一种使用薄膜热电阻测量刀具温度的结构与制备方法与流程

本发明涉及切削刀具领域，特别是涉及一种使用薄膜热电阻测量刀具温度的结构与制备方法。

背景技术：

切削是机械加工中一种重要的工件成形方法。切削过程中，刀具和工件之间剧烈摩擦，产生大量切削热，使刀具和工件的温度升高，引起工件变形，影响切削的精度，加剧刀具的磨损。切削温度是反应加工状态的一个重要参数，也是机床进行自适应控制的重要依据，因此有必要在加工过程中对切削温度进行监测。

在切削变形区，切屑沿前刀面流出的过程中与前刀面发生剧烈的摩擦和挤压作用，使得温度不断升高。因此刀具温度的最高点位于与刀刃有一小段距离的前刀面上。目前常见的切削刀具温度测量方法主要有自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶法、辐射测温法等。其中，自然热电偶法将工件和刀具作为热电偶的两极，人工热电偶法和半人工热电偶法都需要在刀具或工件上打孔以放入热电偶，不仅使用上受到诸多限制，而且还不能准确测得前刀面温度最高点处的温度。此外在刀具上打孔会削弱刀具的强度和刚度，影响加工精度。辐射测温法适用于远距离非接触测量物体表面温度，但是由于切削环境复杂，该方法的使用会受到切削液、切屑等干扰，难以保证测温精度。

传统的热电偶测温方法不仅会降低刀具性能，影响加工质量，而且会有较大的测温误差。此外，传统的热电阻测温方案是采用粘接的方式将热电阻丝固定于刀具，不仅连接方式不够可靠，而且测量结果会产生误差。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服上述技术缺陷，提供一种使用薄膜热电阻测量刀具温度的结构与制备方法，以获得测温精度高、工作可靠、通用性强的实时测温刀具。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种使用薄膜热电阻测量刀具温度的结构，包括绝缘膜、热电阻薄膜、保护膜、刀具涂层和引出脚，所述绝缘膜形成在刀具所需测温位置，所述绝缘膜上具有凹陷区域，所述热电阻薄膜形成在所述凹陷区域内，所述保护膜形成在所述热电阻薄膜上，所述涂层覆盖所述保护膜，所述热电阻薄膜与所述引出脚电连接，所述引出脚位于所述保护膜和所述涂层的覆盖区域外并用于通过引出导线与温度采集终端电连接。

进一步地：

所述保护膜形成在所述凹陷区域内，所述热电阻薄膜与所述保护膜的厚度之和与所述凹陷区域的深度相等，优选地，所述凹陷区域的深度在0.5-5微米范围内。

所述测温位置为一处或者多处位置，在所述刀具的前刀面和/或者后刀面。

所述绝缘膜的材料为sio2或者al2o3，厚度在1-10微米。

所述热电阻薄膜的材料为pt或者ni，厚度在0.3-3微米。

所述保护膜的材料为si3n4或sio2，厚度在0.2-2微米。

所述涂层的材料为tic、crc、tin、ticn、al2o3中的一种或多种复合的多层材料结构，厚度在1-10微米。

一种所述的测量刀具温度的结构的制备方法，包括如下步骤：

在刀具的测温位置沉积绝缘膜；

对所述绝缘膜进行局域刻蚀；

在被刻蚀区域沉积热电阻薄膜、引出脚和保护膜，其中，所述保护膜覆盖所述热电阻薄膜但不覆盖所述引出脚；

在所述刀具的表面沉积刀具涂层，其中，所述涂层覆盖所述保护膜但不覆盖所述引出脚。

进一步地：

所述刻蚀为干法刻蚀或者湿法刻蚀。

所述绝缘膜、所述热电阻薄膜、所述引出脚和所述保护膜的沉积为化学气相沉积或物理气相沉积。

一种刀具，具有所述的测量刀具温度的结构。

本发明具有的有益效果：

本发明提供一种使用薄膜热电阻测量刀具温度的结构与制备方法，该测量刀具温度的结构在刀具所需测温位置形成有绝缘膜，所述绝缘膜上具有凹陷区域，所述热电阻薄膜形成在所述凹陷区域内，所述保护膜形成在所述热电阻薄膜上，所述涂层覆盖所述保护膜，所述热电阻薄膜与所述引出脚电连接，所述引出脚位于所述保护膜和所述涂层的覆盖区域外并用于通过引出导线与温度采集终端电连接，由此结构设计，本发明将薄膜热电阻嵌入刀具涂层下方，所形成的温度传感器参与切削过程，可在不影响加工过程及刀具性能的前提下，对刀具所需测温位置进行实时温度测量。本结构充分利用薄膜热电阻传体积小、热容量小、对温度场影响小、响应速度快等优点，能够准确测得切削区域的瞬态温度变化。在绝缘膜的凹陷区域内形成热电阻薄膜，可以避免因为热电阻薄膜具有厚度而引起的刀具表面不平整的问题，保证刀具的切削性能不因表面凸凹不平受到影响。本发明能够实现在切削过程中对刀具表面温度进行准确的实时监测，能够保证刀具表面平整，并且具有响应迅速、结果精确等优点。本发明在刀具制备完成后只需进行一次标定，与自然热电偶法、人工热电偶等方法相比，本发明制备的刀具结构不受工件材料的限制，使用简单方便。与现有技术方案相比，本发明提供测温精度高、工作可靠、通用性强的实时测温刀具，尤其适用于切削刀具，但不局限于某一特定切削领域，其适应性强，通用性广。

附图说明

图1为本发明一种实施例的测温刀具的结构示意图。

图2为本发明一种实施例的薄膜热电阻的结构示意图。

图3为本发明一种实施例的测温刀具的俯视图。

图4为图3的a-a剖面图。

图5为本发明一种实施例的测温刀具制作流程。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1至图4，本发明实施例提供一种使用薄膜热电阻测量刀具温度的结构，包括绝缘膜4、热电阻薄膜1、保护膜5、刀具涂层6和引出脚2，所述绝缘膜4形成在刀具3所需测温位置，所述绝缘膜4上具有凹陷区域，所述热电阻薄膜1形成在所述凹陷区域内，所述保护膜5形成在所述热电阻薄膜1上，所述涂层6覆盖所述保护膜5，所述热电阻薄膜1与所述引出脚2电连接，所述引出脚2位于所述保护膜5和所述涂层6的覆盖区域外并用于通过引出导线与温度采集终端电连接。

由此结构设计，本发明实施例将热电阻薄膜1嵌入刀具涂层6下方，所形成的薄膜热电阻温度传感器参与切削过程，可在不影响加工过程及刀具性能的前提下，对刀具所需测温位置进行实时温度测量。薄膜热电阻温度传感器的阻值会随温度的变化而发生变化，通过测量电阻值的变化可以得到温度变化情况。薄膜热电阻温度传感器体积小、响应时间短、测量精度高，能够实现特定点的准确温度测量。

本发明实施例的结构充分利用薄膜热电阻传体积小、热容量小、对温度场影响小、响应速度快等优点，能够准确测得切削区域的瞬态温度变化。在绝缘膜4的凹陷区域内形成热电阻薄膜1，可以避免因为热电阻薄膜1具有厚度而引起的刀具表面不平整的问题，保证刀具的切削性能不因表面凸凹不平受到影响。本发明能够实现在切削过程中对刀具表面温度进行准确的实时监测，能够保证刀具表面平整，并且具有响应迅速、结果精确等优点。本发明在刀具制备完成后只需进行一次标定，与自然热电偶法、人工热电偶等方法相比，本发明制备的刀具结构不受工件材料的限制，使用简单方便。与现有技术方案相比，本发明提供通用性强、精度高、工作可靠的实时测温刀具，尤其适用于切削刀具，但不局限于某一特定切削领域，其适应性强，通用性广。

在优选的实施例中，所述保护膜5形成在所述凹陷区域内，所述热电阻薄膜1与所述保护膜5的厚度之和与所述凹陷区域的深度相等，优选地，所述凹陷区域的深度在0.5-5微米范围内。

在不同的实施例中，所述测温位置可以为一处或者多处位置，优选地，所述位置在所述刀具的前刀面和/或者后刀面。

在优选的实施例中，所述绝缘膜4的材料为sio2或者al2o3，厚度在1-10微米。

在优选的实施例中，所述热电阻薄膜1的材料为pt或者ni，厚度在0.3-3微米。

在优选的实施例中，所述保护膜5的材料为si3n4或sio2，厚度在0.2-2微米。

在优选的实施例中，所述涂层6的材料为tic、crc、tin、ticn、al2o3中的一种或多种复合的多层材料结构，厚度在1-10微米范围。

参阅图1至图4，本发明实施例提供一种刀具，具有前述任一实施例的测量刀具温度的结构。

参阅图1至图5，本发明实施例还提供一种所述测量刀具温度的结构的制备方法，包括如下步骤：

在刀具的测温位置沉积绝缘膜4；

对所述绝缘膜4进行局域刻蚀；

在被刻蚀区域沉积热电阻薄膜1、引出脚2和保护膜5，其中，所述保护膜5覆盖所述热电阻薄膜1但不覆盖所述引出脚2；

在所述刀具的表面沉积刀具涂层6，其中，所述涂层6覆盖所述保护膜5但不覆盖所述引出脚2。

在一种具体实施例中，所述制备方法包括如下步骤：

s1、准备待测切削刀具，将需要测温位置附近的区域进行表面抛光，清洗后待用；

s2、在刀具测温位置沉积绝缘膜至所需厚度，沉积完成后制作掩模，对绝缘膜进行局域刻蚀。

s3、在被刻蚀区域沉积热电阻薄膜和保护膜，使两者厚度之和与刻蚀深度相等。热电阻薄膜可以选用但不限于pt或者ni等材料。沉积保护膜时要遮住引脚部分。

s4、去除掩模，遮住引脚，在刀具表面均匀沉积高硬度刀具涂层，保证刀具的切削性能。

s5、将热电阻薄膜引出脚与温度采集终端用引线连接，进行切削温度的实时监测。

步骤s2至s4中在刀具测温位置沉积绝缘膜、薄膜热电阻及保护膜的方法包括但不限于物理气相沉积(pvd)和化学气相沉积(cvd)等。对绝缘膜的刻蚀可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀。绝缘膜的材料可以选用但不限于二氧化硅(sio2)、氧化铝(al2o3)等，保护膜的材料可以采用sio2、氮化硅(si3n4)等。

所述的引出脚的数量可以为四个，可采用四线法测量薄膜热电阻的电阻率变化从而获得被测位置的温度。

以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征和优点。

本发明的一种利用薄膜热电阻测量切削刀具表面温度的结构在不影响加工加工过程的情况下，对所需测温位置进行温度实时监测。如图1所示，薄膜热电阻传感器由镀附在刀具所需测温位置的绝缘膜4、沉积在绝缘膜被刻蚀区域的热电阻薄膜1及其上的保护膜5组成。热电阻薄膜引出脚2与引出导线使用快干导电银胶粘接。

基于上述结构，具有嵌入式薄膜温度传感器刀具的制备过程如图1至图5所示，包括：

s1、准备待测切削刀具，将需要测温位置附近区域表面抛光，清洗后吹干，安装在镀膜的设备中，注意避免划伤刀具表面；

s2、在测温位置沉积绝缘膜，为在刀具表面沉积致密、均匀且满足绝缘性能的绝缘膜，可以在相同参数下进行多次沉积，直至膜厚达到绝缘要求。沉积完成后根据薄膜热电阻微结构的尺寸制作掩模，将掩模安装在刀具上，对绝缘膜进行局域刻蚀。刻蚀后要保证绝缘膜仍满足绝缘要求。

s3、在被刻蚀区域沉积热电阻薄膜和保护膜。沉积所得热电阻薄膜厚度为1-3μm。对沉积后的薄膜进行高温热处理，消除薄膜中的缺陷，增强附着力及薄膜强度。遮住引脚部位，在热电阻薄膜上沉积保护膜，保护热电阻在切削过程中不受损坏。热电阻薄膜与保护膜厚度之和与刻蚀深度相等，保证刀具表面的平整。

s4、去除掩模，遮住引脚，在刀具表面均匀沉积高硬度刀具涂层，保证刀具具有良好的切削性能。

s5、使用快干导电银胶将导线与热电阻引脚粘接牢固，涂覆适量单组份室温固化硅橡胶于快干导电银胶表面，保护引脚粘接处。引出导线与温度采集终端相连，所得数据可以通过下位机、上位机或云端等方式对温度进行监测。

本发明实施例提供了具有嵌入式薄膜热电阻温度传感器刀具及制备方法，可结合mems工艺等将薄膜热电阻传感器镀在刀具需要测温位置，制备出集切削、测温为一体的刀具，能在加工过程中对需要测温位置的温度进行实时可靠的监测。

实施例1

本实施例采用磁控溅射镀铂热电阻薄膜，绝缘膜和保护膜的材料为sio2，采用非平衡磁控溅射镀膜的方法制备，铂热电阻薄膜采用直流磁控溅射方法制备，采用干法刻蚀在绝缘膜上刻蚀出凹槽。制备方法包括如下步骤：

步骤1、将准备好的刀具3的前刀面抛光，用丙酮、酒精、去离子水在超声清洗机中分别清洗10分钟。使用氮气将刀具吹干后，置于真空室载物台上。此过程中注意刀具表面的清洁，避免划伤。

步骤2、在刀具前刀面靠近切削刃处沉积sio2绝缘膜4。sio2绝缘膜溅射用的靶材是纯度为99.99％的n型单晶硅靶。将刀具安装在真空室载物台后，关闭真空室，抽真空至5.0×10^-3pa以下。然后真空室中通入氩(ar)气产生大量等离子，对基片进行溅射清洗5至10分钟。清洗完成后，真空室中通入氧气，随着辉光放电现象的发生，ar离子轰击硅靶材，溅射出的硅原子在刀具表面与氧气反应生成sio2并沉积在刀具表面。溅射沉积1次(时间约为180min)后，依次关闭基片射频源、硅靶射频源、磁场电源、真空计、分子泵、控制阀等，关闭电源和冷却系统，工件随炉冷却后取出。为了在刀具基底上获得致密、均匀、重复性好且满足绝缘性能要求的sio2绝缘膜，将取出后的刀具用去离子水超声清洗10min左右，吹干并重新摆放于真空室载物台，在相同的工艺参数下再进行沉积两次，即一共进行了三次溅射镀膜。

采用反应离子刻蚀方法对绝缘膜进行局域刻蚀。根据薄膜热电阻微结构的尺寸制作掩模，铂热电阻薄膜形状如图2所示，包括铂热电阻薄膜1和四个引出脚2。将掩模版安装在绝缘膜上，刀具置于反应室中，向反应室中通入cf4和o2(20sccm+20sccm)，o2可以消耗掉部分碳原子，使氟活性原子比例上升，提高刻蚀速率。反应室中压强为5pa，射频功率为400w，刻蚀约十分钟，可得到深1-3μm的凹槽。刻蚀的深度取决于热电阻薄膜及保护膜的厚度，同时不能影响绝缘膜的绝缘效果，刻蚀深度优选2μm。关闭反应离子刻蚀机，将刀具取出。

步骤3、在前刀面被刻蚀区域镀铂热电阻薄膜。将刀具置于真空室载物台。抽真空后采用直流磁控溅射在前刀面沉积铂薄膜1和引脚2。铂靶采用纯度为99.99％的铂片，真空室中通入ar气，基片温度为200℃，沉积约100min后依次关闭射频源、电源等，刀具随炉冷却后取出。所得铂薄膜厚度与刻蚀出的凹槽吻合，约为1-3μm，优选1μm。沉积完成后对热电阻薄膜进行高温热处理。由于溅射过程中薄膜结构会出现空位、位错等缺陷，为了消除缺陷，提高铂薄膜电阻的稳定性，增强附着力，对铂薄膜进行热处理，在800℃下加热1-2h，得到铂电阻薄膜1和引脚2。

步骤4、制备sio2保护膜5。根据引脚2的形状制作引脚掩模，将引脚掩模安装在引脚上方，避免保护膜覆盖引脚。sio2保护膜利用非平衡磁控溅射的方法沉积在铂热电阻薄膜上方。将刀具置于真空室载物台，溅射沉积过程与及工艺参数与沉积sio2绝缘膜类似。热电阻薄膜与保护膜两者厚度之和与刻蚀深度相等，以保证刀具表面平整。随炉冷却后将刀具取出，得到刀具前刀面上的热电阻温度传感器。

步骤5、去除之前安装的两个掩模，再安装引脚掩模，在刀具表面均匀沉积高硬度刀具涂层。根据具体使用的要求，在sio2保护膜上方沉积高硬度刀具涂层如tin、tialn等，提升刀具表面硬度、耐磨性等，延长刀具使用寿命。

步骤6、去除引脚掩模，将热电阻薄膜引出脚与温度采集终端用引线连接。将引出导线分别与热电阻引出脚2对应，并在两接点处涂覆常温快干导电银胶，静置晾干后涂覆适量单组份室温固化硅橡胶，保护引脚粘接处，引出导线与直流电源及温度采集终端相连。为避免铂薄膜热电阻的自热效应对测量结果产生较大影响，应控制闭合回路内的电流在1ma以下。为保证测量精度，采用四线法连接。通过温度采集终端，根据铂薄膜热电阻的标定曲线，将采集到的电阻值换算为温度数据，并将数据存储于本地或传输至上位机以实现温度的实时监控。

实施例2

一种镍薄膜热电阻温度传感器的切削刀具及制备方法，绝缘膜及保护膜采用氧化铝材料。制备过程如图5所示，包括以下步骤：

步骤1、将待镀刀具3前刀面抛光，清洗晾干。

步骤2、在前刀面采用离子束溅射镀氧化铝绝缘膜4。将待镀刀具装夹在离子束溅射真空镀膜设备的工件架上，离子源工作气体为高纯氩气，反应气体为高纯氧气，靶材为纯度99.99％的氧化铝(al2o3)。将真空室抽真空并进行镀膜，待膜厚满足绝缘要求后关闭设备并将刀具取出。根据镍薄膜热电阻微结构尺寸制作掩模并将其安装在绝缘膜上，采用离子反应刻蚀对绝缘膜进行局域刻蚀，刻蚀形状与深度与镍热电阻薄膜及保护膜保持一致。

步骤3、采用磁控溅射的方法沉积镍热电阻薄膜1及引出脚2。镀膜完成后，为提高镍薄膜电阻温度系数，提升稳定性，消除内应力，对镍薄膜进行热处理。热处理在高真空中进行，采用碘钨灯加热，处理完成后将刀具取出。

步骤4、镍薄膜热电阻用有机材料及氧化铝作保护膜5。根据引脚形状制作引脚掩模，并将其安装在引脚上方。采用等离子体聚合有机膜的技术在镍薄膜表面沉积一层有机硅薄膜，厚度在1μm左右，提高镍薄膜热电阻在腐蚀环境下工作的性能。在有机硅薄膜上按常规工艺沉积氧化铝薄膜，增强其抗损伤能力。镍热电阻薄膜与保护膜的厚度之和与刻蚀深度相等，保证刀具表面的平整。

步骤5、去除掩模，安装引脚掩模，在刀具表面均匀沉积高硬度刀具涂层6，保证刀具的切削性能。

步骤6、去除引脚掩模，将镍热电阻薄膜引出脚2与温度采集终端用引线连接，使用前需对镍薄膜热电阻传感器进行标定。

本发明实施例的测温结构可以应用于刀具温度的实时监控，薄膜热电阻温度传感器具有热容量小、体积小、对温度场影响小等特点。将薄膜热电阻温度传感器嵌入刀具前刀面，在保证前刀面平整的情况下，能够捕捉前刀面温度最高点的瞬时温度变化，为智能测温刀具的研究与开发提供了新的技术途径。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。