一种在机原位测温刀具的制备方法及在机原位测温刀具

1.本发明属于切削温度测量技术领域，尤其涉及一种在机原位测温刀具的制备方法及在机原位测温刀具。


背景技术：

2.切削温度测量一直是金属加工领域的研究重点和难点之一，切削温度也是影响刀具寿命以及工件加工表面质量的重要参数。尤其是对钛合金这样难加工材料，由于较差的导热性使得切削过程产生的大量切削热集中在刀具刀尖处难以扩散，高温极易使工件产生热变形，导致加工精度难以保证，同时也会加剧刀具磨损。因此，实现在线测量刀具切削温度的变化将有利于了解刀具的加工状态以及磨损程度，对指导加工工艺和控制加工过程有着重要的意义。
3.在切削过程中刀具温度最高点并非是在切削刃上，而是在与刀刃有一小段距离的前刀面的位置。在对刀具切削温度测量的研究中，常用的方法有自然热电偶法、人工热电偶法和红外测温法等。刘大维等人(刘大维,覃孟扬,罗永顺,喻菲菲.切削参数对碳钢微量润滑切削温度的影响[j].机床与液压,2016,44(15):133-136.)用自然热电偶法以工件和刀具作为热电偶的两极，但这种测量结果是刀具的平均温度，无法准确获得刀具切削过程中的最高温。董辉跃采用人工热电偶的方法(董辉跃,谢浚尧,章明,孟涛,苏文龙,樊新田.动态人工热电偶法[j].上海交通大学学报,2017,51(04):490-494.)通过在工件上开槽来埋入热电偶，此方法改变了原有的刀具或工件结构可能会影响其强度。而红外测温容易受到切屑阻挡从而影响测温过程，并且在有切削液的情况下测温误差较大。传统的测温方法均存在一些误差和弊端，因而亟需开发一种在机原位测温刀具的制备方法及在机原位测温刀具。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提供一种在机原位测温刀具的制备方法及在机原位测温刀具，以解决上述问题。
[0005]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0006]
一种在机原位测温刀具的制备方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤1、确定切削时刀具表面最高温度点；
[0008]
步骤2、打磨清洗刀具；
[0009]
步骤3、在刀具表面制备绝缘层；
[0010]
步骤4、在刀具表面镀导电膜；
[0011]
步骤5、在刀具表面镀保护膜，同时在导电膜上留出电极引脚；
[0012]
步骤6、在导电膜上的电极引脚处粘结热电偶丝；
[0013]
步骤7、制备完成。
[0014]
优选的，在所述步骤1中，根据实际加工现场的切削条件，用切削仿真软件模拟切
削过程，刀具表面最高温度点的位置即为热接点位置。
[0015]
优选的，在所述步骤2中，在打磨清洗刀具时，需要将刀具表面打磨抛光，然后依次放入丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声波清洗，清洗完成后吹干。
[0016]
优选的，在所述步骤3中，将刀具放入镀膜机中进行绝缘层的制备，待绝缘层自然冷却至室温后取出刀具，将镀绝缘层后的刀具放入无水乙醇中进行超声波清洗，清洗完成后吹干；
[0017]
绝缘层的材质为si3n4。
[0018]
优选的，在所述步骤4中，导电膜呈l形设置，导电膜的数量为两个，两个导电膜的长边分别与刀具刀尖的两侧边平行设置，两个导电膜的短边端部在刀具表面最高温度点处重合形成热接点；
[0019]
两个导电膜的材质分别为nisi、nicr。
[0020]
优选的，在所述步骤5中，镀保护膜之前，在两个导电膜上远离热接点的端部包裹锡纸，并使热接点裸露在外，然后将刀具放入镀膜机中制备保护膜。
[0021]
优选的，保护膜的材质为si3n4。
[0022]
优选的，在所述步骤6中，热电偶丝的数量为两个，两个热电偶丝的材质分别为nisi、nicr，材质为nisi的热电偶丝与材质为nisi的导电膜上的电极引脚电性连接，材质为nicr的热电偶丝与材质为nicr的导电膜上的电极引脚电性连接。
[0023]
一种在机原位测温刀具，通过所述的一种在机原位测温刀具的制备方法制作而成。
[0024]
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
[0025]
(1)本发明通过在刀具表面制备了一种多层复合的薄膜热电偶结构，不破坏刀具和工件的完整性，易于实现量产。能够对刀具前刀面上的切削温度实现在机原位温度测量，测温刀具集切削、测温功能于一体。
[0026]
(2)通过有限元仿真技术获得刀具表面的温度分布，使得薄膜热电偶的测温区域可以覆盖刀具温度最高点，进一步提升了测温准确性。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
[0028]
图1为本发明薄膜热电偶膜层结构示意图；
[0029]
图2为本发明刀具表面温度分布仿真图；
[0030]
图3为本发明制作的nicr导电膜形状的掩膜板尺寸图；
[0031]
图4为本发明制作的nisi导电膜形状的掩膜板尺寸图；
[0032]
图5为本发明测温刀具制备流程图；
[0033]
图6为本发明制备的测温刀具截面扫描电子显微镜图；
[0034]
图7为本发明制备的薄膜热电偶静态特性图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0036]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0037]
参照图1至图7，本发明公开了一种在机原位测温刀具的制备方法，包括以下步骤：
[0038]
步骤1、确定切削时刀具表面最高温度点；
[0039]
步骤2、打磨清洗刀具；
[0040]
步骤3、在刀具表面制备绝缘层；
[0041]
步骤4、在刀具表面镀导电膜；
[0042]
步骤5、在刀具表面镀保护膜，同时在导电膜上留出电极引脚；
[0043]
步骤6、在导电膜上的电极引脚处粘结热电偶丝；
[0044]
步骤7、制备完成。
[0045]
进一步优化方案，在步骤1中，根据实际加工现场的切削条件，用切削仿真软件模拟切削过程，刀具表面最高温度点的位置即为热接点位置。
[0046]
选择deform-3d作为切削仿真软件，以硬质合金和钛合金分别作为刀具和工件材料建立切削几何模型，设置工件与刀具的剪切摩擦系数为0.6，设工件与刀具的对流换热系数为45n/sec/mm/℃，切削速度vc＝60m/min、切削深度a
p
＝0.1mm，进给量f取0.05mm。仿真得到刀具前刀面温度分布如图2所示，经测量刀具表面温度最高点为距离刀尖0.3mm位置。
[0047]
根据测得的刀具表面温度最高点的位置，选用厚度为1mm的不锈钢片作为掩膜材料，利用激光切割技术加工出导电膜形状的掩膜板。
[0048]
进一步优化方案，在步骤2中，在打磨清洗刀具时，需要将刀具表面打磨抛光，然后依次放入丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声波清洗，清洗完成后吹干。
[0049]
镀绝缘层前将刀具前刀面机械抛光至表面粗糙度小于20nm，然后依次放入丙酮、去离子水、无水乙醇中超声清洗12min，清洗完成后吹干。
[0050]
进一步优化方案，在步骤3中，将刀具放入镀膜机中进行绝缘层的制备，待绝缘层自然冷却至室温后取出刀具，将镀绝缘层后的刀具放入无水乙醇中进行超声波清洗，清洗完成后吹干；
[0051]
绝缘层的材质为si3n4。绝缘层的厚度为400
±
100nm。
[0052]
将吹干后的刀具放入镀膜机中，采用中频磁控溅射技术在刀具表面制备si3n4绝缘膜。
[0053]
进一步优化方案，在步骤4中，导电膜呈l形设置，导电膜的数量为两个，两个导电膜的长边分别与刀具刀尖的两侧边平行设置，两个导电膜的短边端部在刀具表面最高温度点处重合形成热接点；
[0054]
两个导电膜的材质分别为nisi、nicr。
[0055]
nisi导电膜的形状为长9mm、宽2mm的长方形并且与切削刃两侧边缘距离为0.2mm，电极引脚在远离切削刃的一侧，为边长3mm的正方形，nisi导电膜的厚度在500
±
50nm。
[0056]
nicr导电膜的形状为长9mm、宽2mm的长方形并且与切削刃两侧边缘距离为0.2mm，电极引脚在远离切削刃的一侧，，为边长3mm的正方形，nicr导电膜靠近切削刃的一端与nisi导电膜靠近切削刃的一端部分重合，形成边长为2mm的重合区域，即为热接点，nicr导电膜的厚度在500
±
50nm。
[0057]
掩膜板的数量为两个，两个掩膜板的形状分别与两个导电膜的形状相对应。
[0058]
将镀完si3n4绝缘膜的刀具放入无水乙醇中超声波清洗10min以去除绝缘膜表面杂质，装上nicr电极形状的掩膜板，放入镀膜机中采用多弧离子镀技术制备nicr导电膜；镀nicr导电膜完成后取出刀具，拆下nicr电极形状的掩膜板，装上nisi电极形状的掩膜板，放入镀膜机中采用直流磁控溅射技术制备nisi导电膜。
[0059]
进一步优化方案，在步骤5中，镀保护膜之前，在两个导电膜上远离热接点的端部包裹锡纸，并使热接点裸露在外，然后将刀具放入镀膜机中制备保护膜。
[0060]
进一步优化方案，保护膜的材质为si3n4。
[0061]
镀导电膜完成后取出刀具用锡纸包裹nisi、nicr的电极引脚部分，裸露出热接点，放入镀膜机中采用中频磁控溅射技术制备si3n4保护膜。si3n4保护膜的厚度为500
±
50nm。
[0062]
进一步优化方案，在步骤6中，热电偶丝的数量为两个，两个热电偶丝的材质分别为nisi、nicr，材质为nisi的热电偶丝与材质为nisi的导电膜上的电极引脚电性连接，材质为nicr的热电偶丝与材质为nicr的导电膜上的电极引脚电性连接。
[0063]
si3n4保护膜镀完后，取出刀具，用直径为0.3mm的nisi热电偶丝与nisi电极引脚位置相连，nicr热电偶丝与nicr电极引脚位置相连，连接材料为耐高温石墨导电胶，热电偶丝的另一端用于连接温度数据采集端，连接后得到的刀具实物图如图5所示。
[0064]
热电偶丝为直径0.3-0.5mm的标准k型热电偶丝。
[0065]
一种在机原位测温刀具，通过一种在机原位测温刀具的制备方法制作而成。
[0066]
本发明通过在刀具表面制备了一种多层复合的薄膜热电偶结构，不破坏刀具和工件的完整性，易于实现量产。薄膜总厚度不超过2μm，能够不影响刀具的切削性能的前提下对到刀具前刀面上的切削温度实现在机原位温度测量，测温刀具集切削、测温功能于一体。
[0067]
通过有限元仿真技术获得刀具表面的温度分布，制作的薄膜热电偶的测温区域可以覆盖刀具温度最高点，温度传感器直接接触切削温度最高点，进一步提升了测温准确性。
[0068]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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，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。
[0069]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种在机原位测温刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定切削时刀具表面最高温度点；步骤2、打磨清洗刀具；步骤3、在刀具表面制备绝缘层；步骤4、在刀具表面镀导电膜；步骤5、在刀具表面镀保护膜，同时在导电膜上留出电极引脚；步骤6、在导电膜上的电极引脚处粘结热电偶丝；步骤7、制备完成。2.根据权利要求1所述的一种在机原位测温刀具的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，根据实际加工现场的切削条件，用切削仿真软件模拟切削过程，刀具表面最高温度点的位置即为热接点位置。3.根据权利要求1所述的一种在机原位测温刀具的制备方法，其特征在于：在所述步骤2中，在打磨清洗刀具时，需要将刀具表面打磨抛光，然后依次放入丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声波清洗，清洗完成后吹干。4.根据权利要求1所述的一种在机原位测温刀具的制备方法，其特征在于：在所述步骤3中，将刀具放入镀膜机中进行绝缘层的制备，待绝缘层自然冷却至室温后取出刀具，将镀绝缘层后的刀具放入无水乙醇中进行超声波清洗，清洗完成后吹干；绝缘层的材质为si3n4。5.根据权利要求1所述的一种在机原位测温刀具的制备方法，其特征在于：在所述步骤4中，导电膜呈l形设置，导电膜的数量为两个，两个导电膜的长边分别与刀具刀尖的两侧边平行设置，两个导电膜的短边端部在刀具表面最高温度点处重合形成热接点；两个导电膜的材质分别为nisi、nicr。6.根据权利要求5所述的一种在机原位测温刀具的制备方法，其特征在于：在所述步骤5中，镀保护膜之前，在两个导电膜上远离热接点的端部包裹锡纸，并使热接点裸露在外，然后将刀具放入镀膜机中制备保护膜。7.根据权利要求1所述的一种在机原位测温刀具的制备方法，其特征在于：保护膜的材质为si3n4。8.根据权利要求5所述的一种在机原位测温刀具的制备方法，其特征在于：在所述步骤6中，热电偶丝的数量为两个，两个热电偶丝的材质分别为nisi、nicr，材质为nisi的热电偶丝与材质为nisi的导电膜上的电极引脚电性连接，材质为nicr的热电偶丝与材质为nicr的导电膜上的电极引脚电性连接。9.一种在机原位测温刀具，通过权利要求1-8任一项所述的一种在机原位测温刀具的制备方法制作而成。

技术总结
本发明属切削温度测量技术领域，尤其涉及一种在机原位测温刀具的制备方法，包括以下步骤：步骤1、确定切削时刀具表面最高温度点；步骤2、打磨清洗刀具；步骤3、在刀具表面制备绝缘层；步骤4、在刀具表面镀导电膜；步骤5、在刀具表面镀保护膜，同时在导电膜上留出电极引脚；步骤6、在导电膜上的电极引脚处粘结热电偶丝；步骤7、制备完成。本发明薄膜总厚度不超过2μm，能够不影响刀具的切削性能的前提下对到刀具前刀面上的切削温度实现在机原位温度测量，测温刀具集切削、测温功能于一体。薄膜热电偶的测温区域覆盖刀具温度最高点，温度传感器直接接触切削温度最高点，进一步提升了测温准确性。性。性。


技术研发人员：黄雷 周帝 袁军堂 汪振华 殷增斌 丁志恒
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/21