CN111693167B - 一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及切削领域，特别涉及一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温方法和装置。所述一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温方法，包括步骤：制备存放薄膜热电偶的沟槽；在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶；切削温度无线测温系统与所述薄膜热电偶无线连接；通过所述切削温度无线测温系统采集待测刀具前刀面的切削温度。整个过程中，薄膜热电偶可实时测得刀具切削区域的瞬态温度变化，并将温度实时传送给切削温度无线测温系统，因所述切削温度无线测温系统与所述薄膜热电偶无线连接，无需进行有线布局，使得在实时获取刀具切削区域的瞬态温度变化的同时，还大大简化了布线连接。
Description
技术领域
本发明涉及切削领域，特别涉及一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温方法和装置。
背景技术
切削加工技术在机械制造过程中有着广泛的应用。切削温度是一个重要的物理量，它直接关系到刀具的使用寿命及工件的表面质量等。方便快捷并实时在线地获得刀具切削区域温度，对于控制切削过程，实现智能化制造具有重要意义。
硬质合金刀具在切削过程中前刀面受到较高的热冲击、机械应力和热应力的同时作用，前刀面的温度呈动态变化。高负荷引发的高温和不均匀温度，特别是在刀具前刀面和后刀面上，是导致刀具严重磨损和粘结磨损以及塑性变形、断裂或疲劳的重要原因。切削温度对加工有着至关重要的影响，随着切削过程的不断进行，切削温度的升高会导致刀具磨损，缩短刀具寿命；引起工件、刀具和机床的热变形，降低加工精度。尽管深入了解刀-屑接触区的温度变化情况尤为重要，但目前尚无方法可准确获取刀具切削区域的瞬态温度变化。
发明内容
为此，需要提供一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温方法，用以解决无法准确获取刀具切削区域的瞬态温度变化的技术问题。具体技术方案如下：
一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温方法，包括步骤：
制备存放薄膜热电偶的沟槽；
在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶；
切削温度无线测温系统与所述薄膜热电偶无线连接；
通过所述切削温度无线测温系统采集待测刀具前刀面的切削温度。
进一步的，所述“制备存放薄膜热电偶的沟槽”，还包括步骤：
通过飞秒微加工在待测刀具前刀面近刀刃处加工两个预设宽带的微沟槽；
对所述微沟槽进行电解质-等离子抛光操作，得制备后的用于存放薄膜热电偶的沟槽。
进一步的，所述“在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶”，还包括步骤：
采用等离子体增强化学沉积法在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜；
在待测刀具前刀面安装双层掩膜板；
采用磁控溅射法制备薄膜热电偶，并依照所述双层掩膜板将所述薄膜热电偶镀制在沟槽内。
进一步的，还包括步骤：建立结点温度修正模型，通过所述结点温度修正模型对采集到的待测刀具前刀面的切削温度进行修正。具体实施可如下：利用拉普拉斯变换、逆变换以及热力学第一定律，分析切削实验所获得前刀面结构参数，构建了硬质合金刀具前刀面温度理论模型；在薄膜热电偶热接点处镀制的保护薄膜具有一定的导热性，进行薄膜热电偶与K型热电偶标定对比试验，在试验标定数据的基础上，在考虑保护薄膜导热系数的条件下，建立保护薄膜热传导偏微分方程，采用格林函数法对保护薄膜复合介质热传导问题进行求解，建立薄膜热电偶误差修正函数。将热接点温度场理论数学模型与薄膜热电偶误差修正函数相结合，建立薄膜热电偶感知切削温度精度修正数学函数。为后续搭建无线数据采集系统(在本实施方式中，可具体表现为切削温度无线测温系统)上位机软件编译提供基础，提升切削温度采集数据精度。
进一步的，所述切削温度无线测温系统包括：切削温度数据采集模块；
所述“通过切削温度无线测温系统采集待测刀具前刀面的切削温度”，包括步骤：
所述切削温度数据采集模块与所述待测刀具前刀面薄膜热电偶连接，通过所述切削温度数据采集模块采集待测刀具前刀面的切削温度。
进一步的，所述切削温度无线测温系统还包括：PC上位机监测软件和无线传输模块；
所述PC上位机监测软件通过所述无线传输模块与所述切削温度数据采集模块进行通讯；
所述PC上位机监测软件显示结果数据。
为解决上述技术问题，还提供了一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温装置，具体技术方案如下：
一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温装置，包括：薄膜热电偶沟槽制备模块，镀膜模块和切削温度无线测温模块；
所述薄膜热电偶沟槽制备模块用于：制备存放薄膜热电偶的沟槽；
所述镀膜模块用于：在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶；
所述切削温度无线测温模块与所述薄膜热电偶无线连接；
所述切削温度无线测温模块用于：采集待测刀具前刀面的切削温度。
进一步的，所述薄膜热电偶沟槽制备模块还用于：通过飞秒微加工在待测刀具前刀面近刀刃处加工两个预设宽带的微沟槽；
对所述微沟槽进行电解质-等离子抛光操作，得制备后的用于存放薄膜热电偶的沟槽。
进一步的，所述镀膜模块还用于：采用等离子体增强化学沉积法在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜；
在待测刀具前刀面安装双层掩膜板；
采用磁控溅射法制备薄膜热电偶，并依照所述双层掩膜板将所述薄膜热电偶镀制在沟槽内。
进一步的，所述切削温度无线测温模块包括：切削温度数据采集单元；
所述切削温度数据采集单元与所述待测刀具前刀面薄膜热电偶连接，通过切削温度数据采集单元采集待测刀具前刀面的切削温度。
进一步的，所述切削温度无线测温模块还包括：PC上位机监测软件和无线传输单元；
所述PC上位机监测软件通过所述无线传输单元与所述切削温度数据采集单元进行通讯；
所述PC上位机监测软件显示结果数据。
进一步的，还包括：结点温度修正单元，所述结点修正单元用于：对采集到的待测刀具前刀面的切削温度进行修正。具体实施可如下：利用拉普拉斯变换、逆变换以及热力学第一定律，分析切削实验所获得前刀面结构参数，构建了硬质合金刀具前刀面温度理论模型；在薄膜热电偶热接点处镀制的保护薄膜具有一定的导热性，进行薄膜热电偶与K型热电偶标定对比试验，在试验标定数据的基础上，在考虑保护薄膜导热系数的条件下，建立保护薄膜热传导偏微分方程，采用格林函数法对保护薄膜复合介质热传导问题进行求解，建立薄膜热电偶误差修正函数。将热接点温度场理论数学模型与薄膜热电偶误差修正函数相结合，建立薄膜热电偶感知切削温度精度修正数学函数。为后续搭建无线数据采集系统(在本实施方式中，可具体表现为切削温度无线测温模块)上位机软件编译提供基础，提升切削温度采集数据精度。
本发明的有益效果是：通过制备存放薄膜热电偶的沟槽；制备好后，在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶；其中切削温度无线测温系统与所述薄膜热电偶无线连接；故可通过所述切削温度无线测温系统采集待测刀具前刀面的切削温度。整个过程中，薄膜热电偶可实时测得刀具切削区域的瞬态温度变化，并将温度实时传送给切削温度无线测温系统，因所述切削温度无线测温系统与所述薄膜热电偶无线连接，无需进行有线布局，使得在实时获取刀具切削区域的瞬态温度变化的同时，还大大简化了布线连接。
附图说明
图1为具体实施方式所述一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温方法的流程图；
图2a为具体实施方式所述工件几何模型示意图；
图2b为具体实施方式所述刀具几何模型示意图；
图3为具体实施方式所述切削仿真模型图；
图4为具体实施方式所述硬质合金刀具切削过程中前刀面温度仿真结果示意图；
图5a为具体实施方式所述硬质合金测温刀具三维设计图；
图5b为具体实施方式所述硬质合金测温刀具主要尺寸示意图；
图6为具体实施方式所述飞秒激光加工特点原理图；
图7为具体实施方式所述电解质-等离子抛光原理图；
图8为具体实施方式所述前刀面槽底形貌的扫描电镜对比观测图；
图9为具体实施方式所述前刀面镀膜示意图；
图10为具体实施方式所述测温刀具镀膜方案流程图；
图11为具体实施方式所述连接有补偿导线的测温刀具示意图；
图12为具体实施方式所述上位机界面示意图；
图13为具体实施方式所述一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温装置的模块示意图。
附图标记说明：
1300、基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温装置，
1301、薄膜热电偶沟槽制备模块，
1302、镀膜模块，
1303、切削温度无线测温模块。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1至图12，在本实施方式中，一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温方法的具体实施如下：
需要说明的是，本发明主要针对的是硬质合金刀具。
步骤S101：制备存放薄膜热电偶的沟槽。
在执行步骤S101前，还需要步骤：对存放薄膜热电偶的沟槽进行设计。
其设计过程具体可如下：
切削过程是一个持续的力-热耦合的过程，在实际切削过程中，工件材料在较大的切削力和较高的温度下发生弹塑性变形，形成切屑。Johnson-Cook模型可以在大应变、高应变率和高温条件下描述金属材料的强度极限及塑性变形。本实施方式中在Deform-3D切削仿真中使用Johnson-Cook模型作为材料的本构模型。
本实施方式中主要以45号钢作为切削工件，在Deform软件平台进行三维切削有限元仿真。在切削过程中，刀具前刀面不断承受力-热间的耦合作用，导致刀-屑之间发生磨损。主偏角设置为75°。刀具材料选择硬质合金，工件材料定义为45号钢，工件材料物理参数如表1所示，工件几何模型和刀具几何模型分别如图2a和2b所示。
表1工件材料物理参数
采用四面体单元格对刀具和工件三维模型进行网格划分，切削仿真模型图如图3所示，仿真切削参数如表2所示。
表2切削仿真参数
在硬质合金刀具在车削过程中，由于刀具材料与工件材料之间的亲和性，在足够大的高温高压作用下，刀-屑元素之间发生元素扩散，同时随着切削的不断进行，刀具前刀面不断承受力-热间耦合作用，造成刀具磨损。硬质合金刀具切削过程中前刀面温度仿真结果如图4所示。
结合图4可以看出，随着硬质合金刀具切削过程的不断进行，前刀面温度分布区距离刀刃不远处，通过使用后处理测量工具在温度场中取距离刀刃最近的一点进行测量，得出该点与主切削刃的距离为0.892016mm，与副切削刃的距离为0.869446mm。在温度场中取距离刀刃最远的一点进行测量，得出该点与主切削刃的距离为2.13897mm，与副切削刃的距离为1.96879mm。
根据切削仿真得出的前刀面温度场结果，设计测温刀具前刀面薄膜热电偶沟槽的结构。其中硬质合金测温刀具三维设计图和主要尺寸示意图如图5a和图5b所示。图5a为硬质合金测温刀具三维图，前刀面设置有两个薄膜热电偶沟槽，沟槽深度设置为20μm。如图5b所示，两个槽的宽度为0.6mm，两槽设置的热接点与主切削刃的距离分别为0.9mm，2mm。两槽设置的热接点与副切削刃的距离分别为0.9mm，2mm。
设计好存放薄膜热电偶的沟槽的结构后，执行步骤S101，其中所述“制备存放薄膜热电偶的沟槽”，还包括步骤：通过飞秒微加工在待测刀具前刀面近刀刃处加工两个预设宽带的微沟槽；对所述微沟槽进行电解质-等离子抛光操作，得制备后的用于存放薄膜热电偶的沟槽。
其中激光是指脉宽为1-1000fs的激光，由于飞秒激光的脉冲宽度非常短，在较低的能量密度下可以获得非常高的瞬时功率。同时飞秒激光加工不会产生热扩散等问题，使得激光焦点温度不会低于材料的气化温度，避免材料变成熔融状态，加工精度高，加工表面更平整。飞秒激光加工特点原理图如图6所示。
通过飞秒微加工在待测刀具前刀面近刀刃处加工两个预设宽带的微沟槽后，对所述微沟槽进行电解质-等离子抛光操作，得制备后的用于存放薄膜热电偶的沟槽。其中电解质-等离子抛光的原理是将工件放入配好的电解抛光液中，对抛光液进行电解，工件与抛光液之间瞬间短路，产生大量的热，与工件表面相接触的抛光液瞬间气化，在工件与抛光液之间形成的气层将工件与抛光液隔开，同时气层的形成提高了阳极与阴极之间的电阻，产生高压击穿气层，形成等离子体，等离子体在工件表面与气层之间不断的发生化学反应，工件表面多余的部分材料产生化学反应物并被放电去除，同时随着放电速度的不断加快，当其大于化学反应速度时，工件表面出现抛光效果，表面粗糙度下降。电解质-等离子抛光原理图如图7所示。
如图8所示，为通过扫描电镜得到的槽底形貌对比观测图，可以看出通过对硬质合金刀具YT15进行电解质-等离子抛光去除了飞秒激光加工沟槽后残留在槽底的毛刺与熔渣，使得前刀面沟槽底部更加光滑平整，为镀膜做准备。
制备好存放薄膜热电偶的沟槽后，执行步骤S102：在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶。
所述“在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶”，还包括步骤：
采用等离子体增强化学沉积法在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜；
在待测刀具前刀面安装双层掩膜板；
采用磁控溅射法制备薄膜热电偶，并依照所述双层掩膜板将所述薄膜热电偶镀制在沟槽内。
因在硬质合金刀具前刀面制备薄膜热电偶时，要保证薄膜热电偶两电极与刀具基体之间具有良好的绝缘性。硬质合金刀具中的主要含有钨，钴和少量的钛元素，具有一定的导电性。因此在前刀面镀制薄膜热电偶之前需要在前刀面预先镀制一层SiO2绝缘膜，SiO2具有良好的耐高温，硬度高，稳定性高和绝缘性好等特点，在刀具前刀面与薄膜热电偶之间镀制一层SiO2绝缘膜，可以有效的隔离薄膜热电偶和刀具基体，使薄膜热电偶能够正常工作。前刀面镀膜示意图如图9所示。
薄膜热电偶材料选择NiCr和NiSi，NiCr/NiSi的高耐用性，灵敏度高等特性奠定了其在工业与日常中的高使用率。在工业使用过程中，NiCr/NiSi热电偶也被称作K型热电偶，在1200℃的温度环境下，还可以正常工作。同时NiCr/NiSi热电偶材料中含有大量的Ni元素，其具有较强的抗氧化性和抗腐蚀性，在高温高压的环境下可以安全使用，因此本文采用NiCr/NiSi作为测温刀具前刀面的薄膜热电偶材料。其中测温刀具镀膜方案流程图如图10所示。
在对前刀面制备NiCr/NiSi薄膜时，为了使NiCr/NiSi薄膜沉积在前刀面沟槽中形成薄膜热电偶电极，则需要根据前刀面沟槽的形状制备对应的掩模，掩模上的缺口制备成沟槽的样子，使得在制备NiCr/NiSi薄膜热电偶时，轰击NiCr/NiSi靶材后，靶材表面的原子逸出透过掩模缺口沉积在前刀面沟槽中形成薄膜热电偶。同时由于在前刀面沟槽底部上下两边需要沉积不同的薄膜材料，因此掩模方案设计为双层掩模方案。
在制备出前刀面嵌入有薄膜热电偶的测温刀具之后，需要得到前刀面薄膜热电偶的塞贝克系数，则需要针对前刀面薄膜热电偶进行温度标定。由于薄膜热电偶是通过磁控溅射的技术制备在刀具前刀面上，受到各种因素的影响，相比于标准热电偶，塞贝克系数会有一些偏差。本发明采用静态标定实验法，使用导电银胶与高温绝缘胶将测温刀具接线端与补偿导线连接在一起，连接补偿导线的测温刀具如图11所示。
在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶后，执行步骤S103：切削温度无线测温系统与所述薄膜热电偶无线连接。
现有技术中，很多针对切削温度方面检测的研究通常都采用有线测温的方式。由于刀具在切削过程中切削环境比较复杂，有线测温具有很大的局限性。因此为了避免有线测温的弊端，本实施方式中在ZigBee无线网络技术的基础上设计了切削温度无线测温系统。
步骤S104：通过所述切削温度无线测温系统采集待测刀具前刀面的切削温度。
其中所述切削温度无线测温模块包括：切削温度数据采集单元；所述切削温度数据采集单元与所述待测刀具前刀面薄膜热电偶连接，通过切削温度数据采集单元采集待测刀具前刀面的切削温度。
进一步的，所述切削温度无线测温模块还包括：PC上位机监测软件和无线传输单元；所述PC上位机监测软件通过所述无线传输单元与所述切削温度数据采集单元进行通讯；所述PC上位机监测软件显示结果数据。
其中切削温度数据采集单元采用导电银胶将补偿导线与测温刀具前刀面薄膜热电偶相连接，并且所采集的切削温度数据进行冷端补偿和格式转换。
其中所述切削温度无线测温系统中还包括主控制器，在本实施方式中，主控制器采用嵌入有Atmega328P芯片的Arduino开发板，Arduino是一种便捷灵活，易于上手的开源电子开发平台，拓展性高，支持接入多种传感器。
切削温度数据采集单元选择MAX6675作为热电偶数字转换器，MAX6675可以进行冷端温度补偿，并将热电偶信号转换成数字信号。
无线传输单元通过建立网络协议将切削温度数据采集单元所采集的切削温度数据发送给数据接收端，数据接收端与PC上位机采集软件通过串口协议，实现切削温度数据的采集与记录。
PC上位机软件可以针对所采集的切削温度数据进行显示，实现切削温度数据的无线采集与记录等功能。
在本实施方式中，所述PC上位机软件主要包括：串口识别模块，串口数据读取模块，数据记录绘图模块，保存数据模块和定时模块。其界面示意图可如图12所示，需要说明的是在其它实施方式中，其界面示意图可呈现多样化，不做限定。
由图12我们可以看出，在上位机软件界面左上角设置了串口识别控件，当安装有XBee模块的数据接收终端连接PC时，上位机软件会自动识别串口，选择连接的串口通过串口连接与关闭控件即可实现串口的连接与关闭。上位机软件界面右上角设置存储控件，可以对串口接收的数据进行存储，存储控件下面设置时间控件用来显示与记录当前时间。上位机软件中间设置绘图控件，对串口接收的数据进行显示与记录。上位机软件界面各个控件后台通过代码进行控制以实现相应的功能。
通过制备存放薄膜热电偶的沟槽；制备好后，在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶；其中切削温度无线测温系统与所述薄膜热电偶无线连接；故可通过所述切削温度无线测温系统采集待测刀具前刀面的切削温度。整个过程中，薄膜热电偶可实时测得刀具切削区域的瞬态温度变化，并将温度实时传送给切削温度无线测温系统，因所述切削温度无线测温系统与所述薄膜热电偶无线连接，无需进行有线布局，使得在实时获取刀具切削区域的瞬态温度变化的同时，还大大简化了布线连接。
请参阅图13，在本实施方式中，一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温装置1300的具体实施方式如下：
一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温装置1300，包括：薄膜热电偶沟槽制备模块1301，镀膜模块1302和切削温度无线测温模块1303；
所述薄膜热电偶沟槽制备模块1301用于：制备存放薄膜热电偶的沟槽；
所述镀膜模块1302用于：在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶；
所述切削温度无线测温模块1303与所述薄膜热电偶无线连接；
所述切削温度无线测温模块1303用于：采集待测刀具前刀面的切削温度。
进一步的，所述薄膜热电偶沟槽制备模块1301还用于：通过飞秒微加工在待测刀具前刀面近刀刃处加工两个预设宽带的微沟槽；
对所述微沟槽进行电解质-等离子抛光操作，得制备后的用于存放薄膜热电偶的沟槽。
其中所述薄膜热电偶沟槽制备模块1301还用于：对存放薄膜热电偶的沟槽进行设计。其设计过程具体可如下：
切削过程是一个持续的力-热耦合的过程，在实际切削过程中，工件材料在较大的切削力和较高的温度下发生弹塑性变形，形成切屑。Johnson-Cook模型可以在大应变、高应变率和高温条件下描述金属材料的强度极限及塑性变形。本实施方式中在Deform-3D切削仿真中使用Johnson-Cook模型作为材料的本构模型。
本实施方式中主要以45号钢作为切削工件，在Deform软件平台进行三维切削有限元仿真。在切削过程中，刀具前刀面不断承受力-热间的耦合作用，导致刀-屑之间发生磨损。主偏角设置为75°。刀具材料选择硬质合金，工件材料定义为45号钢，工件材料物理参数如表1所示，工件几何模型和刀具几何模型分别如图2a和2b所示。
表1工件材料物理参数
采用四面体单元格对刀具和工件三维模型进行网格划分，切削仿真模型图如图3所示，仿真切削参数如表2所示。
表2切削仿真参数
在硬质合金刀具在车削过程中，由于刀具材料与工件材料之间的亲和性，在足够大的高温高压作用下，刀-屑元素之间发生元素扩散，同时随着切削的不断进行，刀具前刀面不断承受力-热间耦合作用，造成刀具磨损。硬质合金刀具切削过程中前刀面温度仿真结果如图4所示。
结合图4可以看出，随着硬质合金刀具切削过程的不断进行，前刀面温度分布区距离刀刃不远处，通过使用后处理测量工具在温度场中取距离刀刃最近的一点进行测量，得出该点与主切削刃的距离为0.892016mm，与副切削刃的距离为0.869446mm。在温度场中取距离刀刃最远的一点进行测量，得出该点与主切削刃的距离为2.13897mm，与副切削刃的距离为1.96879mm。
根据切削仿真得出的前刀面温度场结果，设计测温刀具前刀面薄膜热电偶沟槽的结构。其中硬质合金测温刀具三维设计图和主要尺寸示意图如图5a和图5b所示。图5a为硬质合金测温刀具三维图，前刀面设置有两个薄膜热电偶沟槽，沟槽深度设置为20μm。如图5b所示，两个槽的宽度为0.6mm，两槽设置的热接点与主切削刃的距离分别为0.9mm，2mm。两槽设置的热接点与副切削刃的距离分别为0.9mm，2mm。
其中激光是指脉宽为1-1000fs的激光，由于飞秒激光的脉冲宽度非常短，在较低的能量密度下可以获得非常高的瞬时功率。同时飞秒激光加工不会产生热扩散等问题，使得激光焦点温度不会低于材料的气化温度，避免材料变成熔融状态，加工精度高，加工表面更平整。飞秒激光加工特点原理图如图6所示。
通过飞秒微加工在待测刀具前刀面近刀刃处加工两个预设宽带的微沟槽后，对所述微沟槽进行电解质-等离子抛光操作，得制备后的用于存放薄膜热电偶的沟槽。其中电解质-等离子抛光的原理是将工件放入配好的电解抛光液中，对抛光液进行电解，工件与抛光液之间瞬间短路，产生大量的热，与工件表面相接触的抛光液瞬间气化，在工件与抛光液之间形成的气层将工件与抛光液隔开，同时气层的形成提高了阳极与阴极之间的电阻，产生高压击穿气层，形成等离子体，等离子体在工件表面与气层之间不断的发生化学反应，工件表面多余的部分材料产生化学反应物并被放电去除，同时随着放电速度的不断加快，当其大于化学反应速度时，工件表面出现抛光效果，表面粗糙度下降。电解质-等离子抛光原理图如图7所示。
如图8所示，为通过扫描电镜得到的槽底形貌对比观测图，可以看出通过对硬质合金刀具YT15进行电解质-等离子抛光去除了飞秒激光加工沟槽后残留在槽底的毛刺与熔渣，使得前刀面沟槽底部更加光滑平整，为镀膜做准备。
进一步的，所述镀膜模块1302还用于：采用等离子体增强化学沉积法在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜；
在待测刀具前刀面安装双层掩膜板；
采用磁控溅射法制备薄膜热电偶，并依照所述双层掩膜板将所述薄膜热电偶镀制在沟槽内。
因在硬质合金刀具前刀面制备薄膜热电偶时，要保证薄膜热电偶两电极与刀具基体之间具有良好的绝缘性。硬质合金刀具中的主要含有钨，钴和少量的钛元素，具有一定的导电性。因此在前刀面镀制薄膜热电偶之前需要在前刀面预先镀制一层SiO2绝缘膜，SiO2具有良好的耐高温，硬度高，稳定性高和绝缘性好等特点，在刀具前刀面与薄膜热电偶之间镀制一层SiO2绝缘膜，可以有效的隔离薄膜热电偶和刀具基体，使薄膜热电偶能够正常工作。前刀面镀膜示意图如图9所示。
薄膜热电偶材料选择NiCr和NiSi，NiCr/NiSi的高耐用性，灵敏度高等特性奠定了其在工业与日常中的高使用率。在工业使用过程中，NiCr/NiSi热电偶也被称作K型热电偶，在1200℃的温度环境下，还可以正常工作。同时NiCr/NiSi热电偶材料中含有大量的Ni元素，其具有较强的抗氧化性和抗腐蚀性，在高温高压的环境下可以安全使用，因此本文采用NiCr/NiSi作为测温刀具前刀面的薄膜热电偶材料。其中测温刀具镀膜方案流程图如图10所示。
在对前刀面制备NiCr/NiSi薄膜时，为了使NiCr/NiSi薄膜沉积在前刀面沟槽中形成薄膜热电偶电极，则需要根据前刀面沟槽的形状制备对应的掩模，掩模上的缺口制备成沟槽的样子，使得在制备NiCr/NiSi薄膜热电偶时，轰击NiCr/NiSi靶材后，靶材表面的原子逸出透过掩模缺口沉积在前刀面沟槽中形成薄膜热电偶。同时由于在前刀面沟槽底部上下两边需要沉积不同的薄膜材料，因此掩模方案设计为双层掩模方案。
在制备出前刀面嵌入有薄膜热电偶的测温刀具之后，需要得到前刀面薄膜热电偶的塞贝克系数，则需要针对前刀面薄膜热电偶进行温度标定。由于薄膜热电偶是通过磁控溅射的技术制备在刀具前刀面上，受到各种因素的影响，相比于标准热电偶，塞贝克系数会有一些偏差。本发明采用静态标定实验法，使用导电银胶与高温绝缘胶将测温刀具接线端与补偿导线连接在一起，连接补偿导线的测温刀具如图11所示。
进一步的，所述切削温度无线测温模块1303包括：切削温度数据采集单元；
所述切削温度数据采集单元与所述待测刀具前刀面薄膜热电偶连接，通过切削温度数据采集单元采集待测刀具前刀面的切削温度。
进一步的，所述切削温度无线测温模块1303还包括：PC上位机监测软件和无线传输单元；
所述PC上位机监测软件通过所述无线传输单元与所述切削温度数据采集单元进行通讯；
所述PC上位机监测软件显示结果数据。
现有技术中，很多针对切削温度方面检测的研究通常都采用有线测温的方式。由于刀具在切削过程中切削环境比较复杂，有线测温具有很大的局限性。因此为了避免有线测温的弊端，本实施方式中在ZigBee无线网络技术的基础上设计了切削温度无线测温模块1303。
其中切削温度数据采集单元采用导电银胶将补偿导线与测温刀具前刀面薄膜热电偶相连接，并且所采集的切削温度数据进行冷端补偿和格式转换。
其中所述切削温度无线测温模块1303中还包括主控制器，在本实施方式中，主控制器采用嵌入有Atmega328P芯片的Arduino开发板，Arduino是一种便捷灵活，易于上手的开源电子开发平台，拓展性高，支持接入多种传感器。
切削温度数据采集单元选择MAX6675作为热电偶数字转换器，MAX6675可以进行冷端温度补偿，并将热电偶信号转换成数字信号。
无线传输单元通过建立网络协议将切削温度数据采集单元所采集的切削温度数据发送给数据接收端，数据接收端与PC上位机采集软件通过串口协议，实现切削温度数据的采集与记录。
PC上位机软件可以针对所采集的切削温度数据进行显示，实现切削温度数据的无线采集与记录等功能。
在本实施方式中，所述PC上位机软件主要包括：串口识别模块，串口数据读取模块，数据记录绘图模块，保存数据模块和定时模块。其界面示意图可如图12所示，需要说明的是在其它实施方式中，其界面示意图可呈现多样化，不做限定。
由图12我们可以看出，在上位机软件界面左上角设置了串口识别控件，当安装有XBee模块的数据接收终端连接PC时，上位机软件会自动识别串口，选择连接的串口通过串口连接与关闭控件即可实现串口的连接与关闭。上位机软件界面右上角设置存储控件，可以对串口接收的数据进行存储，存储控件下面设置时间控件用来显示与记录当前时间。上位机软件中间设置绘图控件，对串口接收的数据进行显示与记录。上位机软件界面各个控件后台通过代码进行控制以实现相应的功能。
通过薄膜热电偶沟槽制备模块1301制备存放薄膜热电偶的沟槽；制备好后，使用镀膜模块1302在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶；其中切削温度无线测温模块1303与所述薄膜热电偶无线连接；故可通过所述切削温度无线测温模块1303采集待测刀具前刀面的切削温度。通过使用该装置，薄膜热电偶可实时测得刀具切削区域的瞬态温度变化，并将温度实时传送给切削温度无线测温模块1303，因所述切削温度无线测温模块1303与所述薄膜热电偶无线连接，无需进行有线布局，使得在实时获取刀具切削区域的瞬态温度变化的同时，还大大简化了布线连接。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温方法，其特征在于，包括步骤：
制备存放薄膜热电偶的沟槽；
在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶；
切削温度无线测温系统与所述薄膜热电偶通过Arduino平台与XBee无线传输平台实现无线连接；
通过所述切削温度无线测温系统采集待测刀具前刀面的切削温度；
所述“制备存放薄膜热电偶的沟槽”，还包括步骤：
通过飞秒微加工在待测刀具前刀面近刀刃处加工两个预设宽带的微沟槽；
对所述微沟槽进行电解质-等离子抛光操作，得制备后的用于存放薄膜热电偶的沟槽；
所述“在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶”，还包括步骤：
采用等离子体增强化学沉积法在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜；
在待测刀具前刀面安装双层掩膜板；
采用磁控溅射法制备薄膜热电偶，并依照所述双层掩膜板将所述薄膜热电偶镀制在沟槽内；
所述切削温度无线测温系统包括：切削温度数据采集模块；
所述“通过切削温度无线测温系统采集待测刀具前刀面的切削温度”，包括步骤：
所述切削温度数据采集模块与所述待测刀具前刀面薄膜热电偶连接，通过所述切削温度数据采集模块采集待测刀具前刀面的切削温度；
所述切削温度数据采集模块采用导电银胶将补偿导线与测温刀具前刀面薄膜热电偶相连接，且所采集的切削温度数据进行冷端补偿和格式转换。
2.根据权利要求1所述的一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温方法，其特征在于，
所述切削温度无线测温系统还包括：PC上位机监测软件和无线传输模块；
所述PC上位机监测软件通过所述无线传输模块与所述切削温度数据采集模块进行通讯；
所述PC上位机监测软件显示结果数据。
3.一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温装置，其特征在于，包括：薄膜热电偶沟槽制备模块，镀膜模块和切削温度无线测温模块；
所述薄膜热电偶沟槽制备模块用于：制备存放薄膜热电偶的沟槽；
所述镀膜模块用于：在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜和薄膜热电偶；
所述切削温度无线测温系统与所述薄膜热电偶通过Arduino平台与XBee无线传输平台实现无线连接；
所述切削温度无线测温模块用于：采集待测刀具前刀面的切削温度；
所述薄膜热电偶沟槽制备模块还用于：通过飞秒微加工在待测刀具前刀面近刀刃处加工两个预设宽带的微沟槽；
对所述微沟槽进行电解质-等离子抛光操作，得制备后的用于存放薄膜热电偶的沟槽；
所述镀膜模块还用于：采用等离子体增强化学沉积法在待测刀具前刀面镀制二氧化硅绝缘薄膜；
在待测刀具前刀面安装双层掩膜板；
采用磁控溅射法制备薄膜热电偶，并依照所述双层掩膜板将所述薄膜热电偶镀制在沟槽内；
所述切削温度无线测温模块包括：切削温度数据采集单元；
所述切削温度数据采集单元与所述待测刀具前刀面薄膜热电偶连接，通过切削温度数据采集单元采集待测刀具前刀面的切削温度；
所述切削温度数据采集单元采用导电银胶将补偿导线与测温刀具前刀面薄膜热电偶相连接，且所采集的切削温度数据进行冷端补偿和格式转换。
4.根据权利要求3所述的一种基于嵌入薄膜热电偶刀具的无线测温装置，其特征在于，
所述切削温度无线测温模块还包括：PC上位机监测软件和无线传输单元；
所述PC上位机监测软件通过所述无线传输单元与所述切削温度数据采集单元进行通讯；
所述PC上位机监测软件显示结果数据。
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