薄膜熱電偶測(cè)溫刀具研究

摘要:金屬切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱會(huì)影響刀具磨損、機(jī)床精度材料去除機(jī)理、積屑瘤和工件的加工質(zhì)量。在總結(jié)常用測(cè)溫方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)綜述了以薄膜熱電偶為傳感器的測(cè)溫刀具。薄膜熱電偶測(cè)溫刀具不僅能夠完成材料的切削加工,而且還可以原位監(jiān)測(cè)刀一屑接觸區(qū)的溫度,為有限元法構(gòu)建切削溫度場(chǎng)提供數(shù)據(jù)支持，構(gòu)建的切削溫度場(chǎng)有利于刀具磨損過(guò)程和材料去除機(jī)理的研究。
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)”。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_[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。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。
　　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、自然熱電偶法]、半人工熱電偶法、紅外輻射法、CCD相機(jī)法、雙色溫度計(jì)法、熱敏涂料法及金相組織觀察法等。
　　自然熱電偶法只能測(cè)量出刀一工的平均溫度,而且溫度與熱電勢(shì)線性關(guān)系較差;機(jī)床卡盤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。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一屑接觸區(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”;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]。嵌人式薄膜熱電偶和標(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1,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)法獲得刀一屑接觸區(qū)的溫度數(shù)據(jù)”]。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),需要正確和快速的測(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)法正確掌握溫度場(chǎng)模型的邊界條件,如刀一屑接觸區(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)”。
　　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,能更好地接近刀一屑接觸區(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)程中的熱一力耦合的切削實(shí)況,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。
 
　　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)快速反映刀一屑接觸區(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122:嵌人式薄膜熱電偶、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)
　　WerschmoellerD.等[231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--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。
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3.6μum。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。
 
　　刀具上下部分經(jīng)壓合后可以在一-定程度上避免.因嵌人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。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Al203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。
 
　　如圖5所示,LiJ.等通過(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。
　　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。
 
　　飛秒激光加工的凹槽微織構(gòu)減少了刀一屑接觸長(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)刀一屑接觸區(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),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,表明嵌人式薄膜熱電偶的刀具備切削和測(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SijN4保護(hù)膜,該研究不但證明Si,N4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。
 
　　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SiO,絕緣膜及薄膜熱電偶材料,通過(guò)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,BiermannD.等[32J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)
　　WeinertK.等[31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人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。
 
　　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[31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[56]設(shè)計(jì)的刀片結(jié)構(gòu)類似。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Lao.8Sr0.2CrO3和In2O3,高溫時(shí)具有較高的熱電勢(shì)。同時(shí),也可選擇較高熱敏性抗氧化性的Chromel-Alumel材料以及有著高溫穩(wěn)定性的ITON-InON陶瓷薄膜熱電偶材料[9]、鎢錸薄膜熱電偶材料[401、Ni-NiCr薄膜材料和NiCr-NiSi薄膜熱電偶材料]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Si.N,等。Al203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。AIN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]1。Si;N4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Si;N4居多。
4.3鍍膜工藝
　　薄膜制備工藝有化學(xué)氣相沉積法、磁控濺射法、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。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。
 
　　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。
 
　　YG8銑刀表面濺射高性能薄膜熱電偶測(cè)量刀一工接觸區(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)夂娓伞Ｔ谡婵斩喙δ苠兡C(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。
 
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--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。
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)--起放人溫度計(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4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-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。
 
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)輸人變量隨時(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。.
 
6結(jié)語(yǔ).
　　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、AIN和Si;N4中.選擇,且多采用性能優(yōu)良的Si;N4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)破壞刀一屑接觸區(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。