（机械电子工程专业论文）嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本课题属于切削温度测试研究领域，课题来源于辽宁省自然科学基金项目，项目编 号( 2 0 0 6 2 1 4 3 ) 和辽宁省教育厅高校科技计划，项目编号( 0 5 l 0 2 3 ) 。本文主要研究瞬态测 温传感器嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器的研制及其性能研究。 切削温度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 退以及刀具寿命等众多因素，因而现代制造业对切削温度的监测要求逐步提高。铝合金 高速切削过程中产生大量的切削热，由于切削速度高，切削热来不及传给工件就被高速 流出的切屑带走，工件和刀具累积热量极少。切削热主要集中于刀尖处，而切削区域埋 藏于工件内，处于半封闭状态，目前常用的测温方法无法测量刀尖处的切削温度，只能 测量距离刀尖一定距离的平均温度。本文研制出一种嵌入式复合薄膜热电偶刀具温度传 感器，该传感器集切削、测温为一体，可以快速并精确地测量刀具刀尖处的切削温度。 论文的主要内容包括：薄膜热电偶测温传感器的结构优化设计，磁控溅射方法制备 s i 0 2 绝缘膜、热电偶薄膜电极，测温传感器的静态标定、动态标定及切削温度测量试验， 薄膜热电偶磨损误差分析等。其中，s i 0 2 绝缘膜、薄膜电极的制备以及薄膜热电偶磨损 误差分析是本论文工作的重点。 通过增加磁控溅射射频偏压的方法，使薄膜热电偶与基体之间的结合力得到改善。 采用数控线切割慢走丝加工掩模，使其形状规则、热变形量小。磁控溅射得到的热电偶 薄膜膜层致密均匀、平整光滑、边界清晰、在热电极尺寸缩小7 0 的情况下仍能保证连 续。对热电偶进行静态标定和动态标定，得出薄膜热电偶的灵敏度为6 6 9 uw ，线性 误差不大于0 4 5 。通过采用两种激光器作为激励热源，分别得到一阶系统的阶跃响应 和脉冲响应，热电偶响应时间接近0 2 5 m s 。分别制作热接点宽度为1 0 m m ，0 8 m m ， 0 5 m m ，0 3 m m 的热电偶来模拟热电偶磨损过程，实验结果证明热接点宽度从 1 o m m - 4 ) 3 m m 对静态和动态数据影响不大，说明热电偶的磨损不会影响其精度和响应 时间。 关键词：切削温度；薄膜热电偶；磁控溅射；激光标定；铝合金切削实验 嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器的研制 f a b r i c a t i o no ft o o l sw i t hb u i l t - i nt h i n f i l mt h e r m o c o u p l es e n s o r s a b s t r a c t t h e p a p e ri si nt h ef i e l do fc u t t i n gt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , w h i c hi su n d e rt h es u p p o r t o fn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fl i a o n i n gp r o v i n c e ( n o 2 0 0 6 214 3 ) a n dp l a nf o rs c i e n t i f i c a n d t e c h n o l o g i c a li n d u s t r yi nc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e so fl i a o n i n ge d u c a t i o nd e p a r t m e n t ( n o 0 5 l 0 2 3 ) 1 kp r e s e n tw o r kd e d i c a e st o t h ed e v e l o p m e n to ft e m p r e m r es e n s o r - 一 f a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no ft o o l sw i t hb u i l t - i nt h i nf i l lt h e r m o c o u p l es e n s o r s c u t t i n gt e m p e r a t u r ed i r e c t l yi m p a c tt h et h e r m a ld e f o r m a t i o no fw o r k p i e e e ，t h eq u a n t yo f p r o c e s s e ds u r f a c e ，t h ea r e ac u t t e rk n i f eb e f o r et h ed e b r i sg e n e r a t i o na n dt u m o rr e g r e s s i o n , a s w e l l 嬲an u m b e ro ff a c t o r s ，s om o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yg r a d u a l l yi n c m a s et h e r e q u i r e m e n t so fm o n i t o r i n gc u t t i n gt h et e m p e r a t u r e i nt h ep r o c e s so fh i g h - s p e e dc u t t i n go f a l u m i n u ma l l o yb r i n ga l a r g ea m o u n to fh e a t ，a st h ec u t t i n gs p e e di st o oh i g h , c u t t i n gh e a th a s n o te n o u g ht i m et ot a k ea w a yb yt h eo u t f l o wo fh i g h - s p e e dc h i p ，al i t t l et e m p e r a t u r eh a sb e e n a c c u m u l a t e do nt h ew o r k p i e c e ，a n da l m o s f l ym a i n t a i nr o o mt e m p e r a t u r e c u t t i n gh e a t c o n c e n t r a t e di nt h et i p ，a n dc u t t i n gj o b si nt h er e g i o na r eb u r i e d ，i nas t a t eo fs e m i c l o s e d ，t h e c o n v e n t i o n a lm e t h o do ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc a nn o tt o u c ho nt h ec o v e ro ft h er e g i o n t h i sp a p e rd e v e l o p e dt o o l sw i t hb u i l t - i nt h i nf i l mt h e r m o c o u p l es e n s o r s ，w h i c hi n t g r a t e sb o t l l c u t t i n ga n dt e m p e r a t u r em e a s u r i n gf u n c t i o n s ，c a l lq u i c k l ya n da c c u r a t e l ym e a s u r i n gt h e c u t t i n gt o o lt i pd e p a r t m e n tt e m p e r a t u r e t h i sp a p e rc o n t a i n s ：s t r u c t u r eo p t i m i z e dd e s i g no ft h et f t ct e m p r e t u r es e n s o r , t h e f a b r i c a t i o nm e t h o df o rs i 0 2i n s u l a t i n gc o a t i n g ，t h e r m o c o u p l e st h i n - f i l mb yt h em a g n e t r o n s p u r t i n g ，s t a t i cc a l i b r a t i o n ，d y n a m i c a lc a l i b r a t i o n , e r r o ra n a l y s i so fd y n a m i c a lc u t t i n g t e m p r e t u r e ，t h et h e r m o c o u p l ef i l ma b r a d i n ge r r o ra n a l y s i sa n ds oo n a m o n gt h e s e ，t h e m a n u f a c t u r i n go fs i 0 2i n s u l a t i n gc o a t i n g ，t h i n f i l me l e c t r o d e s ，t h et h e r m o c o u p l ef i l m a b r a d i n ge r r o ra n a l y s i sa r et h ek e yp r o j e c ta n dh a v eb e e ne m p h a s i z e di nt h i sp a p e r b yi n c r e a s i n gt h er fb i a sv o l t a g eo fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g , t h eb o n d i n gb e t w e e n t h i n f i l mt h e r m o c o u p l ea n ds u b s t r a t eh a sb e e ni m p r o v e d t h em a s km a d eb yt h en u m e r i c a l c o n t r o l l e dl i n e a rc u t t i n gm a c h i n e ，w h i c hh a s r e g u l a rs h a p ea n ds m a l lt h e r m a ld e f o r m a t i o n t h e t h e r m o c o u p l ef i l mm a d eb ym a g n e t r o ns p u t t e r i n gh a sc o m p a c t i v ea n ds m o o t ht h i c k n e s s ，c l e a r b o u n d a r y ，c o n t i n u o u se v e nt h es i z er e d u c e d7 0 t h es t a t i ca n dd y n a m i cc a l i b r a t i o no ft f t - ca l ep r o p o s e d ，a n di ti sc o n c l u d e dt h a tt h es e n s i t i v i t ya r e6 6 9i lv 1 i n e a re r r o ri sn o g r e a t e rt h a no 4 5 t h r o u g hu s i n gt w ok i n d so fl a s e ra sh e a ts o u r c e ，t h ee x p e r i m e n th a sg o t 大连理工大学硕士学位论文 f i r s t - o r d e rs y s t e ms t e pr e s p o n s ea n di m p u l s e r e s p o n s er e s p e c t i v e l y , t h et h e r m o c o u p l e r e s p o n s et i m ec l o s et o0 2 5 m s i no r d e rt or e s e a r c ht h ep r o c e s so ft h et h e r m o c o u p l ew e a l o u t ，f o u rk i n d so fh o tn o d ew i d t hh a sb e e nm a d et os i m u l a t et h ep r o c e s s ，t h er e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h eh e a tn o d ew i d t hm a d eal i t t l ei n f l u e n c et ot h es t a t i ca n dd y n a m i cd a t a , s o w ec a l ls a yt h a tt h et h e r m o c o u p l ew e a ra n dt e a rw i l ln o ta f f e c ti t sa c c u r a c ya n d r e s p o n s et i m e k e yw o r d s ：c u r i n gt e m p e r a t u r e ；t h et h i nf i l mt h e r m o c o u p l e ；m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；l a s e r c a l i b r a t i o n ；a l u m i n u ma l l o yc u t t i n ge x p e r i m e n t 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：蛊盛夔送热皇堡型遏卫县笾盛墨鲍珏剑 作者签名： 矧磋卜 日期：囊够年卫月4 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1论文选题背景及其研究意义 提高切削加工效率和加工精度是切削加工永恒的主题。在铝合金高速切削过程中， 切削热除少量逸散到周围介质中以外，其余均传入刀具、切屑和工件中。如果切削热过 高将加速刀具磨损，引起工件热变形，严重时甚至引起机床的热变形。尤其在铝合金切 削加工中，由于铝合金导热系数大，绝大多数切削热传递到切屑和工件中，更容易引起 工件的热变形，导致加工精度降低。因此，在进行切削理论研究、刀具切削性能试验及 被加工材料加工性能试验等研究时，对切削温度的测量也非常重要l l 引。 由切削热引起的热应力等影响是切削过程中非常重要的因素之一。切削温度能够改 变前刀面上的摩擦系数，影响积屑瘤的产生与消退，影响已加工表面质量的提高，甚至 对工件材料进行在线热处理进而影响其力学性能。目前国内外的学者对机械加工中的温 度影响特别重视，尤其在切削温度以及激光束加工热影响方面尤为重视。但是利用薄膜 热电偶来测量切削温度的研究相对较少，目前仅有大连理工大学传感测控研究所的曾其 勇等人【4 】，以及日本东京科技大学机械控制工程系的a l ib a s i l 等人做了大量的研究工作 【5 】。而对测量切削金属材料时刀尖处瞬态切削温度的研究相对比较少。 本课题来源于于辽宁省自然科学基金项目，项目编号( 2 0 0 6 2 1 4 3 ) 和辽宁省教育厅高 校科技计划，项目编号( 0 5 l 0 2 3 ) 。 薄壁铝合金件刚性差、热变形大，当切削温度过高时变形严重，影响加工精度。传 统的加工方法只能适当提高切削速度，采用小切削深度、小进给量等方法来降低切削温 度和切削力。而德国学者c s a l o m o n 博士提出：工件材料都有一个临界切削速度值，当 切削速度超过该临界速度值时，切削温度随切削速度的增大而下降，刀具磨损随之下降； 而在达到该临界速度值之前，随着切削速度的增加，切削温度和刀具磨损均逐渐上升【6 j 。 随着切削速度的增加，切削区材料剪切角增大，切削变形系数减小，材料在高速下来不 及变形，刀具与切屑间的摩擦系数减小，切削过程中实际产生的热量减少，且多数热量 由切屑带走，进入刀具的热量相对较少，从而使刀具耐用度提高。由此可见，切削温度 的变化规律是反映切削过程本质的重要方面。切削铝合金薄壁件时切削深度小，切削温 度主要集中在刀尖部分，而这部分恰好埋入到工件内，常规的测温方法都无法触及。只 能先测量距离刀尖处一定距离的位置点切削温度，然后通过建立三维热传导模型推导出 刀尖处的温度，其中存在很多假设条件，使结果不精确【7 j 。因此需要研制一种能快速 响应的热电偶，并且热电偶需要制作在刀尖处，能精确测量出刀尖处的切削温度。 嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器的研制 1 2国内外主要切削温度测试技术介绍 切削温度的测量方法很多，现在应用比较广泛的有：自然热电偶法、人工热电偶法、 红外辐射测温法、薄膜热电偶法、金属微结构和微硬度变化方法、利用热敏材料溶化点 方法等。 1 2 1自然热电偶法 在诸多的切削温度测量方法中，自然热电偶法是用得最广泛，最直接、最方便的测 量方法【s 习。自然热电偶法【1 3 】主要用于测定切削区域的平均温度。它是利用刀具和工件 分别作为自然热电偶的两极，组成闭合回路测量切削温度。刀具引出端用导线接入毫伏 计的一极，工件引出端的导线通过起电刷作用的铜顶尖接入毫伏计的另一极。测温时， 刀具与工件引出端应处于室温，且刀具和工件应分别与机床绝缘。切削加工时，刀具与 工件接触区产生的高温( 热端) 与刀具、工件各自引出端的室温( 冷端) 形成温差电势，该 电势值可用接入的毫伏计测出，切削温度越高，该电势值越大。 用自然热电偶法测量切削温度简便可靠，可方便地研究切削条件( 如切削速度、进 给量等) 对切削温度的影响。值得注意的是，用自然热电偶法只能测出切削区的平均温 度，无法测得切削区指定点的温度；同时，当刀具材料或工件材料变换后，切削温度一 毫伏值曲线也必须重新标定。 1 2 2 人工热电偶法 人工热电偶法( 也称埋置热电偶) 【1 3 ，1o 1 1 1 可用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温 度，也可以测得温度分布场和最高温度的位置。人工热电偶法测温装置如图1 1 所示。 在刀具或工件被测点处钻一个小孔( 孔径越小越好，通常小于0 5 r a m ) ，孔中插入一对标 准热电偶并使其与孔壁之间保持绝缘。切削时，热电偶接点感受出被测点温度，并通过 串接在回路中的毫伏计测出电势值，然后参照热电偶标定曲线得出被测点的温度。通过 在不同的方位打许多小孔能够获得关于刀具温度梯度的满意结果。不利的地方在于不可 能把热电偶放在非常接近刀刃的位置，而这个地方正是高温度梯度的地方。 人工热电偶法的优点是：对于特定的人工热电偶材料只需标定一次；热电偶材料可 灵活选择，以改善热电偶的热电敏感性和动态响应速度，提高热电偶传感质量。但由于 将人工热电偶埋入超硬刀具材料( 如陶瓷、p c b n 、p c d 等) 内比较困难，因此限制了该 方法的推广应用。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 人工热电偶法测量切削温度示意图 f i g 1 1c u t t i n gt e m p e r a t u r em e a s u r i n gb ya r t i f i c i a lt h e r m o e o u p l e 因人工热电偶的接点有一定的体积和质量，对变化着的温度响应有滞后现象，对变 化过快的温度尤其难于测量。因此，人工热电偶只能测量比较稳定的温度，而且用人工 热电偶法只能测到离前刀面一定距离处某点的温度，并不能直接测出前刀面上的温度。 若要得到前刀面的温度，还要应用传热学的原理和公式进行推算。 1 2 3 远红外辐射测温法 采用光、热辐射法测量切削温度的原理是：刀具、切屑和工件材料受热时都会产生 一定强度的光、热辐射，且辐射强度随温度升高而加大，因此可通过测量光、热辐射的 能量间接测定切削温度【1 4 , 1 5 j 。但辐射测温法将遇到的主要困难之一是在刀具切屑及刀 具一工件的接触面上所产生的辐射被遮挡，无法进行通常的测量f 1 6 】。 ( 1 ) 辐射温度计法1 1 7 1 使用红外辐射温度计可测定刀具或工件表面的温度分布。红外探测器将接收的红外 线转换为电信号，经线性化处理后即可获得相应的温度值。但采用红外辐射高温计只限 于测量刀具或工件外表面某一点的温度。 辐射温度计测温方法的优点是不干扰被测温场，从而具有较高的测量准确度；在 理论上无测量上限，可测量相当高的温度；物体红外辐射的传播速度就是光的速度， 所以原则上测量物体每一点温度所需时间仅受这种仪器本身使用的探测器响应时间的 限制，而探测器响应时间可达微秒级，故易于快速与动态测量。但由于材料的表面辐 射率是一个影响因素相当复杂的参数，难以直接测得被测对象的实际温度。而且这种 测温方法的测温原理及温度计结构相对复杂，因而价格较高。 嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器的研制 ( 2 ) 红外热像仪法【6 , 1 0 , 1 1 , 1 她o 】 红外热像仪的基本工作原理是利用了斯蒂芬一波尔兹曼定律，即 e = s c r 0 4 ( 1 1 ) 式中e 物体辐射单元单位面积的辐射能量( w m ? ) 8 物体辐射单元表面辐射率( 取决于物体表面性质) 盯嘶蒂芬一波尔兹曼常数( 俨5 7 6 x 1 0 一w m 2 k 4 ) p 物体辐射单元的表面温度 红外热像仪利用3 5 6 p m 或8 - - 1 4 9 m 红外波段的扫描来测量物体表面温度分布及 状态，并通过热成像技术给出热辐射体的温度和温度分布值，以及得n - 维温度分布热 像图。 虽然红外热像仪所测温度为相对温度，滞后于实际切削温度，但根据传热反求算法 可准确求得切削过程中工件( 或刀具) 的温度变化规律及动态分布。红外热像仪测温法具 有直观、简便、可远距离非接触监测等优点，在恶劣环境下测量物体表面温度时具有较 大优越性。 1 2 4 薄膜热电偶法 薄膜热电偶是一种先进的测量瞬变温度的传感器1 2 1 3 6 。近年来特别是在枪炮膛内 壁【2 5 2 6 】、内燃机活塞顶面和燃烧室壁面【2 7 3 1 1 、锻膜表面【3 2 3 4 】、硅片快速热处理( r r 【 p ) 【3 5 ， 3 6 】等瞬态温度测试中获得了广泛的应用。它的原理是由德国人p h a c k e m a n n 【2 5 1 于第二次 世界大战期间提出，并研制成第一批薄膜热电偶( 其薄膜厚度为2um ) ，用于测量枪膛在 子弹射出后壁温的变化。薄膜热电偶的测温原理与普通丝式热电偶相似，由于薄膜热电 偶的热接点多为微米级的薄膜，与普通热电偶比较，它具有热容量小、响应迅速等特点， 所以能够准确地测量瞬态温度的变化。 美国w i s c o n s i n - m a d i s o n 大学机械工程系研制的微型薄膜热电偶传感器，可作为一 个独立的传感单元应用到很多工程中，例如贴敷在发动机内壁测试其温度【3 7 1 。这种传感 器的主要优点有： ( 1 ) 传感器单独制作，然后安装到测试载体上，可实现批量生产，单个传感器成本 低，而且可以灵活应用到不同环境中。 ( 2 ) 传感器制作精度高，热电偶尺寸极小，响应时间高，大约为4 6 n s 。 ( 3 ) 传感器制作在一个大硅片上，构成一个方形阵列，可以成批生产，而且传感器 之间不需要切割就可以分离开。传感器的具体制作过程如下： 连理工大学硕士学位论文 昌昌 凹i2 制作嵌入式传屉器日句三个具体步骤不慈圜 f i 9 12 s c h e m a t i c o f t h r e es u l g e so f f a b r i c a t i o na n de m b e d d i n g 日本东京科技大学a l ib a s i l 等人在陶瓷刀具的前刀面镀制n i c r n i 型薄膜热电偶， 柬测量切削a 6 0 6 1 t 6 型铝合金的车削温度，同时使用压电石英车削力传感器测量切削 力【5 j 。但薄膜热电偶的热接点制作在刀具的中间，不是刀尖的位置，从而只能测量刀头 的平均温度。薄膜热电偶传感器制作流程图如图1 3 所示。 图13 薄膜热电偶传感器制作顺序图 f i g l3 s e q u e n c eo f t h i n 6 l m t h e r m o c o u p l es e n s o r f a b r i c a t i o n 热电极材料直接镀在被测表而的薄膜热电偶。由于这种热电偶不用衬架和保护管 镀层极薄，因此响应速度极快，其时问常数可达微秒级。 一一零纂掣 嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器的研制 9 0 年代末期，美国的j i h - f e nl e i 和h e r b e r ta w i l l t 2 7 1 在航天飞机主发动机叶片上 直接镀薄膜热电偶，取得了很满意的结果。 1 3 溅射薄膜沉积技术简介 本文研制的薄膜热电偶切削温度传感器是将n i c r n i s i 薄膜热电偶镀在y g 6 x 刀具 的后刀面，除了薄膜热电偶薄膜电极的制作外，在热电偶薄膜与刀具 之间制备绝缘膜是研究本课题的关键技术之一。 薄膜制作方法有很多种，根据成膜方法的基本原理主要有物理气相沉积( p h y s i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ，简称p v d ) 、化学气相沉积( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，简称c v d ) 和离子注入等。其中，物理气相沉积是由真空蒸镀法，磁控溅射镀膜法、离子镀法组成。 其成型温度低，对基体的热影响相对比较小，结合力较好，而且物理气相沉积的薄膜成 分与靶材很相近，使薄膜得到理想的化学结构，但是物理气相沉积的设备复杂，效率低， 制作相同的薄膜需要的时间比较长。而化学气相沉积的沉积温度比较高，但是其应用广 泛，设备成本低，薄膜厚度相对比较厚，而且均匀，效率高。 1 3 1 直流磁控溅射法 磁控溅射是2 0 世纪7 0 年代发展起来的新兴溅射技术，目前已在工业生产中实际应 用。它具有高速、低温、低损伤等优点。其原理如图1 4 所示，受磁场控制的电子使心 原子离化成心离子，缸离子轰击石墨靶面，溅射出的碳原子在基体上成膜。c h r i s t op h e 用 此法沉积过d l c 膜，硬度为5 3 9 0 - - - 7 3 5 0 n m m 2 。 1 3 2 射频溅射法 2 0 世纪6 0 年代利用射频辉光放电，可以制取从导体到绝缘体任意材料的薄膜，2 0 世 纪7 0 年代得到普及。其原理如图1 5 所示，射频振荡控制的电子使时离子轰击石墨靶面， 溅射出的碳原子在基体上成膜。它的沉积温度较低、设备简单、沉积面积大，但沉积速 率低，不能克服基体过热的缺剧3 8 】。 大连理工大学硕士学位论文 靶电源 磁体 阴极 阳极 基体 偏压电源 射频电源 石墨靶 x ：1 婪二磁场线圈 ix 区，一基体 上 图1 4 直流磁控溅射原理图图1 5 射频溅射原理图 f i g 1 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c t f i g 1 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fr a d i o f r e q u e n c y u r r e n t - m a g n e t r o ns p u t t e r i n g s p u t t e r i n g 1 3 3 空阴极放电离子镀 放电很容易达到自持，在同样的气压和电压条件下，它的电流密度比直流辉 光放电高得多【3 9 1 ，而且在空阴极放电过程中，比异常辉光放电具有较高的离化率，因此 基片表面可以免受溅射，得到的薄膜更加均匀。图1 6 为其示意图。 图1 6 空阴极放电离子镀示意图 f i g1 6 v o i dc a t h o d ei o np l a t i n gd i a g r a m 亡 三噬 ) 一 正 1 _ j - 1 - 尘土e l 弧源 工件 弧靶 真空泵 图1 7 多弧离子镀原理图 f i g 1 7m u l t i p l ea l ei o np l a t i n gd i a g r a m 1 3 4 多弧离子镀 多弧放电蒸发源是在2 0 世纪7 0 年代由前苏联发展起来的。其原理如图1 7 ，阳极与阴 极触发引燃电弧，弧光放电仅在靶材表面一个或几个密集的弧斑处进行，弧斑在阴极靶 表面以每秒几十米的速度做无规则运动，整个靶面均匀消耗。其特点是从阴极直接产生 等离子体，不用溶池，阴极靶可根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。但目前 存在的主要问题是弧斑喷射的液滴飞溅射到膜层上会使膜层粗糙，因此膜层结构疏松， 空隙很多，降低了薄膜的抗摩擦和耐磨损性能。 嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器的研制 1 3 5 微波e c r 等离子体源增强溅射 ( 1 ) 微波等离子体源的基本原理 微波电子回旋共振( m w e c r ) 等离子体放电的基本原理为：工作气体中的少量初 始电子在磁场中产生拉摩回旋运动，如果电子的回旋频率与微波电场的频率相一致，电 子的回旋运动就会和微波电场发生共振，从而产生共振能量吸收，变成高能电子；这些 高能电子和工作气体分子发生非弹性碰撞，使之电离，产生等离子体。 调节磁场电源电流，使沿x 轴方向某一层面上的磁感应强度b 为8 7 5 g s ，在这一层 面上电子回旋频率丘_ gx b m 。等于微波频率产2 4 5 g h z ，这时发生电子回旋共振，产生 大量的等离子体【5 6 1 。微波e c r 条件如图1 9 所示。 奄1 2 0 0 o i6 0 0 鹊。 瑚 赠一6 0 0 攫1 2 0 0 x ， 横轴坐标x ( 皿) 图1 9e c r 线圈、靶和基片架的相对位置( a ) ，沿x 轴的磁感应强度分布( b ) f i g 1 9 r e l a t i v ep o s i t i o no fe c r c o r d , t a r g e ta n ds u b s t r a t eh o l d e r ( a ) a n dt h ea x i a ld i s t r i b u t i o no f b ( b ) ( 2 ) 微波等离子体的特点 基于微波e c r 放电机理的等离子体源产生的等离子体具有以下特点： 无极放电，因此等离子体没有污染； 能量转换效率高，9 5 以上微波功率可以转化为等离子体能量； 磁场约束，减少了等离子体和器壁的相互作用； 在低气压下( 1 0 。3 1 0 。) p a 产生高密度( 1 0 1 1 1 0 1 3 c l n 3 ) 的等离子体； 电离率高，一般在1 0 以上，有的装置甚至超过5 0 ； 所有上述特点，都是其它等离子体源( 如直流辉光、射频等) 所无法比拟的。因此， 微波e c r 等离子体源用于等离子体材料加工时，有如下优点： 一 曲 ( 一 尺 ， 一一 大连理工大学硕士学位论文 可以高速率地获得高纯度的( 沉积、反应、注入等) 反应物质，特别是有高化 学活性的反应物质； 减少了高能离子对沉积物质或基体表面的损伤； 提高了反应物质的反应活性，可以在较低的沉积温度下制备附着力强的薄膜； 可以控制参加反应的粒子的能量，获得其它方法难以得到的高能态亚稳相结构； 应用于半导体刻蚀时，有良好的各向异性刻蚀性能，可高速进行亚微米甚至于 纳米尺度的加工。 正是由于上述优点，微波e c r 等离子体源的研究及在等离子体材料加工中的应用 得到广泛而迅速的发展。 ( 3 ) 微波e c r 等离子体增强溅射沉积 微波e c r 等离子体增强溅射的设想是由j m u s i l 等人在1 9 7 9 年首次提出的呻删，5 年后，1 9 8 4 年日本n t t 公司的m a t s u o 及其合作者首次实现了这一设想。此后，美、日 等国家的很多实验室都开始了对这项技术的研究。 微波e c r 等离子体增强溅射有如下特点： 工作气体的电离率高，可以产生高密度的等离子体； 溅射气压低，一般在0 1 p a , - , 0 0 0 5 p a 范围内，低于磁控溅射的工作气压；通常在 这个气压范围内，溅射粒子的平均自由程大于靶基距，溅射粒子不会因发生碰撞而损失 能量，这意味着薄膜生长所需能量不但可以由离子提供，而且可以由中性溅射原子提供； 微波e c r 等离子体离子能量低，对基片损伤i x ； 1 4 本文研究的主要内容及组织结构 本论文共分五部分介绍本课题的主要工作： 第一章是绪言，概述了切削温度测量的主要方法以及薄膜制备的主要技术。 第二章是嵌入式薄膜热电偶传感器的制造，介绍了s i 0 2 绝缘膜的制作过程，以及 提高薄膜结合力的方法；微小尺寸薄膜热电偶制作过程；耐磨损切削涂层的制作。 第三章详细介绍了热电偶静态呢和动态标定过程。采用l a b v i e w 8 5 软件编写了温 度自动标定程序，实现了同时标定四种热电偶。使用两种激光器作为热源激励，标定热 电偶动态响应时间。 第四章通过制作四种不同热接点面积的热电偶来模拟热电偶磨损过程，并在相同条 件下标定热电偶的静态精度和动态响应。 第五章现场切削实验。 一9 一 嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器的研制 2 嵌入式薄膜热电偶传感器的研制 薄膜热电偶温度传感器若要应用到实际切削加工中，除需在恶劣条件下保持良好的 精度和稳定性外，传感器的制作仍须满足如f 要求： ( 1 ) 薄膜热电偶和y g 6 x 硬质合金基体必须严格绝缘，因此必须在基体上沉积绝缘 性好，结合力强的s i o z 绝缘膜。 ( 2 ) 为了适应生产需求，传感器必须具有足够长的寿命，展外层需制作保护层。保 护层具有足够的硬度、耐磨性、结合力和绝缘性，以便在切削加工时能有效的保护薄膜 热电偶。 针对以上要求，薄膜热电偶传感器的制作可以分为以下几个步骤： ( 1 ) 7 6 6 x 硬质合金刀头参数的优化设计，参考硬质台金刀具高速切削铝合金的经 验参数，选取比较合适的参数，同时电要考虑镀膜时的工艺要求，中和各方而的要求最 终确定其结构参数。如图21 ( a ) 所示。 ( 2 ) 在硬质合金刀具后刀面溅射一层s i 0 2 绝缘膜，热接点的位置不能镀绝缘层，否 则由于绝缘层的隔热性使热量传递到薄膜热电偶上需要一定时间，这直接影响到薄膜热 电偶的瞬态性。如图21 m ) 所示。 ( 3 ) 刀具和掩模分别组合，溅射沉积薄膜热电偶电极，左电极( n i c r ) 、右电极( n i s i ) 的重合点称为热接点。如图2l ( c ) ( d ) ( e ) 所示。 ( 4 ) 为了保护热电偶不受外界磨损，制作s i 3 n 4 保护层。如图21 ( d 所示。 y g 6 x 刀头结构设计 s i 0 2 绝缘膜 r 。4 n 、忙 【一 r ”。一一 一瞄 图21 薄膜热电偶制作流程图 f i g2 1 t h e f l o wc h a r t o f f a b f i e a l i n g t h e t 兀 大连理工大学硕士学位论文 2 1y g 6 x 测温刀头结构设计与制作 近年来，铝合金作为轻量化，高强度材料在汽车以及航天上使用迅速增加，因此进 一步提高铝合金零件的加工质量和加工效率具有很大的实际意义。高速切削铝合金作为 一种高效、高质量的切削方法已经普遍被采用，国外已基本上全部采用硬质合金不重磨 表面涂t i ，n i t i ，n i a i t i 等涂层刀片。本文采用y g 6 x 亚细晶粒硬质合金作为刀具基 体，s i 3 n 4 作为切削涂层。 铝合金( 多为硅铝合金) 切削加工时，由于烈的塑性大，熔点低，易在工件表面与 刀尖接触处形成积屑瘤，随后与破碎的初晶s i 一起使工件部分表皮剥落，同时随着积 屑瘤的产生，切削力增大，甚至可能使刀尖崩裂，薄膜热电偶随之失效。所以刀具几何 角度的选取十分重要。 切削铝合金时对工件的表面粗糙度要求很高，同时由于铝合金传热系数高，线膨胀 系数大，在加工过程中会大量吸收切削热，使工件发生热变形，而且铝合金硬度和熔点 都较低，因此加工过程中切屑容易与刀具发生“胶焊或粘连，形成积屑瘤。为了避免 上述问题，切肖i j 铝合金的刀具前角一般都取的比较大，本文暂取3 0 0 。铝合金的弹性模 量较小( 仅有7 5 g p a ) ，是不锈钢弹性模量( 2 0 6 g p a ) 的三分之一左右，从e = 艿g 可 知，相同应力下铝合金的应变量大约是不锈钢的3 倍，因此由工件弹性恢复产生的后刀 面摩擦相对切削磨损更大。在不影响刀具楔角强度的前提下，尽量增大刀具后角，本文 选取1 0 0 后角。 图2 2 嵌入式薄膜热电偶测温刀头结构示意图 f i g 2 2 s c h e m a t i cs t r u c t u r eo f t o o l sw i t hb u i l t - i nt h i nf i l mt h e r m o c o u p l e 嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器的研制 采用精密线切割慢走丝加工y g 6 x 刀头，刀具具体参数如下：前角1 , = 3 0 0 ，后角 a = l o o ，主偏角k r = 7 5 。，副偏角k r7 = 1 5 。，刃倾角护8 。，如图2 2 所示。选用株洲 硬质合金厂生产的y g 6 x 硬度最高可达9 6h r a ，极难加工。精密线切割加工之后的表 面粗糙度不能满足镀膜的要求，所以必须先对其进行研磨抛光，然后才能镀膜。抛光时 普通水磨砂纸根本无法磨削硬质合金，而电化学研磨的腐蚀剂又很难配置。在平面磨床 上使用金刚石砂轮机高速平稳磨削硬质合金刀头和规格为1 0 m m x l o m m ，1 5 m m x l 5 m m 的硬质合金样片，研磨后表面粗糙度r a _ n b ，电子扩散的结果使导 体a 失去电子而带正电，导体b 则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电 场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电 势，其大小可表示为 p 船( d ：坚l n 孥 ( 2 5 ) e v b 式中：( 丁) 为导体彳和8 的结点在温度t 时形成的接触电势； r 为电子电荷，e - 1 6 x 1 0 。1 9 c ： 卜玻尔兹曼常数，七= 1 3 8 x 1 0 一j k ； m ，阮广分别为导体a 、b 的自由电子密度。 从公式( 2 5 ) 可以看出：热电势的大小与温度和热电极的电子密度有关。温度越 高，热电势越大；热电极的电子密度相差越大，热电势也越大。 温差热电势是由于热电极两端温度不同，存在着温度梯度而产生的电视。根据物理 学的理论推导，对热电极4 ，b 的温差电势可用下列公式表示： 山) = 一= 等砖d ( m f ) ( 2 6 ) e b ( t , t o ) = u b , 也。2 詈。砖烈 ( 2 7 ) 式中：r 单位电荷，等于4 8 0 2 x 1 0 舶绝对静电单位； 酪波兹曼常数，等于1 3 8 x 1 0 石尔格。c ： m ，热电极a ，b 的电子密度，它是温度的函数； 卜温度( ) 。 大连理工大学硕士学位论文 从式( 2 6 ) ，( 2 7 ) 中可以看出，温差电势的大小取决于热电极两端的温差和热 电极的电子密度，而电子密度又是和热电极材料成分有关的，温差越大，温差热电势也 越大，当两端温度相同时，即两端温差为零，则温差热电势也为零。 由此得出热电偶制作的几个基本要求； ( 1 ) 热电偶所产生的热电势的大小，与热电极本身的长度和直径无关，只与热电 极材料的成分和两端温差有关。因此选择好的热电偶材料对制作热电偶至关重要。 ( 2 ) 只有当两个热电极的材料成份不同时，才能做成热电偶，而两个相同材料成 分的热电极不能做成热电偶。 ( 3 ) 热电偶电极的材料一定要均匀，如果成份不均匀导致自由电子密度发生变化， 测量的热电势误差大。 2 3 2 薄膜热电偶制作的要求 薄膜材料的电导率不同于丝式材料的，原因之一是由于薄膜内部晶格不规则的浓度 比块体材料大很多，另一个原因是由于尺寸效应而引起薄膜表面对传导电子发生漫反射 几率增大。薄膜表面的光滑程度不同，电子与薄膜表面碰撞时，可发生镜面反射和漫反 射，在镜面反射中，电子的反射角与入射角相同，因而垂直薄膜表面的速度分量在反射 后，大小不变，只是其方向相反。而电子在平行于薄膜表面的速度分量则完全没有变化。 因此，这种反射是弹性反射，不会影响到薄膜的电导率。但是在漫反射时，电子的反射 角与入射角无