專利名稱：基于涂層熱電效應的刀具瞬態切削溫度測試方法
技術領域：
本發明涉及金屬切削刀具的瞬態切削溫度及其分布的測量方法，屬于瞬態溫度測量技術領域。
背景技術：
在機械制造業中，目前仍有90％以上的機械零件是通過切削加工制成。切削熱與切削溫度是切削加工過程中的重要現象，切削時所消耗的能量幾乎全部轉換為熱(只有極少能量用以形成新表面和以晶格扭曲等形式形成潛能)，大量的切削熱使得切削溫度升高，這直接影響到刀具前刀面上的摩擦系數、積屑瘤的產生與消退、刀具壽命以及工件材料的性能、工件加工精度和已加工表面質量等。通過切削溫度的測量可以監控切削加工過程和刀具工作狀態，以此來指導和服務生產。切削溫度的測量是切削實驗研究中最重要的技術之一，可以用來研究各因素對切削溫度的影響，也可用來校核切削溫度理論計算的準確性，還可以把所測得的切削溫度作為控制切削過程的訊號源。因此，對切削熱和切削溫度的研究與測量有著重要理論與生產實際意義。
溫度的測量都以熱平衡原理為基礎，為了滿足切削加工的需求，已研究開發了各種各樣的切削熱測量傳感器和測量方法，如熱電偶、紅外探測儀等。切削溫度的測試方法有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類，根據工作原理不同，目前常用的切削溫度測試方法有熱電偶法當兩種不同材質組成的材料副(如切削加工中的刀具一工件)接近并受熱時，會因表層電子溢出而產生溢出電動勢，并在材料副的接觸界面間形成電位差(即熱電勢)。由于特定材料副在一定溫升條件下形成的熱電勢是一定的，因此可根據熱電勢的大小來測定材料副(即熱電偶)的受熱狀態及溫度變化情況。采用熱電偶法的測溫裝置結構簡單，測量方便，是目前最常用的切削溫度測量方法。熱電偶法的缺點是安裝和標定較復雜。組成熱電偶傳感器的材料副有鉑銠-鉑、鑷鉻-鑷硅、鑷鉻硅-鑷硅等，目前也有用石墨纖維作為熱敏感元件的熱電偶傳感器。
光、熱輻射法采用光、熱輻射法測量切削溫度的原理是刀具、切屑和工件材料受熱時都會產生一定強度的光、熱輻射，且輻射強度隨溫度升高而加大，因此可通過測量光、熱輻射的能量間接測定切削溫度。根據不同的測量原理和用途，光、熱輻射法可分為以下幾種(1)紅外輻射高溫計法紅外探測器將接收的紅外線轉換為電信號，經線性化處理后即可獲得相應的溫度值。但采用紅外輻射高溫計只限于測量刀具或工件外表面的溫度。(2)紅外照相法測量溫度前，首先用熱電偶進行定標校準，即熱電偶由電加熱并在不同溫度下采用高溫紅外膠卷照相，所需曝光時間通過預試驗確定，顯影后的膠卷用顯微光密度計讀數，得到高溫紅外膠卷在不同曝光時間下光密度與溫度的對應關系。根據此對應關系，可以確定切削過程中工件或刀具的溫度。用紅外照相法測定的切削溫度可用于研究切削溫度的分布情況。(3)紅外熱像儀法紅外熱像儀的基本工作原理是利用了斯蒂芬一波爾茲曼定律。雖然紅外熱像儀所測溫度為相對溫度，滯后于實際切削溫度，但根據傳熱反求算法可準確求得切削過程中工件(或刀具)的溫度變化規律及動態分布。紅外熱像儀測溫法具有直觀、簡便、可遠距離非接觸監測等優點，在惡劣環境下測量物體表面溫度時具有較大優越性。此外，測量切削溫度的光、熱輻射方法還有紅外干板法、紅外聚光法、PbS光能電池法、雙色高溫計法等。有切削液時，不適合采用非接觸的紅外測溫法。另外，光學測溫還受到輻射率變化、傳遞損失以及環境射線反射等因素的影響。
除上述切削溫度測量方法外，常見的測溫方法還有熱敏電阻法、金相結構法、顯微硬度分析法、量熱法、涂色法等。
然而，絕大多數切削溫度測試儀器還處在實驗室研究階段。造成這種狀況的原因是多方面的，可從切削過程本身和測試技術兩方面來分析加工方式、刀具材料和工件材料及切削條件干變萬化，切削熱發生的區域處在高速(1--130m/s)、高溫(300--1200℃)、高壓(100--10000N/mm2)、大變形率(103--107/s)的局部封閉狹小(幾個mm2，有時只有幾個μm2或更小)變形區域內，并受流動切屑的影響，有時還有切削液的影響；現有的傳感器很難接近封閉狹小的切削變形區域，使得目前的測試技術難以應用在上述極端條件下。
綜上所述，各種測量切削溫度的方法各有其優缺點和不同的適用范圍。因此，在實際應用中應根據具體情況選用適當的切削溫度測試方法，而且絕大多數切削溫度測試儀器還處在實驗室研究階段，特別是適用于切削加工瞬態切削溫度及其分布測試系統的報道幾乎沒有。
發明內容
本發明針對現有機械加工刀具在切削加工過程中切削溫度測試技術的不足，特別是瞬態切削溫度及其分布測試技術的不足，提供一種利用多層涂層刀具本身的層狀梯度結構，能夠方便、準確地測試刀具瞬態切削溫度的基于涂層熱電效應的刀具瞬態切削溫度測試方法。
本發明的基于涂層熱電效應的刀具瞬態切削溫度測試方法包括以下步驟(1)在切削刀具的基體材料上制備涂層；選擇并確定涂層材料及涂層的厚度，同時在測試點所選涂層與其它涂層之間用絕緣材料絕緣；(2)選擇溫度測試點并將測試點周圍的涂層通過微刻蝕的方法去除，形成熱端接點；同時以刀具基體的底面后端作為冷端接點；(3)通過細金屬絲將各接點引出；(4)進行標定，繪制標定曲線；標定方法采用熱電耦的標定方法；(5)將標定后的帶有涂層的上述刀具進行試件切削，同時用電壓表測試出各熱端接點細金屬絲引線與冷端接點之間經放大后的電壓(熱電勢)，根據測得的電壓與標定曲線比對，就可以測試出刀具切削過程中不同測試點的瞬態切削溫度。
本發明與傳統切削溫度測試方法相比不需專用的傳感器，利用涂層切削刀具的特殊結構將切削刀具自身作為傳感器，使切削刀具測量自身的溫度。切削刀具既是執行器件(完成切削功能)，又是傳感元件(完成測量功能)。而且，測試過程中不破壞原有的溫度場，不受切削液等介質的影響，能夠方便、準確地測試刀具瞬態切削溫度。該測試方法也可應用于發動機進氣口與排氣口、火箭、炮彈、槍膛、高溫軸承、活塞、高溫爐等極端條件下工作溫度的測試。
圖1是涂層切削刀具的結構示意圖。
圖2是本發明標定時的測量電路原理圖。
圖3是圖2中AD620儀表放大器的腳位圖。
圖4是圖1所示刀具的TiCN涂層的熱電勢標定曲線圖。
圖5是測試的圖1所示刀具TiCN涂層的切削溫度分布圖。
圖中1、切削刀具的基體材料，2、TiN涂層，3、Al2O3涂層，4、TiCN涂層，5、測試點，6、冷端接點。
具體實施例方式
實施例本實施例中切削刀具瞬態切削溫度的測試方法如下所述。
(1)在切削刀具的基體材料上制備涂層如圖1所示，切削刀具的基體材料1為TiC，涂層材料自下而上依次為TiN涂層2、Al2O3涂層3、TiCN涂層4，各層厚度分別為1μm、9.5μm、4μm。Al2O3既是常用的刀具涂層材料，又是絕緣材料。涂層的制備方法采用目前通用的涂層切削刀具的制備方法，主要包括氣相沉積法、等離子噴涂法、粉末熱噴涂法、激光熔覆合成法、復合電沉積法等。
(2)測試點5選在最上層的TiCN涂層4內，將各測試點周圍的涂層通過微刻蝕的方法去除，形成熱端接點，通過細金屬絲將各接點引出備用，各細金屬絲之間互相絕緣。并以刀具基體的底面后端作為冷端接點6。
金屬絲選用鉑絲，根據目前世界上的科研水平制備出的最細的鉑絲直徑可達1/5000mm，完全可以精確地測量各點的溫度。
(3)采用熱電耦的標定方法進行標定圖2給出了本發明標定時的測量電路原理圖。AD620是一個放大器，是為了放大刀具產生的熱電勢，便于測量，RG用500Ω的電阻，系統放大100倍。圖3給出了AD620儀表放大器的腳位圖。其中1和8接腳要跨接一電阻來調整放大倍率，4和7接腳需要提供正負相等的工作電壓，有2和3接腳輸入的放大的電壓即可從接腳6輸出放大后的電壓值。接腳5則是參考基準，如果接地則接腳6的輸出即為與地之間的相對電壓。
對熱電勢的測量儀器選用數字式萬用電表，數字式萬用電表打到電壓檔，當有信號輸入時，電壓表會自動調整顯示的數量級，以mV顯示。
把圖2所示的測量電路的兩端一頭接在TiCN涂層表面，另一頭接在刀具基體材料的底面上，即冷端接點6處。
線路連接好后，首先用電壓表測量沒經過放大電路的部分，然后通過放大電路再測量一次，即測量AD620的REF和OUTPUT引腳，后一結果是前一結果的100倍左右，說明放大電路在起作用。
然后把連接好細金屬絲的涂層刀具進行標定，繪制標定曲線圖，如圖4所示。
(4)車削加工實驗圖1所示刀具，前角和后角均為6°；工件材料為退火45鋼，直徑50mm；切削速度238m/min，進給量O.15mm/r，切削深度2mm。
車削過程中用電壓表測試出各熱端接點與冷端接點之間放大后的熱電勢，根據測得的電壓及標定曲線，就可以測試出刀具切削過程中不同測試點的瞬態切削溫度，如圖5所示。
本發明的測試方法可應用于發動機進氣口與排氣口、火箭、炮彈、槍膛、高溫軸承、活塞、高溫爐等極端條件下工作溫度的測試。在這些及其他領域的應用也屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種基于涂層熱電效應的刀具瞬態切削溫度測試方法，包括以下步驟(1)在切削刀具的基體材料上制備涂層；選擇并確定涂層材料及涂層的厚度，同時在測試點所選涂層與其它涂層之間用絕緣材料絕緣；(2)選擇溫度測試點并將測試點周圍的涂層通過微刻蝕的方法去除，形成熱端接點；同時以刀具基體的底面后端作為冷端接點；(3)通過細金屬絲將各接點引出；(4)進行標定，繪制標定曲線；標定方法采用熱電耦的標定方法；(5)將標定后的帶有涂層的上述刀具進行試件切削，同時用電壓表測試出各熱端接點細金屬絲引線與冷端接點之間經放大后的電壓，根據測得的電壓與標定曲線比對，就可以測試出刀具切削過程中不同測試點的瞬態切削溫度。
全文摘要
本發明提供了一種基于涂層熱電效應的刀具瞬態切削溫度測試方法，包括以下步驟(1)在切削刀具的基體材料上制備涂層；同時在測試點所選涂層與其它涂層之間用絕緣材料絕緣；(2)選擇溫度測試點并將測試點周圍的涂層去除，形成熱端接點；同時以刀具基體的底面后端作為冷端接點；(3)通過細金屬絲將各接點引出；(4)進行標定；(5)將標定后的帶有涂層的上述刀具進行試件切削，測試出各熱端接點細金屬絲引線與冷端接點之間經放大后的電壓，測得的電壓與標定曲線比對，就可以測試出刀具切削過程中不同測試點的瞬態切削溫度。本發明利用涂層切削刀具自身作為傳感器，不受切削液等介質的影響，能夠方便、準確地測試刀具瞬態切削溫度。
文檔編號G01N33/00GK1912558SQ20061006843
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月23日 優先權日2006年8月23日
發明者劉戰強, 黃傳真, 萬熠, 劉繼剛, 艾興 申請人:山東大學