利用内嵌薄膜热电偶传感器测量切削温度外文翻译

1、附5本科毕业设计（论文）外文翻译中文译名利用内嵌薄膜热电偶传感器测量切削温度外文原文名tools with built-in thin film thermocouple sensors for monitoring cutting temperature外文原文版出处ieee/iee译 文： 利用内嵌薄膜热电偶传感器测量切削温度作者：ali basti, toshiyuki obikawa, jun shinozuka东京工业大学机械与控制工程，2-12-1 o -okayama，目黑区，东京152-8552，日本的机械工程学系，茨城大学，4-12-1 nakanarusawa，日立，茨城3

2、16-8511日本摘要：对在加工过程中的实时监控，和切削刀具的热激发和热冲击相关的理论技术的研究已经在制造业中成为热门。相关的温度信号可以通过切削刀具内嵌适当传感器例如薄膜热电偶(tfts)进行测量。这种技术的应用就要求相关的刀具，设备，传感器可以承受高压和高温。在这项研究工作中，对于构造内嵌薄膜热电偶和实验步骤的相关顺序问题被提出和论证。这次切削实验的内容是，针对不同条件下，以最高16m/s的速度高速切削铝合金a6061-t61，同时测量终点切削温度。1.引言在加工过程中，特别是机械加工，人们对工具的温度的兴趣很高。温度对机械加工严重的影响：高温加速刀具磨损，缩短刀具使用寿命。温度引起工件表

3、面的热变形，同样的情况也适用于切削刀具和切削机械工具，使得加工精度降低；同时通过相位转移，残留的热应力，热感应缺陷影响加工后的表面层。然而，预测复杂的热源在机械操作中转移到工件和刀具上的强度分布是非常非常困难的。尤其是，因为工作原料制成的加工工具的力和热的转移是紧密交织在一起的，同时取决于工具的内张力和应变力和温度。尽管相关人员已经花费大量精力提出不同的理论分析和实施相关实验目的是了解这种现象，很多的问题依旧亟待解决。 很多实验性的的方法为了测量刀具-切屑接触面而设计提出：刀面-切屑热电偶技术，热电偶嵌入技术，红外线放射测量，金属微结构和微硬度的测量技术，利用热敏原料的熔点技术，和薄膜传感器技

4、术，这项技术基于纯泊薄膜的特性，就是其欧姆电阻会随着温度变化。以上每一种技术都有自己的优势优点和劣势缺点。运用工业软件，可以极大发挥薄膜传感器的潜力，但是测量刀-屑面的温度受限于在工程铝合金中的一种自由加工铝合金，测量后的温度近似的比铝合金的温度高200k。作为对比，人们发展了很多数学方法如：有限差理论，有限元理论，混合fem分析法的理论，边界单元法和反证法。然而相比复杂的热问题分析，在切削过程中简单的假定更适于解决代码的分析。 创造者使得薄膜形式的热电偶传感器（tfts）已经发展到可以在高温高压下测量刀-屑混合区的温度。一种含有pt(pt-13%rh)tft，同时具有al2o3和aln高硬度

5、涂层的原型刀具已被应用到切削的实验中，切削材料为0.45%c的氮素合金钢s45c,切削速率为1.67-5.0m/s，进给速率为0.08-0.25mm/rev，但是1.8mm的tft对于测量温度分布来说有过宽，切削过程必须在几秒钟内完成，以避免tft的损坏。在本文章中，良好的tfts又ni和ni-cr（80:20质量%）放置在al2o3基底的刀具下。这个tft大约厚度在0.5mm厚，同时有氧化铪物理气象沉积作为绝缘层（hfo2）。于是，在一个tin坚硬的层在hfo2隔缘层下，为了保护内置的tfts抵抗高速切削过程中的磨损和高压力。tfts的校准随着加工实验而确定。每个实验的温度测量符合不同的切削

6、速率对应唯一的内嵌tfts。2.工作原理图片1是tfts在正交切削过程中的实际应用一个简略的示意图，同时表现了刀具纵断面内tfts如何内嵌其中。ni和ni-cr的热电偶的热联结点焊接在距离刀具切削刃很近的地方；冷的联结点实际上在末端的记录器，离刀刃非常远，却在前刀面上。这样的安排，是因为如此而来tfts,的电动势（emf）代表热接点和tft，末端之间的温差。因此，热接点的计算公式如下：，的取得的方法是，测量末端温度利用附加的铬镍 铝镍热电偶。3. 设备制造tft传感器用于测量切削温度必须遵循以下要求：（1）保护传感器的硬质涂层和下面接触层之间具有足够的附和力，以在加工过程中表现良好的耐磨性和耐

7、久度。（2）传感器在尺寸和质量上都足够的小，以便实现高灵敏度；同时（3）传感器的构造和安装不会影响加工过程。为了达到以上各项要求，tft传感器设计成为了微型结构，同时构造与一个铝合金陶瓷刀具的前刀面上，传感器嵌入刀具时利用了包括其在内的腐蚀性的金属材料。最终，这次嵌入被涂上一层hfo2绝缘层和一层基于tin，tialn活着tialsin的保护层。图2介绍了设备的相关的一些制造过程。tft的基片是一层氧化铝的嵌入工具，这层嵌入已经被研磨至表面粗糙度ra至少0.2mm，所以完全的清洁并且脱脂。第一步，利用直流磁控溅镀将一层0.5mm厚的ni被放置在到面的右半侧和一部分重叠位置，就是热接点产生的地方

8、。这个过程一直重复到的ni-cr（80:20质量%）目标在刀具左半部分表面和重叠位置。ni和ni-cr层不必要的部分会被除去，方法是通过一系列物理消除或者化学腐蚀的措施方法方法，以便于形成热电偶适配器。利用氯化铁和（nh4）2ce（no3）6除镍和镍铬的解决方案，分别进行了化学蚀刻。镍和镍铬薄和细层形成的薄膜电晶体沉积氧化铪，而留下无涂层的热电偶端子绝缘。由于氧化铪高的热稳定性和化学稳定性，这一层是最好的绝缘体薄膜电晶体之一。镍和镍铬薄和细层形成的薄膜电晶体沉积氧化铪，而留下无涂层的热电偶端子绝缘。由于氧化铪高的热稳定性和化学稳定性，这一层是最好的绝缘体薄膜电晶体之一。螺旋磁控溅射，物理气相沉

9、积法，用于涂层氧化铪6毫米厚的。然后，锡，tialn涂层或tialsin形成一个保护涂层和耐磨层。例如，锡沉积使用5h反应直流磁控溅射的厚度为3毫米。上面图3显示了三种类型制作的工具在进行保护和耐磨涂层之前和之后的数据。可以看出在hfo2层下的热电偶通过该层;镍铬终端两张照片看白色的反射光。一般来说，热路口的宽度为750毫米和300毫米分别为类型i和ii，而型被设成为50，100或150毫米。然而，热路口的宽度并不总是固定在上面的值。对于每种类型的热电偶。硬质涂层材料可以选择从锡tialn tialsin中选择。本文选取锡。场发射扫描电子显微镜（sem）是用于调查的堆积层在炎热的交界处质量。图

10、4显示内置的tft工具的纵向截面的背散射电子（bse）图像。在此图像中，每一种材料显示材料特有的颜色和亮度;然而，应当指出的是，亮度也取决于表面形貌。检查图像显示层已经成功做了排列，在接口之间的扩散相在邻层之间尚未识别的明显。4. 薄膜电晶体全部的tfts上插入全部的刀具中，超过30多个热电偶，用来进行校准以获得薄膜电晶体的塞贝克系数。因此，它被发现电晶体的塞贝克系数并非常数和小于的镍（镍铬）线热电偶直径0.5mm。这主要是因为有非常大的薄膜电晶体欧姆电阻丝热电偶相比。塞贝克系数测量欧姆电阻和tfts显示以下指数关系：st =exp(3.199-0.00312r)其中st是塞贝克系数和r的tf

11、t在的总电阻，这种关系表明，各tft欧姆电阻应该在切削实验之前被测量，因为沉积条件影响沉积薄膜的片电阻。5. 实验装置正交切削实验在一台车床上进行。力和温度测量系统在之上建立就可以了，如图所示 5力的测量系统由两个压电石英晶体测功机，三通道电荷放大器和一台个人电脑。测力器设置在刀架基座下以便于检测切割力和推力。然后，检测到的信号在放大器上放大通过一个a/ d卡由计算机采集。tfts及镍铬 - 镍铝热电偶的电动势，相当于和在式例（1）中，分别被转移到计算机。然后，校准方程式例（2）被用来转换电动势对温度。只有iii型插入锡防护涂层刀具的tfts在实验中使用以避免的tfts的个体差异，否则可能影响

12、校准温度。这个刀具的倾角度为-5度，后角角度为5度。工件的圆板a6061-t6铝合金1.0mm厚，这用来固定芯棒撵在车床上。在工件的径向方向的工具进刀方式按固定进给率0.10毫米/转，因此，切削宽度为1.0毫米。按照选择六种不同的切割速度，5，8，10，12，14和16米/秒，测量温度和切削力。6结果与讨论使用无氮化钛硬保护涂层在刀具不破损的情况下只用到一个工具嵌入tfts就获得了6个不同的切割速度的所有数据。图6显示了切割与轴向力，同样在两个区域两个不同距离0.3和0.5mm距离切削刃的温度。只有第二和第三tfts测量的温度显示，就距离刀刃的距离来说。因为与第一tft测得的温度是很不稳定。一

13、个不稳定建立起来刀刃的的形成一定已经影响到第一条tft 的电动势。第二个总是在刀具和切屑接触区域，而第三个是内部或外部的接触区域，根据切削条件。从开始切割，测量温度随着切割力迅速变化。在温度和力量之间的延迟时间很短。刀具切削速度在16米/秒，被抽回来0.3秒左右，停止其径向进给。在此暂停期间，力和温度显示类似的变化。图7显示测量的切削温度距离刀刃0.3mm并在切削速度从5到16m/s。对于第二个tft既是0.3mm距离切削刃的测量温度几乎包含了从5到14m/s的切削速度。在此，在剪切角的增加和减少随着切削速度的工具芯片的接触长度已经停止了温度上升。在切削速度16m/s时，切削温度突然增加的，并

14、瞬间达到最大平均值890k。在这个切削速度下，不弯曲的，直的切屑产生了，相比较低的切削速度是产生的弯曲的切削屑。如上所述，切削速度在16米/秒测量的平均气温上升的a6061铝合金876k的固相线温度超过14 k，但扫描电镜检查是不能够找到的芯片表面上的任何融化的痕迹。这是因为潜在的热量这是因为潜热和潜时期对于新的核和新的相的形成在屑的相从固态熔化过程中的转变是非常重要的。一个切屑表面上的材料的接触点在刀具和切屑接触表面的传递需要一个非常短暂的时间te，据估计，在切割速度12米/秒的情况下小于100毫秒。超过固相线温度加热时间点是只有一小部分时间te，因此它是太短造成相变。然而，还有一种可能性该

15、屑可能转变从沉淀硬化阶段，部分软相固溶处理后，切削温度高的帮助留下工具芯片的接触面积。图8显示平均切削温度的测量刀具-切屑热电偶法和超高速切割商用纯铝a1100芯片的厚度，根据不同的切削条件和速度。虽然在两个实验，工件和刀具材料的不同，温度变化范围随着平均切割速度范围从1000到1600米/分（16.7-26.7米/秒），在图 8中，有数据显示类似的测量温度行为，测量方法同图7中的第二种tft嵌入方法。这种相似性表明，在高切削速度切削温度的角度范围内有一个最佳点。7.结论在这项研究中，直流反应磁控溅射和螺旋磁控溅射，物理气相沉积的方法被运用到沉积镍（镍铬）的薄膜电晶体传感器，锡氧化铝刀具内嵌传感器的保护硬涂层hfo2绝缘层。化学加工和光刻相关的技术被用来塑造这种刀具中的热电偶电路。制备了不同模式和不同宽度的热路口就是为了测量这个刀具切屑接触面的地区的切削温度。交叉区域的截面的质量分析包括热场发射实验得到的分析数据，和电子显微镜下观察到的分析数据，这些数据表明，层的排列安排比较理想，发生在内层的缺陷，夹在相邻之间的两层之间的，也没有发生。对不