CN109759900A - 适于含能材料切削加工的测温刀具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适于含能材料切削加工的测温刀具，包括标准刀片，金刚石刀头，测温仪和直流电源，所述标准刀片的刀尖部位安装有金刚石刀头，所述金刚石刀头上设有热电阻及热电偶，所述测温仪和直流电源分别与热电阻及热电偶逻辑连接。本发明立足含能材料现有成熟机械加工工艺，具有行业标准接口可与目前通用加工设备配合使用，无需外加危险源引入，能够在特种条件下对含能材料切削温度进行精确、快速测量，十分有利于PBX含能材料零件加工安全技术研究；同时，单晶金刚石刀具的优良切削性能对提升PBX复合材料的表面加工质量也很有益，这些都为实现此类工件的安全、优质和高效加工技术发展提供了新途径。
Description
技术领域
本发明涉及含能材料机械加工技术领域，尤其涉及适于含能材料切削加工的测温刀具。
背景技术
高能***PBX(Polymer Bonded Explosives，高聚物粘结***)是一种综合性能优良的含能材料，作为各类重要战斗部的核心功能部件材料，广泛应用于陆、海、空和二炮各类武器***之中。随着武器装备***的快速发展，多种含能材料部件的精密机械加工需求也与日俱增，而机械加工安全性一直都是限制其工艺技术发展的关键。在含能材料工件切削加工过程中，由于粘结PBX材料的含能晶体粒度的不均匀性，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含能材料加工时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。此外，该材料因刚度和强度较低，热膨胀系数大，并具有一定的粘弹性，是一种非常特殊的非均质宏观同性微观各向异性的复合材料，仅采用传统刀具(高速钢、硬质合金等)完成产品精密加工的质量控制，仍然具有一定难度。鉴于此，针对含能材料机械加工需求，开发一款既能快速精确测量切削温度又能有效改善产品加工质量的专用刀具***将十分有益。
目前，国内外广泛采用的切削温度测量方法主要有自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶法、金相组织观察法和光热辐射测温法等。对于含能材料切削而言，常用的切削温度测量方法由于受到传感器响应速度和切削条件等的限制，难以实现切削区瞬态温度的实时和准确测量。针对这一技术难题，大连理工大学的研究者们基于磁控溅射技术将薄膜热电偶集成于切削刀具中，研制了一种NiCr/NiSi薄膜热电偶测温刀具，可实现切削区瞬态温度测量，但成本高、技术复杂。2018年美国PANTEX厂和德克萨斯州立大学的研究者们，通过红外热像测温法和刀具梯度集成热电偶的方式完成了PBX9501含能材料的动态测温工作，所用测温刀具结构设计复杂且难以准确表征切削刃口区域的温升。同时，公开号为CN104942318B的中国专利公开了一种智能瞬态切削测温刀具、制作方法以及测温方法，在刀具表面涂镀薄膜热电偶并集成现场温度采集终端，用于实时采集切削温度数据，但其测温准确性受制于刀具基体，难以获得切削最高温度；公开号为CN105458312B的中国专利公开了一种微织构封装测温刀具，解决现有测温刀具传感器易发生磨损、脱落失效、降低刀具切削性能的问题，该发明结构简单、制作封装工艺易控制、具有较高的精度和较快的测温响应，对测温薄膜传感器进行有效保护的同时，不影响切削刀具的切削性能；公开号为CN106975984A的中国专利公开了一种基于薄膜热电偶的智能瞬态铣削测温刀具，通过采用先进的薄膜热电偶瞬态测温方法，结合自行设计的温度采集模块，实现温度数据的自动采集、自动处理、自动存储以及无线传输，适用于高速切削、薄壁件以及精密和超精密加工，具有响应速度快、测量精度高等优点，但结构复杂、成本较高，且***可靠性有待提升。
因此，现有技术和发明报道对于解决含能材料机械加工中的精确测温问题仍存在以下不足：1)刀具接触式测温传感器集成形式不一，结构复杂，难于准确标定和重复制造；2)集成测温刀具响应速度和测量精度有待提升，特别是切削刃口部位温升区的准确测量；3)集成测温刀具的刀片质量不一，难于量化测算，且并非适用含能材料加工质量控制而设计。有关含能材料机械加工设备改进和新型技术的应用问题，现有各方面限制均存在着不同程度的推广难度。因此，立足含能材料现有成熟加工技术，设计研发一套安全可靠、简易实用、测量准确、响应迅速的测温刀具***对解决该材料生产中的实际问题十分必要。
发明内容
针对上述的诸多问题，本发明提出了适于含能材料切削加工的测温刀具及测试方法，能显著改善实验测温条件和数据准确性，提升PBX含能材料加工安全防控测试技术能力。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
适于含能材料切削加工的测温刀具，包括标准刀片，金刚石刀头，测温仪和直流电源，所述标准刀片的刀尖部位安装有金刚石刀头，所述金刚石刀头上设有热电阻及热电偶，所述测温仪和直流电源分别与热电阻及热电偶逻辑连接。
进一步的方案为，所述金刚石刀头由单晶金刚石刃磨而成，刃口锋锐度小于50nm，刀尖圆弧半径大于200μm。
进一步的方案为，所述金刚石刀头的切削刃口刀尖处粘接设有热电阻，所述热电阻的一端引脚通过导线连接至测温仪和直流电源的共用接地端C节点，其另一端引脚通过导线与开关节点D可靠连接；所述金刚石刀头前刀面上开设有微槽，微槽内部通过密封胶对称封装有热电偶I；所述金刚石刀头的前刀面、后刀面上适合测量的位置粘贴设有热电偶II、热电偶III；不同安装形态热电偶通过导线实现与测温仪正负极的逻辑连接。
进一步的方案为，所述热电阻可无损拆除和重复使用，可互换误差为±0.2℃，工作范围为-80℃至150℃，其连接方式为二线制或多线制。
进一步的方案为，所述测温仪具有至少8个高速通道，能够同时满足热电偶I 23、热电偶II、热电偶III和热电阻的采样测试要求；所述直流电源可与测温仪集成测试，其稳定输出电流值能够无极可调，且不小于300mA。
进一步的方案为，所述金刚石刀头前刀面开设热电偶I封装用微槽采用超快激光加工方法制备，槽深300μm、槽宽400μm，所述密封胶为OMEGABOND粘接剂。
进一步的方案为，所述热电偶I、热电偶II、热电偶III具有毫秒级响应时间且热惰性极低，最高测量温度大于300℃，测量误差小于±0.5℃，其箔片厚约0.013mm，导线直径小于0.25mm。
在使用之前需要对其进行标定，本发明另一方面提供上述的适于含能材料切削加工的精确测温刀具的标定方法，标定步骤如下：a按照设计要求完成测温刀具制作和测试电路连接，且各测温器件均已精确标定；b在测试条件下，启动测温仪和直流电源，热机平稳后，先将单刀开关节点A和D闭合，连通直流电源，实现热电阻瞬间加热升温，且确保各测温器件均有效工作；c一段时间后数秒，迅速将单刀开关节点B与D闭合，断开直流电源同时连通测温仪，实现热电阻和热电偶I、热电偶II、热电偶III的精确瞬态测温；d采用测温仪连续、同步记录热电阻和热电偶I、热电偶II、热电偶III的实时测温数据；e多次重复前述步骤，完成测温刀具的不同刃口温度标定，并关联热电偶I、热电偶II、热电偶III的测试数据，断开***电路。
本发明再一方面提供上述的适于含能材料切削加工的精确测温刀具的测试方法，其特征在于，所述精确测温刀具测试步骤如下：a无损拆除金刚石刀头刀尖处的热电阻，完成已标定测温刀具刃口清理和电路检查；b根据实际加工工况，将金刚石刀头上热电偶I、热电偶II、热电偶III与测温仪可靠连接，并将标准刀片安装置切削机床之上；c按照实验要求，开启测温仪，进行精确实时的切削温度监测和记录。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的简易、便携式测温刀具及方法，适于含能材料切削加工中刀具刃口温升的准确、快速测量，为含能材料切削热响应机理的研究提供了可靠数据支撑，具有提升含能材料机械加工本质化安全水平和此类产品表面加工质量的显著特征。该发明具有结构简单，响应迅速，测量准确，使用方便，成本低廉，易与各类机床集成使用且技术拓展性强等优势。
(2)本发明利用焦耳电热效应和塞贝克热电测温原理，将热电阻的自加热和测温功用依托逻辑电路控制同步实现；通过合理的结构设计与测温方式的空间分离(标定与使用)，将导热性优良的单晶金刚石刀具与箔片热电偶进行集成设计和统一标定，进而建立刀具刃口温升与测温传感器的映射关系，能够实现对切削刀具刃口处的毫秒级响应和在线精确测温。
(3)本发明立足含能材料现有成熟机械加工工艺，具有行业标准接口可与目前通用加工设备配合使用，无需外加危险源(热、电、力源)引入，能够在特种条件下对含能材料切削温度进行精确、快速测量，十分有利于PBX含能材料零件加工安全技术研究；同时，单晶金刚石刀具的优良切削性能对提升PBX复合材料的表面加工质量也很有益，这些都为实现此类工件的安全、优质和高效加工技术发展提供了新途径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的适于含能材料切削加工精确测温刀具的总体结构和标定方法示意图。
图2为本发明的适于含能材料切削加工精确测温刀具的等轴侧视图及刀头局部放大视图，示出标定时刀头状态。
图3为本发明的适于含能材料切削加工精确测温刀具的等轴侧视图及刀头局部放大视图，示出切削时刀头状态。
如图所示，其中对应的附图标记名称为：
1标准刀片，2金刚石刀头，21热电阻，22密封胶，23热电偶I，24热电偶II，25热电偶III，3测温仪，4直流电源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1-3所示，本发明的适于含能材料切削加工的测温刀具，包括标准刀片1，金刚石刀头2，测温仪3和直流电源4，所述标准刀片1的刀尖部位安装有金刚石刀头2，所述金刚石刀头2上设有热电阻及热电偶，所述测温仪3和直流电源4分别与热电阻及热电偶逻辑连接。
本实施例中，所述金刚石刀头2由单晶金刚石刃磨而成，刃口锋锐度小于50nm，刀尖圆弧半径大于200μm。
本实施例中，所述金刚石刀头2的切削刃口刀尖处粘接设有热电阻21，所述热电阻21的一端引脚通过导线连接至测温仪3和直流电源4的共用接地端C节点，其另一端引脚通过导线与开关节点D可靠连接；所述金刚石刀头2前刀面上开设有微槽，微槽内部通过密封胶22对称封装有热电偶I 23；所述金刚石刀头2的前刀面、后刀面上适合测量的位置粘贴设有热电偶II 24、热电偶III25；不同安装形态热电偶通过导线实现与测温仪正负极的逻辑连接。
本实施例中，所述热电阻21可无损拆除和重复使用，可互换误差为±0.2℃，工作范围为-80℃至150℃，其连接方式为二线制或多线制。
本实施例中，所述测温仪3具有至少8个高速通道，能够同时满足热电偶I 23、热电偶II 24、热电偶III25和热电阻21的采样测试要求；所述直流电源4可与测温仪3集成测试，其稳定输出电流值能够无极可调，且不小于300mA。
本实施例中，所述金刚石刀头2前刀面开设热电偶I 23封装用微槽采用超快激光加工方法制备，槽深300μm、槽宽400μm，所述密封胶22为OMEGABOND粘接剂。
本实施例中，所述热电偶I 23、热电偶II 24、热电偶III25具有毫秒级响应时间且热惰性极低，最高测量温度大于300℃，测量误差小于±0.5℃，其箔片厚约0.013mm，导线直径小于0.25mm。
具体的，本发明基于焦耳电热效应和塞贝克热电测温原理，将导热性优良的单晶金刚石刀具与箔片热电偶进行集成设计和统一标定，公开一种适于含能材料切削加工的精确测温刀具，它包括标准刀片，金刚石刀头，测温仪和直流电源。所述标准刀片基体应满足行业设计标准，具备通用压紧定位孔可在含能材料加工机床上自由装配，所用材质一般为硬质合金，可以利用特殊焊接工艺在其刀尖部位安装金刚石刀头；所述金刚石刀头内部及表面的特定位置设置测温及加热传感器，所述测温仪和直流电源分别与测试传感器进行逻辑连接，利用刀具刃口热电阻的自加热和测温功能转换，配合金刚石刀头上集成的箔片热电偶进行测温，实现刀具整体的精确标定和测温功用。
为了确保本发明的使用性能和***可靠性，对其关键功能器件和重要设计参数进行优选设计，如图1和图2所示，本实施例中优选的实施方式为，所述金刚石刀头由单晶金刚石精密刃磨而成，优选天然单晶材料，其刃口锋锐度小于50nm，刀尖圆弧半径大于200μm，具有高导热率(k＝1000W/m/℃)的一致性，可通过理论和仿真精确测算其传热规律，本实施例中可以将其视作为测温热电偶传感器的待标定部分；所述金刚石刀头的切削刃口刀尖处粘接有热电阻，所述热电阻的一端引脚通过导线连接至测温仪和直流电源的共用接地端C节点，其另一端引脚通过导线与开关节点D可靠连接，能够实现电阻加热和快速测温功能的便捷切换。所述金刚石刀头前刀面上的特定位置开设有微槽，采用专用密封胶将热电偶I对称封装至微槽内部；所述金刚石刀头前刀面或后刀面上适合测量的特定位置粘贴有热电偶II和热电偶III，所述的不同安装形态热电偶通过导线实现与测温仪正负极的对应连接；本实施例仅示出热电偶的典型安装方式，也可根据不同切削工况进行调整，如钻、铣削加工中刀片热电偶粘贴后电滑环引入；所述热电阻可无损拆除和重复使用，可互换误差为±0.2℃，工作范围：-80℃至150℃，其连接方式可根据测试精度要求选用二线制或多线制，采用多线制连接法可以有效消除连接导线电阻引起的测量误差，所用安装粘接剂应具有良好的导热性和热固性；所述测温仪具有不少于8个高速通道，能够同时满足选用热电偶和热电阻的采样测试要求；所述直流电源可与测温仪集成测试，结构便携，其稳定输出电流值能够无极可调，且不小于300mA；所述金刚石刀头前刀面开设热电偶I封装用的微结构或微槽可采用超快(fs或ps)激光加工方法制备，一般选用槽深300μm、槽宽400μm为宜，所述密封胶应具有良好的导热性和热固性，一般选用OMEGABOND品牌专用粘接剂即可；所述金刚石刀头的前刀面或后刀面安装热电偶位置选取原则：不影响刀具使用，便于测量和布置，且测温节点尽量靠近刀尖点；所述热电偶应具有毫秒级响应时间和热惰性极低的特点，最高测量温度大于300℃，测量误差小于±0.5℃，其箔片厚约0.013mm，导线直径小于0.25mm，优选OMEGA品牌粘合式箔片热电偶；最终完成对测温刀具中金刚石刀头的整体标定(热电偶和金刚石)，实现热电偶和金刚石刃口间的温度映射关系建立。
如图1和图3所示，本发明提供一种含能材料切削加工的精确测温刀具的测试方法，具体可分为刀具使用前标定和切削加工测试两部分。其中标定实施步骤如下：(a)按照设计要求完成测温刀具制作和测试电路连接，且各测温器件均已精确标定；(b)在测试条件下，启动测温仪和直流电源，热机平稳后，先将单刀开关节点A和D闭合，连通直流电源，实现热电阻瞬间加热升温，且确保各测温器件均有效工作；(c)一段时间后(数秒)，迅速将单刀开关节点B与D闭合，断开直流电源同时连通测温仪，实现热电阻和热电偶的精确瞬态测温；(d)采用测温仪连续、同步记录热电阻和热电偶的实时测温数据；(e)多次重复前述步骤，完成测温刀具的不同刃口温度标定，并关联各热电偶的测试数据，断开***电路。如图3所示，完成精确测温刀具标定后即可进行切削实验测温，所述精确测温刀具测试步骤如下：(a)无损拆除金刚石刀头刀尖处的热电阻，完成已标定测温刀具刃口清理和电路检查；(b)根据实际加工工况，将金刚石刀头上热电偶与测温仪可靠连接，并将标准刀片安装置切削机床之上；(c)按照实验要求，开启测温仪，进行精确动态的切削温度监测和实时记录。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.适于含能材料切削加工的测温刀具，包括标准刀片(1)，金刚石刀头(2)，测温仪(3)和直流电源(4)，其特征在于：所述标准刀片(1)的刀尖部位安装有金刚石刀头(2)，所述金刚石刀头(2)上设有热电阻及热电偶，所述测温仪(3)和直流电源(4)分别与热电阻及热电偶逻辑连接。
2.如权利要求1所述的适于含能材料切削加工的测温刀具，其特征在于，所述金刚石刀头(2)由单晶金刚石刃磨而成，刃口锋锐度小于50nm，刀尖圆弧半径大于200μm。
3.如权利要求1-2任一项所述的适于含能材料切削加工的测温刀具，其特征在于，所述金刚石刀头(2)的切削刃口刀尖处粘接设有热电阻(21)，所述热电阻(21)的一端引脚通过导线连接至测温仪(3)和直流电源(4)的共用接地端C节点，其另一端引脚通过导线与开关节点D可靠连接；所述金刚石刀头(2)前刀面上开设有微槽，微槽内部通过密封胶(22)对称封装有热电偶I(23)；所述金刚石刀头(2)的前刀面、后刀面上适合测量的位置粘贴设有热电偶II(24)、热电偶III(25)；不同安装形态热电偶通过导线实现与测温仪正负极的逻辑连接。
4.如权利要求3所述的适于含能材料切削加工的测温刀具，其特征在于，所述热电阻(21)可无损拆除和重复使用，可互换误差为±0.2℃，工作范围为-80℃至150℃，其连接方式为二线制或多线制。
5.如权利要求3所述的适于含能材料切削加工的测温刀具，其特征在于，所述测温仪(3)具有至少8个高速通道，能够同时满足热电偶I(23)、热电偶II(24)、热电偶III(25)和热电阻(21)的采样测试要求；所述直流电源(4)可与测温仪(3)集成测试，其稳定输出电流值能够无极可调，且不小于300mA。
6.如权利要求3所述的适于含能材料切削加工的测温刀具，其特征在于，所述金刚石刀头(2)前刀面开设热电偶I(23)封装用微槽采用超快激光加工方法制备，槽深300μm、槽宽400μm，所述密封胶(22)为OMEGABOND粘接剂。
7.如权利要求3所述的适于含能材料切削加工的测温刀具，其特征在于，所述热电偶I(23)、热电偶II(24)、热电偶III(25)具有毫秒级响应时间且热惰性极低，最高测量温度大于300℃，测量误差小于±0.5℃，其箔片厚约0.013mm，导线直径小于0.25mm。
8.如权利要求1-7任一项所述的适于含能材料切削加工的精确测温刀具的标定方法，其特征在于，标定步骤如下：(a)按照设计要求完成测温刀具制作和测试电路连接，且各测温器件均已精确标定；(b)在测试条件下，启动测温仪(3)和直流电源(4)，热机平稳后，先将单刀开关节点A和D闭合，连通直流电源(4)，实现热电阻(21)瞬间加热升温，且确保各测温器件均有效工作；(c)一段时间后(数秒)，迅速将单刀开关节点B与D闭合，断开直流电源同时连通测温仪(3)，实现热电阻(21)和热电偶I(23)、热电偶II(24)、热电偶III(25)的精确瞬态测温；(d)采用测温仪连续、同步记录热电阻(21)和热电偶I(23)、热电偶II(24)、热电偶III(25)的实时测温数据；(e)多次重复前述步骤，完成测温刀具的不同刃口温度标定，并关联热电偶I(23)、热电偶II(24)、热电偶III(25)的测试数据，断开***电路。
9.如权利要求1-7任一项所述的适于含能材料切削加工的精确测温刀具的测试方法，其特征在于，所述精确测温刀具测试步骤如下：(a)无损拆除金刚石刀头(2)刀尖处的热电阻(21)，完成已标定测温刀具刃口清理和电路检查；(b)根据实际加工工况，将金刚石刀头(2)上热电偶I(23)、热电偶II(24)、热电偶III(25)与测温仪(3)可靠连接，并将标准刀片(1)安装置切削机床之上；(c)按照实验要求，开启测温仪(3)，进行精确实时的切削温度监测和记录。
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