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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15760077/
• 关键词: 薄膜熱電対; PVD; 切削加工; コーティング工具; 切削温度; モニタリング; スパッタ; 微細センサ; 反応性スパッタリング; 微小センサ

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.

The thin film is formed by increasing the stress of the thermoelectric material. The film thickness of the film is less than 1μm, and the film thickness of the film is less than 1μm. For the purpose of protecting the tool from the cutting environment, PVD film is formed on the surface of the tool. The temperature distribution at the tool's contact interface is measured directly in the cutting process. The resolution of the tool is increased from 1 to 3 degrees, and the amplitude of the tool is changed from 50 to 150μm. The cutting temperature measurement results show that the hot start force of each cutting unit is higher than the cutting force immediately after the start of cutting, and the cooling process after the cutting is stopped is measured. The cutting force is saturated within 1s of the start of cutting. The cutting force is saturated within 1s of contact. The cutting force is saturated within 1 s. The cutting force changes, the temperature changes, and the sensitivity changes. Increase in the number of micro-cutting tools and increase in the resolution of tool-cutting tools and increase in the number of cutting tools and increase in the number of tool-cutting tools. The Seebeck coefficient depends on the electrical resistance of the thin film. Common carbon steel S45C cutting speed 1 2m/s, alloy A6061-T6 cutting speed 5 18m/s and high speed cutting temperature measurement Comparison of temperature measurement results and numerical analysis results, direct measurement of appropriate temperature distribution under various cutting conditions. Finally, in order to improve the accuracy of the film temperature, the flatness and density of the base material for film formation should be ensured, and the temperature correction method should be established.

项目成果

Jun Shinozuka, Toshiyuki Obikawa: "Development of Cutting Tools with Built-in Thin Film Thermocouples"Key Engineering Materials. 257-258. 547-552 (2004)

Jun Shinozuka、Toshiyuki Obikawa：“内置薄膜热电偶切削工具的开发”关键工程材料。

薄膜温度センサ内蔵インテリジェント切削工具の開発

内置薄膜温度传感器智能切削刀具的研制

• 发表时间: 2004
• 期刊: (社)日本機械学会 第5回生産加工・工作機械部門講演会講演論文集
• 作者: 篠塚淳;内海幸治;Basti Ali;帯川利之
• 通讯作者: 帯川利之

薄膜温度センサ内蔵型切削工具による工具すくい面温度分布の測定

使用内置薄膜温度传感器的切削刀具测量刀具前刀面温度分布

• 发表时间: 2004
• 期刊: 2005年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集
• 作者: 篠塚淳;内海幸治;Basti Ali;帯川利之
• 通讯作者: 帯川利之