1、PDF外文：http:/ 1 附 5 本科毕业设计 （论文） 外文 翻译 学生姓名 李秦 专业班级 机械工程及自动化 1 班 中文译名 利用内嵌薄膜热电偶传感器测量切削温度 外 文原文名 Tools with built-in thin film thermocouple sensors for monitoring cutting temperature 外 文原文版出处 IEEE/IEE 译 文： &n
2、bsp; 利用内嵌薄膜热电偶传感器测量切削温度 作者： Ali Basti, Toshiyuki Obikawa, Jun Shinozuka 东京工业大学机械与控制工程， 2-12-1 O -OKAYAMA，目黑区，东京 152-8552，日本的机械工程学系，茨城大学， 4-12-1 Nakanarusawa，日立，茨城 316-8511 日本 摘要： 对在加工过程中的实时监控，和切削刀具的热激发和热冲击 相关的理论技术的研究已经在制造业中成为热门。相关的温度信号可以通过切削刀具内嵌 适当传感器例如薄膜热电偶 (TFTs)进行测量 。 这种技术的应用就要求
3、相关的刀具，设备，传感器可以承受高压和 高温。在这项研究工作中，对于构造内嵌薄膜热电偶和实验步骤的相关顺 序问题被提出和论证。这次切削实验的内容是，针对不同条件下，以最高 16m/s 的速度高速切削铝合金A6061-T61，同时测量终点切削温度。 1.引言 在加工过程中，特别是机械加工，人们对工具的温度的兴趣很高。温度对机械加工 严重的影响：高温加速刀具磨损，缩短刀具使用寿命 。 温度引起工件表面的热变形 ，同样的情况也适用于切削刀具和切削机械工具，使得加工精度降低；同时通过相位转移，残留的热应力，热感应缺陷影响加工后的表面层。然而，预测 复杂的热源在机械操
4、作中转移到工件和刀具上的强度分布是非常非常困难的。尤其是，因为工作 原料制成的加工工具的力和热的转移是紧密交织在一起的，同时取决于工具的内张力和应变力和温度。尽管相关人员已经 花费大量精力提出不同的理论分析和实施相关实验目的是了解这种现象，很多的问题依旧亟待解决。 很多实验性的的方法为了测量刀具 -切屑接触面而设计提出：刀面 -切屑热电偶技术，热电偶嵌入技术，红外线放射测量，金属微结构和微硬度的测量技术，利用热敏原料的熔点 技术 ，和薄膜传感器技术 ，这项技术基于纯泊薄膜的特性，就是其欧姆电阻会随着温度变化。以上每一种技术都有自己的优势优点和劣势缺点。运
5、用工业软件，可以极大发挥 薄膜传感器的潜力，但是测量刀 -屑面的温度受限于在工程铝合金中的一种自由加工铝合金 ，测量后的温度近似的比铝合金的温度高 200K。作为对比，人们发展了很多数学方法如： 2 有限差理论，有限元理论，混合 FEM 分析法的理论，边界单元法和反证法。然而相比复杂的热问题分析，在切削过程中简单的假定更适于解决代码的分析。 创造者使得 薄膜 形式的热电偶 传感器 （ TFTs）已经发展到可以在高温高压下测量刀 -屑混合区的温度。 一种含有 Pt (Pt-13%Rh)TFT，同时具有 Al2O3 和 AlN 高硬度涂层的原型刀具已被应用到
6、切削的实验 中 ，切削材料为 0.45%C 的氮素合金钢 S45C,切削速率为1.67-5.0m/s，进给速率为 0.08-0.25mm/rev，但是 1.8mm 的 TFT 对于测量温度 分布来说有过宽，切削过程必须在几秒钟内完成，以避免 TFT 的损坏。在本文章中，良好的 TFTs 又Ni 和 Ni-Cr（ 80:20 质量 %）放置在 Al2O3 基底的刀具下。这个 TFT 大约厚度在 0.5mm 厚，同时有氧化 铪 物理气象沉积作为绝缘层（ HfO2）。于是， 在 一个 TiN 坚硬的层在 HfO2 隔缘 层下， 为了保护内置的 TFTs 抵抗高速切削过程中的磨损和高压力。 TFTs
7、的校 准随着加工实验而确定。每个实验的温度测量符合不同的切削速率对应唯一的内嵌 TFTs。 2.工作原理 图片 1 是 TFTs 在正交切削过程中的实际应用一个简略的示意图，同时表现了刀具纵断面内 TFTs 如何内嵌其中。 Ni 和 Ni-Cr 的热电偶的热联结点焊接在距离刀具切削刃很近的地方；冷的联结点实际上在末端的记录器，离刀刃非常远 ，却在前刀面上。这样的安排，是因为如此而来 TFTs,的电动势（ EMF）代表热接点和 TFT， TFT 末端之间的温差。因此，热接点 的计算公式如下： m i nT F T t e r a l ， minte
8、r al 的 取得的方法是，测量 末端温度 利用附加的 铬镍 铝镍热电偶 。 3. 设备制造 TFT 传感器用于测量切削温度必须遵循以下要求：（ 1）保护传感器的硬质涂层和下面接触层之间具有足够的附和力，以 在加工过程中 表现良好的耐磨性和 耐久度。（ 2）传感器在尺寸和质量上都足够的小，以便实现高灵敏度；同时（ 3）传感器的构造和安装不会影 3 响加工过程。为了达到以上各项要求， TFT 传 感器设计成为了 微型结构，同时构造与一个铝合金陶瓷刀具的前刀面上，传感器嵌入刀具时利用了包括其在内的腐蚀性的金属材料。最终，这次嵌入被涂上一层 HfO2 绝缘层和一
9、层基于 TiN， TiAlN 活着TiAlSiN 的保护层。 图 2 介绍了设备的相关的一些制造过程。 TFT 的基片是一层氧化铝的嵌入 工具，这层嵌入已经被研磨至表面粗糙度 Ra 至少 0.2mm，所以完全的清洁并且脱脂。第一步，利用直流磁控溅镀将一层 0.5mm厚的 Ni 被放置在到面的右半侧和一部分重叠位置，就是 热接点产生的地方。这个过程一直重复到的 Ni-Cr（ 80:20 质量 %）目标在刀具左半部分表面和重叠位置。 Ni 和 Ni-Cr 层不必要的部分会被除去，方法是通过一系列物理 消除 或者化学 腐蚀 的 措施方法 方法，以便于形成 热电偶适配器。 利用氯化铁和（ NH4） 2Ce（ NO3） 6除镍和镍铬的解决方案，分别进行了化学蚀刻。镍和镍铬薄和细层形成的薄膜电晶体沉积氧化铪，而留下无涂层的热电偶端子绝缘。由于氧化铪高的热稳定性和化学稳定性，这一层是最好的绝缘体薄膜电晶体之一。镍和镍铬薄和细层形成的薄膜电晶体沉积氧化铪，而留下无涂层的热电偶端子绝缘。 由于氧化铪高的
