一种实时测量刀尖瞬态温度的智能铣削刀具的制作方法

本实用新型属于先进制造及切削技术领域，特别涉及瞬态铣削温度测试技术领域，具体的说是涉及一种基于薄膜热电偶的智能瞬态铣削测温刀具。

背景技术：

在现代机械加工中，随着切削加工精度要求的不断提高和加工对象的进一步复杂化，促使高速、精密及超精密加工得到快速发展。切削热是加工过程中不可避免的物理现象，切削温度与零件加工质量及刀具的磨损直接相关，而对于高速、精密及超精密加工来说，切削热主要集中在刀具刀尖处且温度变化快，温度来不及传导造成刀具刀尖温度骤升，为避免瞬间高温加剧刀具磨损或对已加工表面造成损伤，能及时测量切削区域温度变化并实时反馈，特别是瞬态温度的测量尤为重要。

薄膜热电偶是一种基于热电转换机理的新型瞬态温度传感器，由于薄膜热电偶具有的突出优点是热容量小、体积小、响应速度快，能够捕捉瞬时温度变化，虽然薄膜状态的热电偶容易在实际加工过程受到磨损，但应用于高速、精密及超精密加工时，薄膜热电偶磨损量小，其测温性能变化不大，仍能满足瞬态温度的采集。而由于铣削加工主轴处于高速旋转，传统测温方法布线复杂，测温数据传输困难，造成了测量铣削切削区域温度技术发展瓶颈。因此有必要研究一种新的铣削测温刀具，通过采用基于热电效应的薄膜热电偶法，将薄膜热电偶直接嵌入在刀具刀尖处，解决了传统测量方法复杂布线的技术短板，并将温度采集单元嵌入铣刀刀杆，既可以实现本地温度数据传输存储，又可以通过无线传输方式传输至上位机以图像和数据的方式直接显示实时温度，为实现铣削加工中心实时反馈进而控制加工进程提供可能，为铣削区域瞬态温度的测量提供新的技术途径。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的缺陷，本实用新型的目的是要提供一种实时测量刀尖瞬态温度的智能铣削刀具，其采用先进的薄膜热电偶测温技术，将薄膜热电偶直接沉积在被测对象的表面并参与切削，不破坏被测部件结构，可实时监测切削区域瞬态温度变化即其能够将薄膜热电偶嵌入在刀片刀尖的智能瞬态铣削测温刀具，因而具有响应速度快、测量精度高、能够在生产现场对切削区域瞬态温度进行准确和实时测量等特点。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案：

一种实时测量刀尖瞬态温度的智能铣削刀具，其特征在于，包括：

安装于温度采集终端固定组件内的温度采集终端；

数控刀柄；

与所述数控刀柄配合连接的面铣刀盘，所述面铣刀盘上固定有薄膜热电偶测温刀片。

进一步的，作为本实用新型的优选

所述薄膜热电偶测温刀片为表面镀附有薄膜热电偶的铣削用硬质合金刀片。

进一步的，作为本实用新型的优选

所述薄膜热电偶包括：

镀附在所述硬质合金刀片上表面的SiO₂绝缘薄膜；

依次沉积于所述SiO₂绝缘薄膜上且相互搭接成热接点的NiCr热电极薄膜及 NiSi热电极薄膜；

以及镀附在所述NiCr热电极薄膜及NiSi热电极薄膜上的保护薄膜。

进一步的，作为本实用新型的优选

所述保护薄膜采用SiN_xO_y材料，其由N₂、O₂与硅靶释放的Si原子经过化学反应生成。

进一步的，作为本实用新型的优选

所述温度采集终端所采集到切削温度数据能够通过本地数据传输存储方式或者能够以无线发射所采集到的温度数据方式向上位机进行数据传输存储。

进一步的，作为本实用新型的优选

所述温度采集终端装载于能够嵌入所述数控刀柄的温度采集终端保护外壳内。

进一步的，作为本实用新型的优选

所述温度采集终端保护外壳通过固定薄板固定于所述温度采集终端固定组件上。

进一步的，作为本实用新型的优选

所述固定薄板为呈回字形结构的薄板。

进一步的，作为本实用新型的优选

所述温度采集终端固定组件的中心部位上设置有与数控刀柄过盈配合的中心通孔。

进一步的，作为本实用新型的优选

所述温度采集终端固定组件、温度采集终端保护外壳及所述固定薄板均采用聚四氟乙烯材料制作而成。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型可以应用于瞬态铣削温度的测量，通过将薄膜传感器嵌入在硬质合金刀片刀尖处，能够实现对加工工件及刀具没有损伤，且薄膜传感器直接参与切削过程使其具有热容量小、体积小、响应速度快，能够捕捉瞬时温度变化等优点，本实用新型为瞬态切削温度测试提供了新的方法，为智能铣削测温刀具的研究与开发提供了新的技术途径。

附图说明

图1为本实用新型所述智能瞬态铣削测温刀具结构实施例总示意图；

图2是图1中A处局部放大图；

图3是本实用新型所述薄膜热电偶测温刀片分层图；

图4是本实用新型所述温度采集终端固定组件三维示意图；

图5是图4的主视图；

图6是图4的左视图；

图7是图4的俯视图；

图8是本实用新型所述固定薄板三维示意图；

图9是本实用新型所述温度采集终端保护外壳三维示意图；

图10是图9的主视图；

图11是本实用新型所述智能瞬态铣削测温刀具切削温度智能监测系统框图组成。

图中：1、BT40-FMB27-100型数控刀柄，2、温度采集终端固定组件，2-1、凹槽，2-2、孔i，2-3、正方形通槽，2-4、孔ii，2-5、螺纹孔，3、固定薄板， 3-1、固定薄板沉孔，3-2、固定薄板内圈，4、螺钉，5、补偿导线i，6、补偿导线ii，7、面铣刀盘，8、NiCr热电极或热电极i，9、NiSi热电极或热电极ii，10、热接点，11、SiO₂绝缘薄膜，12、SiN_xO_y保护薄膜，13、常温快干导电银胶，14、单组份室温固化硅橡胶(704W)，15、紧固螺钉，16、硬质合金刀片， 17、温度采集终端，17-1、温度采集终端供电接头，17-2、温度采集终端信号输入端，17-3、温度采集终端OLED显示屏，17-4、温度采集终端塞贝克系数调节按键，18、温度采集终端保护外壳，18-1、温度采集终端保护外壳上盖，18-2、温度采集终端保护外壳下板，18-3、锂电池接线通槽，18-4、温度采集终端供电接头通槽，18-5、孔iii，18-6、温度采集终端信号输入端通槽，18-7、温度采集终端OLED显示屏接口通槽，18-8、温度采集终端塞贝克系数调节按键通槽。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型设计了一种将薄膜热电偶嵌入在刀片刀尖的智能瞬态铣削测温刀具，以实现对加工工件及刀具没有损伤且薄膜传感器直接参与切削过程，使智能瞬态铣削测温刀具具有响应速度快、测量精度高、能够在生产现场对切削区域瞬态温度进行准确和实时测量等特点。

如图1-图11所示，基于上述设计目的，本实用新型所述智能瞬态铣削测温刀具，其包括：

(I)温度采集终端，其安装于温度采集终端固定组件内；进一步的，作为本实用新型的优选方案，所述温度采集终端通过机械紧固的方式装载于能够嵌入所述数控刀柄的温度采集终端保护外壳内并将所述温度采集终端保护外壳18 嵌入温度采集终端固定组件2内。更进一步的，作为本实用新型的优选方案，所述温度采集终端所采集到切削温度数据能够通过本地数据传输存储方式或者能够以无线发射所采集到的温度数据方式向上位机进行数据传输存储。如为保证数据低丢包率，本地数据传输存储方式采用SD卡存储数据，以便于后期处理绘制温度数据曲线；如无线发射方式可利用Zigbee无线传输模块将温度数据经协调器发送给PC机(含上位机软件)，其传输速率为24S/s，并通过计算机以数字和曲线图两种形式实时显示切削温度数据。进一步的，作为本实用新型的优选所述温度采集终端保护外壳通过固定薄板固定于所述温度采集终端固定组件上。进一步的，作为本实用新型的优选所述固定薄板为呈回字形结构的长方形薄板即固定薄板3，所述呈回字形结构的固定薄板3通过螺纹连接方式与温度采集终端固定组件2固接，使温度采集终端17完全固定。进一步的，作为本实用新型的优选所述温度采集终端保护外壳18呈长方体，经温度采集终端保护外壳上盖18-1、温度采集终端保护外壳下板18-2通过螺纹连接而成，所述保护外壳 18上表面设有若干通槽(以供温度采集终端供电接头17-1、温度采集终端信号输入端17-2、温度采集终端OLED显示屏17-3、温度采集终端塞贝克系数调节按键17-4安装调试使用)，左侧面对应凹槽2-1左侧正方形通槽2-3处设有同等大小、位置一致的正方形通槽即锂电池接线通槽18-3；进一步的，作为本实用新型的优选所述回字状长方形薄板3采用线切割技术加工为中空长方形薄板状。且短边两侧分别设有与温度采集终端固定组件螺纹连接用沉头孔。

(II)与面铣刀盘7组合作为所述智能瞬态铣削测温刀具主体的数控刀柄；进一步的，作为本实用新型的优选方案，采用标准BT40-FMB27-100型数控刀柄 1，且该型数控刀柄1长度随温度采集终端固定组件2的尺寸进行选取；

(III)温度采集终端固定组件，其通过过盈配合方式与标准 BT40-FMB27-100型数控刀柄1连接，进一步的，作为本实用新型的优选方案，如图4，所述温度采集终端固定组件2呈立方状，其前后两侧对称设有大小一致的用于放置温度采集终端的矩形的凹槽2-1，以保证装载温度采集终端后，智能铣削刀具加工时保持动平衡，并使得两凹槽2-1下边沿设有用于补偿导线i 5与补偿导线ii 6与温度采集终端信号输入端17-2连接的孔i 2-2；且凹槽2-1左侧沿靠近温度采集终端供电接头17-1设有用于锂电池供电接头通过的正方形通槽 2-3。进一步的，作为本实用新型的优选所述温度采集终端固定组件的中心部位设置有与数控刀柄过盈配合的中心通孔，且端面两侧分别设有螺纹孔，以供固定薄板3的紧固连接。进一步的，作为本实用新型的优选，为降低无线数据传输所受干扰，所述温度采集终端固定组件、温度采集终端保护外壳及所述固定薄板均采用聚四氟乙烯材料制作而成。

(IV)以及与所述数控刀柄配合连接的面铣刀盘，所述面铣刀盘上固定有薄膜热电偶测温刀片并采用补偿导线i 5与补偿导线ii 6将薄膜热电偶与温度采集端连接，使得铣削时产生的热电势经温度采集单元转化数字信号以本地数据传输存储方式存储并后处理或无线发射至上位机，实现数字和曲线图两种形式实时显示铣削温度数据；所述薄膜热电偶测温刀片包括硬质合金刀片16、镀附在铣削用硬质合金刀片16上的薄膜热电偶、常温快干导电银胶13、单组份室温固化硅橡胶(704W)14及补偿导线i 5、补偿导线ii 6，可采用高温导电银胶即常温快干导电银胶13将NiCr、NiSi补偿导线一端与NiCr热电极i、NiSi热电极ii一一对应连接，并涂覆单组份室温固化硅橡胶(704W)于所述导电银胶表面，以保护高温导电银胶；同时使得补偿导线另一端通过凹槽2-1下边沿设有的孔i 2-2与温度采集终端信号输入端17-2对应连接，使得温度采集终端可实现对切削温度数据的采集。进一步的，作为本实用新型的优选所述薄膜热电偶测温刀片为表面镀附有薄膜热电偶的铣削用硬质合金刀片16，将薄膜热电偶测温刀片通过紧固螺钉15固定在面铣刀盘7上，薄膜热电偶测温刀片的补偿导线尾端与温度采集终端信号输入端17-2连接，实现切削产生热电势的传递，热电势经温度采集终端17模数转换为温度数据。进一步的，作为本实用新型的优选所述薄膜热电偶包括：镀附在所述硬质合金刀片上表面的SiO₂绝缘薄膜；依次沉积于所述SiO₂绝缘薄膜上且相互搭接成热接点的NiCr热电极薄膜及NiSi热电极薄膜；以及镀附在所述NiCr热电极薄膜及NiSi热电极薄膜上的SiN_xO_y保护薄膜。所述SiN_xO_y保护薄膜由磁控溅射时硅靶释放出的Si原子与N₂、O₂发生化学反应得到的，其在热电极薄膜表面有较好的附着力，所述SiO_xN_y薄膜即氮氧化硅化合物薄膜，当其受到轻微氧化时其薄膜结构更加致密，且兼备SiO_x、Si_xN_y薄膜的优势，对避免热接点的氧化效果更好，且同时通入N₂、O₂较仅通入O₂的情况下更能充分与Si原子反应，降低磁控溅射过程生成单质Si而导致热电极处短路的可能性。

基于上述结构，所述智能瞬态铣削测温刀具的制备过程，包括：

1)薄膜热电偶测温刀片制备

所述薄膜热电偶测温刀片主要包括硬质合金刀片16、镀附在铣削用硬质合金刀片16上的薄膜热电偶、常温快干导电银胶13、单组份室温固化硅橡胶 (704W)14及补偿导线i 5、ii 6。如图3所示，所述薄膜热电偶由镀附在硬质合金刀片16上表面的SiO₂绝缘薄膜11以及在该SiO₂绝缘薄膜11之上并列镀附的热电极i薄膜8、热电极ii薄膜9，镀附在硬质合金刀片16前部的两个热电极连接所形成的如图2所示的热接点10，同时在热电极i薄膜8、热电极ii薄膜 9上面镀附有SiO_xN_y保护薄膜12。对应的工艺过程为：首先对硬质合金刀片16 的后刀面进行抛光、清洗处理，采用磁控溅射工艺在经抛光后的硬质合金刀片16上依次沉积SiO₂绝缘薄膜11、热电极i 8、热电极ii 9、SiO_xN_y保护薄膜12，其中沉积SiO_xN_y保护薄膜时需用铝箔覆盖热电极i 8、热电极ii 9尾端；然后使补偿导线i 5与补偿导线ii 6的头端与热电极i 8、热电极ii 9的尾端在硬质合金刀片16上表面一一对应，并在两接点处涂覆常温快干导电银胶13，静置晾干至常温快干导电银胶将补偿导线i 5与补偿导线ii 6分别与热电极i 8、热电极ii 9 粘接牢固；最后涂覆适量单组份室温固化硅橡胶(704W)14于常温快干导电银胶13表面，保护引脚粘接处，得到所述用于测量瞬态铣削温度的薄膜热电偶测温刀片。

2)智能瞬态铣削测温刀具结构的设计与加工

所述智能铣削测温刀具包括BT40-FMB27-100型数控刀柄1及面铣刀盘7 组合所构成的刀具主体、温度采集终端固定组件2、温度采集终端保护外壳18、固定薄板3、螺钉4、薄膜热电偶测温刀片及紧固螺钉15。如图1所示为智能瞬态铣削测温刀具三维整体示意图，所采用BT40-FMB27-100型数控刀柄1为所述智能铣削测温刀具主体，匹配标准数控刀盘即面铣刀盘7，其中 BT40-FMB27-100型数控刀柄1长度由温度采集终端固定组件2尺寸大小决定。如图4为温度采集终端固定组件2三维示意图，所述温度采集终端固定组件2 呈立方状，前后两侧对称设有大小一致的矩形的凹槽2-1，用于放置温度采集终端17；凹槽2-1下边沿靠近温度采集终端信号输入端17-2处设有用于补偿导线 i 5与补偿导线ii 6与温度采集终端信号输入端17-2连接的孔i 2-2；凹槽2-1左侧沿靠近温度采集终端供电接头17-1设有用于锂电池供电接头穿过的正方形通槽2-3。如图9为温度采集终端保护外壳18三维示意图，所述保护外壳18呈长方体，经温度采集终端保护外壳上盖18-1、温度采集终端保护外壳下板18-2通过螺纹连接而成，温度采集终端保护外壳下板18-2是厚度为2mm的长方形薄板，两侧分别设有两个沉头通孔，用于螺钉通过。温度采集终端保护外壳18用于装载温度采集终端17及供电锂电池并加以固定。所述温度采集终端保护外壳18 上表面设有若干通槽分别用于温度采集终端供电接头17-1、温度采集终端信号输入端17-2、温度采集终端OLED显示屏17-3接口及温度采集终端塞贝克系数调节按键17-4通过，温度采集终端保护外壳18左侧面对应所述凹槽2-1左侧正方形通槽2-3处设有同等大小、位置一致的正方形通槽18-3，用于锂电池供电接头穿过，为温度采集终端供电。为保证所述温度采集终端保护外壳18完全紧固，设有与温度采集终端固定组件2通过螺钉4连接的回字结构的长方形的固定薄板3，固定薄板3内圈3-2紧贴保护外壳18上表面。所述温度采集终端固定组件2、温度采集终端保护壳18及固定薄板3均采用聚四氟乙烯材料，以减少对温度采集终端传输无线信号的干扰。如图11，所述温度采集终端17由主控制芯片STM32F103、温度数据采集模块、液晶显示模块、ZigBee无线传输模块、SD 卡存储模块、按键模块及基本电路等组成，温度采集终端17可实现对切削温度数据的采集，温度数据的采集分为两种方式：1)采用本地数据传输存储方式即 SD卡存储数据，后处理绘制温度数据曲线；2)利用Zigbee无线传输模块将温度数据经协调器发送给PC机(含上位机软件)，其传输速率为24S/s，并通过计算机以数字和曲线图两种形式实时显示切削温度数据。

3)智能瞬态铣削测温刀具的安装及铣削加工

BT40-FMB27-100型数控刀柄1与温度采集终端固定组件孔ii 2-4之间采用过盈配合的方式连接。为保证加工时智能瞬态铣削测温刀具的整体动平衡性，需在两凹槽2-1内均嵌入温度采集单元的终端17。在温度采集终端固定组件凹槽2-1下方对应的面铣刀盘7上分别采用紧固螺钉15将薄膜热电偶测温刀片固定，面铣刀盘7另两处采用普通硬质合金刀片16，补偿导线i 5与补偿导线ii 6 穿过孔i 2-2与温度采集终端信号输入端连接；将装有温度采集单元的终端17 的温度采集终端保护外壳18嵌入在凹槽2-1内，同时使装载在温度采集终端保护外壳18内的锂电池供电接头穿过正方形通槽2-3，固定薄板3通过螺钉4与温度采集终端固定组件2配合连接；铣削加工时，将BT40-FMB27-100型数控刀柄1装夹在数控铣床(本例采用XHK714数控铣床)上，连接锂电池供电接头与温度采集终端供电接头17-1，通电后，调节温度采集终端塞贝克系数调节按键17-4，温度采集终端OLED显示屏17-3显示经调整后的赛贝克系数及测温刀片的热端温度和冷端温度，为避免高速旋转时温度采集终端OLED显示屏17-3 脱落，铣削前取下温度采集终端OLED显示屏17-3。启动数控铣床，镀附在硬质合金刀片16刀尖处的薄膜热电偶参与切削时产生热电势，经温度采集终端17 模数转换为温度数据，温度数据以SD卡存储和经Zigbee无线传输模块发送至 PC机两种方式获取，从而实现铣削加工瞬态温度的测量。

综上所述，本实用新型可以应用于瞬态铣削温度的测量。将薄膜传感器嵌入在硬质合金刀片刀尖处，对加工工件及刀具没有损伤，薄膜传感器直接参与切削过程且具有热容量小、体积小、响应速度快，能够捕捉瞬时温度变化，为瞬态切削温度测试提供了新的方法，为智能铣削测温刀具的研究与开发提供了新的技术途径。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。