切削温度是切削过程中影响切削质量的重要因素, 切削温度的上升将直接影响到工件的精度和加工的安全性[1]。因此对切削温度的实时监控和瞬态测量有着十分重要的作用。为了实时上述目标, 本文在传统切削温度测量技术的基础上结合MEMS进行了创新、利用磁控溅射法在刀具前刀面溅射Ni Cr-NiSi薄膜, 制成薄膜热电偶。由于薄膜热电偶具有很多优点, 如时间常数小、热容量小 (或热惯性小) 、反应速度快等[2], 因此能快速准确地测量出切削过程中每时每刻刀具温度的变化。

本文研究的主要内容是刀具切削时刀尖与切削接触区域的温度测量。薄膜热电偶的结构设计如图1所示, 热电偶由Al2O3氧化层、Al2O3绝缘层、Ni CrNi Si薄膜热电偶、Si3N4保护层组成[3]。为保证刀具基体与热电偶之间绝缘, 首先在刀具前刀面溅射一层厚度为3μm的Al2O3绝缘膜以达到高温绝缘要求, 接着分别使用Ni Cr、Ni Si靶材, 结合掩膜版溅射Ni Cr、Ni Si两电极, 最后溅射保护层Si3N4薄膜。薄膜电极线宽为2mm, 厚度为0.8μm, 长度为70mm。薄膜热电偶的热结点是微米级的薄膜, 其特点是所需热量小, 响应速度快。掩膜版使用厚度为0.2mm的不锈钢制作。图2为测温刀具的示意图。

在不同参数下, 利用FJL-560a型磁控与离子束复合溅射沉积系统制备薄膜。为确保刀具与热电偶之间绝缘, 首先采用直流溅射法在刀具前刀面镀多层Al2O3绝缘层, 溅射靶材为60mm×3mm的高纯Al (99.99%) 。溅射气体选择99.99%的Ar, 反应气体选择99.99%的O2, 采用直流磁控溅射法并结合掩膜版来溅射NiCr/NiSi热电偶。靶材选用Ni80Cr20、Ni97Si3合金靶材 (60mm×3mm) 。首先将NiCr正极沉积在绝缘层上, 然后换用Ni Si靶与正极相配套的掩膜来溅射Ni Si负极。采用直流磁控法镀多层Si3N4保护层, 靶材选用60mm×3mm的高纯度硅靶 (99.99%) , 溅射气体为99.99%的Ar, 反应气体为99.99%的N2, 其作用是保护薄膜电极不受外界因素的影响。薄膜溅射主要工作参数见表1。

利用XRD (X射线衍射仪) 测量薄膜成分。相角在0-100°、厚度为0.8μm的Ni Cr薄膜的X射线能谱如图3所示。由图可见, 衍射峰出现在 (111) (200) 处, 是典型的Ni Cr薄膜XRD能谱, 可见在原子堆积过程中, 薄膜成分未发生改变与靶材相同。利用HP34401A6半台式数字万用表测得电阻为310Ω, 其与理论值相差2.64%, 符合理论设计要求。利用SEM观测Ni Cr薄膜表面微观结构, 得到如图4所示的表面缺陷。由图可见, 表面形貌为针孔, 使得薄膜连续性变差, 不利于薄膜的整体性能, 但所测薄膜热电偶的整体电阻、表面质量、致密性等性能未受到较大影响。

图5为氧气流量在0.8sccm时, Al2O3薄膜XRD的X射线能谱。XRD图谱中出现馒头峰和大量的噪声, 显示为Al2O3的非特征图谱, 说明在常温和未退火状态下, 在持续通入反应气体的情况下, 沉积的Al2O3薄膜仍没有形成结晶, 最终薄膜结构是无定型非晶态[4]。图6为沉积的Al2O3薄膜, 在扫描电镜2K状态下得到的SEM表面形貌。由图可看出, 薄膜表面结构紧密, 分布均匀, 缺陷较少。利用四探针电阻率测试仪测得Al2O3薄膜电阻率达到3×1015Ω, 说明绝缘性好较好, 较符合设计要求。

铝合金7075作为一种冷处理锻压合金, 具有强度、硬度高、易于加工等优点。本文利用DEFORM-3D来研究嵌入式测温刀具切削过程中的温度变化规律, 应用SolidWorks三维建模软件对刀具结构进行建模, 随后导入到DEFORM-3D中进行切削加工仿真分析, 其切削加工模拟参数如表2和表3所示。

检查完成后生成.db格式, 完成切削的前处理过程。在模拟切削过程中, 工件固定, 刀具受到来自X向和Z向上的约束, 在Y向上以一定的速度进行正向运动, 其过程由计算机自动完成。计算过程时间比较长, 但切削动画可以根据需要随时查看。计算完成后, 所需结果都可以在后处理模块中分析得到。

本文分别选取100m/min、150m/min、200m/min、250m/min、300m/min和350m/min的切削速度进行模拟仿真, 每个模拟过程设定为300步, 每10步存储一次。通过对切削过程进行三维仿真, 可得到不同切削速度下切削过程中刀具和工件的温度分布。

图7为v=250m/min时, 第200步和第280步刀具和工件的温度分布图。由图分析得出: (1) 切削热主要集中分布在前刀面与切屑接触的区域, 其主要原因是切屑与刀具之间相互接触摩擦产生了较多的热量, 使得两者之间接触面的温度很快升高; (2) 刀具的温度分布主要集中在接近刀刃的部位, 同时切屑温度大幅高于刀具温度; (3) 塑性变形产生的热量绝大部分随切屑被带走, 只有少量残留在刀具和工件表面; (4) 在切削范围内, 垂直于剪切面方向的温度梯度很大, 工件的已加工表面距离切削刃较近的地方温度较高[5]。

应用DEFORM-3D仿真软件获得了不同步数下热结点温度随切削速度改变的变化规律。利用软件内部的点追踪功能, 查看并记录刀具在不同切削速度下, 分别在第30、70、110、150、190、230、270、300步, 距离刀刃位置0.21mm的热结点处的温度值, 结果见表4。利用得到的数据绘制如图8所示的温度随切削速度的变化趋势。由图分析可知: (1) 在60-250m/min, 热结点处温度随着切削速度的升高而上升, 在60-150m/min升高速率最快, 随后上升速率有所下降; (2) 在250-300m/min时, 热结点处温度开始呈现出下降的趋势; (3) 当超过300m/min时, 热结点处温度又有上升的趋势。

在研究刀具切削温度随切削时间的变化过程中, 在热结点处选取了P1、P2、P3三个点, 并对这三点处的温度做了跟踪分析, 得到这三个点温度随时间的变化曲线如图9所示。

在图中可以得到三点不同时刻的温度, 同时可以看到刀尖处靠近Ni Si薄膜处的切削温度上升速度较快, 比刀片的其余大部分区域的温度低很多, 说明切削过程中刀具上的温度最高点并不是刀具的刀尖部位, 而是在距离刀尖不远处的位置。由图9还可以看到, 随着切削的进行, 切削刚开始时刀具切削温度的上升速率较高, 随后上升速率有所下降, 但还是呈上升趋势。随着切削的进行, 切削温度达到一定值后将趋于稳定, 即此后的切削是一个稳态的切削过程。

(1) 本文设计了一种嵌入式Ni Cr/Ni Si薄膜热电偶测温刀具, 采用磁控溅射法制备并检测了Ni Cr薄膜、绝缘膜Al2O3的部分性能。测量显示Ni Cr薄膜整体电阻、电阻率等性能符合理论设计要求, 绝缘膜Al2O3表面缺陷较少, 绝缘性能良好。

(2) 运用DEFORM-3D三维仿真分析软件对刀具切削铝7075材料进行了仿真模拟, 得到了测温刀具热结点处的温度场分布规律及切削速度、切削时间对切削温度的影响。试验结果显示在离刀尖0.21mm靠近NiSi处产生的热量最高, 由此验证了选取在刀具前刀面刀尖处制作薄膜热电偶热结点的可行性。