应变式微纳米薄膜传感器在机械加工切削力测量及在线监控等方面具有广阔的应用前景,研究微纳米薄膜传感器的制备工艺,获取较好力学性能成为保证切削力测量精度和可靠性的关键因素。本文使用物理磁控溅射法和化学气相沉积法在304不锈钢基底上依次制备了过渡层、绝缘层、敏感层等多层功能性薄膜,构建了微纳米薄膜应变传感器,并对其力学性能的基础理论、制备试验研究、薄膜制备工艺与力学性能映射关系、力学标定等问题开展了较为深入的研究。首先对车削加工中的刀具进行了结构优化设计,采用将刀杆等效为悬臂梁和适当增加刀具受力变形的结构改进方法,建立了切削力、应变、刀杆各部分结构尺寸之间关系的理论模型。基于该模型创新设计了一种可嵌入薄膜传感器的分段式八边形结构的切削测力系统,由刀头、法兰盘、薄膜传感器、弹性体、八边形连接盘和刀柄等几个主要部分构成。对关键组件薄膜传感器的基底、薄膜、电阻栅的结构及尺寸进行了详细设计。基于界面韧性理论对薄膜-基底的粘结性与内应力、弯矩、厚度等参数的关系进行了建模。分析了提高薄膜传感器抗塑性变形能力与疲劳强度的评估方法。通过理论与静力拉伸试验研究,对比分析了镍、镍铬、氧化铝薄膜分别作为氮化硅薄膜与不锈钢基底间过渡粘结层的效果,结果为氧化铝与氮化硅薄膜的复合绝缘层具有最优的粘结性,从而解决了在不锈钢基底上直接沉积晶态氮化硅薄膜粘结性差的问题。进一步分析了氧化铝与氮化硅双层薄膜厚度变化对于粘结性的影响,利用胶带法对其粘结性进行了检测试验。结果表明,当氧化铝与氮化硅薄膜厚度比值较大时有助于提升复合绝缘层的粘结性。针对氧化铝薄膜制备,试验研究了溅射功率、气氛压强、Ar:O₂流量比等工艺参数对其沉积速率、弹性模量、纳米硬度的影响规律;对于镍铬薄膜制备,文中试验研究了溅射功率、气氛压强、负偏压和基底温度等工艺参数对其沉积速率、抗塑性变形因子、应变灵敏度系数的影响规律。结果显示:Ar:O₂流量比的变化对氧化铝薄膜的影响均非常显著,溅射功率的变化对沉积速率影响较大;制备镍铬薄膜时,溅射功率与负偏压的改变对其性能指标影响较大,当基底温度到达一定值时,薄膜的力学特性变化显著。最后,通过灰色关联分析法选取了薄膜具有最优力学性能指标的一组工艺参数。通过试验、仿真的方法分别进行嵌入薄膜传感器切削测力系统的应变效应分析,得出该测力系统最大应变灵敏系数依次提高了2.32倍和2.23倍。利用Abaqus软件依次标定了切削测力系统对主切削力、进给力及切深力的测量灵敏度,其数值分别为108.77N/mV、109.67N/mV和2934.18N/mV。研究结果达到了预期的效果,为应变式薄膜传感器的进一步研发奠定了基础。