论文题目: 化爆材料动态切削温度的薄膜热电偶测量原理及传感器研制
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械制造及其自动化
作者: 曾其勇
导师: 孙宝元
关键词: 切削温度,薄膜热电偶,半人工热电偶磁控溅射,离子镀,标定,切削实验,化爆材料
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本课题来源于中国工程物理研究院重大基金资助项目（No.2001Z0301）:炸药件机械加工及仿真技术研究。本文主要研究其中化爆材料（炸药件）动态切削温度与切削力测试系统部分。研制的分刀片式半人工热电偶及薄膜热电偶两套动态测温测力系统均已经通过使用单位的验收并投入使用。 切削化爆材料过程中,由于化爆材料的不均匀性,其内部随机分布硬质点,当切到某个硬质点时,或由于切削变形和振动等原因,会突然产生大量的切削热而使工件出现瞬时高温脉冲,当这一瞬时高温超出一定的范围时,会引爆工件而发生重大恶性事故。因此快速而准确地测量化爆材料的动态切削温度对国防军工部门的安全、高效生产有重大的意义。 切削温度测量广泛使用的是自然热电偶法。但当被加工材料是非金属时,就不能用自然热电偶法测量切削温度。也不宜采用在刀具内埋置人工热电偶的方法,因为埋置热电偶时,热电偶接点与刀尖多少有些距离,而刀尖处的温度梯度较大,因而不能直接测量工件的温度。由于切削化爆材料时要加冷却液,因此也不适合采用非接触的红外测温法。针对化爆材料切削的特点,本文研制出了一种将切削与测温功能集成于一体的新型分刀片式半人工热电偶及薄膜式热电偶快速温度传感器,在切削化爆材料的同时可以进行动态切削温度的测量。主要研究内容具体包括: （1） 镍铬-高速钢（NiCr-HSS）分刀片式半人工热电偶测温刀头的结构设计、加工制作与安装;在测温范围0℃～600℃内静态标定半人工热电偶,得出热电偶的灵敏度不低于S=12.9μV/℃,满量程非线性误差小于0.3%;采用快速投掷法动态标定了半人工热电偶,根据其阶跃响应曲线计算出其时间常数τ为12.5ms。 （2） 研制LC-EX-03 Ⅰ型半人工热电偶冷端温度补偿与输出信号放大处理器;设计化爆材料动态切削温度与切削力测试系统,引入相位超前校正网络后整个测试系统的时间常数τ减小到1.94ms;分析得到测试系统的相对测温误差小于2.13%,重复性误差在1%以内。 （3） 采用微波电子回旋加速共振产生等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射技术首次成功在W18Cr4V高速钢基底上沉积绝缘性能良好、致密均匀、具有正确化学配比的SiO2薄膜。通过大量的实验得出制备SiO2薄膜的最佳工艺参数。 （4） 对制备的SiO2薄膜做了成分分析、三维形貌和二维形貌分析,并测量了SiO2薄膜的绝缘电阻、与高速钢基底的附着力、摩擦磨损性能及膜厚等。 （5） 详述了薄膜热电偶的测温原理及薄膜尺寸效应;NiCr-NiSi薄膜热电偶测温刀头的结构设计、加工制作与安装;采用多弧离子镀方法在镀有绝缘膜的高速钢基体上制备NiCr、NiSi热电偶薄膜,并分析了薄膜成分;在测温范围0℃～600℃内静态标定薄膜热电偶,得出薄膜热电偶的灵敏度为S=20.9μV/℃,满量程非线性误差小于0.32%。 （6） 建立薄膜热电偶理论传热学模型,推导出薄膜热电偶本身的时间常数τ。化爆材料动态切削温度的薄膜热电偶测t原理及传感器研制 （7）研制出抗干扰性能更好的LC一Ex一03n型冷端温度补偿及调理器;用可调Q值的激光脉冲方法动态标定了整个薄膜热电偶测温系统的响应时间,测得的系统时间常数:为o.sms;分析得到测试系统的相对测温误差小于1.19%,重复性误差在1%以内。 （8）初步探索用微波电子回旋加速共振产生等离子体源增强射频非平衡磁控溅射技术制备NICr--NISi热电偶薄膜。 （9）分刀片式半人工热电偶及薄膜热电偶测温刀头用于温度脉冲捕捉模拟切削实验、化爆材料的正交切削实验、不同刀具参数的单因素对比切削实验。实验结果表明,影响化爆材料切削温度最主要的因素是切削速度,其次是切削深度,再次是进给量;增大刀具前角、刀尖角,减小刀具主偏角有益于降低化爆材料的切削温度。 （10）分刀片式半人工热电偶与薄膜热电偶测温刀头用于现场化爆材料的切削,整个动态切削温度与切削力测试系统运行良好。关键词:切削温度;薄膜热电偶:半人工热电偶;磁控溅射;离子镀;标定;切削实验; 化爆材料
论文目录:
摘要
Abstract
1 绪论
1．1 论文选题背景及其研究意义
1．2 主要切削温度测量技术简介
1．2．1 自然热电偶法
1．2．2 人工热电偶法
1．2．3 半人工热电偶法
1．2．4 薄膜热电偶法
1．2．5 红外辐射测温法
1．2．6 其它切削温度测量方法
1．3 溅射沉积薄膜技术简介
1．3．1 溅射现象
1．3．2 典型溅射沉积方法
1．3．3 反应溅射
1．3．4 偏压溅射
1．3．5 微波ECR等离子体源增强溅射
1．4 本文研究的主要内容及组织结构
1．4．1 本文研究的主要内容
1．4．2 本文的组织结构
2 分刀片式半人工热电偶测温传感器
2．1 分刀片式半人工热电偶测温刀头结构设计与制作
2．2 分刀片式半人工热电偶静态标定与动态标定
2．2．1 静态特性标定
2．2．2 动态特性标定
2．3 分刀片式半人工热电偶冷端温度补偿与信号调理器
2．3．1 直流稳压电流模块
2．3．2 放大电路模块
2．3．3 冷端温度补偿模块
2．3．4 超前校正网络模块
2．4 动态切削温度与切削力测试系统
2．4．1 测试系统的组成
2．4．2 测试系统的安装
2．4．3 测试系统的软件设计
2．5 动态测温精度分析
2．6 本章小结
3 二氧化硅绝缘膜沉积
3．1 二氧化硅膜沉积方法
3．1．1 磁控溅射
3．1．2 化学气相沉积
3．1．3 其它二氧化硅膜制备方法
3．2 双放电腔MW-ECR射频反应磁控溅射沉积SiO_2绝缘膜
3．2．1 双放电腔MW-ECR射频反应非平衡磁控溅射原理
3．2．2 放电腔MW-ECR射频反应非平衡磁控溅射特点
3．2．3 磁控溅射靶放电特性
3．3 二氧化硅膜溅射沉积过程及工艺条件
3．3．1 二氧化硅膜溅射沉积过程
3．3．2 二氧化硅膜溅射工艺条件
3．4 二氧化硅膜的性能测试
3．4．1 薄膜成份分析
3．4．2 薄膜结构分析
3．4．3 薄膜电性能分析
3．4．4 薄膜摩擦磨损分析
3．4．5 薄膜附着力测试
3．4．6 膜厚测试
3．5 本章小结
4 分刀片式薄膜热电偶测温传感器
4．1 薄膜热电偶测温原理及薄膜尺寸效应
4．1．1 薄膜的电学性质及电子输运理论
4．1．2 连续薄膜电导率的计算
4．1．3 薄膜热电偶热电势率
4．2 分刀片式薄膜热电偶测温刀头结构设计与制作
4．2．1 分刀片式薄膜热电偶测温刀头结构设计
4．2．2 多弧离子镀制备NiCr-NiSi薄膜
4．2．3 NiCr-NiSi薄膜的成份
4．2．4 分刀片式薄膜热电偶测温刀头的安装
4．3 薄膜热电偶的静态标定
4．4 薄膜热电偶传热学模型及动态特性理论分析
4．5 薄膜热电偶测温系统的动态标定
4．5．1 薄膜热电偶常用的动态标定方法
4．5．2 薄膜热电偶测温系统的动态标定
4．6 薄膜热电偶冷端温度补偿与信号调理电路设计
4．7 薄膜热电偶动态测温系统软件
4．8 动态测温精度分析
4．9 NiCr-NiSi薄膜热电偶的磁控溅射制备方法
4．10 本章小结
5 模拟切削与现场切削实验
5．1 瞬态温度脉冲捕捉模拟切削实验
5．1．1 实验条件
5．1．2 实验结果
5．2 化爆模拟材料切削实验
5．2．1 正交切削实验
5．2．2 测温刀头对比切削实验
5．3 现场切削实验
5．4 本章小结
6 总结与展望
参考文献
论文创新点摘要
作者已发表论文
附录
致谢
发布时间: 2005-07-04
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