薄膜熱電偶測(cè)溫刀具研究現(xiàn)狀

仇文豪，林琪超，王相宇，喬陽(yáng)

1濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2山東省計(jì)量檢測(cè)中心

1 引言

伴隨著“中國(guó)制造2025”、美國(guó)“制造業(yè)回歸和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”與德國(guó)“工業(yè)4.0”等計(jì)劃的提出，主要制造業(yè)大國(guó)重新重視傳統(tǒng)制造業(yè)，制造業(yè)將面臨重大機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1]。智能制造成為新一輪工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，高速切削加工是制造技術(shù)重要方向之一[2]，高速切削技術(shù)提高了加工效率，降低了生產(chǎn)成本并且獲得了較高的表面質(zhì)量，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于核工業(yè)、汽車(chē)模具、石油化工、航空航天、公共工程和船舶等行業(yè)。

隨著高溫合金、鈦合金、鈦鋁合金和高強(qiáng)度鋼等難加工材料的應(yīng)用，高速切削技術(shù)受到了一定限制。在航空制造業(yè)中，鈦合金及鈦鋁合金材料的廣泛使用令航空飛機(jī)的推重比得到顯著提升[3]，但是，材料的高強(qiáng)度、高硬度等特性使切削加工面臨刀具磨損嚴(yán)重、加工質(zhì)量差、效率低和成本高等問(wèn)題，制約著航空制造業(yè)的發(fā)展[4]。切削難加工材料時(shí)產(chǎn)生的切削熱不僅影響加工零件的表面完整性，還會(huì)對(duì)切削刀具的服役壽命帶來(lái)不利影響[5]。切削熱產(chǎn)生的溫度梯度場(chǎng)是研究切削理論、刀具加性能和材料可加工性能的關(guān)鍵參數(shù)，監(jiān)測(cè)切削溫度的新原理和新設(shè)備也已成為切削加工技術(shù)發(fā)展的新方向之一[6]。

目前，切削溫度測(cè)量方法已實(shí)現(xiàn)對(duì)切削過(guò)程中溫度的測(cè)量，常用測(cè)溫試驗(yàn)方法有人工熱電偶法[7，8]、自然熱電偶法[9]、半人工熱電偶法[10]、紅外輻射法[11]、CCD相機(jī)法[12]、雙色溫度計(jì)法[13]、熱敏涂料法及金相組織觀察法等。

自然熱電偶法只能測(cè)量出刀—工的平均溫度，而且溫度與熱電勢(shì)線性關(guān)系較差[9]；機(jī)床卡盤(pán)處需要添加絕緣材料，會(huì)影響機(jī)床的動(dòng)平衡；積屑瘤的產(chǎn)生會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差；存在靜態(tài)標(biāo)定熱電偶測(cè)量動(dòng)態(tài)切削過(guò)程的合理性問(wèn)題[14]。人工熱電偶法需在狹小的刀具作業(yè)面上打孔或切槽，會(huì)削弱刀具強(qiáng)度；熱電偶受尺寸限制，無(wú)法安裝在溫度梯度較大的刀—屑接觸區(qū)中，且在接觸區(qū)內(nèi)布置會(huì)干擾正常的熱傳導(dǎo)過(guò)程[7]；刀具材料較硬，不易加工出孔洞或者凹槽；布置位置距刀尖較遠(yuǎn)，會(huì)影響熱電偶的分辨率和響應(yīng)速度[8]。嵌入式薄膜熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)溫原理相同，但薄膜熱電偶熱接點(diǎn)和熱容量小，可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，對(duì)刀具切削強(qiáng)度影響小。紅外輻射法利用切削材料時(shí)向外輻射的能量與溫度的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)間接測(cè)量切削溫度[11]，非接觸式測(cè)量不會(huì)干擾正常切削過(guò)程且響應(yīng)速度較高，可以通過(guò)建立傳感器陣列和采集多個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建切削溫度場(chǎng)。研究表明，有冷卻液條件下的溫度測(cè)量存在較大誤差，并且受切屑阻擋，無(wú)法獲得刀—屑接觸區(qū)的溫度數(shù)據(jù)[7]。熱物理效應(yīng)法[15]是利用材料的熔點(diǎn)、顏色、金相組織以及形狀等物理變化和溫度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但該方法只能測(cè)量特定溫度范圍，在實(shí)際使用過(guò)程中存在不確定因素，故該方法使用漸少。

上述測(cè)量方法都有一定的局限性。在分析材料去除機(jī)理、表面完整性和刀具壽命時(shí)，需要精確和快速的測(cè)量工具實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切削過(guò)程中的溫度。而有限元法很少用于在線測(cè)量，并且無(wú)法精確掌握溫度場(chǎng)模型的邊界條件，如刀—屑接觸區(qū)的熱通量分配比例或冷卻液的對(duì)流換熱系數(shù)等。在監(jiān)測(cè)切削溫度中，對(duì)溫度傳感器的要求也極為苛刻：要盡可能接近切削區(qū)域且不能削弱刀刃強(qiáng)度和降低加工系統(tǒng)的剛度；可以抵抗摩擦、電磁、高溫和油污的干擾；不能受制于加工條件且必須有一定測(cè)量范圍；應(yīng)具備少維護(hù)、低成本、易推廣等特點(diǎn)[16]。

目前尚無(wú)完美的能用于切削環(huán)境的刀具或溫度傳感器。綜合比較來(lái)看，薄膜熱電偶微米級(jí)的尺寸可適應(yīng)刀具狹小的作業(yè)空間，而且測(cè)溫精度高、熱容量小及響應(yīng)時(shí)間短，可以批量陣列化，對(duì)刀具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小[17]。由于其結(jié)構(gòu)較小，能更好地接近刀—屑接觸區(qū)，可以直接對(duì)溫度梯度較大的接觸區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)測(cè)量。隨著薄膜熱電偶傳感器技術(shù)和分析建模技術(shù)的發(fā)展，利用傳感器和刀具有機(jī)結(jié)合的感知型測(cè)溫刀具和上位機(jī)中分析軟件聯(lián)合構(gòu)建溫度場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)切削過(guò)程中切削溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，更好地監(jiān)控切削過(guò)程中的熱—力耦合的切削實(shí)況[18]，本文綜合分析了薄膜熱電偶傳感器與刀具有機(jī)結(jié)合的感知型測(cè)溫刀具的發(fā)展現(xiàn)狀。

2 薄膜熱電偶的發(fā)展

熱電偶是德國(guó)P.Hackemann在第二次世界大戰(zhàn)期間為監(jiān)測(cè)射出子彈后的槍膛膛壁的溫度變化而研制的監(jiān)控工具[19]。如圖1所示，薄膜熱電偶基于普通熱電偶的原理，將兩個(gè)熱電極通過(guò)薄膜連接起來(lái)，或?qū)蓚€(gè)熱電極以薄膜的形式沉積在被測(cè)物體表面并連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)溫[20]。當(dāng)熱端受溫度激勵(lì)時(shí)，冷熱兩端會(huì)產(chǎn)生溫差，基于材料的特性，薄膜熱電偶會(huì)產(chǎn)生可以測(cè)量的毫伏級(jí)電壓。

圖1 熱電偶原理[20]

相較于普通熱電偶，薄膜熱電偶熱接點(diǎn)較小，沉積在刀具上不會(huì)影響刀具切削刃強(qiáng)度和服役壽命，而且響應(yīng)時(shí)間常數(shù)小，能夠?qū)崟r(shí)快速反映刀—屑接觸區(qū)溫度場(chǎng)的變化，更好地監(jiān)測(cè)切削狀態(tài)[21]。根據(jù)使用要求可以分為四大類(lèi)[22]：嵌入式薄膜熱電偶、微型薄膜熱電偶、針狀薄膜熱電偶和片狀薄膜熱電偶。制備薄膜熱電偶測(cè)溫刀具必須考慮熱電偶的保護(hù)方式、沉積工藝以及標(biāo)定三個(gè)問(wèn)題。

3 薄膜熱電偶的保護(hù)方式

3.1 特殊刀具結(jié)構(gòu)保護(hù)

Werschmoeller D.等[23]提出了一種測(cè)量PBCN刀具切削刃附近瞬態(tài)溫度場(chǎng)的方法，設(shè)計(jì)并制作了如圖2所示的C型薄膜熱電偶微型布局，并通過(guò)擴(kuò)散融合方式沉積在PBCN刀具上。兩個(gè)分片式刀具結(jié)構(gòu)粘合在一起，將傳感器保護(hù)其中，避免被切屑和外部環(huán)境干擾，表征了傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其靈敏度為8.87μV/℃，具備良好的線性關(guān)系，測(cè)溫刀具響應(yīng)時(shí)間為150ns。

Zeng Q.等[24]利用線切割工藝把高速鋼刀頭(W18Cr4V)分成如圖3所示的上下兩部分，在拋光表面濺射絕緣膜(SiO2膜)，并在刀片上半部分采用離子鍍熱電偶薄膜材料，熱接點(diǎn)面積約2.4mm2，厚度為3.6μm。該刀片結(jié)構(gòu)有效解決了薄膜熱電偶材料工況，但由于使用線切割會(huì)破壞切削刃強(qiáng)度，因此并不適用于難加工材料的加工。

(a)刀尖傳感器布局

(b)刀具的傳感器整體布局

(c)傳感器實(shí)物

圖3 薄膜熱電偶測(cè)溫刀具結(jié)構(gòu)[24]

刀具上下部分經(jīng)壓合后可以在一定程度上避免因嵌入傳感器而破壞刀具的切削強(qiáng)度。該工藝不但巧妙地把傳感器布置在距刀尖較近的位置，而且保證了切削過(guò)程中薄膜熱電偶不被破壞，使得傳感器可以長(zhǎng)時(shí)間地監(jiān)測(cè)切削接觸區(qū)溫度。研究表明，分合式刀片結(jié)構(gòu)在一定程度上損傷了切削刃強(qiáng)度，在切削難加工材料時(shí)服役壽命較短。相較于分合式刀具，在刀具前刀面加工微米級(jí)的凹槽成為相對(duì)較好的方法，刀具上的凹槽微織構(gòu)不僅可以降低切削溫度，而且槽壁對(duì)切屑的阻擋也保護(hù)了薄膜熱電偶傳感器。Sugita N.等[25]研制了一種可以集成到硬質(zhì)合金切削刀具中的微型溫度傳感器，通過(guò)激光在刀具前刀面上刻蝕凹槽，在凹槽內(nèi)涂覆Al2O3絕緣膜和鉻金屬薄膜，微型熱電偶傳感器由硬質(zhì)合金切削刀具本身和鉻金屬薄膜組成(見(jiàn)圖4)。在刀具前刀面上可以布置十個(gè)微型化傳感器，前刀面上的凹槽結(jié)構(gòu)較好地保護(hù)了鉻膜，提升了傳感器耐用度。

圖4 薄膜熱電偶硬質(zhì)合金測(cè)溫刀具結(jié)構(gòu)[25]

如圖5所示，Li J.等[18，26]通過(guò)飛秒激光在刀具前刀面上加工出微型凹槽，并通過(guò)電化學(xué)拋光改善微型凹槽表面，以便沉積薄膜材料。試驗(yàn)測(cè)試獲得的刀具傳感器塞貝克系數(shù)為20μV/℃，驗(yàn)證了嵌入式薄膜熱電偶傳感器長(zhǎng)時(shí)間獲取切削溫度數(shù)據(jù)的可行性，利用磁控濺射工藝在刀具微織構(gòu)中沉積薄膜熱電偶，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)難加工材料切削過(guò)程中切削區(qū)溫度的測(cè)量。

陳保良[27]使用飛秒激光在硬質(zhì)合金刀具的前刀面加工出如圖6所示的凹槽結(jié)構(gòu)，用來(lái)保護(hù)沉積在凹槽中的薄膜熱電偶。利用無(wú)線傳輸技術(shù)將獲取的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端，上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)和接收端溫度數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)中存儲(chǔ)和顯示。

(a)刀具結(jié)構(gòu)

(b)測(cè)溫?zé)峁?jié)點(diǎn)

(a)凹槽設(shè)計(jì) (b)飛秒激光加工

飛秒激光加工的凹槽微織構(gòu)減少了刀—屑接觸長(zhǎng)度，降低了切削力和切削溫度[28]。當(dāng)表面微織構(gòu)垂直于切屑流動(dòng)方向時(shí)，凹槽槽壁對(duì)薄膜熱電偶的保護(hù)較平行于切屑流動(dòng)方向的凹槽更好。凹槽微織構(gòu)還可以充當(dāng)二硫化鉬等潤(rùn)滑劑的存儲(chǔ)器，切削時(shí)在接觸區(qū)形成潤(rùn)滑膜，提高散熱能力和降低摩擦系數(shù)，進(jìn)而降低切削溫度。低溫加工難加工材料時(shí)，液氮可以通過(guò)凹槽到達(dá)刀—屑接觸區(qū)，極大地降低了切削溫度。表面微織構(gòu)的薄膜熱電偶測(cè)溫刀具不僅可以降低切削力和切削溫度，而且可以實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量接觸區(qū)內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，因此具有良好應(yīng)用前景。

3.2 涂層保護(hù)

為了測(cè)量切削刀具的前刀面溫度場(chǎng)，Shinozuka J.等[29]設(shè)計(jì)了內(nèi)置薄膜熱電偶的切削刀具，使用物理氣相沉積把薄膜熱電偶材料沉積在刀具的前刀面上，并制備了三種不同尺寸的薄膜熱電偶刀具，刀具的絕緣層材料為氧化鉿，保護(hù)涂層是厚度為3μm的氮化鈦，并且成功測(cè)得前刀面的溫度，表明嵌入式薄膜熱電偶的刀具具備切削和測(cè)溫的雙重功能，研究結(jié)果還表明，切削溫度最高點(diǎn)不在刀尖處。同樣，馬辰卉等[30]利用磁控濺射技術(shù)在YG6刀具前刀面上沉積了Al2O3絕緣膜、NiCr-NiSi薄膜熱電偶以及Si3N4保護(hù)膜，該研究不但證明Si3N4保護(hù)膜對(duì)薄膜熱電偶有良好保護(hù)作用，而且結(jié)果顯示，在距刀尖0.21mm且靠近NiSi薄膜處的熱量最高，傳感器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 薄膜熱電偶傳感器結(jié)構(gòu)[30]

崔云先[22]設(shè)計(jì)并制備了一種基于NiCr-NiSi薄膜熱電偶的測(cè)溫刀具，利用磁控濺射工藝在刀具的前刀面上沉積SiO2絕緣膜及薄膜熱電偶材料，通過(guò)自主研發(fā)的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)標(biāo)定薄膜熱電偶測(cè)溫刀具的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)技術(shù)特性。劉義[31]采用直流脈沖磁控濺射的方法，使薄膜熱電偶溫度傳感器材料沉積在銑削刀片刀尖處，刀具基體先濺射SiO2絕緣膜，再濺射薄膜熱電偶材料，最后濺射SiO2保護(hù)膜，用以延長(zhǎng)熱電偶傳感器壽命。薄膜熱電偶測(cè)溫刀具結(jié)合無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)銑削過(guò)程中切削區(qū)域的溫度實(shí)時(shí)原位測(cè)量，Biermann D.等[32]通過(guò)簡(jiǎn)化薄膜熱電偶測(cè)溫刀具制備工藝，利用陶瓷的絕緣性，采用氮化硅制作切削刀具，并借助PVD工藝在刀具上沉積熱電偶材料，沉積的氧化鋁薄膜能確保傳感器不被切屑劃傷，具有可靠的工作穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，嵌入薄膜熱電偶得到的溫度數(shù)據(jù)接近熱成像測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，說(shuō)明此測(cè)溫方法具有可行性，涂層刀片如圖8所示。

3.3 無(wú)保護(hù)

Weinert K.等[33]利用陶瓷的絕緣性，采用氮化硅作為切削刀具材料，并利用PVD工藝在刀尖上沉積薄膜熱電偶材料，陶瓷刀具能確保所嵌入的薄膜熱電偶傳感器具有可靠的絕緣性，但是，薄膜熱電偶材料容易被流動(dòng)切屑劃傷，造成測(cè)量誤差較大。

圖8 涂層刀片[32]

董繼超等[34]設(shè)計(jì)了基于薄膜熱電偶測(cè)量切削溫度的刀具，以PBCN切削刀具的前刀面作為鍍制薄膜基體，通過(guò)磁控濺射技術(shù)沉積了SiO2絕緣膜和NiCr-NiSi電極薄膜，得到熱電偶塞貝克系數(shù)為15.6μV/℃的測(cè)溫傳感器。使用該刀具進(jìn)行的切削試驗(yàn)研究表明，該方法制備的薄膜熱電偶測(cè)溫刀具能夠有效收集加工過(guò)程中的實(shí)時(shí)切削溫度數(shù)據(jù)。

基于切削機(jī)理的研究，張勇[35]分析了前刀面溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，并根據(jù)分布規(guī)律設(shè)計(jì)了三種熱電偶結(jié)構(gòu)布置方案，包括前刀面布置熱電偶、后刀面布置熱電偶和分片式刀片結(jié)構(gòu)，其中分片式刀片結(jié)構(gòu)與曾其勇等[36]設(shè)計(jì)的刀片結(jié)構(gòu)類(lèi)似。研究采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)影響薄膜熱電偶厚度、電阻率和表面粗糙度的工作壓強(qiáng)、氬氣流量和濺射功率參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出在氬氣流量為60sccm、工作壓強(qiáng)為0.8Pa和濺射功率為130W條件下，薄膜熱電偶導(dǎo)電性、電極尺寸性能達(dá)到使用要求，靈敏度達(dá)到了18.4μV/℃。

4 薄膜熱電偶測(cè)溫刀具制備工藝

4.1 薄膜熱電偶材料

常見(jiàn)的沉積薄膜熱電偶材料有La0.8Sr0.2CrO3和In2O3，高溫時(shí)具有較高的熱電勢(shì)[37]。同時(shí)，也可選擇較高熱敏性抗氧化性的Chromel-Alumel材料[38]以及有著高溫穩(wěn)定性的ITON-InON陶瓷薄膜熱電偶材料[39]、鎢錸薄膜熱電偶材料[40]、Ni-NiCr薄膜材料[27，28]和NiCr-NiSi薄膜熱電偶材料[18，26，30，31，34-36]。其中，在沉積切削刀具中最常用是NiCr-NiSi薄膜熱電偶材料，該熱電偶材料在切削高溫區(qū)的服役壽命優(yōu)于其他型號(hào)薄膜熱電偶材料。

4.2 絕緣膜和保護(hù)層材料

在傳感器制備過(guò)程中，首先要考慮薄膜材料與基體之間的絕緣性。絕緣膜有兩個(gè)作用：一是增加薄膜材料與基體之間的附著能力，二是阻止薄膜材料受熱后電子流失造成的測(cè)量誤差。所以要求絕緣膜具備以下特性[35]：①導(dǎo)熱性，絕緣膜材料必須具備良好導(dǎo)熱性，且不能干擾薄膜熱電偶熱導(dǎo)率，保證熱電偶的測(cè)量精度；②熱強(qiáng)性，由于切削接觸區(qū)溫度較高，要求絕緣膜在切削過(guò)程中保持原狀，晶格不發(fā)生破壞；③熱穩(wěn)定性，在切削高溫下不能與薄膜熱電偶材料發(fā)生反應(yīng)，不能影響熱電偶工作穩(wěn)定性。

在實(shí)際應(yīng)用中，常用的絕緣材料有Al2O3、SiO2、AlN和SixNy等。Al2O3的機(jī)械強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好，介電常數(shù)小，但與基體的結(jié)合力較弱。SiO2在切削高溫下電阻會(huì)不可逆地減小，熱膨脹系數(shù)大。AlN在高溫下導(dǎo)熱性和絕緣性高，熱膨脹系數(shù)小，機(jī)械強(qiáng)度高且耐熱沖擊[41]。Si3N4化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)小，抗氧化能力好，耐熱沖擊。保護(hù)層材料與絕緣膜材料要求相似，但對(duì)耐磨性提出了更高的要求，以Al2O3、SiO2和Si3N4居多。

4.3 鍍膜工藝

薄膜制備工藝有化學(xué)氣相沉積法[42]、磁控濺射法[43]、離子束濺射法[44]、電鍍以及電解印刷法等。目前常用的方法是磁控濺射鍍膜工藝，廣泛應(yīng)用于薄膜熱電偶傳感器的制備。如圖9所示，與傳統(tǒng)磁控濺射相比，等離子體增強(qiáng)磁控濺射(PEMS)鍍膜工藝的沉積速度快，工作氣體的電離率高、襯底溫度低和濺射氣壓低，產(chǎn)生的等離子體能量低，薄膜厚度的可控性和均勻性較好[45]。但是，在采用濺射工藝制備薄膜熱電偶傳感器過(guò)程中，沉積速度的快慢不能促進(jìn)材料在刀具上的沉積質(zhì)量，需要對(duì)沉積薄膜材料進(jìn)行退火處理，消除沉積過(guò)程中的應(yīng)力集中，細(xì)化晶粒和消除組織缺陷，使薄膜材料比較均勻地分布在刀具上。

(a)磁控濺射原理

(b)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積原理

Li J.等[18]在微織構(gòu)刀具表面使用飛秒激光加工出六條平行于切削刃的微型凹槽，在前刀面上濺射氮化硅絕緣膜，利用相應(yīng)的掩膜覆蓋沉積兩極材料，剝離掩膜形成鑲嵌薄膜熱電偶材料的切削刀具，具體過(guò)程如圖10所示。

圖10 薄膜熱電偶沉積過(guò)程[18]

崔云先等[46]在YG8銑刀表面濺射高性能薄膜熱電偶測(cè)量刀—工接觸區(qū)的溫度。刀具表面先進(jìn)行拋光直至達(dá)到鏡面程度，用無(wú)水乙醇、丙酮和去離子純化水進(jìn)行超聲清洗，再用氮?dú)夂娓?。在真空多功能鍍膜機(jī)中先濺射SiO2絕緣膜，通過(guò)特定形狀掩膜控制濺射兩極靶材材料，最后沉積SiO2保護(hù)膜保護(hù)薄膜熱電偶不被流動(dòng)切屑劃傷。熱電偶沉積流程如圖11所示，刀具集測(cè)溫和切削于一體，可以實(shí)時(shí)測(cè)量刀—工接觸區(qū)的瞬態(tài)溫度。

圖11 薄膜熱電偶沉積過(guò)程[46]

5 薄膜熱電偶測(cè)溫刀具的標(biāo)定

由于薄膜熱電偶的尺寸效應(yīng)、邊界效應(yīng)、鍍膜方法與時(shí)間和成分離析都會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)[41]，使得薄膜熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的塞貝克系數(shù)有一定差距，為實(shí)現(xiàn)切削溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，需要標(biāo)定薄膜熱電偶測(cè)溫刀具。薄膜傳感器的技術(shù)特性有靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性[47]。

5.1 靜態(tài)標(biāo)定

靜態(tài)指標(biāo)用來(lái)確定溫度與熱電勢(shì)的函數(shù)關(guān)系。傳統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定時(shí)，熱接點(diǎn)與補(bǔ)償導(dǎo)線焊點(diǎn)一起放入溫度計(jì)量爐中進(jìn)行溫度測(cè)量。由于薄膜熱電偶電極較小，所以傳統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定不再適用。張博文[41]根據(jù)測(cè)溫刀片結(jié)構(gòu)和技術(shù)特性設(shè)計(jì)了熱電偶自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效避免傳統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定中由于人為因素造成的低效率與測(cè)量誤差，而且熱接點(diǎn)浸入油中，補(bǔ)償導(dǎo)線與焊點(diǎn)在液面以上，可以避免測(cè)溫刀片整體處于同一溫度場(chǎng)。標(biāo)定系統(tǒng)原理如圖12所示，該標(biāo)定系統(tǒng)選用恒溫冷端作為補(bǔ)償方法，可使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖12 薄膜熱電偶靜態(tài)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)[41]

5.2 動(dòng)態(tài)標(biāo)定

薄膜熱電偶測(cè)溫刀具的動(dòng)態(tài)特性是指測(cè)試系統(tǒng)對(duì)輸入變量隨時(shí)間的響應(yīng)特性。由于熱電偶具有熱慣性，導(dǎo)致測(cè)試溫度與實(shí)際溫度存在誤差，故需要對(duì)薄膜熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定[48]。因?yàn)楸∧犭娕紵崛萘枯^小，響應(yīng)速度快，需選擇與傳感器相適應(yīng)的熱源，動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)原理如圖13所示。

圖13 薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[41]

6 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了測(cè)溫方法的研究進(jìn)展并總結(jié)了其在切削場(chǎng)合的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了以薄膜熱電偶為傳感器的感知型測(cè)溫刀具。

(1)薄膜熱電偶測(cè)溫刀具將執(zhí)行器與傳感器合二為一，使刀具在切削過(guò)程中可以采集刀—屑接觸區(qū)溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)，對(duì)研究難加工材料低溫切削機(jī)理和刀具磨損機(jī)理具有重要意義。

(2)薄膜熱電偶采用NiSi-NiCr材料較多，保護(hù)膜與絕緣膜材料大多從Al2O3、SiO2、AlN和Si3N4中選擇，且多采用性能優(yōu)良的Si3N4材料。

(3)切削刀具的狹小作業(yè)空間使鍍膜工藝多采用磁控濺射技術(shù)，成本較高，制備流程較復(fù)雜，薄膜容易出現(xiàn)剝落、分層和尺寸誤差，需要優(yōu)化制備工藝，提高熱電偶測(cè)量精度和范圍。

(4)磁控濺射技術(shù)得到的微傳感器通過(guò)退火處理，可以消除薄膜熱電偶材料晶粒細(xì)化和內(nèi)應(yīng)力，得到具有熱穩(wěn)定性和快速響應(yīng)速度的薄膜熱電偶測(cè)溫刀具。但是，由于薄膜熱電偶尺寸效應(yīng)、邊界效應(yīng)和成分離析使得材料的塞貝克系數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。

(5)薄膜熱電偶傳感器保護(hù)方式集中于涂層保護(hù)、分合式刀具結(jié)構(gòu)保護(hù)和微織構(gòu)保護(hù)。其中，涂層保護(hù)雖然不會(huì)破壞刀—屑接觸區(qū)的溫度場(chǎng)，但是涂層材料的服役壽命有待提高；分合式刀具結(jié)構(gòu)保護(hù)雖然可以較長(zhǎng)時(shí)間地保護(hù)熱電偶傳感器，但不具有通用性；采用刀具微織構(gòu)保護(hù)薄膜熱電偶有較好的服役壽命，可以降低切削力和切削溫度，因此微織構(gòu)薄膜熱電偶測(cè)溫刀具有著廣泛的應(yīng)用前景。