切削过程中产生的切削力影响工件的质量和刀具磨损。实时、准确的切削力监测对研究切削机理、提高加工质量具有重要意义。基于嵌入刀具的薄膜应变传感器的测力原理,本文构建了嵌入薄膜应变传感器的切削力测量刀具系统的数学模型。根据刀具强度、刚度理论与嵌入刀具的多层复合薄膜应变传感器的变形、灵敏度等相互协调的原则,设计了典型的几种嵌入优化刀柄结构的薄膜传感器切削力测量刀具系统,以实现单向、多向切削力的在线监控测量。在此基础上,本文重点研究了一种嵌入镍铬薄膜应变传感器的切削力测量刀具系统。完成了优化刀柄结构的嵌入式薄膜传感器的有限元仿真分析。研究了薄膜传感器复合层结构中各功能层膜的制备工艺,对制备的薄膜传感器试件进行了电阻应变系数和静态单向力加载试验研究,确定了薄膜传感器的静态输出电压与载荷之间的对应关系,验证与确定了嵌入车刀刀柄结构的应变式镍铬薄膜传感器实现主切削力测量的可行性与测量方法的正确性。主要研究工作和创新成果如下:(1)以应变式薄膜传感器测力原理和设计要求为基础,根据刀具强度、刚度理论及嵌入刀具中的多层薄膜应变传感器的变形、灵敏度等相互协调的原则,设计了几种嵌入薄膜传感器的切削力测量的车刀刀具系统,主要由薄膜传感器、优化结构的刀柄、切削刀片与压紧构件以及信号发送与处理系统组成。在此基础上,本文重点研究了一种嵌入镍铬薄膜应变传感器的切削力测量刀具系统。采用在刀柄上局部开槽、钻孔、阶梯过渡等方法对刀具结构进行了优化。薄膜传感器由45钢基底、氮化硅绝缘层和镍铬薄膜应变电阻栅组成。镍铬薄膜电阻应变栅以惠斯通电桥形式连接。研究表明,在相同条件下,优化后的刀具系统与优化前相比,薄膜传感器的输出电压提高1倍以上。(2)基于合金薄膜传感器的应变传递的剪滞效应,建立了合金薄膜传感器的应变传递函数,研究了薄膜传感器中电阻栅的结构尺寸、在基底表面的排布方式对应变剪滞系数和测量精度的影响关系。提出一种基于基底与薄膜表面的粗糙度模型来计算不同厚度薄膜的电阻率方法,并建立了相应薄膜电阻栅的电阻率理论公式。讨论了基底与薄膜表面的粗糙度对薄膜电阻栅电阻率的影响规律。为合理设计薄膜电阻栅的结构尺寸、基底排布方式提供了一定的理论依据,保证了传感器较好的应变测量性能。(3)以嵌入优化刀柄结构的薄膜传感器为研究对象,基于应变与应力的关系,建立了嵌入镍铬薄膜应变传感器的切削力测量刀具系统有限元分析模型,并对其进行了力学仿真分析,研究基底表面电阻栅的应力分布受薄膜电阻栅厚度、宽度、栅间距以及长度变化的影响规律,并据此优化设计了薄膜电阻栅尺寸。探讨了薄膜传感器的输出电压与加载单向力、多向力之间的关系。当同时施加多向力时,发现薄膜电阻栅在基底表面的初始排布方式无法消除x、y向力对z向力引起的测量干扰误差,为减小与消除这种误差,提出了两种薄膜电阻栅在基底表面的优化排布方式,优化后的排布方式可以消除x向力对z向力引起的测量干扰误差,y向力对z向力引起的测量干扰误差占比为9.84%,达到了对z向力的测量干扰误差减小的效果,得到了薄膜传感器的输出电压与z向力之间的理论关系式。(4)研究并对比了薄膜传感器复合膜系中各层薄膜的制备方法,根据课题组前期的试验研究工作,选用射频溅射沉积方法制备了氮化硅薄膜。通过显影反胶、溅射沉积镍铬薄膜、剥离反胶等工艺步骤在45钢基底表面制备镍铬薄膜电阻栅。借助激光显微镜观察制备好的镍铬薄膜电阻栅图案,并测量氮化硅薄膜、镍铬薄膜的厚度,分析了造成薄膜电阻栅缺陷的原因。发现薄膜厚度偏离理论值误差较大,在-20%~27.75%之间,但总体上,氮化硅薄膜在2400nm以上,而镍铬薄膜在700nm以上。(5)利用超景深显微镜测量了镍铬合金薄膜电阻栅的宽度,电阻栅宽度与长度误差均在3%以内,电阻栅的宽度在电极处的误差稍大,为4.2%~5.3%。利用RTS-9四探针测试仪测量镍铬薄膜的电阻率,其电阻率为0.984×10-6Ω·m,测量结果比正常值要小一些,误差为1.06%。利用半导体表征系统4200 SCS测量了若干试件的电阻栅阻值,根据阻值的测量结果优化了传感器中各项制备工艺,使测量值与设计值比值在2与4之间,基本满足了设计要求。(6)对制备的嵌入优化刀柄结构切削力测量用的镍铬薄膜应变传感器进行了测力标定与试验,研究了所制备的镍铬薄膜应变传感器测力性能与相关参数。通过单轴拉伸试验获得了薄膜传感器的电阻应变系数为1.53。通过刀尖加载静态载荷试验标定了薄膜应变传感器静态测力灵敏度为0.012mV/N,与理论计算值相比,最大误差为21.44%。以KISTLER-9272测力仪对z向力的测量结果为参考基准,比较嵌入优化刀柄结构与初始刀柄结构的两种薄膜应变传感器的输出电压。试验结果表明,优化后的刀具系统与优化前相比,动态测量结果的输出电压提高0.68倍。