专利名称：嵌入式多层复合薄膜切削温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于温度传感器领域，涉及切削加工时刀具刀尖处瞬态切削温度 的测量方法。
技术背景由于高速切削过程中产生大量的切削热，使切削温度升高，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，因此快速、精确地监测切削温度可以获得工件的加工质量以及刀具工 作状态。目前比较常见的测量切削温度的方法有自然热电偶，人工热电偶，远 红外辐射方法，金属微结构和微硬度变化方法等。自然热电偶法测量的是切 削区域的平均温度，利用这种方法测得的切削温度简便可靠。但是每改变一 种刀具材料或者工件材料就需重新标定。人工热电偶只能测量离前刀面一定 距离处某点的温度，而不能直接测出前刀面上的温度。远红外辐射方法适用 于恶劣环境下远距离非接触监测物体表面温度，上述的众多测量方法都各自 有其优缺点以及适用领域，但都无法直接测量刀尖处的切削温度。由于切削 区域隐蔽在刀尖与工件之间，处于半封闭状态，普通的测温方法无法触及， 只能通过建立三维热传导模型，例如高斯热源公式，推导出刀尖处的温度。 虽然大量的模拟分析和热传导模型计算结果能近似的得到刀尖处的温度以及 温度梯度，但是所有这些模型的建立都存在多方面的假设，分析结果的精度 难以得到保证。薄膜热电偶是近代兴起的一种先进的测量瞬态温度变化的温度传感器， 被广泛应用到枪炮膛内壁、内燃机活塞顶面、锻膜表面、以及航天飞机发动 机内壁的温度测量。美国国家航空航天局刘易斯研究中心长期致力于薄膜热 电偶在高温、高压、化学腐蚀等恶劣环境下的应用研究。经过多年的发展，薄膜热电偶不管是尺寸还是体积都很微小，响应时间极短甚至仅有几十ns， 而且在恶劣环境下能长期可靠，稳定得工作。目前应用薄膜热电偶测量切削金属时的切削温度的研究比较少。日本的 Ali Basti等人在陶瓷刀具的前刀面上沉积薄膜热电偶，薄膜热电偶上溅射 Hf02作为绝缘层，之后再溅射TiAlSiN等切削涂层。但是陶瓷刀具在工厂中应用比例比较小，而且前刀面的磨损相对较剧烈，薄膜热电偶层上制作两个 涂层，会阻碍切削热的传递，降低传感器的测试精度。并且热接点离刀尖有 一定的距离，不能测量刀尖处的切削温度。大连理工大学传感测控研究所的 曾其勇等人采用分刀片式结构，在上下刀体结合处制作薄膜热电偶，热接点直接制作在刀尖上。虽然这种薄膜热电偶能精确的测量刀尖处的切削温度， 但是分刀片结构只适合切削软质非金属，切削金属时切屑塞进分刀片的夹缝， 磨损热电偶或使热电偶短路。因此本文发明一种基于硬质合金基体，在刀具 后刀面上制作Si02多层绝缘膜，之后溅射薄膜热电偶，最后沉积Si3N4保护层 使薄膜热电偶嵌入到传感器内。薄膜热电偶的热接点直接镀置在刀尖处，能精确的测量刀尖处的切削温度；制作在刀具后刀面上，磨损相对轻微，再制作保护层，更能延长传感器的寿命。 发明内容本发明要解决的技术问题是研制出一种嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感 器，集切削、测温为一体，可用来快速、精确地测量出刀尖处的切削温度。 可以解决切削易爆材料时刀尖处温度测量，由于使用嵌入式结构有效保护传 感器，可以方便测量薄壁有色金属合金的高速切削温度。 本发明釆用的技术方案一种嵌入式多层复合薄膜切削温度传感器的制备方法，其制作的步骤如下1、 利用精密线切割数控机床将高速钢或硬质合金刀块加工成标准机夹刀片形式的刀体l，在刀体1底部开出一个通槽C，将刀体(1)的后刀面A打磨 抛光，最后使用粒度小于0.1um的金刚石研磨膏抛光到镜面，将刀体l分别 放入丙酮、酒精或阻值大于13MQ去离子水中，使用超声波清洗，将刀体l用氮气吹干后放入真空室内；2、 采用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射技术，按如下 顺序操作安装高纯度的Si靶材，抽真空，等离子体溅射清洗，溅射沉积， 随炉冷却；最后在刀体1后刀面A溅射沉积第一层Si02绝缘膜2;将制作了 Si02绝缘膜2的刀体1放入酒精中用超声波清洗，然后再放进真空室，在相 同参数下溅射两次；即在相同参数下溅射三次，形成三层复合绝缘膜；3、 卸载Si靶材，安装NiCr靶材；给制作了Si02绝缘膜2的刀体l安装 NiCr的掩膜，遮住不需要镀膜的位置；采用微波ECR等离子体源增强射频反 应非平衡磁控溅射技术，溅射沉积NiCr薄膜电极3，随炉冷却后，取出放入酒精中用超声波清洗；卸载NiCr靶材，安装NiSi靶材，并取下NiCr掩膜， 更换上NiSi掩膜，采用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射技 术，继续沉积MSi薄膜4;在刀尖处由NiCr和NiSi两层薄膜形成薄膜热电 偶的热接点B;4、 安装Si靶材，在NiCr薄膜电极3的冷端上制作一个圆形的掩膜，同 时在NiSi薄膜4的冷端也制作一个圆形的掩膜；在制作了 Si02绝缘膜2、MCr 薄膜3、 NiSi薄膜4的高速钢或硬质合金刀体1上，利用微波ECR等离子体源 增强射频反应非平衡磁控溅射覆盖Si3N4保护层5，把制作好的薄膜热电偶嵌 入到保护层内；去除上述两个掩膜，薄膜电极的冷端裸露出来；5、 用耐高温导电银胶6将4>0. 2mm的NiCr热电偶丝7与NiCr薄膜3的 冷端裸露位置粘结；将NiSi热电偶丝8与NiSi薄膜4的冷端裸露位置粘结；6、 NiCr热电偶丝7和NiSi热电偶丝8通过通槽C引出，通槽C用绝缘 胶9灌封，最后形成集切削、测温为一体的嵌入式多层复合薄膜测温传感器。本发明的显著效果嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器集切削、测温于 一体，既是传感器又是执行器。嵌入式的薄膜热电偶外层有高硬度涂层保护， 提高了传感器的使用寿命，经济性好。热电偶热端尺寸极小，响应时间短， 可达亚微秒级。补偿导线隐藏在刀头内，抗干扰能力强。因此可快速、精确、 稳定地测量刀尖处的切削温度。
附图l为薄膜热电偶温度传感器结构图。附图2是Si02绝缘膜与薄膜热 电偶在刀具后刀面的位置图。附图3为多层复合薄膜热电偶嵌入关系结构图， 其中l一高速钢或硬质合金刀体，2 — Si02绝缘膜，3—NiCr薄膜电极，4一NiSi 薄膜电极，5 —Si3N4保护层，6 —耐高温导电银胶，6' —耐高温导电银胶，7 一NiCr补偿导线，8—NiSi补偿导线，9一绝缘胶；B —薄膜热电偶热接点，G—通槽o附图4薄膜热电偶温度传感器与刀杆装配图。其中l一高速钢或硬质合金 刀体，7—NiCr补偿导线，8—NiSi补偿导线，10 —刀杆，ll一被切工件， 12 —压板，13 —云母片，14—档板。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图，详细说明本发明具体实施过程，制作嵌入式薄膜热电偶测温刀具传感器具体步骤如下第一步制备刀体l采用高速钢材料时，用精密线切割机床将高速钢刀条加工成标准机夹刀片形式的刀体1，如图1所示。将刀体1后刀面A分别用Ns240、 Nq400、 Nq 600、他800、 NalOOO水砂纸从粗到细研磨，最后用颗粒度小于0.1 u m的水溶 性金刚石研磨膏抛光成镜面。采用硬质合金材料时，将硬质合金刀条用精密 线切割机床加工成标准机夹刀片形式刀体1，如图1所示；将刀片1后刀面A 使用高速金刚石砂轮机抛光，最后用颗粒度小于0.1 u m的水溶性金刚石研磨 膏抛光成镜面。清洗时，将高速钢或硬质合金刀体1先用丙酮、酒精清洗， 再用电阻值大于13MQ去离子水清洗，三步清洗都是在超声波清洗机上完成， 用氮气吹干后放入真空室内并关严。第二步进行Si02绝缘膜沉积1) 、抽真空，开启机械泵后缓慢打开预抽阀粗抽真空，当真空度达到17 Pa 时开启分子泵，并关闭预抽阀，分子泵转速开始增加，直至24000转/分，对 真空室抽气直到真空度达到5.0X 10—3Pa以下。2) 、溅射清洗；打开循环冷却系统，调节D08-3C/ZM三通道流量显示仪， 向真空室通入纯度为99.999%的Ar气，控制其流量为一定值，打开GNL-120 型ECR磁场电源，调节真空室左右两电源使电流大约为77A。开启MPG-2010C 型程控微波源，编程设置为工作模式l，微波功率/^850W，时间根据需要设 置，启动预热一段时间后输出微波。打开加在基片上的SY型500W射频功率 源，在基片上产生的自偏压为-200V或者加直流负偏压，这样Ar+离子高速射 向基底，对基片进行溅射清洗10分钟左右。3) 、溅射沉积；调节匹配电容，把自偏压降至一90V 一80V之间。通入 一定流量的02气，其纯度为99.999%，这时的真空度1.1X10—'Pa这一气压 称为溅射气压。打开加于靶上的射频功率源，调节匹配电容，使入射功率尸a =250W 350W，反射功率尸s《5W。在靶上形成自偏压为一340V 一370V， 这时可以看到真空室内的辉光放电现象，Ar+离子轰击硅靶，溅射出的硅原子 或原子团冲向基片，在A面与02发生反应生成Si02沉积在A表面，形成Si02 绝缘膜2。4) 、随炉冷却根据设定的溅射沉积时间，微波源会自动复位，镀膜结 束。依次关闭基片射频源、硅靶射频源、磁场电源、真空计、分子泵、02气 和Ar气、插板阀、隔断阀。分子泵在惯性及阻尼及作用下继续运转，待其停下来后关闭其电源和循环水冷却系统。工件随真空室冷却2小时左右即可取 出。第三步薄膜热电偶电极NiCr与NiSi薄膜的沉积热电偶电极薄膜的沉积过程与Si02薄膜沉积基本相同。分为清洗、抽真 空、溅射清洗、溅射沉积、随炉冷却五个步骤。在刀片1后刀面A沉积热电 偶薄膜的一极时，先要用掩膜把不需要镀NiCr薄膜3的地方掩盖起来;镀NiSi 薄膜4时，需要换上另一种靶材及对应的掩膜。两种掩膜都是用不锈钢材料 经线切割加工并打磨抛光而成的。两掩膜在刀尖处有lX3.5mm2的重合区域， 镀膜后此处即为薄膜热电偶热接点B。使用两个小方形掩膜把薄膜热电偶的引 脚焊盘位置盖住，磁控溅射Si3N4保护层5。第四步嵌入式薄膜测温刀具传感器装配用耐高温导电银胶6将小0.2mm的NiCr补偿导线7与薄膜电极3裸露焊 盘粘结，再将NiSi补偿导线8与薄膜电极4裸露焊盘粘结。NiCr补偿导线7 和NiSi补偿导线8通过通槽C引出，通槽C用绝缘胶9灌封后成为集切削、 测温为一体的嵌入式多层复合薄膜温度传感器；如附图l，附图2所示。使用时，将刀头装在上压式机夹刀杆10上，用压板12夹紧。刀头1与 刀杆10之间用云母片13绝缘。NiCr补偿导线7、 NiSi补偿导线8从刀杆10 己加工好的孔和槽中引出，用挡板14密封。NiCr补偿导线7、 NiSi补偿导线 8通过双芯屏蔽线与放大电路和数据采集、分析处理环节相联接。切削时，由 于产生的切削热使薄膜热电偶的热端温度升高，回路中的热电势经后续电路 处理并放大后。送入计算机经高速采集卡采集并转换成温度输出。
权利要求
1、本发明一种嵌入式多层复合薄膜切削温度传感器的制作方法，其特征是在刀体上进行多次SiO2绝缘膜沉积，形成多层复合薄膜，然后溅射沉积NiCr薄膜电极(3)与NiSi薄膜电极(4)组成薄膜热电偶，并把制作好的薄膜热电偶嵌入到保护层内，其制作的步骤如下1)、利用精密线切割数控机床将高速钢或硬质合金刀块加工成标准机夹刀片形式的刀体(1)，在刀体(1)底部开出一个通槽(C)，将刀体(1)的后刀面(A)打磨抛光，最后使用粒度小于0.1μm的金刚石研磨膏抛光到镜面，将刀体(1)分别放入丙酮、酒精或阻值大于13MΩ去离子水中，使用超声波清洗，将刀体(1)用氮气吹干后放入真空室内；2)、采用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射技术，按如下顺序操作安装高纯度的Si靶材，抽真空，等离子体溅射清洗，溅射沉积，随炉冷却；最后在刀体(1)后刀面(A)溅射沉积第一层SiO2绝缘膜(2)；将制作了SiO2绝缘膜(2)的刀体(1)放入酒精中用超声波清洗，然后再放进真空室，在相同参数下溅射两次；即在相同参数下溅射三次，形成三层复合绝缘膜；3)、卸载Si靶材，安装NiCr靶材；给制作了SiO2绝缘膜(2)的刀体(1)安装NiCr的掩膜，遮住不需要镀膜的位置；采用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射技术，溅射沉积NiCr薄膜电极(3)，随炉冷却后，取出放入酒精中用超声波清洗；卸载NiCr靶材，安装NiSi靶材，并取下NiCr掩膜，更换上NiSi掩膜，采用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射技术，继续沉积NiSi薄膜电极(4)；由NiCr薄膜电极(3)与NiSi薄膜电极(4)组成薄膜热电偶，并在刀尖处由NiCr和NiSi两层薄膜形成薄膜热电偶的热接点(B)；4)、安装Si靶材，在NiCr薄膜电极(3)的冷端上制作一个圆形的掩膜，同时在NiSi薄膜(4)的冷端也制作一个圆形的掩膜；在制作了SiO2绝缘膜(2)、NiCr薄膜(3)、NiSi薄膜(4)的高速钢或硬质合金刀体(1)上，利用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射覆盖Si3N4保护层(5)，把制作好的薄膜热电偶嵌入到保护层内；去除上述两个掩膜，薄膜电极冷端部分裸露出来；5)、用耐高温导电银胶(6)将φ0.2mm的NiCr热电偶丝(7)与NiCr薄膜(3)的冷端裸露位置粘结；同时使用耐高温导电银胶(6’)将NiSi热电偶丝(8)与NiSi薄膜(4)的冷端裸露位置粘结；6)、NiCr热电偶丝(7)和NiSi热电偶丝(8)通过通槽(C)引出，通槽(C)用绝缘胶(9)灌封，最后制成集切削、测温为一体的嵌入式多层复合薄膜测温传感器。
全文摘要
本发明一种嵌入式多层复合薄膜切削温度传感器的制作方法属于温度传感器领域，涉及切削加工时刀具刀尖处瞬态切削温度的测量方法。在刀体上进行多次SiO<sub>2</sub>绝缘膜沉积，形成多层复合薄膜，然后溅射沉积NiCr薄膜电极与NiSi薄膜电极组成薄膜热电偶，并把制作好的薄膜热电偶嵌入到保护层内。采用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射技术，把制作好的薄膜热电偶嵌入到保护层内，制成集切削、测温为一体的嵌入式多层复合薄膜测温传感器。传感器的使用寿命长，经济性好。热电偶热端尺寸极小，响应时间短，可达亚微秒级。补偿导线隐藏在刀头内，抗干扰能力强。因此可快速、精确、稳定地测量刀尖处的切削温度。
文档编号G01K7/02GK101324472SQ20081001235
公开日2008年12月17日 申请日期2008年7月14日 优先权日2008年7月14日
发明者孙奉道, 孙宝元, 崔云先, 军 张, 敏 钱 申请人:大连理工大学