敏度，从而有助于提高测量精度。根据车削加工的实际要求，可以更换不同形状、角度的车刀刀片，由此提高加工效率、降低加工成本。更换车刀刀片时，仅需拆下第i沉头螺钉即可实现更换。

基于上述过程，与现有车削力测量技术相比，本发明所述的一种嵌入薄膜传感器的一体式车削力测量刀具系统通过采用全新结构，实现了集车削加工功能和车削力测量功能于一体，由此具备了如下优点：其一，与应变式测力仪相比，本发明不再受电阻应变片粘贴工艺的局限性影响，因此其测量精度更高，且适合在高温环境下使用，由此使得适用范围不再受限。其二，与压电式测力仪相比，本发明不再受压电晶体单向性不够的影响，因此其测量三向力时不存在相互干涉、测量静态力时不具有滞后性，由此使得测量精度更高。其三，与应变式测力仪和压电式测力仪相比，本发明的体积更小，因此其适用范围不再受限。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限的问题，适用于各种场合（例如实验室、生产现场等）下的车削加工。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的部分结构示意图。

图3是本发明中跑道形凹槽和圆形通孔的结构示意图。

图4是本发明中方形弹性基片和薄膜传感器的结构示意图。

图中：1-车刀刀杆，2-车刀刀片，3-第i沉头螺钉，4-方形弹性基片，5-薄膜传感器，6-惠斯通电桥模块，7-第ii沉头螺钉，8-信号处理模块，9-前定位凸起，10-后定位凸起，11-跑道形凹槽，12-圆形通孔，13-前定位豁口，14-后定位豁口。

具体实施方式

一种嵌入薄膜传感器的一体式车削力测量刀具系统，包括车刀刀杆1、车刀刀片2、第i沉头螺钉3、方形弹性基片4、薄膜传感器5、惠斯通电桥模块6、第ii沉头螺钉7、信号处理模块8、pc机；

其中，车刀刀杆1的上侧面前端开设有装配凹槽，且装配凹槽的槽底开设有第i螺纹凹孔；车刀刀杆1的左侧面后端开设有两个第ii螺纹凹孔；车刀刀杆1的四个侧面中部各开设有一个方形定位凹槽，且四个方形定位凹槽连通为一体；每个方形定位凹槽的前槽壁均延伸设置有两个相互对称的前定位凸起9；每个方形定位凹槽的后槽壁均延伸设置有两个相互对称的后定位凸起10；每个方形定位凹槽的槽底中央均开设有一个跑道形凹槽11，且跑道形凹槽11的槽腔为外粗内细的阶梯形槽腔；相对的两个跑道形凹槽11的槽底中央之间各开设有一个圆形通孔12，且两个圆形通孔12交叉连通；车刀刀片2嵌设于装配凹槽内，且车刀刀片2的下表面与装配凹槽的槽底接触；车刀刀片2的表面贯通开设有第i沉头孔，且第i沉头孔与第i螺纹凹孔连通；第i沉头螺钉3贯穿第i沉头孔，且第i沉头螺钉3的尾端旋拧于第i螺纹凹孔内；

方形弹性基片4的数目为四个；每个方形弹性基片4的前边缘均开设有两个相互对称的前定位豁口13；每个方形弹性基片4的后边缘均开设有两个相互对称的后定位豁口14；四个方形弹性基片4分别嵌设于四个方形定位凹槽内，且四个方形弹性基片4的内侧面分别与四个方形定位凹槽的槽底扩散焊接；八个前定位豁口13分别与八个前定位凸起9吻合；八个后定位豁口14分别与八个后定位凸起10吻合；薄膜传感器5的数目为四个；四个薄膜传感器5分别磁控溅射沉积于四个方形弹性基片4的外侧面中央；惠斯通电桥模块6的输入端分别与四个薄膜传感器5的输出端连接；惠斯通电桥模块6的表面贯通开设有两个第ii沉头孔；第ii沉头螺钉7的数目为两个；两个第ii沉头螺钉7分别贯穿两个第ii沉头孔，且两个第ii沉头螺钉7的尾端分别旋拧于两个第ii螺纹凹孔内；信号处理模块8的输入端与惠斯通电桥模块6的输出端连接；信号处理模块8的输出端与pc机的输入端连接。

具体实施时，所述车刀刀片2采用可转位刀片。所述薄膜传感器5由磁控溅射沉积于方形弹性基片4的外侧面的若干个应变电阻栅组成。所述信号处理模块8包括信号采集电路、滤波电路、信号放大电路、数模转换电路；信号采集电路的输入端作为信号处理模块8的输入端；信号采集电路的输出端与滤波电路的输入端连接；滤波电路的输出端与信号放大电路的输入端连接；信号放大电路的输出端与数模转换电路的输入端连接；数模转换电路的输出端作为信号处理模块8的输出端。