采用多层复合薄膜温度传感器测试瞬态切削温度的方法

摘要

本发明采用多层复合薄膜温度传感器测试瞬态切削温度的方法属于先进制造及切削技术领域，特别涉及切削温度测试方法领域。该方法使用多层复合薄膜温度传感器，进行多层复合薄膜温度传感器静、动态标定，瞬态切削温度采用冷端温度补偿方式；先进行多层复合薄膜温度传感器的安装，在具有绝缘膜的高速钢或硬质合金刀体上利用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射沉积出保护薄膜。进行瞬态切削温度测试时，将静态标定得到的多层复合薄膜温度传感器热电势与热端温度的关系特性曲线输入系统测试软件中，进行冷端温度补偿。传感器的热接点热容量小，快速响应特性好，有效的解决了金属切削过程中瞬态切削温度的测试问题。

权利要求

1.一种采用多层复合薄膜温度传感器测试瞬态切削温度的方法，其特征是， 采用多层复合薄膜温度传感器，进行多层复合薄膜温度传感器静、动态标定， 采用AD590冷端温度补偿方式完成瞬态切削温度测试，具体步骤如下：第一步进行多层复合薄膜温度传感器的安装：

1)、在具有SiO2绝缘膜(2)，NiCr薄膜(3)、NiSi薄膜(4)和通槽(C) 的高速钢或硬质合金刀体(1)上利用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡 磁控溅射沉积出Si3N4保护薄膜(5)，构成多层复合薄膜温度传感器(I)；

2)、用第一耐高温导电银胶(6)将0.2mm的NiCr补偿导线(7)一端与NiCr 薄膜(3)粘结，用第二耐高温导电银胶(6’)将0.2mm的NiSi补偿导线(8) 一端与NiSi薄膜(4)粘结；

3)、NiCr补偿导线(7)的另一端和NiSi补偿导线(8)的另一端分别穿过 通槽(C)，之后，通槽C用绝缘胶(9)灌封；

4)、在刀杆(10)下底开纵向槽(F)，在刀杆(10)上按顺序分别钻水平 孔(D)、垂直孔(E)、尾孔(G)，并去掉毛刺；

5)、给NiCr补偿导线(7)和NiSi补偿导线(8)的引出线加绝缘护套后， 使其穿过刀杆(10)下部的水平孔(D)、垂直孔(E)、纵向槽(F)和尾孔(G) 后引出；

6)、安装多层复合薄膜温度传感器(I)时，用绝缘刀垫(12)使刀体(1) 底面与刀杆(10)绝缘；在刀体(1)其他侧面固定绝缘垫片(11)，夹紧螺钉 (13)和压板(14)通过绝缘垫片(11)将刀体(1)固定；用两个螺钉(17) 将挡板(16)固定于刀杆(10)上；

7)、工件(21)通过绝缘垫片(20)安装在三爪卡盘(19)上，当工件较 长时，采用绝缘顶尖(22)轴向固定；

第二步对多层复合薄膜温度传感器(I)在0℃~600℃范围内进行静态标定， 在高速钢或硬质合金刀体(1)上沉积NiCr/NiSi热电偶薄膜的同时，在16×16mm2 石英玻璃片上分别同炉镀制NiCr/NiSi薄膜热电偶，作为标定用薄膜热电偶， 将整个温度标定范围分为三段，0℃～100℃，采用标准水槽；100℃～300℃采 用标准油槽；300℃～600℃采用卧式热电偶检定炉；在水槽和油槽中标定时， 热电偶热端温度用标准铂电阻控制；在检定炉标定时，热端温度用铂铑10-铂热 电偶控制，按照检定点温度的大小，把被标定热电偶和标准热电偶的测温接点 先后放入水槽、油槽或检定炉的同一温度场中，并将它们的冷端置于0℃的冰点 器中；调节智能高精度控温仪使温度达到检定点温度，待温度恒定后，用多功 能数字万用表测量被测热电偶的热电势值，得到多层复合薄膜温度传感器热电 势与热端温度的关系特性曲线；

第三步对多层复合薄膜温度传感器(I)进行动态标定，用激光脉冲发生 器发出一束持续时间为20ns的激光脉冲，垂直照射到薄膜热电偶的接点(B) 上，薄膜热电偶感受到温升产生电压信号输出，经过放大器，薄膜热电偶的激 光脉冲响应电势被比例放大后，用数据采集卡采集信号，送入计算机用VC编制 的系统测试软件进行数据处理、分析及显示，得到温度测试系统的阶跃响应曲 线，通过计算时间常数约为0.8毫秒；

第四步进行瞬态切削温度测试时，将静态标定得到的多层复合薄膜温度传 感器热电势与热端温度的关系特性曲线输入系统测试软件；多层复合薄膜温度 传感冷端温度补偿用AD590集成温度传感芯片感受冷端环境温度，电路中引入 偏置电压回路，电阻R1和电阻R2的取值为对应的薄膜热电偶的Seebeck系数。

说明书

技术领域

本发明属于先进制造及切削技术领域，特别涉及切削温度测试方法领 域。

背景技术

切削温度是金属切削中一个非常关键的因素。尤其在高速切削中，切削 温度尤其是困扰人们的一个重要因素。实时监控，并精确的反映切削过程中 的温度变化是非常有必要的。目前，国内外应用于切削过程中温度测量的方 法有刀/工自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶法、光和热辐射法 等。刀/工自然热电偶法操作简单，只能测量切削过程的平均温度，由于自 然热电偶法动态响应慢，不能满足快速测温要求。人工热电偶法的热电偶接 点与刀尖多少有些距离，而刀尖处的温度梯度较大，因而所测的温度与工件 本身的温度相差较远。同时这种结构的热电偶热惯性较大，仍然难以满足瞬 态切削温度的测试需要。光和热辐射测温方法具有较快的响应速度，但这种 方法只能用于干态切削，测得的温度不是真实的切削温度，只是间接近似地 反映传入零件加工表面的切削热所产生的温度，很难准确反映切削区域的瞬 态切削温度。本课题组研究的用于化爆材料切削温度测试的薄膜热电偶温度 传感器所设计测温刀头为分刀片式，其在金属切削过程中上下刀面在金属作 用下易产生分离而被破坏。所设计温度传感器与机床、工件间的不绝缘导致 其不能用于金属等导电材料的切削温度测试。所采用多弧离子镀方法制作 的NiCr/NiSi薄膜与靶材成分相距较远。综上所述，现有切削温度测量方法 只能测定切削区域的平均温度和温度在切屑、刀具和工件中的分布情况，难 于精确地测定出切削区域附近各点的实际温度和对切削区域温度的瞬态变 化过程进行实时监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述切削温度测试方法存在的困难，利 用非平衡微波等离子体磁控溅射在高速钢或硬质合金刀体上制作一种多层 复合薄膜温度传感器，经过多层复合薄膜热电偶切削温度传感器的静态和动 态标定，使其在测温范围内具有良好的线性，并且动态响应快，时间常数约 为0.8ms。采用多层复合薄膜温度传感器测试瞬态切削温度的方法对铝合金 切削过程中切削刃附近瞬态切削温度进行了测试，复合薄膜与高速钢基体的 结合强度达到预定要求。发明了一种集切削、测温于一体的能够对切削区域 实际温度实时监控并精确反映切削区域温度变化的切削温度测试方法，可以 解决金属切削中尤其是高速切削中的瞬态切削温度测试问题。
本发明采用的技术方案是采用多层复合薄膜温度传感器测试瞬态切削 温度的方法使用多层复合薄膜温度传感器，进行多层复合薄膜温度传感器 静、动态标定，瞬态切削温度采用冷端温度补偿方式；具体步骤如下：
第一步进行多层复合薄膜温度传感器的安装：
1)在具有SiO2绝缘膜2，NiCr薄膜3、NiSi薄膜4和通槽C的高速钢 或硬质合金刀体1上利用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射 沉积出Si3N4保护薄膜5，构成多层复合薄膜温度传感器I；
2)用耐高温导电银胶6将0.2mm的NiCr热电偶丝7的一端与薄膜电极 3粘结，用耐高温导电银胶6’将0.2mm的NiSi热电偶丝8一端与薄膜电 极4粘结；
3)NiCr热电偶丝7的另一端和NiSi热电偶丝8的另一端分别穿过通槽 C，然后，通槽C用绝缘胶9灌封；
4)在刀杆10下底开纵向槽F，在刀杆10上按顺序分别钻水平孔D、垂 直孔E、尾孔G，并去掉毛刺；
5)给NiCr热电偶丝7和NiSi热电偶丝8的引出线加绝缘护套后，使 其穿过刀杆10下部的水平孔D、垂直孔E、纵向槽F和尾孔G后引出；
6)安装多层复合薄膜温度传感器I时，用绝缘刀垫12使刀体1底面与 刀杆10绝缘；在刀体1其他四个侧面固定绝缘垫片11，夹紧螺钉13和压板 14通过绝缘垫片11将刀体1固定；用两个螺钉17将挡板16固定于刀杆10 上；
7)工件21通过绝缘垫片安装在三爪卡盘19上，当工件较长时，采用 绝缘顶尖22轴向固定；
第二步对多层复合薄膜温度传感器I在0℃～600℃范围内进行静态标 定，在高速钢或硬质合金刀体1上沉积NiCr/NiSi热电偶薄膜的同时，在 16*16mm2石英玻璃片上分别同炉镀制NiCr/NiSi薄膜热电偶，作为标定用薄 膜热电偶，将整个温度标定范围分为三段，0℃～100℃，采用标准水槽；100 ℃～300℃采用标准油槽；300℃～600℃采用卧式热电偶检定炉；在水槽和 油槽中标定时，热电偶热端温度是用标准铂电阻控制；而在检定炉标定时， 热端温度用铂铑10-铂热电偶控制，按照检定点温度的大小，把被标定热电 偶和标准热电偶的测温接点先后放入水槽、油槽或检定炉的同一温度场中， 并将它们的冷端置于0℃的冰点器中；调节智能高精度控温仪使温度达到检 定点温度，待温度恒定后，用多功能数字万用表测量被测热电偶的热电势值， 得到多层复合薄膜温度传感器热电势与热端温度的关系特性曲线；
第三步对多层复合薄膜温度传感器I进行动态标定，用激光脉冲发生 器发出一束持续时间为20ns的激光脉冲，垂直照射到薄膜热电偶的接点B 上，薄膜热电偶感受到温升产生电压信号输出，经过放大器，薄膜热电偶的 激光脉冲响应电势被比例放大后，用数据采集卡采集信号，送入计算机用VC 编制的系统测试软件进行数据处理、分析及显示，得到温度测试系统的阶跃 响应曲线，通过计算时间常数约为0.8毫秒；
第四步进行瞬态切削温度测试时，将静态标定得到的多层复合薄膜温 度传感器热电势与热端温度的关系特性曲线输入系统测试软件；多层复合薄 膜温度传感冷端温度补偿用AD590集成温度传感芯片感受冷端环境温度， 电路中引入偏置电压回路，R1和R2的取值为对应的薄膜热电偶的Seebeck 系数。
本发明的显著效果由于采用多层复合薄膜温度传感器，测温刀头的薄膜 热电偶温度传感器的热接点热容量小，具有快速响应特点。且测温传感器嵌 入主切削刃处，因此可以在毫秒级内反映切削区域0～600℃范围内温度的变 化过程，有效的解决了金属切削过程中瞬态切削温度的测试问题。

附图说明

附图1是多层复合薄膜温度传感器I结构图，附图2是热电偶薄膜及绝 缘膜在后刀面上的位置图。其中，1-高速钢或硬质合金刀体，2-SiO2绝缘膜， 3-NiCr薄膜，4-NiSi薄膜，5-Si3N4保护层，6-耐高温导电银胶，6’-耐高 温导电银胶，7-NiCr补偿导线，8-NiSi补偿导线，9-绝缘胶，C-通槽，B- 薄膜热电偶热接点。
附图3是多层复合薄膜温度传感器与刀杆安装图。1-高速钢或硬质合金 刀体，6-导电银胶，7-NiCr补偿导线，8-NiSi补偿导线，10-刀杆，11-绝缘 垫片，12-绝缘刀垫，13-夹紧螺钉，14-压板，15-定位槽，16-挡板，17- 螺钉，C-通槽，D-水平孔、E-垂直孔、G-尾孔，F-纵向槽。
附图4是多层复合薄膜温度传感器动态标定系统原理框图。
附图5是多层复合薄膜温度传感器动态标定曲线图。
附图6是工件与机床绝缘安装图。其中18-机床，19-三爪卡盘，20-绝 缘垫片，21-工件，22-绝缘顶尖；
附图7是多层复合薄膜温度传感器冷端温度补偿电路原理图。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图，详细说明本发明具体实施过程。本发明采用 的测试系统包括多层复合薄膜温度传感器、冷端补偿及信号调理器、数据采 集卡、计算机及测试软件；切削温度信号通过信号调理器后转换成0～5v电 压，经数据采集卡，进入计算机，用自行编制的软件完成数据处理、数据存 储、数据转换及数据显示。具体实施过程如下：
1)将在已经制作了SiO2绝缘膜2，NiCr薄膜3、NiSi薄膜4的高速钢 或硬质合金刀体1放入酒精中用超声波清洗10分钟，用氮气吹干后，放入 真空室内。开启机械泵后缓慢打开预抽阀粗抽真空，当真空度达到17Pa时 开启分子泵，并关闭预抽阀，分子泵转速开始增加，直至24000转/分，对真 空室抽气直到真空度达到5.0×10-3Pa以下。调节匹配电容，把自偏压降至 -90V～-80V之间。通入一定流量的N2气，打开加于靶上的射频功率源， 调节匹配电容，使入射功率P入＝250W～350W，反射功率P反≤5W。在靶上 形成自偏压为-340V～-370V，这时可以看到真空室内的辉光放电现象，Ar+ 离子轰击硅靶，溅射出的硅原子或原子团冲向刀体1，在刀体1后刀面和前 刀面与N2发生反应生成Si3N4薄膜沉积在刀体1表面，形成Si3N4保护膜5， 如图1所示。根据设定的溅射沉积时间，微波源会自动复位，镀膜结束。依 次关闭基片射频源、硅靶射频源、磁场电源、真空计、分子泵、N2气和Ar 气、插板阀、隔断阀。分子泵在惯性及阻尼作用下继续运转，待其停下来后 关闭其电源和循环水冷却系统。工件随真空室冷却2小时左右取出。
2)用耐高温导电银胶6将0.2mm的NiCr补偿导线7一端与薄膜电极3粘结， 用耐高温导电银胶6’将0.2mm的NiSi补偿导线8一端与薄膜电极4粘结。 NiCr补偿导线7的另一端和NiSi补偿导线8的另一端分别穿过通槽C，通 槽C用绝缘胶9灌封；在型号为S45W25-4K16的刀杆10下底面开纵向槽F， 再按顺序分别钻水平孔D、垂直孔E、尾孔G，去掉毛刺；给NiCr补偿导线 7和NiSi补偿导线8的引出线加绝缘护套后，使其穿过刀杆10下部的水平 孔D、垂直孔E、纵向槽F和尾孔G后引出；安装多层复合薄膜温度传感器 I时，用绝缘垫片11及绝缘刀垫12使刀体1与刀杆10绝缘；刀体1用夹 紧螺钉13和压板14固定；用两个螺钉17将挡板16固定于刀杆10上；
3)对多层复合薄膜温度传感器静态标定，在用射频磁控溅射的方法在 高速钢刀体1上沉积薄膜热电偶膜的同时，在16*16mm石英玻璃片上分别同 炉镀制NiCr/NiSi薄膜热电偶，作为标定用薄膜热电偶。具体标定过程如下： 将整个温度标定范围分为三段，0℃～100℃，采用HWS-I型标准水槽；100 ℃～300℃采用HWY-II型标准油槽；300℃～600℃采用YG-3型卧式热电 偶检定炉。在水槽和油槽中标定时，热电偶热端温度是用标准铂电阻控制； 而在检定炉标定时，热端温度用铂铑10一铂热电偶控制。按照标定点温度的 大小，把被标定薄膜热电偶和标准热电偶的测温接点先后放入水槽、油槽或 检定炉的同一温场处，并将它们的冷端置于0℃的冰点器中。调节 YG-ZL-PID-II型智能高精度控温仪使温度达到标定点温度，每50℃取一个 标定点，待温度恒定后，用HP34401A型多功能数字万用表测量被测热电偶 的热电势值，得到薄膜热电偶产生的热电势与热端温度的关系特性曲线 E＝f(t)。
4)对多层复合薄膜温度传感器动态标定，多层复合薄膜温度传感器动 态标定系统原理框图如图4所示。在测试系统中引入放大装置和显示、记录 设备时，要求每一环节带宽的倒数均小于薄膜热电偶时间常数τ一个数量 级。标定时选用德国LAMBDAPHYSIK公司生产的PS2F型激光脉冲发生器，最 大输出能量为30W，单个脉冲能量可达0.3J，脉冲宽度在2-50ns范围内可调。 由激光脉冲发生器发出一持续时间为20ns的激光脉冲，垂直照射到薄膜热 电偶的热接点上，膜层表面在瞬间吸收激光的能量，产生瞬时高温，并以热 传导方式向薄膜内部传递，使热电偶感受到温升产生电压信号输出。经过放 大器，薄膜热电偶的激光脉冲响应电势被比例放大后，用200KHz采集卡采 集信号，送入计算机用VC编制的动态切削温度及切削力测试系统软件进行 显示、分析、数据处理。可得出测试系统的阶跃响应曲线。标定曲线如图5 所示。多层复合薄膜温度传感器属于一阶系统，根据一阶系统对阶跃信号的 响应理论，传感器的输出值达到稳态值的63.2％所需要的时间即为系统的时 间常数τ，由曲线可得系统的时间常数τ约为0.8ms。多层复合薄膜温度传 感冷端温度补偿用AD590集成温度传感芯片感受冷端环境温度，电路中引 入偏置电压回路，R1和R2的取值为对应的薄膜热电偶的Seebeck系数。补 偿电路见附图七。
5)切削试验切削试验在C620-A普通车床进行，工件21通过绝缘垫片20 安装在三爪卡盘19上，当工件较长时，采用绝缘顶尖22轴向固定，见附图 六。切削材料为2A12T4铝合金，工件直径；多层复合薄膜测温传 感器的切削参数分别为：前角γ0＝10°，后角α0＝12°，副后角α0’＝4°，主 偏角Kr＝75°，副偏角Kr’＝15°，刃倾角λs＝-4°；试验条件分别为转速 n＝200r/min，切削深度ap＝1mm，改变进给量f(mm/r)。其试验结果如下 表：

研制的NiCr/NiSi多层复合薄膜温度传感器具有良好的线性，动态响应 快，时间常数在0.8ms；多层复合薄膜温度传感器集成了测量与切削功能， 可在线测量切削刃附近切削区域瞬态切削温度；微波等离子体增强非平衡反 应磁控溅射方法制备的NiCr/NiSi薄膜电极其合金各组元接近靶材，且具有 致密均匀、平整光滑和连续性好等特点，薄膜热电偶外层沉积高硬度涂层保 护，提高了传感器的使用寿命，经济性好。复合薄膜与高速钢和硬质合金基 体的结合强度达到预定要求；实验结果表明，多层复合薄膜温度传感器测试 瞬态切削温度的方法能够满足切削过程中瞬态切削温度的测试要求。