【機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對照文獻(xiàn)翻譯】NiCrNiSi 薄膜熱電偶測溫刀具傳感器動態(tài)標(biāo)定【PDF英文6頁word中文翻譯3718字9頁】【有出處】
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NiCr/NiSi 薄膜熱電偶測溫刀具傳感器動態(tài)標(biāo)定
摘要:目前高速切削加工中的溫度測量方法主要采用自然熱電偶、人工熱電偶和紅外輻射測溫等方法,這些測量方法受到響應(yīng)速度、切削條件的限制,很難對切削區(qū)的瞬態(tài)變化溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量。為解決上述問題,針對高速加工中切削區(qū)溫度的特點(diǎn),采用雙放電控微波等離子體增強(qiáng)非平衡磁控濺射方法,制NiCr/NiSi薄膜熱電偶以測定瞬態(tài)切削溫度。構(gòu)建以Ultra-CFR 短脈沖激光器作為激勵熱源的動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng),測試在4種采樣頻率下,不同熱接點(diǎn)寬度時薄膜熱電偶的時間常數(shù),并建立一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型,對薄膜熱電偶動態(tài)性能進(jìn)行理論分析。分析結(jié)果表明,所研制的NiCr/NiSi薄膜熱電偶能夠比較準(zhǔn)確地測量瞬態(tài)變化的切削溫度,減小鍍膜層的厚度可明顯提高薄膜熱電偶的響應(yīng)速度,熱接點(diǎn)面積對動態(tài)響應(yīng)時間的影響很小。采用所建動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,采樣頻率大于50 kHz可獲得穩(wěn)定的響應(yīng)時間,實(shí)測動態(tài)響應(yīng)時間最小為0.042 ms。所作研究發(fā)展和完善了切削加工中切削熱和切削溫度的測量方法與裝置,為高速加工科研和生產(chǎn)中監(jiān)控切削熱源和切削溫度提供了切實(shí)可行的方法和手段。
關(guān)鍵詞:薄膜熱電偶,切削溫度傳感器,動態(tài)標(biāo)定,一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)響應(yīng)時間
1簡介
在高速切削,95%的切削熱將發(fā)送到芯片,這將會使接口融化與前刀面接觸,并會形成一層極薄的液膜。工件上的芯片將會瞬間切斷,這不是傳統(tǒng)的塑性變形,所以它非常重要并且很準(zhǔn)確測量的測量出切削區(qū)的溫度。薄膜熱電偶(TFTCs)是瞬態(tài)測量溫度的先進(jìn)的傳感器和常規(guī)的熱電偶的測量原理相同。由于熱容量小,響應(yīng)速度快,TFTCs可以的準(zhǔn)確測量出瞬態(tài)溫度。動態(tài)校準(zhǔn)的TFTCs是用來測量溫度信號與溫度傳感器的響應(yīng)過程。有三種動態(tài)校準(zhǔn)方法來校準(zhǔn)普通熱電偶: 階躍響應(yīng),脈沖響應(yīng)和斜坡響應(yīng)。這些方法都考慮作為一階慣性動態(tài)校準(zhǔn)的熱電偶循環(huán)。動態(tài)響應(yīng)時間校準(zhǔn)動態(tài)校準(zhǔn)曲線將出現(xiàn)較大的誤差而它是由普通的校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)。目前,更先進(jìn)的方法基本上都是基于為動態(tài)時間TFTCs的激光動態(tài)校正。蔡等人,采用K型薄膜熱電偶分散各地的激光路徑來觀察這些轉(zhuǎn)換激光焊接能量,以監(jiān)測分布在激光焊接過程中的能量。楊?采用連續(xù)的二氧化碳激光器和摻釹玻璃脈沖激光的靜態(tài)和動態(tài)的激勵熱源來校準(zhǔn)測量瞬態(tài)高溫傳感器,借鑒他們的前輩,使用激光加熱TFTCs動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過靜態(tài)和動態(tài)整合。由于系統(tǒng)化熱輻射系數(shù)和位置運(yùn)動的差異所產(chǎn)生的錯誤而被淘汰。除了采用激光動態(tài)來校正TFTCs的熱源,其他熱設(shè)備產(chǎn)生瞬態(tài)溫度上升也可用于系統(tǒng)中的激勵動態(tài)熱。錢等人進(jìn)行一定量的研究工作,使用作為熱源加熱電路的動態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。在這項(xiàng)研究中,首先測量其成分和介紹了制造TFTCs電子探針。然后,動態(tài)性能TFTCs的研究需要結(jié)合計(jì)算與測量。TFTCs的時間組合了不同的熱結(jié)片,在不同的采樣頻率下測量。最后,最短的響應(yīng)時間就得到了。
2 鎳鉻/鎳硅薄膜的制備
鎳鉻/鎳硅是一種廣泛使用的廉價金屬熱電偶材料。長期使用,最高溫度可達(dá)到900℃,短期使用最高溫度可達(dá)到1200℃??寡趸芰湍透g本熱電偶材料熱電的屬性,線性好,靈敏度高等。在此,被選為鎳鉻/鎳硅薄膜電極材料能滿足切割要求的溫度。
有幾種方法可用于制備鎳鉻/鎳硅薄膜材料,例如,真空蒸發(fā),濺射沉積,離子鍍法。鎳鉻/鎳硅薄膜材料由更先進(jìn)的手段,從而微波電子回旋共振(MW-ECR)離子源增強(qiáng)射頻(RF)非平衡磁控濺射技術(shù)。不考慮合金成分的增加所造成的擴(kuò)散溫度和目標(biāo)上的再蒸發(fā)濺射薄膜基板,可以得到,其組件是相同的目標(biāo)。鎳鉻/鎳硅薄膜的組成電子探針測量顯示表1。
表1. 薄膜組成的比較和目標(biāo)
元件
鎳鉻
硅化鎳
鎳
鉻
鎳
硅
目標(biāo)
88.93%
9.50%
95.15%
2.50%
薄膜
88.95%
9.38%
95.29%
2.47%
圖1和圖2分別顯示掃描電子顯微鏡(SEM)照片和原子力顯微鏡(AFM)圖像鎳鉻/鎳硅薄膜。由圖1知,它可以是可見,鎳鉻/鎳硅薄膜的致密是均勻的和連續(xù)性是好的。
由圖2知可以看出,比鎳鉻薄膜的NiSi薄膜表面更光滑。鎳鉻薄膜的平均粗糙度是4.84納米,NiSi薄膜平均粗糙度為0.33納米。從上述結(jié)果可以看出,該合金復(fù)合材料的元素鎳鉻/鎳硅薄膜更接近于目標(biāo)。它們緊湊均勻,光滑,連續(xù)性好,符合制造要求。
圖1. 鎳鉻/鎳硅薄膜表面的SEM照片
圖2. 鎳鉻/鎳硅薄膜表面的照片
3 動態(tài)的理論分析性能
TFTCs的表面上沉積的高速鋼基材涂上了二氧化硅絕緣膜。由于基質(zhì)的厚度很厚,故是非常大的薄膜,它在一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程可以被視為半無限。二氧化硅導(dǎo)熱系數(shù)低。因?yàn)槎鄬颖∧さ暮穸缺孺囥t/鎳硅小得多,所以二氧化硅的影響可以忽略不計(jì)。我們認(rèn)為,物理材料性能不隨溫度變化,因?yàn)闇囟葌鞲衅鞯纳舷逌囟缺缺∧ず突宓娜刍瘻囟鹊偷枚?。熱傳輸是沿x方向(由假設(shè)沿垂直方向即面向矩陣),如圖3所示。
圖3 熱傳導(dǎo)模型
假設(shè)薄膜表面生成溫度步驟,F(xiàn)(T)=θ小號?等于一個常數(shù),鎳鉻/鎳硅薄膜的分布函數(shù)是θ1(X,T),我們可以獲取
(1)
其中θ1(δ,t)的溫度分布函數(shù),
θS-步驟的溫度信號,
?erfc(?)-互補(bǔ)誤差函數(shù),
δ-鎳鉻薄膜的厚度,
T-熱傳輸時間,
α1-鎳鉻薄膜熱擴(kuò)散系數(shù),
?K -相關(guān)系數(shù)。
當(dāng)t =τ,θ1(δ,τ)=0.632θs我們代入式(1)
可以獲取以下信息:
(2)
其中erfc(?) - 高斯誤差函數(shù),
τ時間常數(shù)。
當(dāng)x較小,互補(bǔ)誤差函數(shù)是接近
線性的,erfc(3)≈3 erfc(x),式(2)可以簡化為
(3)
(4)
其中 α2 —熱擴(kuò)散系數(shù)矩陣,λ1, λ2 —薄膜和基體的導(dǎo)熱系數(shù),此外,
(5)
當(dāng)把α1, α 2, λ1, λ4代入方程(4),K=0.912,K, α1, δ代入方程(3),我們可以得到膜傳感器的時間常數(shù)T等于是32.011ns,如圖表2。
表2. 不同厚度的薄膜材料的響應(yīng)時間
參數(shù)
樣例1
樣例2
厚度δ/μm
2.89
3.78
導(dǎo)熱系數(shù)λ1/(cal * cm * s * K)
0.04842
0.04842
反映時間τ/ns
32.011
152.606
它從上述結(jié)果可以得出結(jié)論,影響薄膜的時間常數(shù)τ的主要因素是熱擴(kuò)散系數(shù),熱導(dǎo)率和薄膜厚度薄膜材料。此外,時間常數(shù)τ熱結(jié)的厚度δ成正比?!氨∧犭娕嫉捻憫?yīng)速度可以明顯改善并降低了薄膜的厚度。
4. 動態(tài)響應(yīng)時間的測量及結(jié)果分析
為了研究磨損的TFTCs對時間常數(shù)的影響,一系列的熱結(jié)去被準(zhǔn)備。有些區(qū)域是1.0毫米×2.5毫米,0.8毫米×2.5毫米,0.5毫米×2.5毫米,0.3毫米×2.5毫米。一系列TFTCs如圖4。
圖4 一系列的TFTCs
4.1 TFTCs動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)方案
在本文中,超CFR超短脈沖激光已經(jīng)用來作為激勵熱源。激光參數(shù)如下:重復(fù)頻率1-20千赫,脈沖持續(xù)時間為固定為8 ns,激光的能量為0.1-0.5兆焦耳,重復(fù)頻率設(shè)置為10千赫。為了更可能使溫度曲線更明顯,那么要選擇能量越高越好。據(jù)實(shí)驗(yàn),0.3兆焦耳被選為參數(shù)激光獎勵熱源。其測試原理是如圖5。
圖5 計(jì)劃的動態(tài)溫度校準(zhǔn)測量的TFTCs
輸出的激光被薄膜熱電偶傳感器,用精密放大器電路使信號擴(kuò)增到1000倍,熱傳感器出口聚集的電勢信號被DT9800采集。為了確保動態(tài)特性的準(zhǔn)確性測試,傳感器和測試系統(tǒng)應(yīng)接地,以減少對信號調(diào)理電路和記錄儀器所造成的干擾,和對激光電源及其它電磁設(shè)備的干擾。
4.2 薄膜的動態(tài)響應(yīng)時間的測量熱電偶在不同的熱交界處的寬度。
已使用超CFR短脈沖激光,脈沖寬度為8 ns,重復(fù)頻率為1赫茲激光器能量為0.3兆焦耳。數(shù)據(jù)收集由DT9800采集卡,時間常數(shù)測量熱交界處的寬度分別為0.3,0.5,0.8,1.0毫米。在1赫茲重復(fù)頻率響應(yīng)曲線100 kHz的采樣頻率,如圖6。不同寬度的熱時間常數(shù)曲線如圖交界處。從圖7,可以看出,當(dāng)熱接觸面積減少到3.3倍,響應(yīng)時間的差異很小。熱容量影響的主要因素是線薄膜熱電偶,這是熱電偶響應(yīng)時間通過乘以面積薄膜的厚度。
圖6 脈沖響應(yīng)曲線
熱容量是影響的線薄膜熱電偶響應(yīng)時間的最主要因素,這是響應(yīng)時間通過熱電偶的厚乘以薄膜的面積,TFTCs的厚度和面積影響響應(yīng)時間的主要因素。從傳熱模型的公式可以推斷:當(dāng)改變了3倍甚至30倍,宏觀上并沒有改變,因?yàn)楸∧さ暮穸缺绕湫K改變了10-5到10-3倍??傊?,薄膜的厚度是影響響應(yīng)時間的最重要因素。
圖7 時間常數(shù)曲線的四個TFTCs
4.3 在不同的采樣頻率熱電偶,薄膜的動態(tài)響應(yīng)時間的測量
當(dāng)采樣頻率為10千赫,50千赫,100千赫在相同的測試條件,熱結(jié)寬度為0.5毫米和時間常數(shù)分別0.224毫秒,0.126 ms和0.095毫秒。響應(yīng)時間和采樣頻率的關(guān)系如圖8。動態(tài)重新響應(yīng)時間應(yīng)在降低采樣頻率在10 kHz至50 kHz范圍內(nèi)。測試系統(tǒng)的時間采樣頻率應(yīng)大于50千赫,以獲得穩(wěn)定的測試結(jié)果。
圖8 響應(yīng)時間的關(guān)系和采樣頻率
4.4 偏差分析
時間常數(shù)的計(jì)算值和測量值之間有很大的區(qū)別,主要的原因可能是總結(jié)如下。
(1)上的TFTCs表面激光是一個極其復(fù)雜的過程,當(dāng)薄膜的動態(tài)特性;熱電偶被視為一階慣性環(huán)節(jié),時間不斷的精度是由輸出曲線估算的。
(2)在本研究中,影響鎳鉻薄的溫度傳輸已展開調(diào)查,而二氧化硅的影響被忽略計(jì)算。導(dǎo)熱薄膜所取代了塊,從而影響計(jì)算值小于測量值。
(3)薄膜電極是合金材料,熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)隨著物質(zhì)組成的變化,電極的組成是一個重要的影響因素常數(shù)。
(4)激光調(diào)制不把不斷減少動態(tài)響應(yīng)時間的錯誤考慮在內(nèi)。測試的準(zhǔn)確性能夠通過增加能量的碰撞和減少激光脈沖的寬度而提高。
5結(jié)論
(1)刀具的測量傳感器的時間常數(shù)通過更加先進(jìn)的MW-ECR 等離子體源增強(qiáng)非平衡磁控濺射反應(yīng)技術(shù),可以達(dá)到微妙的精度,這是適合測量瞬態(tài)溫度迅速變化的。由此可以得出結(jié)論,這種傳感器的熱結(jié)面積對動態(tài)響應(yīng)時間影響不大。
(2)可以學(xué)到的計(jì)算結(jié)果,當(dāng)時常數(shù)τ是成正比的厚度δ熱交界處,薄膜熱電偶的響應(yīng)速度被減少的厚度明顯改善薄膜。
(3)動態(tài)響應(yīng)時間測量系統(tǒng)超CFR短脈沖激光的方式構(gòu)造和激光脈沖寬度為8 ns。采樣頻率達(dá)到100千赫。最短響應(yīng)時間的測試0.042毫秒。
(4)抽樣頻率應(yīng)大于50千赫測量時,動態(tài)響應(yīng)時間需通過短脈沖測量。
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