八角測力環(huán)傳感器設(shè)計制作及工藝過程

李永信

摘 要：本文針對機(jī)床切削需要測出X、Y、Z三個方向力的大小，采用了八角測力環(huán)傳感器的結(jié)構(gòu)形式來達(dá)到此效果。為了傳感器的穩(wěn)定性，特對傳感器的的制作過程進(jìn)行了研究，研究的內(nèi)容包括彈性體熱處理、應(yīng)變片粘貼、傳感器標(biāo)定及技術(shù)指標(biāo)的計算等，從而取得了傳感器制作工藝的研究成果。

關(guān)鍵詞：八角測力環(huán)傳感器；傳感器標(biāo)定；技術(shù)指標(biāo)

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 概述

三分力八角測力環(huán)式傳感器用于測量車削加工中進(jìn)給抗力Fx、吃刀抗力Fy、和主切削力Fz三個方向的力。車刀切削受力如圖1，采用八角環(huán)式彈性元件。

它由整塊鋼材上加工出相當(dāng)于4個半八角環(huán)形成的彈性元件。八角環(huán)實際由圓環(huán)演變而來，進(jìn)給抗力Fx使圓環(huán)受切向力，吃刀抗力Fy使圓環(huán)受壓力，主切削力Fz使上環(huán)受拉，下環(huán)受壓。外形如圖2所示，其彈性元件上應(yīng)變計和接橋示意圖如圖3所示，在環(huán)上施加Fy時，環(huán)中AA/截面受彎曲；BB/ 截面（與Fy作用力成39.60）應(yīng)變?yōu)榱恪Ｔ贏A/截面上布置兩對應(yīng)變計；R1，R3受拉應(yīng)變，R2，R4受壓。R1～R4 組成全橋測Fy。如該環(huán)下側(cè)固定，上側(cè)受切向力Fx，則AA/截面應(yīng)變?yōu)榱悖珺B/ 截面受應(yīng)變，在±39.60的四個截面外表面布置應(yīng)變計R5，R7受拉應(yīng)變，R6，R8受壓。組成全橋測Fx。由于圓環(huán)不易加緊固定，用八角環(huán)代替，當(dāng)環(huán)厚h與環(huán)平均半徑r之比較小時，八交角環(huán)近似于圓環(huán)，當(dāng)h/r增大時，此角度增大（截面應(yīng)變?yōu)榱悖?dāng)h/r=0.4時，角度為450，因此八角環(huán)應(yīng)變計貼在±450斜截面上。雙層八角環(huán)有上下兩層，在Fx作用下，上層受拉、下層受壓分別布置R9～R12 ，組成全橋測Fz。這種八角環(huán)式三維測力傳感器使用效果良好，以用于車削測力。

為了傳感器的穩(wěn)定性，我們對傳感器的結(jié)構(gòu)及熱處理工藝過程進(jìn)行了研究

2 傳感器的結(jié)構(gòu)及熱處理工藝

根據(jù)實際工況決定傳感器的結(jié)構(gòu)形狀，見圖4，之后對彈性體進(jìn)行熱處理。

國內(nèi)生產(chǎn)稱重及測力傳感器彈性體的金屬材料雖然很多，但基本上分三大類：第一類合金結(jié)構(gòu)鋼，其典型代表材料為40CrNiMoA 。第二類為有色金屬類，主要是鋁合金LY12。第三類為不銹鋼，其典型代表材料為OCr17Ni4Cu4nBb。合金鋼及不銹鋼類材料適合于制造大中量程的傳感器，而鋁合金適合于制造大小量程的傳感器。典型材料的機(jī)械性能見表1，典型材料及熱處理工藝： 2.1 40CrNiMoA

該材料特別適合于制造高精度傳感器，傳感器彈性體一般要求淬火時在油中冷卻后彈性體的硬度應(yīng)大于或等于HRC52，組織為馬氏體。回火溫度為460℃左右，保溫3小時即可。

2.2 鋁合金LY12材料

一般選用此型材制造應(yīng)變式傳感器，其供貨狀態(tài)大多數(shù)為CZ（淬火自然失效）狀態(tài)。彈性體通過固溶失效熱處理后（淬火后），其硬度應(yīng)該大于或等于布氏硬度HB120.。

LY12的固溶處理（淬火）一般在硝鹽爐中，溫度以495～500℃為宜，冷卻介質(zhì)為清水。人工時效溫度為185～190℃，時間6-12小時即可。

2.3 不銹鋼OCr17Ni4Cu4nBb材料

該鋼經(jīng)1020～1040℃固溶處理（即淬火，油冷或空冷）后，再480℃保溫4小時即可達(dá)到所需的機(jī)械性能。

3 傳感器粘貼應(yīng)變片夾緊力的設(shè)計及試驗

一般傳感器應(yīng)變片的粘貼用傳感器膠最好，傳感器膠是高溫固化膠，應(yīng)變片粘貼在正確位置之后，要在應(yīng)變片上加壓0.1～0.3MPa，之后進(jìn)烘箱進(jìn)行固化。

比如加壓面積為A（A=寬度ⅹ長度=bⅹh）的話，則力P=0.3A=0.3ⅹ10ⅹ12=36N。夾緊使用的是曬衣服用的不銹鋼夾子，夾子在力學(xué)多功能實驗臺上進(jìn)行，標(biāo)定結(jié)果，開口為8mm時，力P為40N。此時根據(jù)高溫膠板厚度、鋁合金墊片厚度及彈性體結(jié)構(gòu)的厚度計算夾緊時開口大小為：S=彈性體厚度+2膠板厚度+2鋁合金墊片厚度=1+2ⅹ2.5+2ⅹ1=8mm。對于夾式引伸計由于有兩個懸臂梁，所以用兩個夾子。對于八角測力環(huán)的加緊力P，則是用彈簧夾緊裝置完成的，見圖1-6。通過標(biāo)定位移1.6 mm時，壓緊力為40N，在安裝夾緊彈簧裝置時，測量墊片的位移即可控制夾緊力的大小。

4 應(yīng)變片粘貼準(zhǔn)備及工藝過程

根據(jù)傳感器的要求，粘貼應(yīng)變片可以用502膠，519膠及傳感器膠進(jìn)行應(yīng)變片的粘貼。根據(jù)不同的接橋方法，可以得到不同的靈敏度的傳感器。對于八角測力環(huán)的接橋見圖3。對于用502及519膠常溫的貼片工藝如下：

4.1 應(yīng)變片粘貼

電阻應(yīng)變片由敏感柵、基底和覆蓋層、粘結(jié)劑、引線四部分組成。按應(yīng)變片敏感柵的材料來分，可把應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。按形式分，可分為直角、45度、60度應(yīng)變花。按溫度來分可分為高溫（300℃以上）、中溫（60～300℃）、常溫（-30～60℃）和低溫（-30℃以下）應(yīng)變片。這次粘貼的應(yīng)變片為常溫應(yīng)變片。應(yīng)變片粘貼工藝過程為：檢查應(yīng)變片—試件表面處理—貼片—固化后處理—粘貼質(zhì)量檢查—應(yīng)變片防護(hù)處理。先檢查應(yīng)變片外觀再測量電阻值，相差在0.1Ω以內(nèi)的應(yīng)變片供粘貼用。 表面光潔度1.6～2.5微米為宜，用劃針在測點處劃出貼片定位線，并用浸有無水乙醇棉球?qū)⒋N位置及周圍擦洗干凈，直至棉球潔白為止，擦的方向始終沿一個方向擦洗。用鑷子（或用手）捏住應(yīng)變片的引出線，在應(yīng)變片基底底面上和貼片處涂抹一層薄薄的502（或519膠）粘結(jié)劑后，立即對準(zhǔn)劃出的定位線將應(yīng)變片基底面向下平放在試件貼片處，用一小片塑料薄膜蓋在應(yīng)變片上，用手指滾壓擠出多余的粘結(jié)劑和氣泡。手指保持不動約1分鐘， 使應(yīng)變片和試件完全粘合后再放開，揭掉塑料薄膜。914膠（或519膠）涂刷測點表面，面積約為應(yīng)變片面積的5倍。914膠由兩種成份調(diào)配而成，A為樹脂，B為固化劑，按重量A：B=2：1。調(diào)配后需在5分鐘內(nèi)使用，否則就會凝固。涂刷時隨時用鏟刀刮平，待初凝后不須再刮。若用519膠，比例為1：1配置。操作同上。應(yīng)變片的固化常根據(jù)選擇的粘結(jié)劑而確定固化條件和要求，一般選用室溫可以固化的粘結(jié)劑，自然干燥時間15～24小時。當(dāng)采用需要加溫固化的粘結(jié)劑，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行固化。其絕緣應(yīng)大于500MΩ為好。最簡單的防護(hù)方法是用硅橡膠密封劑（南大703膠）涂在應(yīng)變片區(qū)域表面作防潮層，其室內(nèi)有效期為1～2年。

4.2 對于用傳感器膠粘貼應(yīng)變片，則按以下方法及進(jìn)行

4.2.1 HH—2000—610應(yīng)變膠及傳感器所用應(yīng)變計

本膠是一種雙組份高性能應(yīng)變膠，具有極小的蠕變和值滯后，粘合力強，絕緣性能好，使用于高精度傳感器及BHF系列環(huán)氧—酚醛應(yīng)變片的粘貼。雙組份膠使用方法：使用前將（A）組份全部到入（B）組份中，（A：B=1：1）充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠓胖?小時左右啟用。

固化工藝：加壓：1Kg/cm2?1.5/cm2。

應(yīng)變片固化溫度：緩慢升至1600C±20C保溫2小時隨爐泠卻（要求升溫速度每分鐘20C～30C左右）。

應(yīng)變片消除應(yīng)力溫度，卸壓后固化：緩慢升至1600C±20C保溫1.5小時隨爐泠卻.

應(yīng)變片參數(shù)：型號BHF350-2AA；精度等級A；電阻349±0.2Ω；產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)號GB/13992-92；生產(chǎn)廠家：浙江黃巖測試儀器廠。

4.2.2應(yīng)變片加壓裝置的設(shè)計與標(biāo)定

加壓裝置及彈簧標(biāo)定示意圖如圖5所示。

首先根據(jù)壓墊面積及規(guī)定的加壓力計算出加壓總力（1Kg/cm2?1.5/cm2）。將彈簧放在傳感器上，根據(jù)總壓力測出彈簧的變形，之后在夾緊應(yīng)變片時壓到測定的變形時即可。

4.2.3 烘箱使用及貼片過程

對于H-610膠粘劑，使用條件：以20C/min左右速率由室溫升至1600C，保溫2小時，隨烘箱泠卻至室溫后卸壓，再以同樣速率升至1600C，保溫2小時。DGF3006A電熱鼓風(fēng)干燥箱示意圖如圖6所示。

烘箱使用（溫度范圍RT+100C～+3000C）過程如下： ①首先按Run，再按stop；②長按Reset 恢復(fù) 曲線段；③長按Mode 設(shè)置參數(shù)；④選run 選循環(huán)次數(shù)；⑤回來Mode長按；⑥曲線段鍵入；⑦再按run。

膠水貼片工藝過程如下：①涂第一道膠，放一個小時，放烘箱1650C 2個小時，泠卻；②涂第二道膠，貼片、加壓，放一個小時，放烘箱1650C 2個小時，泠卻；③卸掉壓力，進(jìn)烘箱1650C 2個小時泠卻。

5 應(yīng)變傳感器的標(biāo)定

用DH3818靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗，八角測力環(huán)傳感器標(biāo)定示意圖見圖7，標(biāo)定結(jié)果見表中以下數(shù)據(jù)。

八角測力環(huán)各分力標(biāo)定數(shù)據(jù)及靈敏度如下：

1）Py標(biāo)定數(shù)據(jù)見表2；傳感器靈敏度Q=7.4?ε/kg；端點法誤差（%）見圖8。Py與Px、Pz之間的相互影響見表3。2）Px標(biāo)定數(shù)據(jù)見表4；

傳感器靈敏度Q=8?ε/kg；端點法誤差（%）見圖9。Px與Py、Pz之間的相互影響見表5。

3）Pz標(biāo)定數(shù)據(jù)見表6；

傳感器靈敏度Q=32.2?ε/kg；Pz與Py、Px之間的相互影響見表7。

端點法誤差（%）見圖10。

根據(jù)各個分力標(biāo)定的結(jié)果，可以用此傳感器測到車刀加工切屑零件時的應(yīng)變值，再由傳感器靈敏度推算出各個分力的大小。

6 結(jié)論

1）根據(jù)測三個方向力的要求，設(shè)計制作出了八角環(huán)傳感器測力傳感器，以達(dá)到其測各個方向分力的效果。

2）選定了合金鋼熱處理工藝，并應(yīng)用此工藝對傳感器彈性體進(jìn)行了熱處理；

3）確定了用彈簧加壓法對粘貼的應(yīng)變片進(jìn)行加壓，保證了貼片質(zhì)量；

4）選用了用傳感器膠粘貼應(yīng)變片，保證了傳感器的貼片質(zhì)量及穩(wěn)定性；

5）標(biāo)定出了傳感器的靈敏度，供傳感器安裝在機(jī)床上測各個分力的大小。

（本文審稿 李正發(fā)）