CN114274225A - 用于ptfe切削加工的瞬态测温刀具及其使用方法 - Google Patents
用于ptfe切削加工的瞬态测温刀具及其使用方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114274225A CN114274225A CN202111594982.8A CN202111594982A CN114274225A CN 114274225 A CN114274225 A CN 114274225A CN 202111594982 A CN202111594982 A CN 202111594982A CN 114274225 A CN114274225 A CN 114274225A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- tool bit
- diamond tool
- temperature
- seat
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 title claims abstract description 39
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000003754 machining Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 title claims abstract description 23
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 title abstract description 5
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 146
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 146
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 132
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 56
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 4
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 24
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 24
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N SnO2 Inorganic materials O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 claims description 16
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 15
- 239000007888 film coating Substances 0.000 claims description 12
- 238000009501 film coating Methods 0.000 claims description 12
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 10
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 9
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 229920001709 polysilazane Polymers 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 6
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 6
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 5
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 7
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000379 polymerizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
Abstract
本发明公开了用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具及其使用方法，刀具包括金刚石刀头、刀具座和热电偶点阵；金刚石刀头固定在刀具座上开设的安装槽上；热电偶点阵装配在刀具座上的安装槽上，且位于刀具座与金刚石刀头的间隙中。本发明可以应用于PTFE材料瞬态切削温度的测量，通过在刀具座上的安装槽表面安装多个薄膜热电偶，通过在金刚石刀头表面和刀具座表面制备绝缘导热膜，实现对金刚石刀头加工时的温度进行实时监测，且薄膜式的传感器具有热容量小、体积小、响应速度快，能捕捉瞬时微量温度的变化的优点；通过在刀具座上安装薄膜热电偶替换在刀头上安装薄膜热电偶，避免了薄膜热电偶随刀头磨损而损坏，提高薄膜热电偶的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于PTFE切削技术领域，具体涉及用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具及其使用方法。
背景技术
PTFE(聚四氟乙烯)，是由四氟乙烯聚合而成的高分子化合物，由于其具有良好的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不沾性、电绝缘性和良好的抗老化耐力等特性，在石油化工、电子电气、军工、航空、机械等多领域得以广泛应用。在现代机械加工中，PTFE的切削加工可在常用的金属切削机床上进行，但与金属材料加工工艺相比，针对PTFE材料性能特点的PTFE的加工规范性尚未完善，如可切削性、切削规律、刀具结构和切削量均与金属材料的加工有所不同，采用传统的加工工艺，往往很难达到产品的设计精度要求，且伴随着PTFE切削加工精度要求不断提高和加工对象的进一步复杂化，对PTFE加工过程中切削热的瞬时测量显得更加重要。
切削热主要集中在刀具刀尖处且温度变化快，温度来不及传导造成刀具刀尖温度迅速升高，为避免瞬间高温加剧刀具磨损、对己加工表面造成损伤，应及时测量切削区域温度变化并实时反馈。而由于这一过程时间短、温度集中，较难检测。目前常用的切削温度测量方法主要有热电偶法、热辐射法、光辐射法、涂色法等，其中热电偶是最为准确的测量方法。但现有的热电偶测量方法只是在刀具表面贴一个热电偶，不能全面反映刀具加工面在加工时的温度分布，并且单一的薄膜热电偶在高速、高强度加工时会随刀具磨损而磨损，磨损后就会造成测量精度下降等问题。
在对PTFE材料进行高速、精密、超精密加工，尤其在切削加工处理时，切削区域温度分布情况尚不明确，相关技术人员投入的研究也甚少。因此有必要专门针对PTFE材料开发一种基于热电偶的在切削加工时准确测量切削区域温度分布的测量单元，这将有益于对PTFE材料的切削加工特点及其改善措施进行研究探讨。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具及其使用方法。
本发明采用的具体方案如下：
本发明用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具，包括金刚石刀头、刀具座和热电偶点阵；所述金刚石刀头固定在刀具座上开设的安装槽上；所述热电偶点阵装配在刀具座上的安装槽上，且位于刀具座与金刚石刀头的间隙中；所述的金刚石刀头表面与刀具座表面均浸涂有绝缘导热膜；所述的热电偶点阵包括十个薄膜热电偶；两个薄膜热电偶R6和R7固定在刀具座安装槽底面上；五个薄膜热电偶R1、R2、R3、R4和R5固定在刀具座的一个侧面上；三个薄膜热电偶R8、R9和R10固定在刀具座另一个侧面的金属片上；所述的金属片与刀具座固定或一体成型；刀具座同一个侧面上的相邻薄膜热电偶相互平行且间距设置；十个薄膜热电偶均与固定于转刀架内部的温度控制模块连接。
薄膜热电偶由In2O3热电极薄膜、SnO2与In2O3混合热电极薄膜和绝缘导热膜组成；所述In2O3热电极薄膜和SnO2与In2O3混合热电极薄膜均沉积在刀具座的绝缘导热膜上，且两种薄膜一端相互接触形成热接点；所述的In2O3热电极薄膜上和SnO2与In2O3混合热电极薄膜上均有焊接点，焊接点上连接有SnO2导线或In2O3导线。
所述的温度控制模块包括信号放大器和CPU；与十个薄膜热电偶相连的SnO2导线或In2O3导线均与信号放大器连接，信号放大器与CPU连接。
优选地，所述的金刚石刀头表面和刀具座表面绝缘导热膜的制备过程，具体如下：
对金刚石刀头表面和刀具座表面抛光，使用超声波清洗机超声清洗十分钟，清洗结束后烘干十分钟，清洗和烘干的过程重复三次；将清洗、烘干完成的金刚石刀头和刀具座完全浸没于浓度不低于76％的聚硅氮烷涂料中，金刚石刀头浸没时间在三小时以上，刀具座浸没时间在二十小时以上；浸没完成后将金刚石刀头和刀具座取出置于室温下冷却；对金刚石刀头表面和刀具座表面上多余的聚硅氮烷涂料进行清除，再对金刚石刀头烘烤三十分钟以上，对刀具座烘烤一小时以上，烘烤温度为230℃以上；烘烤结束后将金刚石刀头和刀具座取出置于室温下冷却，其中，金刚石刀头冷却时间为一小时以上，刀具座冷却时间为二十小时以上。
优选地，位于金刚石刀头表面的绝缘导热膜的导热系数不低于150W/(m·℃)，击穿场强不低于25.6kV/mm，厚度不小于10μm；位于刀具座表面的绝缘导热膜的导热系数不低于175W/(m·℃)，击穿场强不低于27.4kV/mm，厚度不低于10μm。
优选地，所述的薄膜热电偶的制备方法，具体如下：
将镀有绝缘导热膜的刀具座放置在多靶磁控溅射镀膜系统中，在刀具座表面绝缘导热膜上均匀涂抹In2O3靶材涂料，在指定位置盖上T型不锈钢掩膜；将刀具座固定在真空腔内；调节真空腔内温度至300℃，并将真空腔内压强调至4.2×10-4Pa；然后，向真空腔内通入纯度为99.999％的氩气，开启微波源，调节磁场电源，设定溅射功率在180w～230w之间后，开始镀膜，镀膜时间为三小时；镀膜结束后将刀具座取出置于真空室内冷却，冷却时间在三小时以上；完成镀膜后获得In2O3热电极薄膜；在道具座表面绝缘导热膜上均匀涂抹In2O3和SnO2混合的靶材涂料，在In2O3热电极薄膜旁盖上另一个T型不锈钢掩膜；再对刀具座表面进行镀膜；镀膜完成后得到SnO2与In2O3混合热电极薄膜；In2O3热电极薄膜与SnO2和In2O3混合热电极薄膜相互接触的部分构成热接点；在In2O3热电极薄膜和SnO2与In2O3混合热电极薄膜上远离热接点一端上均通过导电胶与SnO2导线或In2O3导线固定连接；接着，将连接有SnO2导线或In2O3导线的刀具座进行烘烤，烘烤时间为10-15分钟，烘烤温度为100-150℃之间；烘烤结束后，导电胶凝固形成焊接点；当金刚石刀头安装在刀具座上的安装槽上时，金刚石刀头表面的绝缘导热膜、刀具座上的In2O3热电极薄膜、刀具座上的SnO2与In2O3混合热电极薄膜和刀具座上的绝缘导热膜共同构成一个完整的薄膜热电偶。
优选地，每个薄膜热电偶靠近刀尖的一端与刀具座边缘的距离为1mm；其中，R1上端面到刀具座安装槽底面的距离为7.8mm，R2上端面到刀具座安装槽底面的距离为6.3mm，R3上端面到刀具座安装槽底面的距离为4.8mm，R4上端面到刀具座安装槽底面的距离为3.3mm，R5上端面到刀具座安装槽底面的距离为1.8mm；R8上端面到刀具座安装槽底面的距离为7.4mm，R9上端面到刀具座安装槽底面的距离为5.4mm，R10上端面到刀具座安装槽底面的距离为3.4mm；R6和R7关于金刚石刀头1的长对角线对称分布在刀具座安装槽底面上。
优选地，所述的金刚石刀头侧面固定有冷却液喷口；所述的冷却液喷口通过管道与冷却液箱连通；所述的冷却液箱与冷却液喷口之间安装有离心泵；所述的温度控制模块与离心泵连接。
优选地，所述的CPU根据金刚石刀头表面的温度对切削速度进行调整。
用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具的使用方法，具体如下：
机床带动金刚石刀头对PTFE材料进行切削；切削过程中，金刚石刀头产生的热量由金刚石刀头表面的绝缘导热膜传递到十个薄膜热电偶上，十个薄膜热电偶将热量传输至信号放大器，信号放大器再讲信号传输至CPU中；CPU预先录入当前车床主轴转速、加工时间、加工材料、预计去除材料体积数据，并对刀具的预期寿命进行综合预测，将预测结果实时上传至上位机并在内置的存储卡中备份；薄膜热电偶对金刚石刀头上温度采样的具体过程为：当金刚石刀头通电后，各个薄膜热电偶开始采样；当检测到金刚石刀头表面温度在前后时刻产生较大变化时作为记录起点；设定起点后，将位于刀具座不同平面的薄膜热电偶进行分组采样，并将所测得的温度值按不同组计算平均值，从而得到金刚石刀头与刀具座相接触的三个面的温度平均值，分别记为三个面的初始温度；将同一平面上每个薄膜热电偶距离刀具座安装槽底面的距离作为横坐标，实时测得每个薄膜热电偶的温度为纵坐标，绘制散点图；随切削过程的进行，每隔预设时间对金刚石刀头的温度进行一次检测，并获得一张散点图；CPU计算出其每张散点图中各散点的斜率
当斜率
大于预设值时，认为金刚石刀头温度过热；当金刚石刀头刀尖的厚度小于预设值时，认为金刚石刀头已磨损失效。
优选地，当金刚石刀头未产生磨损时每个热电偶间的温度梯度斜率为0.04667；当斜率
介于0.04667至0.1281之间时，金刚石刀头为正常工作状态；当十个薄膜热电偶中任一个测得斜率
大于0.1281时，CPU控制报警器发出蜂鸣提醒操作者；当某一热电偶所测得的温度发生明显突变或测得数据与其余热电偶所测得的数据明显不符时，CPU控制报警器发出警告并停止加工。
优选地，薄膜热电偶R3、R4和R5与金刚石刀头刀尖的距离小于薄膜热电偶R1和R2与金刚石刀头刀尖的距离，当薄膜热电偶R3、R4和R5较初始温度的升温幅度大于71℃时，认为金刚石刀头已达到寿命极限；当薄膜热电偶R8、R9和R10较初始温度的升温幅度大于53℃时，认为金刚石刀头已达到寿命极限。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明可以应用于PTFE材料瞬态切削温度的测量，通过在刀具座上的安装槽表面安装多个薄膜热电偶，通过在金刚石刀头表面和刀具座表面制备绝缘导热膜，实现对金刚石刀头加工时的温度进行实时监测，且薄膜式的传感器具有热容量小、体积小、响应速度快，能捕捉瞬时微量温度的变化的优点；通过在刀具座上安装薄膜热电偶，在金刚石刀头达到寿命极限更换时，薄膜热电偶仍然可用，相比在刀头上安装薄膜热电偶的形式，也尽可能避免了薄膜热电偶随刀头磨损而损坏的情况，降低了成本。
2、本发明刀具座安装槽底面的薄膜热电偶能在初始加工时就对金刚石刀头内部的缺陷进行检测，并能在加工过程中实时检测金刚石刀头表面与刀具座表面绝缘导热膜的破损情况，在金刚石刀头内部存在缺陷时，将其余薄膜热电偶的测温数据排除缺陷的影响因素，在金刚石刀头表面与刀具座表面绝缘导热膜破损时，及时停工修复绝缘导热膜，保证其余薄膜热电偶的测温数据更为准确。
3、本发明依据热电偶的反馈数据对刀具使用寿命进行预测，对加工过程中的温度控制(通过控制冷却液喷淋和切削速度来控制温度)提供参考，为预测刀具寿命并对加工过程中的温度控制提供了新的方法，为PTFE材料切削测温刀具的研究与开发提供了新的技术途径。
附图说明
图1为本发明中金刚石刀头的结构立体图；
图2为本发明中薄膜热电偶的结构立体图；
图3为本发明中刀具座的左视图；
图4为本发明中刀具座的俯视图；
图5为本发明中刀具座的后部剖视图；
图6为本发明中金刚石刀头磨损1.66mm时刀尖温度仿真结果图；
图7为刀具座与转刀架的装配关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
本发明用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具，包括金刚石刀头1、刀具座6和热电偶点阵；金刚石刀头1固定在刀具座6上开设的安装槽上；热电偶点阵装配在刀具座6上的安装槽上，且位于刀具座6与金刚石刀头1的间隙中(空隙不得大于10μm)；金刚石刀头1表面与刀具座6表面均浸涂有绝缘导热膜4，绝缘导热膜4的材质为聚硅氮烷；热电偶点阵包括十个薄膜热电偶；如图3、图4、图5和图7所示，两个薄膜热电偶R6和R7固定在刀具座6安装槽底面上，五个薄膜热电偶R1、R2、R3、R4和R5固定在刀具座6的一个侧面上，五个薄膜热电偶之间相互平行且间距相等；三个薄膜热电偶R8、R9和R10固定在刀具座6另一个侧面的金属片上；金属片与刀具座6固定或一体成型；金属片上相邻的薄膜热电偶相互平行且间距为0.44mm；十个薄膜热电偶均通过SnO2导线或In2O3导线与固定于转刀架7内部的温度控制模块连接。
薄膜热电偶由In2O3热电极薄膜3、SnO2与In2O3混合热电极薄膜5(In2O3与SnO2的质量分数比为95％:5％)和绝缘导热膜4组成；In2O3热电极薄膜3和SnO2与In2O3混合热电极薄膜5均沉积在刀具座6的绝缘导热膜4上，且两种薄膜一端相互接触形成热接点(如图2中两个T型结构相接触的点)；In2O3热电极薄膜3上和SnO2与In2O3混合热电极薄膜5上均有焊接点2，焊接点上连接有SnO2导线或In2O3导线。
温度控制模块包括信号放大器和CPU；与十个薄膜热电偶相连的SnO2导线或In2O3导线均与信号放大器连接，信号放大器与CPU连接；薄膜热电偶将金刚石刀头1的实时温度转化为电信号传输至信号放大器，信号放大器将电信号多级放大后传输至CPU，CPU对信号进行分析及处理，再通过控制电路控制金刚石刀头1的温度，实现对金刚石刀头1在切削过程中的变热变形的实时监测，并作出相应调整。
信号放大器和CPU均由电源供电。
作为一个优选实施例，金刚石刀头1表面和刀具座6表面绝缘导热膜的制备过程，具体如下：
对金刚石刀头1表面和刀具座6表面抛光，使用超声波清洗机超声清洗十分钟，清洗结束后烘干十分钟，清洗和烘干的过程重复三次；将清洗、烘干完成的金刚石刀头1和刀具座6完全浸没于浓度不低于76％的聚硅氮烷涂料中，金刚石刀头1浸没时间在三小时以上，刀具座6浸没时间在二十小时以上；浸没完成后将金刚石刀头1和刀具座6取出置于室温下冷却；对金刚石刀头1表面和刀具座6表面上多余的聚硅氮烷涂料进行清除，再对金刚石刀头1烘烤三十分钟以上，对刀具座6烘烤一小时以上，烘烤温度为230℃以上；烘烤结束后将金刚石刀头1和刀具座6取出置于室温下冷却，其中，金刚石刀头1冷却时间为一小时以上，刀具座6冷却时间为二十小时以上。
作为一个优选实施例，位于金刚石刀头1表面的绝缘导热膜的导热系数不低于150W/(m·℃)，击穿场强不低于25.6kV/mm，厚度不小于10μm；位于刀具座表面的绝缘导热膜的导热系数不低于175W/(m·℃)，击穿场强不低于27.4kV/mm，厚度不低于10μm。
作为一个优选实施例，薄膜热电偶的制备方法，具体如下：
将镀有绝缘导热膜4的刀具座6放置在多靶磁控溅射镀膜系统中，如图2所示，在刀具座6表面绝缘导热膜4上均匀涂抹In2O3靶材涂料，在标号3处盖上T型不锈钢掩膜；将刀具座6固定在真空腔内；调节真空腔内温度至300℃，并将真空腔内压强调至4.2×10-4Pa；然后，向真空腔内通入纯度为99.999％的氩气，开启微波源，调节磁场电源，设定溅射功率在180w～230w之间后，开始镀膜，镀膜时间为三小时；镀膜结束后将刀具座6取出置于真空室内冷却，冷却时间在三小时以上；完成镀膜后获得In2O3热电极薄膜3；在道具座6表面绝缘导热膜4上均匀涂抹In2O3和SnO2混合的靶材涂料，在标号5处盖上另一个T型不锈钢掩膜；再对刀具座6表面进行镀膜(重复上述步骤)；镀膜完成后得到如图2中标号5所示的SnO2与In2O3混合热电极薄膜5；In2O3热电极薄膜3和SnO2与In2O3混合热电极薄膜5相互接触的部分构成热接点；在In2O3热电极薄膜3和SnO2与In2O3混合热电极薄膜5上远离热接点一端上均通过导电胶与SnO2导线或In2O3导线固定连接；接着，将连接有SnO2导线或In2O3导线的刀具座6进行烘烤，烘烤时间为10-15分钟，烘烤温度为100-150℃之间；烘烤结束后，导电胶凝固形成焊接点2，焊接点2能使得SnO2导线或In2O3导线与热电偶薄膜间的温度保持在100℃以内，提高SnO2导线或In2O3导线与热电偶薄膜的可靠性；当金刚石刀头1安装在刀具座6上的安装槽上时，金刚石刀头1表面的绝缘导热膜4、刀具座6上的In2O3热电极薄膜3、刀具座6上的SnO2与In2O3混合热电极薄膜5和刀具座6上的绝缘导热膜4共同构成一个完整的薄膜热电偶。
作为一个优选实施例，每个薄膜热电偶前端(靠近刀尖的一端)与刀具座6边缘的距离为1mm；其中，R1上端面到刀具座6安装槽底面的距离为7.8mm(薄膜热电偶的厚度为1.06mm)，R2上端面到刀具座6安装槽底面的距离为6.3mm，R3上端面到刀具座6安装槽底面的距离为4.8mm，R4上端面到刀具座6安装槽底面的距离为3.3mm，R5上端面到刀具座6安装槽底面的距离为1.8mm；R8上端面到刀具座6安装槽底面的距离为7.4mm，R9上端面到刀具座6安装槽底面的距离为5.4mm，R10上端面到刀具座6安装槽底面的距离为3.4mm；R6和R7关于金刚石刀头1的长对角线对称分布在刀具座6安装槽底面上(金刚石刀头1结构如图1所示)。
作为一个优选实施例，在金刚石刀头1侧面固定有冷却液喷口；冷却液喷口通过管道与冷却液箱连通；冷却液箱与冷却液喷口之间安装有离心泵；温度控制模块与离心泵连接；当CPU检测到金刚石刀头1温度超过预设值时，温度控制模块启动离心泵，将冷却液喷淋在金刚石刀头1上，使金刚石刀头1降温，以提高金刚石刀头1的使用寿命。
作为一个优选实施例，CPU根据金刚石刀头1表面的温度对切削速度进行调整，通过适当降低切削速度，降低金刚石刀头1的切削温度。
本发明用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具的使用方法，具体如下：
机床带动金刚石刀头1对PTFE材料进行切削；切削过程中，金刚石刀头1产生的热量由金刚石刀头1表面的绝缘导热膜4传递到十个薄膜热电偶上，十个薄膜热电偶将热量传输至信号放大器，信号放大器再讲信号传输至CPU中；CPU预先录入当前车床主轴转速、加工时间、加工材料、预计去除材料体积数据，并对刀具的预期寿命进行综合预测，将预测结果实时上传至上位机并在内置的存储卡中备份；薄膜热电偶对金刚石刀头1上温度采样的具体过程为：当金刚石刀头1通电后，各个薄膜热电偶开始采样；当检测到金刚石刀头1表面温度在前后时刻产生较大变化时作为记录起点；设定起点后，将位于刀具座6不同平面的薄膜热电偶进行分组采样，并将所测得的温度值按不同组计算平均值，从而得到金刚石刀头1与刀具座6相接触的三个面的温度平均值，分别记为三个面的初始温度；如图6所示，将同一平面上每个薄膜热电偶距离刀具座6安装槽底面的距离作为横坐标，实时测得每个薄膜热电偶的温度为纵坐标，绘制散点图；其中，黑色圆点为薄膜热电偶所测得的实时温度值，竖直实线为薄膜热电偶到刀具座安装槽底面的距离，竖直虚线为金刚石刀头1刀尖的厚度(随着金刚石刀头1的刀尖磨损，薄膜热电偶能检测到的温度区间在变小，使得竖直虚线会随刀尖磨损向左平移)；随切削过程的进行，每隔预设时间对金刚石刀头1的温度进行一次检测，并获得一张散点图；CPU计算出其每张散点图中各散点的斜率
当斜率
大于预设值时，认为金刚石刀头1温度过热；当金刚石刀头1刀尖的厚度小于预设值时，认为金刚石刀头1已磨损失效。
作为一个优选实施例，当金刚石刀头1未产生磨损时每个热电偶间的温度梯度斜率为0.04667；当斜率
介于0.04667至0.1281之间时，金刚石刀头为正常工作状态；当十个薄膜热电偶中任一个测得斜率
大于0.1281时，CPU控制报警器发出蜂鸣提醒操作者；当某一热电偶所测得的温度发生明显突变或测得数据与其余热电偶所测得的数据明显不符时，认为该热电偶失效，CPU控制报警器发出警告并停止加工。
作为一个优选实施例，薄膜热电偶R3、R4和R5与金刚石刀头1刀尖的距离小于薄膜热电偶R1和R2与金刚石刀头1刀尖的距离，当薄膜热电偶R3、R4和R5较初始温度的升温幅度大于71℃时，认为金刚石刀头1已达到寿命极限；当薄膜热电偶R8、R9和R10较初始温度的升温幅度大于53℃时，认为金刚石刀头1已达到寿命极限。
作为一个优选实施例，R6和R7在初始加工时对金刚石刀头内部的缺陷进行检测，并在加工过程中实时检测金刚石刀头表面与刀具座表面绝缘导热膜的破损情况，在金刚石刀头内部存在缺陷时，将其余薄膜热电偶的测温数据排除掉缺陷的影响因素，在金刚石刀头表面与刀具座表面绝缘导热膜破损时，停止切削，及时修复绝缘导热膜，保证其余薄膜热电偶的测温数据更为准确。
作为一个优选实施例，完成清洗后的金刚石刀头1的刀尖侧面表面粗糙度Ra应小于0.27μm。
作为一个优选实施例，加工开始时，金刚石刀头1表面温度变化持续时间大于0.4s后，热电偶才会将信号传输至信号放大器。
作为一个优选实施例，金刚石刀头1表面温度变化幅值大于178℃/s时，认为发生明显突变。
作为一个优选实施例，金刚石刀头1刀尖的热容为399.84J/(kg·℃)。
Claims (10)
1.用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具，包括金刚石刀头和刀具座，其特征在于：还包括热电偶点阵；所述金刚石刀头固定在刀具座上开设的安装槽上；所述热电偶点阵装配在刀具座上的安装槽上，且位于刀具座与金刚石刀头的间隙中；所述的金刚石刀头表面与刀具座表面均浸涂有绝缘导热膜；所述的热电偶点阵包括十个薄膜热电偶；两个薄膜热电偶R6和R7固定在刀具座安装槽底面上；五个薄膜热电偶R1、R2、R3、R4和R5固定在刀具座的一个侧面上；三个薄膜热电偶R8、R9和R10固定在刀具座另一个侧面的金属片上；所述的金属片与刀具座固定或一体成型；刀具座同一个侧面上的相邻薄膜热电偶相互平行且间距设置；十个薄膜热电偶均与固定于转刀架内部的温度控制模块连接；
薄膜热电偶由In2O3热电极薄膜、SnO2与In2O3混合热电极薄膜和绝缘导热膜组成；所述In2O3热电极薄膜和SnO2与In2O3混合热电极薄膜均沉积在刀具座的绝缘导热膜上，且两种薄膜一端相互接触形成热接点；所述的In2O3热电极薄膜上和SnO2与In2O3混合热电极薄膜上均有焊接点，焊接点上连接有SnO2导线或In2O3导线；
所述的温度控制模块包括信号放大器和CPU；与十个薄膜热电偶相连的SnO2导线或In2O3导线均与信号放大器连接，信号放大器与CPU连接。
2.根据权利要求1所述的用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具，其特征在于：所述的金刚石刀头表面和刀具座表面绝缘导热膜的制备过程，具体如下：
对金刚石刀头表面和刀具座表面抛光，使用超声波清洗机超声清洗十分钟，清洗结束后烘干十分钟，清洗和烘干的过程重复三次；将清洗、烘干完成的金刚石刀头和刀具座完全浸没于浓度不低于76％的聚硅氮烷涂料中，金刚石刀头浸没时间在三小时以上，刀具座浸没时间在二十小时以上；浸没完成后将金刚石刀头和刀具座取出置于室温下冷却；对金刚石刀头表面和刀具座表面上多余的聚硅氮烷涂料进行清除，再对金刚石刀头烘烤三十分钟以上，对刀具座烘烤一小时以上，烘烤温度为230℃以上；烘烤结束后将金刚石刀头和刀具座取出置于室温下冷却，其中，金刚石刀头冷却时间为一小时以上，刀具座冷却时间为二十小时以上。
3.根据权利要求1所述的用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具，其特征在于：位于金刚石刀头表面的绝缘导热膜的导热系数不低于150W/(m·℃)，击穿场强不低于25.6kV/mm，厚度不小于10μm；位于刀具座表面的绝缘导热膜的导热系数不低于175W/(m·℃)，击穿场强不低于27.4kV/mm，厚度不低于10μm。
4.根据权利要求1所述的用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具，其特征在于：所述的薄膜热电偶的制备方法，具体如下：
将镀有绝缘导热膜的刀具座放置在多靶磁控溅射镀膜系统中，在刀具座表面绝缘导热膜上均匀涂抹In2O3靶材涂料，在指定位置盖上T型不锈钢掩膜；将刀具座固定在真空腔内；调节真空腔内温度至300℃，并将真空腔内压强调至4.2×10-4Pa；然后，向真空腔内通入纯度为99.999％的氩气，开启微波源，调节磁场电源，设定溅射功率在180w～230w之间后，开始镀膜，镀膜时间为三小时；镀膜结束后将刀具座取出置于真空室内冷却，冷却时间在三小时以上；完成镀膜后获得In2O3热电极薄膜；在道具座表面绝缘导热膜上均匀涂抹In2O3和SnO2混合的靶材涂料，在In2O3热电极薄膜旁盖上另一个T型不锈钢掩膜；再对刀具座表面进行镀膜；镀膜完成后得到SnO2与In2O3混合热电极薄膜；In2O3热电极薄膜与SnO2和In2O3混合热电极薄膜相互接触的部分构成热接点；在In2O3热电极薄膜和SnO2与In2O3混合热电极薄膜上远离热接点一端上均通过导电胶与SnO2导线或In2O3导线固定连接；接着，将连接有SnO2导线或In2O3导线的刀具座进行烘烤，烘烤时间为10-15分钟，烘烤温度为100-150℃之间；烘烤结束后，导电胶凝固形成焊接点；当金刚石刀头安装在刀具座上的安装槽上时，金刚石刀头表面的绝缘导热膜、刀具座上的In2O3热电极薄膜、刀具座上的SnO2与In2O3混合热电极薄膜和刀具座上的绝缘导热膜共同构成一个完整的薄膜热电偶。
5.根据权利要求1所述的用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具，其特征在于：每个薄膜热电偶靠近刀尖的一端与刀具座边缘的距离为1mm；其中，R1上端面到刀具座安装槽底面的距离为7.8mm，R2上端面到刀具座安装槽底面的距离为6.3mm，R3上端面到刀具座安装槽底面的距离为4.8mm，R4上端面到刀具座安装槽底面的距离为3.3mm，R5上端面到刀具座安装槽底面的距离为1.8mm；R8上端面到刀具座安装槽底面的距离为7.4mm，R9上端面到刀具座安装槽底面的距离为5.4mm，R10上端面到刀具座安装槽底面的距离为3.4mm；R6和R7关于金刚石刀头1的长对角线对称分布在刀具座安装槽底面上。
6.根据权利要求1所述的用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具，其特征在于：所述的金刚石刀头侧面固定有冷却液喷口；所述的冷却液喷口通过管道与冷却液箱连通；所述的冷却液箱与冷却液喷口之间安装有离心泵；所述的温度控制模块与离心泵连接。
7.根据权利要求1所述的用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具，其特征在于：所述的CPU根据金刚石刀头表面的温度对切削速度进行调整。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具的使用方法，其特征在于：具体如下：
机床带动金刚石刀头对PTFE材料进行切削；切削过程中，金刚石刀头产生的热量由金刚石刀头表面的绝缘导热膜传递到十个薄膜热电偶上，十个薄膜热电偶将热量传输至信号放大器，信号放大器再讲信号传输至CPU中；CPU预先录入当前车床主轴转速、加工时间、加工材料、预计去除材料体积数据，并对刀具的预期寿命进行综合预测，将预测结果实时上传至上位机并在内置的存储卡中备份；薄膜热电偶对金刚石刀头上温度采样的具体过程为：当金刚石刀头通电后，各个薄膜热电偶开始采样；当检测到金刚石刀头表面温度在前后时刻产生较大变化时作为记录起点；设定起点后，将位于刀具座不同平面的薄膜热电偶进行分组采样，并将所测得的温度值按不同组计算平均值，从而得到金刚石刀头与刀具座相接触的三个面的温度平均值，分别记为三个面的初始温度；将同一平面上每个薄膜热电偶距离刀具座安装槽底面的距离作为横坐标，实时测得每个薄膜热电偶的温度为纵坐标，绘制散点图；随切削过程的进行，每隔预设时间对金刚石刀头的温度进行一次检测，并获得一张散点图；CPU计算出其每张散点图中各散点的斜率
当斜率
大于预设值时，认为金刚石刀头温度过热；当金刚石刀头刀尖的厚度小于预设值时，认为金刚石刀头已磨损失效。
9.根据权利要求8所述的用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具的使用方法，其特征在于：当金刚石刀头未产生磨损时每个热电偶间的温度梯度斜率为0.04667；当斜率
介于0.04667至0.1281之间时，金刚石刀头为正常工作状态；当十个薄膜热电偶中任一个测得斜率
大于0.1281时，CPU控制报警器发出蜂鸣提醒操作者；当某一热电偶所测得的温度发生明显突变或测得数据与其余热电偶所测得的数据明显不符时，CPU控制报警器发出警告并停止加工。
10.根据权利要求8所述的用于PTFE切削加工的瞬态测温刀具的使用方法，其特征在于：薄膜热电偶R3、R4和R5与金刚石刀头刀尖的距离小于薄膜热电偶R1和R2与金刚石刀头刀尖的距离，当薄膜热电偶R3、R4和R5较初始温度的升温幅度大于71℃时，认为金刚石刀头已达到寿命极限；当薄膜热电偶R8、R9和R10较初始温度的升温幅度大于53℃时，认为金刚石刀头已达到寿命极限。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111594982.8A CN114274225B (zh) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 用于ptfe切削加工的瞬态测温刀具及其使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111594982.8A CN114274225B (zh) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 用于ptfe切削加工的瞬态测温刀具及其使用方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114274225A true CN114274225A (zh) | 2022-04-05 |
| CN114274225B CN114274225B (zh) | 2024-02-06 |
Family
ID=80875614
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111594982.8A Active CN114274225B (zh) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 用于ptfe切削加工的瞬态测温刀具及其使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114274225B (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5176053A (en) * | 1987-08-11 | 1993-01-05 | Birger Alvelid | Cutting tool equipped with a state indicator |
| CN102601399A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-07-25 | 哈尔滨工业大学 | 多物理量实时监测加工状态的智能刀具 |
| CN102699362A (zh) * | 2012-06-26 | 2012-10-03 | 哈尔滨工业大学 | 具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具及其配对刀体 |
| CN104589157A (zh) * | 2014-11-26 | 2015-05-06 | 上海大学 | 车床车刀切削温度的测量装置 |
| CN104942318A (zh) * | 2015-07-01 | 2015-09-30 | 大连交通大学 | 一种智能瞬态切削测温刀具、制作方法及其测温方法 |
| CN105458312A (zh) * | 2015-12-14 | 2016-04-06 | 华中科技大学 | 一种微织构封装测温刀具 |
| CN108817880A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-16 | 华中科技大学 | 一种具有嵌入式薄膜温度传感器的切削刀具及制备方法 |
| CN109759900A (zh) * | 2019-03-21 | 2019-05-17 | 中国工程物理研究院化工材料研究所 | 适于含能材料切削加工的测温刀具 |
| WO2020213712A1 (ja) * | 2019-04-19 | 2020-10-22 | 京セラ株式会社 | 旋削工具本体、旋削工具及びデータ収集システム |
| CN111982325A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-11-24 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种使用薄膜热电偶测量刀具温度的结构与制备方法 |
| CN113453827A (zh) * | 2019-02-20 | 2021-09-28 | 京瓷株式会社 | 刀柄、切削刀具、切削加工物的制造方法以及数据的收集方法 |
-
2021
- 2021-12-24 CN CN202111594982.8A patent/CN114274225B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5176053A (en) * | 1987-08-11 | 1993-01-05 | Birger Alvelid | Cutting tool equipped with a state indicator |
| CN102601399A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-07-25 | 哈尔滨工业大学 | 多物理量实时监测加工状态的智能刀具 |
| CN102699362A (zh) * | 2012-06-26 | 2012-10-03 | 哈尔滨工业大学 | 具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具及其配对刀体 |
| CN104589157A (zh) * | 2014-11-26 | 2015-05-06 | 上海大学 | 车床车刀切削温度的测量装置 |
| CN104942318A (zh) * | 2015-07-01 | 2015-09-30 | 大连交通大学 | 一种智能瞬态切削测温刀具、制作方法及其测温方法 |
| CN105458312A (zh) * | 2015-12-14 | 2016-04-06 | 华中科技大学 | 一种微织构封装测温刀具 |
| CN108817880A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-16 | 华中科技大学 | 一种具有嵌入式薄膜温度传感器的切削刀具及制备方法 |
| CN113453827A (zh) * | 2019-02-20 | 2021-09-28 | 京瓷株式会社 | 刀柄、切削刀具、切削加工物的制造方法以及数据的收集方法 |
| CN109759900A (zh) * | 2019-03-21 | 2019-05-17 | 中国工程物理研究院化工材料研究所 | 适于含能材料切削加工的测温刀具 |
| WO2020213712A1 (ja) * | 2019-04-19 | 2020-10-22 | 京セラ株式会社 | 旋削工具本体、旋削工具及びデータ収集システム |
| CN111982325A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-11-24 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种使用薄膜热电偶测量刀具温度的结构与制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114274225B (zh) | 2024-02-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109338290B (zh) | 一种用于航空发动机涡轮叶片的薄膜温度传感器 | |
| CN100410639C (zh) | 基于涂层热电效应的刀具瞬态切削温度测试方法 | |
| CN113733366B (zh) | 一种用于石墨烯钻削加工时的温度测量装置及方法 | |
| TW201345651A (zh) | 切削加工溫度的測定方法 | |
| CN107101735A (zh) | 用于测量表面瞬态温度的片状薄膜热电偶测温系统及应用 | |
| CN110987215A (zh) | 一种检测热障涂层隔热效果的薄膜温度传感器 | |
| CN102962770B (zh) | 热管砂轮工作状态监测装置与评价热管砂轮启动时间和换热性能的方法 | |
| CN113588137B (zh) | 热流传感器标定装置和标定方法 | |
| CN114274225A (zh) | 用于ptfe切削加工的瞬态测温刀具及其使用方法 | |
| CN111982325B (zh) | 一种使用薄膜热电偶测量刀具温度的结构与制备方法 | |
| CN108817880B (zh) | 一种具有嵌入式薄膜温度传感器的切削刀具及制备方法 | |
| CN211760238U (zh) | 测量工件车铣过程中切削温度的装置 | |
| CN104076265A (zh) | 一种快速测量半导体器件电学参数温度变化系数的方法和装置 | |
| CN109759900B (zh) | 适于含能材料切削加工的测温刀具 | |
| CN218067512U (zh) | 一种硬质合金刀具材料性能检测装置 | |
| CN111975454B (zh) | 一种使用薄膜热电阻测量刀具温度的结构与制备方法 | |
| JP2018084491A (ja) | 表面粗さ測定方法及び表面粗さ測定装置 | |
| CN110118894A (zh) | 功耗测量的方法及系统 | |
| CN102749148A (zh) | 一种薄膜电阻温度计的制作方法 | |
| CN203758634U (zh) | 温差电致冷组件冷面温度均匀性测试装置 | |
| Lloyd et al. | Measurements of thermal conductivity and specific heat of lead free solder | |
| CN114378640B (zh) | 一种车削过程工件温度和尺寸变化在线测量装置 | |
| CN110887876A (zh) | 碳纤维复合材料层合板雷击损伤的检测方法 | |
| CN112379166A (zh) | 一种加热元件电阻温度系数的快速测定装置及方法 | |
| CN109839405A (zh) | 曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法及相应装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |