[发明专利]嵌入式多层复合薄膜切削温度传感器的制作方法

说明书

技术领域

本发明属于温度传感器领域，涉及切削加工时刀具刀尖处瞬态切削温度的测量方法。

背景技术

由于高速切削过程中产生大量的切削热，使切削温度升高，直接影响工件的热变形、已加工表面质量、刀具前刀面积屑瘤的产生和消退以及刀具寿命等，因此快速、精确地监测切削温度可以获得工件的加工质量以及刀具工作状态。

目前比较常见的测量切削温度的方法有：自然热电偶，人工热电偶，远红外辐射方法，金属微结构和微硬度变化方法等。自然热电偶法测量的是切削区域的平均温度，利用这种方法测得的切削温度简便可靠。但是每改变一种刀具材料或者工件材料就需重新标定。人工热电偶只能测量离前刀面一定距离处某点的温度，而不能直接测出前刀面上的温度。远红外辐射方法适用于恶劣环境下远距离非接触监测物体表面温度，上述的众多测量方法都各自有其优缺点以及适用领域，但都无法直接测量刀尖处的切削温度。由于切削区域隐蔽在刀尖与工件之间，处于半封闭状态，普通的测温方法无法触及，只能通过建立三维热传导模型，例如高斯热源公式，推导出刀尖处的温度。虽然大量的模拟分析和热传导模型计算结果能近似的得到刀尖处的温度以及温度梯度，但是所有这些模型的建立都存在多方面的假设，分析结果的精度难以得到保证。

薄膜热电偶是近代兴起的一种先进的测量瞬态温度变化的温度传感器，被广泛应用到枪炮膛内壁、内燃机活塞顶面、锻膜表面、以及航天飞机发动机内壁的温度测量。美国国家航空航天局刘易斯研究中心长期致力于薄膜热电偶在高温、高压、化学腐蚀等恶劣环境下的应用研究。经过多年的发展，薄膜热电偶不管是尺寸还是体积都很微小，响应时间极短甚至仅有几十ns，而且在恶劣环境下能长期可靠，稳定得工作。

目前应用薄膜热电偶测量切削金属时的切削温度的研究比较少。日本的Ali Basti等人在陶瓷刀具的前刀面上沉积薄膜热电偶，薄膜热电偶上溅射HfO₂作为绝缘层，之后再溅射TiAlSiN等切削涂层。但是陶瓷刀具在工厂中应用比例比较小，而且前刀面的磨损相对较剧烈，薄膜热电偶层上制作两个涂层，会阻碍切削热的传递，降低传感器的测试精度。并且热接点离刀尖有一定的距离，不能测量刀尖处的切削温度。大连理工大学传感测控研究所的曾其勇等人采用分刀片式结构，在上下刀体结合处制作薄膜热电偶，热接点直接制作在刀尖上。虽然这种薄膜热电偶能精确的测量刀尖处的切削温度，但是分刀片结构只适合切削软质非金属，切削金属时切屑塞进分刀片的夹缝，磨损热电偶或使热电偶短路。因此本文发明一种基于硬质合金基体，在刀具后刀面上制作SiO₂多层绝缘膜，之后溅射薄膜热电偶，最后沉积Si₃N₄保护层使薄膜热电偶嵌入到传感器内。薄膜热电偶的热接点直接镀置在刀尖处，能精确的测量刀尖处的切削温度；制作在刀具后刀面上，磨损相对轻微，再制作保护层，更能延长传感器的寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是研制出一种嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器，集切削、测温为一体，可用来快速、精确地测量出刀尖处的切削温度。可以解决切削易爆材料时刀尖处温度测量，由于使用嵌入式结构有效保护传感器，可以方便测量薄壁有色金属合金的高速切削温度。

本发明采用的技术方案一种嵌入式多层复合薄膜切削温度传感器的制备方法，其制作的步骤如下：

1、利用精密线切割数控机床将高速钢或硬质合金刀块加工成标准机夹刀片形式的刀体1，在刀体1底部开出一个通槽C，将刀体(1)的后刀面A打磨抛光，最后使用粒度小于0.1μm的金刚石研磨膏抛光到镜面，将刀体1分别放入丙酮、酒精或阻值大于13MΩ去离子水中，使用超声波清洗，将刀体1用氮气吹干后放入真空室内；

2、采用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射技术，按如下顺序操作：安装高纯度的Si靶材，抽真空，等离子体溅射清洗，溅射沉积，随炉冷却；最后在刀体1后刀面A溅射沉积第一层SiO₂绝缘膜2；将制作了SiO₂绝缘膜2的刀体1放入酒精中用超声波清洗，然后再放进真空室，在相同参数下溅射两次；即在相同参数下溅射三次，形成三层复合绝缘膜；