八角測力環傳感器設計制作及工藝過程

李永信

摘 要：本文針對機床切削需要測出X、Y、Z三個方向力的大小，采用了八角測力環傳感器的結構形式來達到此效果。為了傳感器的穩定性，特對傳感器的的制作過程進行了研究，研究的內容包括彈性體熱處理、應變片粘貼、傳感器標定及技術指標的計算等，從而取得了傳感器制作工藝的研究成果。

關鍵詞：八角測力環傳感器；傳感器標定；技術指標

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A

1 概述

三分力八角測力環式傳感器用于測量車削加工中進給抗力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，采用八角環式彈性元件。

它由整塊鋼材上加工出相當于4個半八角環形成的彈性元件。八角環實際由圓環演變而來，進給抗力Fx使圓環受切向力，吃刀抗力Fy使圓環受壓力，主切削力Fz使上環受拉，下環受壓。外形如圖2所示，其彈性元件上應變計和接橋示意圖如圖3所示，在環上施加Fy時，環中AA/截面受彎曲；BB/ 截面（與Fy作用力成39.60）應變為零。在AA/截面上布置兩對應變計；R1，R3受拉應變，R2，R4受壓。R1～R4 組成全橋測Fy。如該環下側固定，上側受切向力Fx，則AA/截面應變為零，BB/ 截面受應變，在±39.60的四個截面外表面布置應變計R5，R7受拉應變，R6，R8受壓。組成全橋測Fx。由于圓環不易加緊固定，用八角環代替，當環厚h與環平均半徑r之比較小時，八交角環近似于圓環，當h/r增大時，此角度增大（截面應變為零），當h/r=0.4時，角度為450，因此八角環應變計貼在±450斜截面上。雙層八角環有上下兩層，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。

為了傳感器的穩定性，我們對傳感器的結構及熱處理工藝過程進行了研究

2 傳感器的結構及熱處理工藝

根據實際工況決定傳感器的結構形狀，見圖4，之后對彈性體進行熱處理。

國內生產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：第一類合金結構鋼，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大于或等于HRC52，組織為馬氏體?；鼗饻囟葹?60℃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變式傳感器，其供貨狀態大多數為CZ（淬火自然失效）狀態。彈性體通過固溶失效熱處理后（淬火后），其硬度應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小時即可達到所需的機械性能。

3 傳感器粘貼應變片夾緊力的設計及試驗

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

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，夾子在力學多功能實驗臺上進行，標定結果，開口為8mm時，力P為40N。此時根據高溫膠板厚度、鋁合金墊片厚度及彈性體結構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。對于八角測力環的加緊力P，則是用彈簧夾緊裝置完成的，見圖1-6。通過標定位移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 應變片粘貼準備及工藝過程

根據傳感器的要求，粘貼應變片可以用502膠，519膠及傳感器膠進行應變片的粘貼。根據不同的接橋方法，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 應變片粘貼

電阻應變片由敏感柵、基底和覆蓋層、粘結劑、引線四部分組成。按應變片敏感柵的材料來分，可把應變片分為金屬電阻應變片和半導體應變片。按形式分，可分為直角、45度、60度應變花。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）應變片。這次粘貼的應變片為常溫應變片。應變片粘貼工藝過程為：檢查應變片—試件表面處理—貼片—固化后處理—粘貼質量檢查—應變片防護處理。先檢查應變片外觀再測量電阻值，相差在0.1Ω以內的應變片供粘貼用。 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將待貼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）捏住應變片的引出線，在應變片基底底面上和貼片處涂抹一層薄薄的502（或519膠）粘結劑后，立即對準劃出的定位線將應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變片上，用手指滾壓擠出多余的粘結劑和氣泡。手指保持不動約1分鐘， 使應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，面積約為應變片面積的5倍。914膠由兩種成份調配而成，A為樹脂，B為固化劑，按重量A：B=2：1。調配后需在5分鐘內使用，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。應變片的固化常根據選擇的粘結劑而確定固化條件和要求，一般選用室溫可以固化的粘結劑，自然干燥時間15～24小時。當采用需要加溫固化的粘結劑，應嚴格按規定進行固化。其絕緣應大于500MΩ為好。最簡單的防護方法是用硅橡膠密封劑（南大703膠）涂在應變片區域表面作防潮層，其室內有效期為1～2年。

4.2 對于用傳感器膠粘貼應變片，則按以下方法及進行

4.2.1 HH—2000—610應變膠及傳感器所用應變計

本膠是一種雙組份高性能應變膠，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系列環氧—酚醛應變片的粘貼。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）充分攪拌均勻后放置1小時左右啟用。

固化工藝：加壓：1Kg/cm2?1.5/cm2。

應變片固化溫度：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）。

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

應變片參數：型號BHF350-2AA；精度等級A；電阻349±0.2Ω；產品標準標準號GB/13992-92；生產廠家：浙江黃巖測試儀器廠。

4.2.2應變片加壓裝置的設計與標定

加壓裝置及彈簧標定示意圖如圖5所示。

首先根據壓墊面積及規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，根據總壓力測出彈簧的變形，之后在夾緊應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 曲線段；③長按Mode 設置參數；④選run 選循環次數；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，進烘箱1650C 2個小時泠卻。

5 應變傳感器的標定

用DH3818靜態電阻應變儀對傳感器進行標定試驗，八角測力環傳感器標定示意圖見圖7，標定結果見表中以下數據。

八角測力環各分力標定數據及靈敏度如下：

1）Py標定數據見表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標定數據見表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標定數據見表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。

根據各個分力標定的結果，可以用此傳感器測到車刀加工切屑零件時的應變值，再由傳感器靈敏度推算出各個分力的大小。

6 結論

1）根據測三個方向力的要求，設計制作出了八角環傳感器測力傳感器，以達到其測各個方向分力的效果。

2）選定了合金鋼熱處理工藝，并應用此工藝對傳感器彈性體進行了熱處理；

3）確定了用彈簧加壓法對粘貼的應變片進行加壓，保證了貼片質量；

4）選用了用傳感器膠粘貼應變片，保證了傳感器的貼片質量及穩定性；

5）標定出了傳感器的靈敏度，供傳感器安裝在機床上測各個分力的大小。

（本文審稿 李正發）