CN105458312A - 一种微织构封装测温刀具 - Google Patents

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Abstract

一种微织构封装测温刀具，属于机械加工和微传感器领域，解决现有测温刀具传感器易发生磨损、脱落失效、降低刀具切削性能的问题。本发明包括硬质合金刀片和接线压头，硬质合金刀片前刀面刀尖区域分布有相互平行的5～8条微型沟槽，各微型沟槽内沉积有底层绝缘薄膜和传感器薄膜，并由上层绝缘薄膜封闭；各微型沟槽两端分别连接正极引脚和负极引脚，接线压头上正极、负极引线的数量、位置分别与正极、负极引脚对应。本发明结构简单、制作封装工艺易控制、具有较高的精度和较快的测温响应，对测温薄膜传感器进行有效保护的同时，不影响切削刀具的切削性能，能够避免现有测温刀具传感器易发生磨损、脱落失效、刀具强度破坏、刀具切削性能下降等问题。

Description

一种微织构封装测温刀具
技术领域
本发明属于机械加工和微传感器领域，具体涉及一种微织构封装测温刀具。
背景技术
在加工过程中，由于刀具与工件之间的剧烈挤压和摩擦产生大量的热，这些热量一部分进入刀具中，使刀具尤其是切削区域的温度迅速增加，刀具温度升高会加速刀具磨损，既会影响刀具寿命，又会降低零件的加工质量甚至产生废品，因此在机械加工领域，对加工生产过程中刀具温度分布的获取有着广泛的需求；同时在学术界，对机械加工过程中的刀具温度的研究也有着广泛的兴趣，因此需要一种能够实现切削温度多点在线测量的刀具，更好的适应实际的生产和研究。
人工热电偶方法、红外测温方法和自然热电偶方法只能测量平均温度，并不适合测量刀具刀尖切削区域温度；基于半导体薄膜工艺制作形成的薄膜热电偶(TFTC)传感器作为一种微传感器，具有尺寸小，精度高，反应快，基本不影响切削过程等优点，是一种新兴的刀具测温器件。
薄膜热电偶传感器测温的核心问题在于如何在切削区域布置薄膜热电偶传感器，使其获得有效的保护而不引起刀具切削性能的减弱。现有薄膜热电偶测温刀具保护薄膜热电偶有两种方式，一种方式采用一体式刀片，将薄膜热电偶沉积在刀片表面，并沉积耐磨涂层进行保护，如日本学者AliBasti等在氧化铝刀具前刀面制作薄膜热电偶，并使用HfO2和TiN等薄膜分别用于热电偶的绝缘和耐磨保护；见BastiA,ObikawaT,ShinozukaJ.Toolswithbuilt-inthinfilmthermocouplesensorsformonitoringcuttingtemperature[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2007,47(5):793-798。大连理工大学崔云先在刀具后刀面沉积薄膜热电偶并使用SiO2薄膜绝缘，用氮化硅薄膜进行保护，见崔云先.瞬态切削用NiCr/NiSi薄膜热电偶测温刀具研究[D].大连:大连理工大学,2011。但是涂层保护效果并不理想，研究表明这种刀具由于耐磨涂层磨损之后传感器直接暴露很快失效而不能经受较大强度或较长时间的切削加工，在切削力较大的情况下，还会因刀具表面沉积的薄膜与基底附着力不够和热膨胀系数不同导致的热应力而脱落失效，无法应用于实际加工环境。另外一种保护方式是采用分片式刀片，如大连理工大学曾其勇等人研制的分片式刀片和美国威斯康星大学麦迪逊分校的LiXiaochun团队分片扩散压合刀片，将薄膜热电偶沉积到两片刀片材料之间，分别见曾其勇、孙宝元、徐静等.化爆材料瞬态切削温度的NiCr/NiSi薄膜热电偶温度传感器的研制[J].机械工程学报,2006,42(3):206-211.以及WerschmoellerD,LiX.Measurementoftoolinternaltemperaturesinthetool–chipcontactregionbyembeddedmicrothinfilmthermocouples[J].JournalofManufacturingProcesses,2011,13(2):147-152。但是这种方式不仅不符合正常刀片的生产模式，对实际生产的指导意义不大，而且对两片刀片的连接过程要求相当高，前者会有切屑进入接缝，切削能力很差，后者制作困难而且由于扩散连接处的界面处强度低于母材，应力大同样成为刀具失效的薄弱环节，而且扩散压合中长时间高温处理会使刀具的晶粒长大，不利切削。
综述现有的薄膜热电偶(TFTC)测温刀具，得知目前还没有一种简单有效的传感器薄膜保护方式，既能使切削过程中传感器得到妥善保护，不至于发生磨损、脱落失效，又能不降低刀具的切削性能。
发明内容
本发明提供一种微织构封装测温刀具，解决现有测温刀具传感器易发生磨损、脱落失效、降低刀具切削性能的问题，以满足生产和研究的需要。
本发明所提供的一种微织构封装测温刀具，包括硬质合金刀片和接线压头，其特征在于：
所述硬质合金刀片前刀面刀尖区域分布有相互平行的5～8条微型沟槽，各条微型沟槽均类似L形，L形的两条边分别与所述硬质合金刀片刀尖两侧平行，处于最外侧的微型沟槽的两条边与硬质合金刀片刀尖两侧距离为150um～250um，处于最外侧的微型沟槽的两条边长度分别为3mm～5mm；处于内侧的微型沟槽的两条边长度小于处于外侧的微型沟槽的对应边长度，各微型沟槽深度为150um～250um，宽度为50um～100um，微型沟槽之间距离为100um～200um；
所述各微型沟槽内壁沉积有底层绝缘薄膜，微型沟槽底部的底层绝缘薄膜上沉积有传感器薄膜，上层绝缘薄膜沉积于底层绝缘薄膜和传感器薄膜表面，将它们封闭；所述传感器薄膜由正极薄膜和负极薄膜在端部重合构成，重合长度为10um～50um；
所述硬质合金刀片前刀面上具有平行排列的正极引脚及平行排列的负极引脚，正极引脚和负极引脚的数量分别与微型沟槽的数量相同；
所述正极引脚为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁沉积有底层绝缘薄膜，凹槽底部的底层绝缘薄膜上沉积有正极薄膜；
所述负极引脚为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁沉积有底层绝缘薄膜，凹槽底部的底层绝缘薄膜上沉积有负极薄膜；
所述各微型沟槽两端分别通过正极连接段、负极连接段与正极引脚和负极引脚相连接，所述正极连接段为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁结构与正极引脚相同；所述负极连接段为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁结构与负极引脚相同；
所述接线压头为L形平板，L形的两条边上分别具有平行排列的正极引线和平行排列的负极引线；正极引线和负极引线的数量、位置分别与正极引脚和负极引脚对应。
所述的微织构封装测温刀具，其特征在于：
所述底层绝缘薄膜为氧化铝或氮化硅薄膜，厚度为1.5um～2.0um，优选为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备的氮化硅薄膜；
所述上层绝缘薄膜为氧化铝或氮化硅薄膜，厚度为1.5um～2.0um，优选为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备的氮化硅薄膜；
所述正极薄膜为标准K型热电偶正极材料镍铬薄膜或标准N型热电偶正极材料镍铬硅薄膜，厚度为250nm～350nm，优选为磁控溅射沉积的镍铬薄膜；
所述负极薄膜为标准K型热电偶负极材料镍硅薄膜或标准N型热电偶负极材料镍硅镁薄膜，厚度为250nm～350nm，优选为磁控溅射沉积的镍硅薄膜；
所述的微织构封装测温刀具，其特征在于：
所述接线压头采用玻璃或陶瓷材料；
所述正极引线采用与正极薄膜相同的材料；
所述负极引线采用与负极薄膜相同的材料。
所述的微织构封装测温刀具，其特征在于：
所述各微型沟槽内壁的上层绝缘薄膜表面填充有封装材料，将各微型沟槽填平，所述封装材料为硬质耐磨封装材料碳化钨或润滑性封装材料硫化钼。
本发明制作过程如下：将硬质合金刀片前刀面进行精磨和金相抛光至镜面，并采用丙酮，去离子水和酒精分别进行超声波清洗。在刀片前刀面通过激光蚀刻制备微型沟槽，通过磁控溅射在刀具表面沉积50nm的Cr增粘层，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备在刀具表面及微型沟槽内生长底层绝缘薄膜，沉积时用耐高温胶带遮挡不希望沉积的表面。在刀片表面喷涂光刻胶，用正极图形掩膜板曝光并显影，露出微型沟槽底部部分，溅射正极薄膜材料，完成后用丙酮浸泡剥去光刻胶形成正极薄膜，用负极图形掩膜板曝光并显影，露出微型沟槽底部部分，溅射负极薄膜材料，完成后用丙酮浸泡剥去光刻胶形成负极薄膜。遮挡引脚部分，并再次通过PECVD设备在刀具表面及微型沟槽内生长上层绝缘薄膜。遮挡不相关区域，采用超声波喷涂的方式填充硬质合金材料或固体润滑材料到微型沟槽内，并打磨平整以保证性能，然后去掉遮挡胶带打磨表面至光洁，用接线压头分别将正极引线和正极引线压合在相应的正极引脚和负极引脚形成测温刀具。
本发明结构简单，制作工艺可控性好，相对于涂层保护方式的刀具，采用成熟的精细加工工艺制备微型沟槽，用于封装薄膜传感器，避免了切削过程中传感器直接接触工件发生摩擦，同时薄膜界面处避免直接受到切削时的较大的剪切应力而发生脱落，降低了对薄膜与基底附着力和热膨胀系数匹配程度的要求，对镀膜的附着力要求降低，对上层耐磨保护的要求降低，增强了薄膜保护的有效性。
相对于分片保护的测温刀片，本发明不需要扩散连接方式的长时间高温处理，避免硬质合金晶粒长大和薄膜退化，大大的减小了制造难度和对刀具切削性能的不利影响。
此外，山东大学的吴泽及日本东京大学的ToshiyukiObikawa等人的研究表明：在前、后刀面垂直于切屑方向制作微型沟槽纹理能够一定程度上提高润滑性能，分别见吴泽.微织构自润滑与振荡热管自冷却双重效用的干切削刀具的研究[D].山东大学,2013以及ObikawaT,KamioA,TakaokaH,etal.Micro-textureatthecoatedtoolfaceforhighperformancecutting[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2011,51(12):966-972。
综上所述，本发明结构简单、制作封装工艺易控制、具有较高的精度和较快的测温响应，对测温薄膜传感器进行有效保护的同时，不影响切削刀具的切削性能，能够避免现有测温刀具传感器易发生磨损、脱落失效、刀具强度破坏、刀具切削性能下降等问题，
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的微型沟槽部分剖面示意图；
图3是本发明的正极引脚部分剖面示意图；
图4是本发明的负极引脚部分剖面示意图。
附图标记：硬质合金刀具10、前刀面11、刀尖12、微型沟槽20、底层绝缘薄膜21、传感器薄膜22、上层绝缘薄膜23、封装材料24、正极引脚30、正极薄膜31、负极引脚40、负极薄膜41、正极连接段51、负极连接段52、压头60、正极引线61、负极引线62。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括硬质合金刀片10和接线压头60，其特征在于：
所述硬质合金刀片10前刀面11刀尖区域分布有相互平行的5～8条微型沟槽20，各条微型沟槽均类似L形，L形的两条边分别与所述硬质合金刀片刀尖两侧平行，处于最外侧的微型沟槽的两条边与硬质合金刀片刀尖12两侧距离为150um～250um，处于最外侧的微型沟槽的两条边长度分别为3mm～5mm；处于内侧的微型沟槽的两条边长度小于处于外侧的微型沟槽的对应边长度，各微型沟槽深度为150um～250um，宽度为50um～100um，微型沟槽之间距离为100um～200um；
如图2所示，所述各微型沟槽内壁沉积有底层绝缘薄膜21，微型沟槽底部的底层绝缘薄膜21上沉积有传感器薄膜22，上层绝缘薄膜23沉积于底层绝缘薄膜21和传感器薄膜22表面，将它们封闭；所述传感器薄膜22由正极薄膜31和负极薄膜41在端部重合构成，重合长度为10um～50um；
所述硬质合金刀片前刀面上具有平行排列的正极引脚30及平行排列的负极引脚40，正极引脚30和负极引脚40的数量分别与微型沟槽的数量相同；
如图3所示，所述正极引脚30为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁沉积有底层绝缘薄膜21，凹槽底部的底层绝缘薄膜21上沉积有正极薄膜31；
如图4所示，所述负极引脚40为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁沉积有底层绝缘薄膜21，凹槽底部的底层绝缘薄膜21上沉积有负极薄膜41；
所述各微型沟槽20两端分别通过正极连接段51、负极连接段52与正极引脚30和负极引脚40相连接，所述正极连接段51为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁结构与正极引脚30相同；所述负极连接段52为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁结构与负极引脚40相同；
所述接线压头60为L形平板，L形的两条边上分别具有平行排列的正极引线61和平行排列的负极引线62；正极引线61和负极引线62的数量、位置分别与正极引脚30和负极引脚40对应。
实施例1，
所述硬质合金刀片前刀面刀尖区域分布有相互平行的5条微型沟槽，各条微型沟槽均类似L形，L形的两条边分别与所述硬质合金刀片刀尖两侧平行，处于最外侧的微型沟槽的两条边与硬质合金刀片刀尖12两侧距离为250um，处于最外侧的微型沟槽的两条边长度分别为3mm；处于内侧的微型沟槽的两条边长度小于处于外侧的微型沟槽的对应边长度，各微型沟槽深度为250um，宽度为100um，微型沟槽之间距离为200um；
所述各微型沟槽内壁沉积有底层绝缘薄膜21，微型沟槽底部的底层绝缘薄膜21上沉积有传感器薄膜22，上层绝缘薄膜23沉积于底层绝缘薄膜21和传感器薄膜22表面，将它们封闭；所述传感器薄膜22由正极薄膜31和负极薄膜41在端部重合构成，重合长度为10um；
所述底层绝缘薄膜21为等离子体增强化学气相沉积PECVD工艺制备的氮化硅薄膜，厚度为1.5um；
所述上层绝缘薄膜23等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备的氮化硅薄膜，厚度为1.5um；
所述正极薄膜31为磁控溅射沉积的标准K型热电偶正极材料镍铬薄膜厚度为250nm；
所述负极薄膜41为磁控溅射沉积的标准K型热电偶负极材料镍硅薄膜，厚度为250nm；
所述接线压头60采用石英玻璃加工而成；
所述正极引线61采用与标准K型热电偶正极材料镍铬导线；
所述负极引线62采用与标准K型热电偶负极材料镍硅导线；
所述各微型沟槽内壁的上层绝缘薄膜23表面填充有封装材料24，将各微型沟槽填平，所述封装材料24为硬质耐磨封装材料碳化钨。
实施例2，
所述硬质合金刀片前刀面刀尖区域分布有相互平行的8条微型沟槽，各条微型沟槽均类似L形，L形的两条边分别与所述硬质合金刀片刀尖两侧平行，处于最外侧的微型沟槽的两条边与硬质合金刀片刀尖12两侧距离为150um，处于最外侧的微型沟槽的两条边长度分别为5mm；处于内侧的微型沟槽的两条边长度小于处于外侧的微型沟槽的对应边长度，各微型沟槽深度为150um，宽度为50um，微型沟槽之间距离为100um；
所述各微型沟槽内壁沉积有底层绝缘薄膜21，微型沟槽底部的底层绝缘薄膜21上沉积有传感器薄膜22，上层绝缘薄膜23沉积于底层绝缘薄膜21和传感器薄膜22表面，将它们封闭；所述传感器薄膜22由正极薄膜31和负极薄膜41在端部重合构成，重合长度为50um；
所述底层绝缘薄膜21为化学气相沉积工艺制备的氧化铝薄膜，厚度为2.0um；
所述上层绝缘薄膜23为化学气相沉积工艺制备的氧化铝薄膜，厚度为2.0um；
所述正极薄膜31为磁控溅射沉积的标准N型热电偶正极材料镍铬硅薄膜，厚度为350nm；
所述负极薄膜41为磁控溅射沉积的标准N型热电偶负极材料镍硅镁薄膜，厚度为350nm；
所述接线压头60采用氧化铝陶瓷加工而成；
所述正极引线61采用与标准N型热电偶正极材料镍铬硅导线；
所述负极引线62采用与标准N型热电偶负极材料镍硅镁导线；
所述各微型沟槽内壁的上层绝缘薄膜23表面填充有封装材料24，将各微型沟槽填平，所述封装材料24为润滑性封装材料硫化钼。
实施例3，
所述硬质合金刀片前刀面刀尖区域分布有相互平行的7条微型沟槽，各条微型沟槽均类似L形，L形的两条边分别与所述硬质合金刀片刀尖两侧平行，处于最外侧的微型沟槽的两条边与硬质合金刀片刀尖12两侧距离为200um，处于最外侧的微型沟槽的两条边长度分别为4mm；处于内侧的微型沟槽的两条边长度小于处于外侧的微型沟槽的对应边长度，各微型沟槽深度为200um，宽度为80um，微型沟槽之间距离为150um；
所述各微型沟槽内壁沉积有底层绝缘薄膜21，微型沟槽底部的底层绝缘薄膜21上沉积有传感器薄膜22，上层绝缘薄膜23沉积于底层绝缘薄膜21和传感器薄膜22表面，将它们封闭；所述传感器薄膜22由正极薄膜31和负极薄膜41在端部重合构成，重合长度为20um；
所述底层绝缘薄膜21为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备的氮化硅薄膜，厚度为2um；
所述上层绝缘薄膜23为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备的氮化硅薄膜，厚度为2um；
所述正极薄膜31为磁控溅射沉积的标准K型热电偶正极材料镍铬薄膜厚度为300nm；
所述负极薄膜41为磁控溅射沉积的标准K型热电偶负极材料镍硅薄膜，厚度为300nm；
所述接线压头60采用石英加工而成；
所述正极引线61采用与标准K型热电偶正极材料镍铬导线；
所述负极引线62采用与标准K型热电偶负极材料镍硅导线。
所述各微型沟槽内壁的上层绝缘薄膜23表面填充有封装材料24，将各微型沟槽填平，所述封装材料24为硬质耐磨封装材料碳化钨。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微织构封装测温刀具，包括硬质合金刀片(10)和接线压头(60)，其特征在于：
所述硬质合金刀片(10)前刀面(11)刀尖区域分布有相互平行的5～8条微型沟槽(20)，各条微型沟槽均类似L形，L形的两条边分别与所述硬质合金刀片刀尖两侧平行，处于最外侧的微型沟槽的两条边与硬质合金刀片刀尖(12)两侧距离为150um～250um，处于最外侧的微型沟槽的两条边长度分别为3mm～5mm；处于内侧的微型沟槽的两条边长度小于处于外侧的微型沟槽的对应边长度，各微型沟槽深度为150um～250um，宽度为50um～100um，微型沟槽之间距离为100um～200um；
所述各微型沟槽内壁沉积有底层绝缘薄膜(21)，微型沟槽底部的底层绝缘薄膜(21)上沉积有传感器薄膜(22)，上层绝缘薄膜(23)沉积于底层绝缘薄膜(21)和传感器薄膜(22)表面，将它们封闭；所述传感器薄膜(22)由正极薄膜(31)和负极薄膜(41)在端部重合构成，重合长度为10um～50um；
所述硬质合金刀片前刀面上具有平行排列的正极引脚(30)及平行排列的负极引脚(40)，正极引脚(30)和负极引脚(40)的数量分别与微型沟槽的数量相同；
所述正极引脚(30)为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁沉积有底层绝缘薄膜(21)，凹槽底部的底层绝缘薄膜(21)上沉积有正极薄膜(31)；
所述负极引脚(40)为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁沉积有底层绝缘薄膜(21)，凹槽底部的底层绝缘薄膜(21)上沉积有负极薄膜(41)；
所述各微型沟槽(20)两端分别通过正极连接段(51)、负极连接段(52)与正极引脚(30)和负极引脚(40)相连接，所述正极连接段(51)为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁结构与正极引脚(30)相同；所述负极连接段(52)为硬质合金刀片前刀面上的凹槽，凹槽内壁结构与负极引脚(40)相同；
所述接线压头(60)为L形平板，L形的两条边上分别具有平行排列的正极引线(61)和平行排列的负极引线(62)；正极引线(61)和负极引线(62)的数量、位置分别与正极引脚(30)和负极引脚(40)对应。
2.如权利要求1所述的微织构封装测温刀具，其特征在于：
所述底层绝缘薄膜(21)为氧化铝或氮化硅薄膜，厚度为1.5um～2.0um；
所述上层绝缘薄膜(23)为氧化铝或氮化硅薄膜，厚度为1.5um～2.0um；
所述正极薄膜(31)为标准K型热电偶正极材料镍铬薄膜或标准N型热电偶正极材料镍铬硅薄膜，厚度为250nm～350nm；
所述负极薄膜(41)为标准K型热电偶负极材料镍硅薄膜或标准N型热电偶负极材料镍硅镁薄膜，厚度为250nm～350nm。
3.如权利要求1所述的微织构封装测温刀具，其特征在于：
所述接线压头(60)采用玻璃或陶瓷材料；
所述正极引线(61)采用与正极薄膜(31)相同的材料；
所述负极引线(62)采用与负极薄膜(41)相同的材料。
4.如权利要求1、2或3所述的微织构封装测温刀具，其特征在于：
所述各微型沟槽内壁的上层绝缘薄膜(23)表面填充有封装材料(24)，将各微型沟槽填平，所述封装材料(24)为硬质耐磨封装材料碳化钨或润滑性封装材料硫化钼。
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