基于薄膜热电偶的铣削温度测试技术研究

发布时间：2020-03-22 10:09

【摘要】：切削区域复杂的热力耦合作用产生的大量切削热,与零件加工质量及刀具磨损直接相关,切削温度的测量对切削过程的研究具有指导意义。对于主轴处于高速旋转的铣削加工而言,传统测试方法存在布线困难、感温元件响应时间长等缺点,导致很难实时准确地测量铣削区域温度。本文针对以上问题,将薄膜热电偶温度传感器沉积在铣削刀片刀尖处,结合温度信号无线传输方式,研究了一种基于薄膜热电偶的铣削温度测试技术,实现了铣削过程中切削区域温度实时准确的原位测量。具体研究内容如下:将铣削加工简化为平面应变问题,应用ABAQUS有限元通用软件建立了三维正交切削模型,得到切削区域及刀片切削刃附近温度场分布云图。仿真结果可知刀片刀尖切削刃附近前/后刀面温度大小差异不大,且为刀片最高温度分布区域,为后续薄膜热电偶测量端沉积位置提供参考依据。采用直流脉冲磁控溅射方法制备薄膜热电偶温度传感器,研究发现分次沉积的Si02绝缘薄膜膜厚均匀、绝缘性能优良,其绝缘电阻达到3.65×107Ω,克服了传统制备工艺中因薄膜存在针孔导致绝缘性能较差的弊端。制备的NiCr/NiSi薄膜热电极形状规则、边界整齐,两热电极贴合紧密形成热接点,保证了测温回路良好导通。对制备的薄膜热电偶测温刀片进行了静动态技术特性研究,得到薄膜热电偶测温刀片塞贝克系数为41.17μV/℃,热电偶动态响应时间为83μs。理论分析可知薄膜热电偶动态响应时间与薄膜密度、比热、导热系数及热接点厚度有关,与热接点表面积无关。通过制备不同热接点宽度模拟了薄膜热电偶随切削磨损情况,磨损后的薄膜热电偶技术特性不发生改变,仍能准确测量铣削温度。设计了基于ZigBee无线传输技术的铣削温度数据采集系统,结合自行开发的上位机人机交互温度监测系统,实现铣削温度实时存储、处理及显示。通过现场铣削实验对铣削温度测量系统进行了性能测试,确定了薄膜热电偶在刀尖处最佳沉积位置,实验表明测温系统可以实时测量铣削区域温度,并监测到200ms内温度变化,为铣削温度测量提供了新的技术支持。
【图文】：

回路图,热电偶测量,回路图

差电效应”，即塞贝克效应：将两种不同材料电极Ａ和Ｂ首尾相连组成闭合回路，当逡逑回路两端接触点处于不同温度场时，回路会产生电流（电动势）。回路电流（电动势）逡逑大小与热端温度密切相关，，通过对电流（电动势）的测量可间接表征热端温度值，图１．２逡逑所示为热电偶测量回路图。热电偶法可以直接测量切削温度，具有较高准确性和可靠性，逡逑热电偶测温主要包括自然热电偶、人工热电偶及半人工热电偶等方法。逡逑Ａ逡逑／邋４逡逑冷端邋／屯流动势）％＾热—逡逑Ａ逡逑Ｂ逡逑图１．２热电偶测量回路图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｃｉｒｃｕｉｔ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ逡逑（１）自然热电偶逡逑自然热电偶法将刀具与工件作为热电偶两极，组成闭合回路实现切削温度的测量。逡逑测量前需对热电偶进行静态标定，用于确定输出热电势与切削温度之间的函数关系，标逡逑４逡逑

示意图,薄膜热电偶,前刀面,测温

大连理工大学崔云先针对瞬态切削温度测量的技术难题，采用双放电腔微波ＥＣＲ逡逑等离子体增强非平衡磁控溅射技术在切削刀具后刀面上沉积ＮｉＣｒ／ＮｉＳｉ薄膜热电偶，成逡逑功研制了一种基于薄膜热电偶的测温刀具，实现切削区瞬态温度的实时测量［４４］。图１．５逡逑为嵌入薄膜热电偶测温刀片示意图。逡逑补偿导线＼＼＼导电银胶逦＼Ｓｉ0２绝缘薄膜／逡逑图１．５嵌入薄膜热电偶测温刀片示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｍｅａｓｕｒｉｎｇ邋ｂｌａｄｅ邋ｅｍｂｅｄｄｅｄ邋ＴＦＴＣ逡逑７逡逑
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH811;TG54

【参考文献】