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薄膜热电偶传感器测温刀具的设计制备及切削性能研究

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薄膜热电偶传感器测温刀具的设计制备及切削性能研究

作者：张田园厦门大学

学位级别：硕士

切削热是切削加工过程中的重要物理现象,大量的切削热使温度迅速升高,切削温度过高会严重影响刀具磨损程度、切削加工精度与质量等。切削温度的测量是切削加工领域中极为重要的研究方向之一,传统的切削温度测量技术因无法准确地测量出... 详细信息

切削热是切削加工过程中的重要物理现象,大量的切削热使温度迅速升高,切削温度过高会严重影响刀具磨损程度、切削加工精度与质量等。切削温度的测量是切削加工领域中极为重要的研究方向之一,传统的切削温度测量技术因无法准确地测量出切削区域的真实瞬态温度变化而存在一定的局限性,基于此,本文将具有良好测温可靠性、响应迅速的薄膜热电偶传感器制备在切削刀具靠近刀尖位置处,结合等离子体增强化学气相沉积与磁控溅射技术制备出薄膜热电偶传感器测温刀具,用于切削加工过程中切削温度的实时测量,并针对其热电性能及切削性能进行了一系列的研究工作。根据薄膜热电偶的测温原理与热电性质,通过切削温度仿真试验分析刀具前刀面切削温度场的分布情况,确定出薄膜热电偶的结构、几何尺寸与位置参数;对比分析各层薄膜不同材料优缺点,结合切削加工实际应用情况,最终确定出最优薄膜材料及其厚度。本文所制备的薄膜热电偶传感器测温刀具自YS8刀具基底至上依次为:SiO2绝缘层-2.5μm、NiCr正电极层-600nm、NiSi负电极层-600nm、SiO2保护层-800nm;热接点几何尺寸为2.5×1mm,距离主、副切削刃分别为100μm、100μm。采用等离子体增强化学气相沉积与磁控溅射技术分别制备了 SiO2薄膜和NiCr、NiSi薄膜,通过对热电极层的退火工艺研究,分析了不同退火气氛、退火温度对NiCr、NiSi薄膜表面形貌、结晶程度和电阻率的影响;对制备得到的薄膜热电偶传感器测温刀具进行静态与动态标定测试,结果表明:该刀具的塞贝克系数为48.13 μV/℃,动态响应时间为0.175ms,具有优良的重复性、最高所测冷热温差温度为600℃。将本文所制备的薄膜热电偶传感器测温刀具与红外热像仪同时应用于A17075-T6铝合金与TC4钛合金车削正交试验中切削区域温度的测量,对其试验结果进行一系列的分析,验证了该刀具测温的可靠性,研究了该测温刀具的耐久性与重复性,其切削长度可达1500m以上。

关键词：测温刀具薄膜热电偶切削温度热电特性切削性能

CFRP钻削用测温刀具的研制与连续制孔温度对其制孔质量的影响研究

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CFRP钻削用测温刀具的研制与连续制孔温度对其制孔质量的影响研究

作者：周群力大连交通大学

学位级别：硕士

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)作为现代航空制造业不可或缺的材料,具有质量轻、强度高、韧性高、抗腐蚀能力强等优良特性,该材料的广泛应用为航空航天高端装备实现减重增效、优化性能的目标提供了轻量化... 详细信息

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)作为现代航空制造业不可或缺的材料,具有质量轻、强度高、韧性高、抗腐蚀能力强等优良特性,该材料的广泛应用为航空航天高端装备实现减重增效、优化性能的目标提供了轻量化解决方案。CFRP的制孔加工在制造业需求广泛。研究表明,切削温度对CFRP的制孔质量影响显著特别是在连续制孔过程中,刀具来不及自然冷却,切削温度的影响会愈发严重。目前,实时、准确测量CFRP钻削温度面临诸多挑战。本文基于薄膜热电偶法,研制了一种CFRP钻削用测温刀具,通过建立钻削温度无线测试系统,揭示CFRP连续制孔温度对制孔质量的影响规律。本文主要研究内容如下:(1)开展CFRP连续制孔过程有限元仿真研究。虑及材料的力学行为随温度变化的特性,开发了改进的Hashin 3D各向异性复合材料损伤子程序,建立了CFRP三维宏观钻削热力耦合模型。研究刀具温度场的分布与变化规律,为后续传感器的结构设计提供设计依据;通过改变刀具温度场的初始状态,对连续制孔过程进行有限元模拟,阐明钻削温度变化对材料制孔损伤的影响规律;(2)针对CFRP钻削温度难以实时准确测量的技术难题,完成了对CFRP制孔用测温刀具的整体结构设计,制备绝缘性良好的薄膜热电偶温度传感器基底,采用磁控溅射工艺,在特定位置沉积薄膜热电偶各功能层薄膜,并对各层薄膜进行表征,分析成膜质量。通过性能测试结果,研究其静态性能与动态性能,计算所制备薄膜热电偶的灵敏度、重复性误差与动态响应时间;(3)开展CFRP连续钻削温度对制孔质量影响的试验研究。建立CFRP钻削温度测试系统。采用优化后的工艺参数进行单因素试验,在单孔啄钻试验与连续制孔试验中分别研究了不同制孔最高温度对损伤因子、孔表面粗糙度等指标的影响。在此基础上开展连续制孔试验,对比分析了普通干式制孔与不同流量液氮冷却辅助制孔条件下不同制孔最高温度的变化规律,并分析了制孔质量在不同温度区间的优劣程度,研究了连续制孔温度与制孔质量的影响规律,以优化制孔质量为目标,确定本文试验条件下CFRP连续制孔最适合的温度区间。

关键词：碳纤维增强复合材料连续制孔热力耦合模型测温刀具薄膜热电偶

瞬态铣削温度多点测量用引线自连接测温刀具研制

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瞬态铣削温度多点测量用引线自连接测温刀具研制

作者：王霖大连交通大学

学位级别：硕士

铣削加工在国家制造业中占有重要地位,是大型复杂零件常用的加工方法。在铣削加工过程中,尤其是铣削高强韧难加工材料的时候,切削区域温度会迅速升高,不仅会降低刀具的使用寿命,同时还会影响零件的加工质量。因此,瞬态铣削温度及其分布... 详细信息

铣削加工在国家制造业中占有重要地位,是大型复杂零件常用的加工方法。在铣削加工过程中,尤其是铣削高强韧难加工材料的时候,切削区域温度会迅速升高,不仅会降低刀具的使用寿命,同时还会影响零件的加工质量。因此,瞬态铣削温度及其分布的原位实时测量是实现难加工材料高质高效加工的关键。然而,在铣削过程中,铣刀伴随主轴高速旋转且加工区域相对狭小,如何实现狭小区域内刀具温度场的多点测量以及多通道信号稳定传输,同时铣刀片还可以快速更换,是原位精确实时测量瞬态铣削区域温度亟需解决的关键问题。鉴于此,本文研制了一种瞬态铣削温度多点测量用引线自连接测温刀具。具体研究内容如下:(1)本文以Inconel718难加工材料为研究对象,首先对其铣削温度场进行有限元仿真分析,得到其铣削过程的温度分布云图。基于铣刀片的温度场分布规律确定多点薄膜温度传感器的基本布局方案,在此基础上,提出了以弹簧针作为连接器实现薄膜温度传感器与引线快速自连接的方法,解决了采用传统方法进行薄膜与引线连接时电极丝易脱落、体积大、无法快速自连接等问题。(2)根据瞬态铣削温度多点测量用薄膜温度传感器的整体结构方案,设计了各层薄膜制备所需的专用夹具及掩模板,单次可以实现6个铣刀片同时制备,提高了制备效率。通过磁控溅射技术在铣刀片上依次沉积Si O绝缘薄膜、Ni Cr/Ni Si功能薄膜以及Si O保护薄膜,完成基于薄膜热电偶温度传感器的引线自连接测温刀具的制备。最后,通过SEM、EDS对制备的各层薄膜进行表面形貌表征,结果表明,这些薄膜表面均具有高致密性和良好的连续性,且薄膜成分和所制备的靶材成分的比例接近。(3)分别搭建了静态标定系统和动态标定系统,进行了灵敏度和重复性测试以及响应时间测试。通过对引线自连接测温刀具的性能测试,确保其温度测量结果的准确性。试验结果表明,所研制的瞬态铣削温度多点测量用薄膜温度传感器灵敏度高、线性度好、响应迅速、重复性误差低。(4)设计了一种可随刀柄旋转的专用多通道导电滑环,在此基础上,结合研制的瞬态铣削温度多点测量用引线自连接测温刀具,搭建了瞬态铣削温度多点测量的有线测试系统,实现了从旋转主轴到采集设备的有线多通道数据信号的传输。获得了铣削过程中的多点实时温度曲线,并与仿真模型对比,进一步验证了仿真模型的可靠性。实验结果表明,即使在剧烈震动和刀具严重磨损及崩刃的情况下,多点测温薄膜温度传感器仍能够稳定地采集温度数据。

关键词：铣削温度多点测量引线自连接薄膜热电偶测温刀具

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切削区热电偶测温刀具的制备及其性能测试

中国机械工程 2015年第14期26卷 1959-1963页

作者：刘志军林新贵全燕鸣广州航海学院广州510725 华南理工大学广州510640

由于切削测温温感器无法直接接触切削区,故在铂铑丝表面喷涂耐热绝缘层制作耐热热电偶,把表面覆盖耐热绝缘层的热电偶埋入硬质合金粉末,压制、烧结成热电偶测温刀片。通过恒温箱测温实验判定热电偶的测温性能,用性能正常的热电偶测温刀... 详细信息

由于切削测温温感器无法直接接触切削区,故在铂铑丝表面喷涂耐热绝缘层制作耐热热电偶,把表面覆盖耐热绝缘层的热电偶埋入硬质合金粉末,压制、烧结成热电偶测温刀片。通过恒温箱测温实验判定热电偶的测温性能,用性能正常的热电偶测温刀具进行切削测温实验,测温实验结果及切削刀具镜测结果表明,热电偶测温刀具能直接、可靠地进行切削区温度的测量,但是用此工艺制作的刀具切削寿命较短;实验结果还表明直径越大的铂铑丝制作的热电偶测温刀具的成品率越高,但是铂铑丝直径越大,刀具寿命越短;实验进一步揭示切削区内各点的温差较大,但是一次切削切削区温度场处于稳态时切削测温点的温度是稳定的,温度场处于稳态时切削温度的变化能迅速反映刀具的磨损状态的变化。

关键词：热电偶切削切削区测温刀具

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一种新型测温刀具的研制

机床与液压 2016年第7期44卷 18-20页

作者：郑晓峰曾其勇李柱陈锋蒋立正浙江机电职业技术学院机械工程学院浙江杭州310053 中国计量学院质量与安全工程学院浙江杭州310018

采用磁控溅射法在PCBN刀具的前刀面上镀制NiCr和NiSi薄膜,形成一种新型的NiCr-NiSi薄膜热电偶测温刀具。详细阐述了薄膜热电偶的制作过程,结合WS-2005涂层附着力自动划痕仪和Jsm-5610扫描电子显微镜分别测试分析了NiCr和NiSi薄膜的附着... 详细信息

采用磁控溅射法在PCBN刀具的前刀面上镀制NiCr和NiSi薄膜,形成一种新型的NiCr-NiSi薄膜热电偶测温刀具。详细阐述了薄膜热电偶的制作过程,结合WS-2005涂层附着力自动划痕仪和Jsm-5610扫描电子显微镜分别测试分析了NiCr和NiSi薄膜的附着力和成分。通过现场切削试验表明,制备的NiCr-NiSi薄膜热电偶测温刀具能够实时、快速、准确地测量切削温度。

关键词：薄膜热电偶附着力薄膜成分测温刀具

NiCr/NiSi薄膜热电偶测温刀具及其传热数学模型研究

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NiCr/NiSi薄膜热电偶测温刀具及其传热数学模型研究

作者：殷俊伟大连交通大学

学位级别：硕士

切削刀具作为精密加工过程的核心十分重要。然而,众所周知,大量的切削热若不能及时耗散最终会导致切削温度升高,这不仅对刀具寿命以及加工精度造成影响,严重的甚至会导致废品率增加生产率降低。目前,尚未建立精确可靠的数学模型来预测... 详细信息

切削刀具作为精密加工过程的核心十分重要。然而,众所周知,大量的切削热若不能及时耗散最终会导致切削温度升高,这不仅对刀具寿命以及加工精度造成影响,严重的甚至会导致废品率增加生产率降低。目前,尚未建立精确可靠的数学模型来预测切削过程中的刀具磨损、刀具破裂、切削力以及切削热。因此,急需一种能够实时测量刀具切削温度的测量系统。国内外广泛使用的测量切削温度方法中,薄膜热电偶法因其微秒级的响应时间和热容量小的优点吸引了无数海内外学者。本文利用薄膜热电偶研制出—种自感知刀具,可实现切削区瞬态温度实时、准确的测量,同时对薄膜热电偶的静动态性能进行了研究。论文的主要内容包括：在莫特和琼斯给出的用金属电导率和电阻率表示的扩散热电势率表达式的基础上利用电导率可表示为电子平均自由程λ与对电导有效的费米面有效面积A的乘积,采用气体模型中自由电子平均自由程的表达式作为近似,推导出薄膜热电势率与块体材料热电势率的数量关系表达式,从中得出随着膜厚的增加薄膜材料的塞贝克系数将逐渐趋近于标准丝式热电偶的塞贝克系数。利用复合介质中一维非稳态热传导理论,将NiCr/NiSi薄膜热电偶测温刀具的各层薄膜以及基体作为研究对象,建立了多层膜一维非稳态热传导数学模型,推导出热电偶层的温度分布函数。代入镀膜时间为90min的热电极薄膜参数,并借助Matlab7.0软件对该函数进行求解,计算得响应时间τ=0.2ms。研制出一种新型温度自感知刀具,模拟切削实验表明,自感知刀具能够准确感知切削温度。同时采用LabVIEW研制了一套自动标定系统,对不同热电极厚度和宽度薄膜热电偶的测试性能进行研究。薄膜热电偶传感器的动态响应时间明显比传统热电偶要快,在600℃时静态响应依然呈线性,且随着热电极膜厚增加塞贝克系数与标准K型热电偶匹配很好。然而,随着热接点宽度增加,薄膜热电偶塞贝克系数和响应时间未发现明显不同,热电极膜厚越薄响应越快,但是薄膜热电偶的塞贝克系数同时降低。

关键词：薄膜热电偶测温刀具动态特性静态特性塞贝克系数

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嵌入薄膜热电偶的铣削测温刀具研究

嵌入薄膜热电偶的铣削测温刀具研究

作者：刘秋雨大连交通大学

学位级别：硕士

切削区域温度是金属切削加工中最重要的研究领域之一,是影响刀具寿命与加工零件质量的重要参数。由于铣削加工过程中刀尖-工件热接触区域位置随主轴旋转而高速变化,传统测温手段受体积大、响应速度慢、传感器难布置等条件的限制,难以实... 详细信息

切削区域温度是金属切削加工中最重要的研究领域之一,是影响刀具寿命与加工零件质量的重要参数。由于铣削加工过程中刀尖-工件热接触区域位置随主轴旋转而高速变化,传统测温手段受体积大、响应速度慢、传感器难布置等条件的限制,难以实现铣削区域温度的实时测量,导致铣削区域温度变化规律测试的研究较少。本文针对上述技术难题,研制了一种嵌入薄膜热电偶的铣削测温刀具,主要研究内容如下:采用直流脉冲磁控溅射方法制备薄膜热电偶温度传感器,在铣刀片后刀面依次沉积Si02绝缘薄膜、NiCr与NiSi热电极薄膜以及SiO2保护薄膜;使用分次沉积方法制备的SiO2绝缘薄膜以较小厚度获得更好的绝缘特性,2.7 μm厚薄膜电阻值可达2.05×107Ω;借助光刻工艺制备的NiCr与NiSi热电极薄膜边界清晰规整,无边缘衍射现象,两热电极薄膜搭接形成接触良好的测温热接点;通过SEM、TEM对制备的薄膜热电偶传感器进行表征,证明了各层薄膜表面致密均匀、元素分布准确。对嵌入铣削测温刀具的薄膜热电偶的静、动态特性进行研究,结果表明在30～120℃内薄膜热电偶塞贝克系数为34.14 μV/℃,最大非线性误差为0.05%,动态响应时间为0.132 ms。设计薄膜热电偶热接点磨损等效试验,研究证明薄膜热电偶跟随刀具磨损后的静、动态特性基本不变,证明嵌入薄膜热电偶测温刀具的铣削温度测试试验数据的准确性。基于微米纳米尺度传热学理论研究了薄膜热电偶的热传导模型,考虑了 Si02绝缘薄膜的隔热特性、薄膜-刀片界面热阻对热传导模型的影响,对多层薄膜结构的薄膜热电偶热传导模型进行研究。利用有限元仿真软件建立了薄膜-刀具二维稳态热传导模型,通过数值模拟得到了薄膜-刀具温度场分布云图。搭建基于薄膜热电偶测温刀具的6061铝合金铣削温度测试试验系统,设计了基于铣削速度、轴向切削深度以及进给量的CCD响应曲面试验方案,根据测试结果建立了铣削温度与切削参数相互作用下的二阶预测模型,检验证明该回归模型可靠,为铣削区域温度的监控及预测过程提供可信的理论及实验数据依据。

关键词：铣削区域温度薄膜热电偶磁控溅射测温刀具响应曲面法