ナノ薄膜センサ内蔵型インテリジェント工具の開発

内置纳米薄膜传感器的智能工具的开发

基本信息

批准号：
15760077
负责人：
篠塚淳
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

薄膜センサの付着力を増強させるために,熱電対の材料をニッケルとニクロムに変更し,ヘリコンスパッタ装置で薄膜センサを成膜した.ホットジャンクションの膜厚は1μm以下とし,その上に酸化ハフニウム層でセンサを絶縁した.最表面には切削の厳しい環境から工具を保護する目的で,窒化チタンをPVD成膜した.切りくずと工具の接触界面の温度分布を切削中に直接的に測定できるようにするため,フォトリソグラフィの解像度を向上させ1〜3個のセンサ郡とし,センサの幅も50から150μmに変化させた.切削温度測定実験の結果,各センサの熱起電力は切削開始直後の切削力が立ち上がる変動に応じて敏感に応答すること,切削停止後の冷却過程も測定できることが分かった.センサ数を3本にした工具では,切削開始1s以内に切削力は飽和するが工具-切りくず接触域にあるセンサの熱起電力も飽和し準定常状態になるが,刃先より後方では熱伝導により直ぐには飽和しない様子も確認できた.すなわち開発したセンサ内蔵型工具は,切削力の変動に応じた温度変化を捉えるだけの応答感度があることが分かった.センサを微細化して数を増やせば解像度が増すため,工具-切りくず接触域を含めた工具表面の温度分布の形状が認識できるが,実用的にはセンサ数3個で十分に切削温度分布を把握できることを確認した.薄膜センサ温度校正実験より,Seebeck係数は薄膜センサの電気抵抗に依存することが分かった.普通炭素鋼S45Cで切削速度1から2m/s,アルミニウム合金A6061-T6で切削速度5から18m/sの高速切削における温度測定実験を行った.温度測定実験結果と数値解析結果の比較により,種々の切削条件下でも妥当な温度分布を直接測定できることが分かった.最後に,薄膜温度センサの精度を向上には,成膜する母材の平坦度と緻密度の確保と精度良い温度校正方法の確立が今後の課題となった.

为了增强薄膜传感器的附着力，将热电偶材料改为镍和镍铬合金，并采用螺旋溅射系统形成薄膜传感器。热接点膜厚为1μm以下，且在其顶部添加了氧化铪层。在最外表面上沉积一层氮化钛PVD薄膜，以保护刀具免受恶劣的切削环境的影响。切削过程中可以直接测量切屑和刀具接触界面的温度分布，以提高光刻的分辨率。传感器组数从1个增加到3个，传感器宽度从50μm变为150μm。切削温度测量实验结果表明，每个传感器的热电动势对切削上升的波动很敏感停止切割后，立即开始切割冷却。结果发现，冷却过程也可以测量。在具有三个传感器的刀具中，切削力在切削开始后 1 s 内饱和，但刀具与切屑接触区域中传感器的热电动势也饱和，导致然而，在准稳态下，热传递直接发生在切削刃的后部。还证实，所开发的内置传感器的刀具具有足够的响应灵敏度，可以检测切削力波动引起的温度变化。如果传感器数量小型化并增加数量，分辨率就会提高。刀具切削虽然可以识别刀具表面的温度分布形状，包括切屑接触区域，但已经证实，在实践中，三个传感器足以掌握切削温度分布。薄膜传感器温度校准实验表明塞贝克系数是薄膜传感器的电阻对普通碳钢S45C在切削速度1～2 m/s和铝合金A6061-T6在切削速度5～18 m/s进行高速切削时进行温度测量实验。温度测量实验结果与数值之比分析结果通过比较发现，在各种切削条件下都可以直接测量出合理的温度分布。最后，为了提高薄膜温度传感器的精度，需要保证其上基材的平整度和密度。薄膜是要沉积的，并且具有良好的精度，未来的挑战是建立一种温度校准方法。