一种使用薄膜热电偶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偶测量刀具温度的结构与制备方法。

背景技术：

切削加工是机械加工中一种重要的加工技术之一。在切削过程中，尤其是在金属的切削过程中，由于切削刀具和加工工件之间、切屑和刀具之间存在剧烈的摩擦，由此产生大量的切削热，且由于散热条件影响等，切削热主要集中在在离刀刃不远的前刀面上，刀具温度升高，加剧刀具磨损，使用寿命降低；同时引发工件微小变形，以及影响积屑瘤的产生和消失，导致最终加工精度降低。一般而言，切削温度是指由刀具、切屑和工件所形成的切削区的平均温度。切削温度的高低在一定程度上反映了切削刀具的剩余使用寿命，以及加工状态的好坏。为此在加工过程中需要对切削温度进行监测。

另一方面，磨损也常常发生在后刀面上。为了能够对后刀面上的磨损机理进行建模研究，一般也需要获取其温度分布情况。

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。因此刀具温度最高点位于前刀面靠近刀刃处。为了能够获取温度在刀具上的精确分布情况，以及实时变化情况，对刀具温度最高点进行监测是一种合理的方法。在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，自然热电偶法依靠刀具与工件之间自然形成的热电偶测温，精度较差，而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，使用上受到诸多限制，特别是难以获取刀具温度最高点处的准确温度。辐射测温法适用于远距离物体表面温度的非接触测量场景，由于切削加工环境复杂，很难通过辐射测量的方法准确获取刀具的温度，同时该方法极易受到切削液、切屑、设备运动等的干扰，难以保证测量精度。上述传统的热电偶测温方法不仅有较大的测温误差，也会降低刀具性能，影响加工质量。由于附着在前刀面上的硬质涂层的完整性和平整性直接影响刀具的使用寿命和加工质量，因此，对于嵌入式热电偶测温的刀具，需考虑热电偶结构的加入对刀具表面结构带来的变化。

另外，在制备热电偶测温刀具时，前人研究中多对分体式刀具进行真空烧制结合得到，这样得到的刀具整体结构受到破坏。

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偶测量刀具温度的结构与制备方法，以获得测温准确性高、刀具表面平整、工作可靠的实时测温刀具。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种使用薄膜热电偶测量刀具温度的结构，包括绝缘膜、热电偶薄膜、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，所述热电偶薄膜形成在所述凹陷区域内，所述保护膜形成在所述热电偶薄膜上，所述涂层覆盖所述保护膜，所述热电偶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，所述热电偶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。

所述热电偶薄膜的材料为铬化镍/硅化镍nicr/nisi、s型热电偶薄膜pt/ptrh10、氧化铱/氧化钌iro2/ruo2，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偶薄膜、引出脚和保护膜，其中，所述保护膜覆盖所述热电偶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、所述热电偶薄膜、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偶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，所述热电偶薄膜形成在所述凹陷区域内，所述保护膜形成在所述热电偶薄膜上，所述涂层覆盖所述保护膜，所述热电偶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，本发明将热电偶薄膜嵌入刀具涂层下方，对加工工件和刀具没有损伤，温度传感器参与切削过程，能够在不影响加工过程及刀具性能的前提下对刀具上的目标测温区域的温度进行实时原位温度测量，传感器体积小，热容量小，对刀具整体温度场影响小，响应速度快，能够准确测得目标区域的瞬态温度变化。在绝缘膜的凹陷区域内形成热电偶薄膜，可以避免因为热电偶薄膜具有厚度而引起的刀具表面不平整的问题，刀具整体性不受破坏，刀具表面平整，保证刀具的切削性能不因表面凸凹不平受到影响。只需在刀具制备完成后进行一次标定，与现有使用热电偶的方法相比，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，使用范围广，且本发明得到的刀具表面平整，刀体完整，对刀具性能几乎没有影响。

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热电偶薄膜的结构示意图。

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拨片的结构示意图。

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偶测量刀具温度的结构，包括绝缘膜4、热电偶薄膜2、保护膜5、刀具涂层6和引出脚1，所述绝缘膜4形成在刀具的刀面3所需测温位置，所述绝缘膜4上具有凹陷区域，所述热电偶薄膜2形成在所述凹陷区域内，所述保护膜5形成在所述热电偶薄膜2上，所述涂层6覆盖所述保护膜5，所述热电偶薄膜2与所述引出脚1电连接，所述引出脚1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。

本发明实施例将热电偶薄膜2嵌入刀具涂层6下方，对加工工件和刀具没有损伤，温度传感器参与切削过程，能够在不影响加工过程及刀具性能的前提下对刀具上的目标测温区域的温度进行实时原位温度测量，传感器体积小，热容量小，对刀具整体温度场影响小，响应速度快，能够准确测得目标区域的瞬态温度变化。在绝缘膜4的凹陷区域内形成热电偶薄膜2，可以避免因为热电偶薄膜2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。只需在刀具制备完成后进行一次标定，与现有使用热电偶的方法相比，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，使用范围广，且本发明得到的刀具表面平整，刀体完整，对刀具性能几乎没有影响。

在优选的实施例中，所述保护膜5形成在所述凹陷区域内，所述热电偶薄膜2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，所述热电偶薄膜2的材料为铬化镍/硅化镍nicr/nisi、s型热电偶薄膜pt/ptrh10、氧化铱/氧化钌iro2/ruo2，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偶薄膜2、引出脚1和保护膜5，其中，所述保护膜5覆盖所述热电偶薄膜2但不覆盖所述引出脚1；

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1。

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研磨抛光，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偶薄膜和保护膜，使两者厚度之和与刻蚀深度相等。热电偶薄膜可以选用但不限于铬化镍/硅化镍(nicr/nisi)、s型热电偶薄膜(pt/ptrh10)、氧化铱/氧化钌(iro2/ruo2)等材料。

s4、去除掩模，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、将热电偶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、热电偶薄膜及保护膜的方法包括但不限于物理气相沉积(pvd)如磁控溅射沉积，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两个，在引出后结合冷端补偿的方法保证测量温度的高准确性。

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。

本发明实施例提供一种利用热电偶薄膜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。

实施例1

一种具体实施例的具有嵌入式热电偶薄膜温度传感器的切削刀具，刀具结构具体如图1至图4所示，包括硬质合金刀片、沉积在刀具前刀面上的热电偶薄膜传感器、常温快干导电银胶以及引出导线。热电偶薄膜传感器包括沉积在刀具的前刀面3上的sio2绝缘膜4、沉积在sio2绝缘膜4之上的热电偶薄膜2以及其上的sio2保护膜5。热电偶传感器的引出脚1与引出导线使用快干导电银胶粘接。

基于上述结构，所述具有嵌入式热电偶薄膜温度传感器刀具的制备过程包括：

步骤s1、将准备好的刀具的前刀面3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s2、采用直流脉冲磁控溅射技术，通过间歇溅射，在刀具的前刀面3沉积制备sio2绝缘膜4。其中溅射前抽真空至8×10^-4pa，溅射气压0.3pa，溅射功率为100w，溅射温度为250℃，靶材为si，控制溅射时间以达到沉积绝缘膜4目标厚度1.4μm。其中，为了得到的表面致密、均匀且满足绝缘性能要求的绝缘膜4，可以在同一套沉积参数下进行多次沉积，直至膜厚度达到要求的1.4μm。

步骤s3、在刀具的前刀面3覆盖热电偶掩模，刻蚀放置热电偶传感器的凹槽，包括如下子步骤：

s31、制备热电偶掩模板(掩模板的制作参考热电偶的形状)，热电偶外形尺寸大小为6μm×20μm，热电偶结点位于距离刀尖点500μm处；

s32、将干燥后的刀具的前刀面3覆盖掩模，使用碱溶液(murakami溶液，ω(koh)∶ω(k3[fe(cn6)])∶ω(h2o)＝1∶1∶10)进行静置腐蚀，然后用酸溶液(硫酸溶液，ω(h2so4)∶ω(h2o2)＝1∶10)腐蚀，控制腐蚀时间以达到刻蚀目标厚度1μm；

s33、将腐蚀完毕后的刀具用去离子水清洗20分钟，然后使用氮气将其吹干；

步骤s4、采用直流脉冲磁控溅射技术，在沉积并刻蚀后的刀具前刀面3上覆盖拨片9(热电偶整体形状分为两半7、8，左右两边的薄膜材料不同，在一半进行沉积时，拨片9能够挡住热电偶整体形状的另一半，在一半沉积结束后拨片9可以拨动位置以挡住热电偶沉积好的一半以便沉积另一半)，沉积nicr热电偶薄膜，沉积目标厚度为200nm。其中，溅射前抽真空至5×10^-4pa，溅射气压0.3pa，溅射功率为60w，溅射温度为200℃，靶材为nicr，控制溅射时间以达到沉积目标厚度；

步骤s5、采用直流脉冲磁控溅射技术，在沉积了nicr薄膜的刀具前刀面3拨动拨片9，沉积nisi热电偶薄膜，沉积目标厚度为200nm。其中，溅射前抽真空至5×10^-4pa，溅射气压0.3pa，溅射功率为60w，溅射温度为200℃，靶材为nisi，控制溅射时间以达到沉积目标厚度；

步骤s6、采用直流脉冲磁控溅射技术，在刀具前刀面3上增加引出脚掩模(掩模板的制作参考热电偶引出脚形状1)，使其与热电偶掩模连接在一起，之后沉积制备sio2保护膜5，其中溅射前抽真空至8×10^-4pa，溅射气压0.3pa，溅射功率为100w，溅射温度为250℃，靶材为si，控制溅射时间以达到沉积保护膜目标厚度800nm；

步骤s7、去除拨片，撤去掩模，在热电偶引出脚处覆盖拨片9，仅仅遮挡住引出脚部分，之后涂镀刀具切削涂层6。根据具体使用的要求，在抛光干燥后的刀具前刀面上涂镀其他切削用的刀具涂层，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s8、粘接固定引出导线。将引出导线分别与热电偶引出脚1对应，并在两接点处涂覆常温快干导电银胶，静置晾干至粘接牢固，最后涂覆适量单组份室温固化硅橡胶于快干导电银胶表面，保护引出脚粘接处。

步骤s9、引出导线与温度采集终端相连。为避免热电偶薄膜的自热效应以及环境温度对测量结果产生较大影响，应对测温电路进行冷端补偿。通过温度采集终端，根据热电偶薄膜的标定曲线，将采集到的电阻值换算为温度数据，并将数据传输至上位机以实现温度的实时监控。

实施例2

一种具有嵌入式热电偶薄膜温度传感器的切削刀具包括硬质合金刀片、沉积在刀片前刀面上的热电偶薄膜传感器、常温快干导电银胶以及引出导线。热电偶薄膜传感器包括沉积在刀具的前刀面3上的sio2绝缘膜4、沉积在sio2绝缘膜4之上的热电偶薄膜2以及其上的sio2保护膜5。热电偶传感器的引出脚1与引出导线使用快干导电银胶粘接。

基于上述结构，所述具有嵌入式热电偶薄膜温度传感器刀具的制备过程包括：

步骤s1、将准备好的刀具前刀面3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s2、采用电化学诱导的溶胶-凝胶技术，在刀具的前刀面3沉积制备sio2绝缘膜4。其中硅源为四甲氧基硅烷(tmos)，参比电极和辅助电极分别为干汞电极和铂丝电极，所使用到的电解质溶液包括tmos、氯化钾(kcl)、乙醇和水，tmos和kcl的浓度均为0.1mol/l，所施加的恒压电压为1.1v，控制沉积时间以达到沉积绝缘膜4目标厚度3μm。

步骤s3、在刀具的前刀面3覆盖掩模，刻蚀放置热电偶传感器的凹槽，包括如下子步骤：

s31、制备热电偶位置掩模版(掩模板的制作参考热电偶形状)，热电偶外形尺寸大小为8μm×30μm，热电偶结点位于距离刀尖点600μm处；

s32、将干燥后的刀具进行装夹，使用10皮秒的的超短脉冲激光对刀具进行凹槽加工，其中激光波长为355nm，功率为10w，重复频率0.2mhz，控制激光脉冲数以达到凹槽加工目标尺寸2μm。

s33、将加工完毕后的刀具用去离子水清洗20分钟，然后使用氮气将其吹干；

步骤s4、采用磁控溅射沉积技术，在沉积刻蚀后的刀具前刀面3覆盖拨片9，沉积iro2热电偶薄膜，沉积目标厚度为800nm。其中，靶材为金属ir，溅射功率为150w，真空压力为133×10^-7pa，衬底温度为20℃，溅射压力设置为1pa，通入的氩气和氧气的流量比为3.5:1，控制单次沉积时间和重复沉积次数以达到沉积目标厚度。

步骤s5、采用磁控溅射沉积技术，在沉积了iro2薄膜的刀具前刀面3上拨动拨片9，沉积ruo2热电偶薄膜，沉积目标厚度为800nm。其中，靶材为金属ru，溅射功率为150w，真空压力为133×10^-7pa，衬底温度为20℃，溅射压力设置为1pa，通入的氩气和氧气的流量比为3.5:1，控制单次沉积时间和重复沉积次数以达到沉积目标厚度。

步骤s6、采用电化学诱导的溶胶-凝胶技术，在刀具前刀面3上增加引出脚掩模(掩模板的制作参考热电偶引出脚1的形状)，使其与热电偶掩模连接在一起，之后沉积制备sio2保护膜5，其中硅源为四甲氧基硅烷(tmos)，参比电极和辅助电极分别为干汞电极和铂丝电极，所使用到的电解质溶液包括tmos、氯化钾(kcl)、乙醇和水，tmos和kcl的浓度均为0.1mol/l，所施加的恒压电压为1.1v，控制沉积时间以达到沉积保护膜5目标厚度1200nm；

步骤s7、去除拨片，撤去掩模，在热电偶引出脚处覆盖拨片9，仅仅遮挡住引出脚部分，涂镀刀具切削涂层6，根据具体使用的要求，在抛光干燥后的刀具前刀面上涂镀其他切削用的刀具涂层，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s8、粘接固定引出导线。将引出导线分别与热电偶引出脚1对应，并在两接点处涂覆常温快干导电银胶，静置晾干至粘接牢固，最后涂覆适量单组份室温固化硅橡胶于快干导电银胶表面，保护引出脚粘接处。

步骤s9、引出导线与温度采集终端相连。为避免热电偶薄膜的自热效应以及环境温度对测量结果产生较大影响，应控对测温电路进行冷端补偿。通过温度采集终端，根据热电偶薄膜的标定曲线，将采集到的电阻值换算为温度数据，并将数据传输至上位机以实现温度的实时监控。

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。热电偶薄膜温度传感器具有热容量小、空间小、对温度场影响小、抗干扰强等特点，将热电偶薄膜温度传感器嵌入刀具前刀面，能够实时监测刀具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，对刀具温度的影响与监测提供了可行的研究手段。

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。