一种温度感知智能切削刀具及其制造方法与流程

1.本发明属于切削刀具领域，具体涉及一种温度感知智能切削刀具及其制造方法。


背景技术：

2.智能制造是我国建设制造强国的主攻方向。智能切削技术是智能制造的基础性技术，也是实现智能制造的关键技术。智能切削过程中的信息感知，特别是切削加工过程中的力
‑
热
‑
变形的在线感知是实现复杂零件高品质制造的关键。
3.金属切削过程中产生大量的热，对零件的加工质量和刀具寿命产生重要的影响。钛合金和高温合金等难加工材料在切削区产生的局部高温使工件产生亚表面损伤和尺寸偏差。切削温度对薄壁件和以惯性器件、光学曲面构件为代表的精密/超精密加工精度的影响更为显著，由热变形引起的加工误差已占到加工误差总量的40％～70％。可见，切削过程中切削区(刀
‑
屑接触区)温度场的实时准确获取对在线调整加工参数、预测刀具磨损和控制加工质量具有重要的指导作用。
4.切削区的温度分布具有时空非均匀性和强时变性，加之切削过程中影响切削温度测量的因素众多，切削温度的在线准确感知一直是一个未解决的问题。
5.目前监测切削温度最直接最简单的方法是采用温度传感器的物理测量法，另外还有基于切削机理的解析法和仿真法，各方法的优缺点如表1所示。
6.表1目前常用的切削温度监测方法及优缺点
[0007][0008][0009]
刀具作为切削加工的直接参与者，未来刀具除了具备良好的切削性能还应具备切
削温度感知功能。刀具上集成薄膜热电偶是目前研究最多的一种使刀具具备温度感知功能的方法，但是该种温度感知刀具还存在一些问题和缺点。对于在刀具上沉积薄膜热电偶来说，薄膜沉积工艺复杂，薄膜热电偶随刀具磨损而磨损，薄膜热电偶寿命难以保证，测温范围小(30～300℃)，不适用于切削温度高的加工场合；对于在刀具沟槽微织构内嵌入薄膜热电偶，这种方法需要在刀具上预先加工出微纳尺度的微沟槽，微纳加工工艺极其复杂，成本高，致使这种测温刀具价格昂贵，也难以实现批量化生产。


技术实现要素：

[0010]
本发明针对智能切削对切削温度在线精确感知的需求，解决当前测温刀具测温范围小、使用寿命难以保证、制造工艺复杂和难以实现批量化生产的弊端。本发明的温度感知刀具，温度监测准确可靠，制造工艺简单高效，可以实现工业化批量生产。本发明的测温刀具，有助于推动智能切削技术的发展和应用，对实现航空、航天和兵器等领域的复杂精密零件、热敏感构件的高品质制造具有重要的意义。
[0011]
实现本发明目的的技术解决方案为：一种温度感知智能切削刀具，包括由结构材料形成的刀具主体和嵌在刀具主体由具有阻温特性的热敏陶瓷形成的温度传感模块。
[0012]
进一步的，所述刀具主体的材料为陶瓷、硬质合金、立方氮化硼或高速钢。
[0013]
进一步的，所述温度传感模块的直径为0.3
‑
1.5mm，高度为4
‑
7mm。
[0014]
进一步的，所述刀具主体为sialon陶瓷，所述温度传感模块为lacro3‑
al2o3热敏陶瓷。
[0015]
一种制备上述的刀具的方法，分别将刀具主体和温度传感模块烧结成型，然后将温度传感模块嵌入刀具主体近刀尖处。
[0016]
进一步的，烧结成型为无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结或放电等离子烧结。
[0017]
一种lacro3‑
al2o3热敏陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
[0018]
步骤(1)：按摩尔比例称取原料亚微米级别的三氧化二镧粉末和三氧化二铬粉末；
[0019]
步骤(2)：将步骤(1)的原料粉体混合，以工业无水乙醇和刚玉球作为混合介质，将混合好的原料粉体经过行星球磨机球磨6
‑
24小时；
[0020]
步骤(3)：将经过步骤(2)分散均匀后的粉体，进行真空干燥，干燥温度为100℃
‑
200℃；
[0021]
步骤(4)：干燥粉体经过100
‑
400目的筛盘，进行筛粉造粒；
[0022]
步骤(5)：在硬质合金模具内部涂上油，后将过筛的粉体进行装填模具，对石墨模具施加200mpa压力，保压2
‑
3min，脱模；
[0023]
步骤(6)：将脱模后的样品放入微波烧结炉中的保温桶，通过设置程序段控制升温速率为10
‑
30℃/min；设置排出pva温度和时间在1100℃停留5min，烧结温度为1350
‑
1500℃，保温时间为5min，随炉自然冷却；
[0024]
步骤(7)：从保温桶中取得高温热敏陶瓷材料。
[0025]
一种lacro3‑
al2o3热敏陶瓷，采用上述的方法制备。
[0026]
一种制备上述的刀具的方法，包括如下步骤：
[0027]
步骤(1)：制备sialon陶瓷刀具主体；
[0028]
步骤(2)：对权利要求8的lacro3‑
al2o3热敏陶瓷尺寸进行加工，嵌入步骤(1)得到的sialon陶瓷刀具主体中，得到切削刀具。
[0029]
进一步的，步骤(1)中“制备sialon陶瓷刀具主体”具体为：
[0030]
按质量分数称取77.26％si3n
4 500nm、4.52％al2o
3 200nm、10.13％aln 1μm和8.09％y2o
3 50nm，得到混合粉末；
[0031]
将混合粉末、氮化硅球和2wt.％的pva放入氧化铝球磨罐中球磨2小时，球料比10:1；将球磨后的混合粉末在110℃真空干燥，干燥后的粉末经研磨后过100目筛；
[0032]
将过筛的粉末放入钢模具中压制刀具主体素坯，单向压力150mpa，保压时间2min；
[0033]
将刀具主体素坯放在微波炉中烧结，在0
‑
470℃温度范围，升温速率50
‑
100℃/min；在470
‑
1400℃温度范围，升温速率30℃/min；在1400
‑
1700℃温度范围升温速率15℃/min；在1700
‑
1750℃温度范围，升温速率10℃/min；保温时间8
‑
10min，随炉自然冷却。
[0034]
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
[0035]
(1)本发明提出“刀具即传感”的设计思路；利用热敏陶瓷的阻温特性和结构材料自身的高耐热性、高硬度和高耐磨性，把热敏陶瓷作为温度传感模块，结构材料作为刀具主体，通过异种材料复合做出具有温度感知功能的智能切削刀具；
[0036]
(2)本发明的智能刀具测量温度范围大、测量灵敏度高；热敏陶瓷的阻温特性随组分和烧结工艺变化而变化，因此可通过调控热敏陶瓷的组分及其烧结工艺获得满足切削温度测量要求的热敏陶瓷温度传感模块。该智能刀具可实现常温～1000℃的温度范围内测量，响应时间在纳秒～毫秒；
[0037]
(3)本发明的温度感知智能刀具结构简单紧凑，通过常规的烧结技术即可制造，制造工艺简单，成本低，可以实现工业化批量生产。
附图说明
[0038]
图1为本发明的刀具主体示意图。
[0039]
图2为本发明的温度传感模块图。
[0040]
图3为本发明温度感知切削刀具实物图。
[0041]
图4为本发明温度传感模块在刀具主体的分布示意图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0043]
实施例1
[0044]
温度感知智能切削刀具
[0045]
刀具主体：sialon陶瓷
[0046]
温度传感模块：lacro3‑
al2o3热敏陶瓷
[0047]
烧结方法：微波烧结
[0048]
具体步骤如下：
[0049]
步骤1：sialon陶瓷刀具主体的制备方法如下：
[0050]
按质量分数称取77.26％si3n4(500nm)、4.52％al2o3(200nm)、10.13％aln(1μm)、8.09％y2o3(50nm)，将粉末、氮化硅球和2wt.％的pva放入氧化铝球磨罐中球磨2小时，球料
比10:1。将球磨后的粉末在110℃真空干燥，干燥后的粉末经研磨后过100目筛。将过筛的粉末放入特制的钢模具中压制刀具主体素坯，单向压力150mpa，保压时间2min。最后，刀具主体素坯放在微波炉中烧结，在0
‑
470℃温度范围，升温速率50
‑
100℃/min；在470
‑
1400℃温度范围，升温速率30℃/min；在1400
‑
1700℃温度范围升温速率15℃/min；在1700
‑
1750℃温度范围，升温速率10℃/min；保温时间8
‑
10min，随炉自然冷却。
[0051]
步骤2：lacro3‑
al2o3热敏陶瓷温度传感模块的制备方法如下：
[0052]
按摩尔比称取50％三氧化二镧(200nm
‑
500nm)、50％三氧化二铬(200nm
‑
500nm)，以工业无水乙醇和玛瑙球作为混合介质，将称量好的原料粉体经过行星球磨机球磨，球磨后的粉体，进行真空干燥；将干燥之后的粉体在玛瑙研钵中进行研磨；将研磨之后的粉体在1100℃进行煅烧3
‑
5h；将煅烧之后的粉体进行研磨，得到铬酸镧粉末。
[0053]
将得到的铬酸镧粉体与氧化铝粉体摩尔比alacro3‑
bal2o3，其中0.3≤a≤0.7，且a b＝1进行混合，以工业无水乙醇和玛瑙球作为研磨介质，将混合好的原料粉体经过行星球磨机球磨8小时，并在取出2小时前加入pva。将球磨后的粉末在110℃真空干燥，干燥后的粉末经研磨后过100目筛。将过筛的粉体装填模具，对模具施加200mpa压力，保压2min，冷压成型并脱模。将脱模后的样品放入微波烧结炉中的保温桶，通过设置程序段控制升温速率为10
‑
35℃/min，烧结温度为1350
‑
1500℃，保温时间为5min，随炉自然冷却。
[0054]
步骤3：将烧结得到的lacro3‑
al2o3热敏陶瓷温度传感模块嵌入sialon陶瓷刀具主体中，组成具有温度感知的智能切削刀具。
[0055]
实施例2
[0056]
一种高温热敏陶瓷材料及其微波烧结工艺，具体为：按摩尔比为：三氧化二镧：三氧化二铬＝1：1称取粉体进行混合，以无水乙醇和玛瑙球作为研磨介质，将混合好的原料粉体经过行星球磨机球磨8小时。结束后真空干燥，干燥温度110℃，之后研磨成粉体。将研磨好的粉体在1100℃煅烧5小时，研磨得到铬酸镧粉体。
[0057]
将得到得粉体材料与氧化铝粉体进行混合，其中氧化铝与铬酸镧粉体得摩尔比为0.3：0.7，以无水乙醇和玛瑙球作为研磨介质，将混合好的原料粉体经过行星球磨机球磨8小时，并在取出前2小时加入pva，球磨结束后进行真空干燥，干燥温度110℃，干燥粉体经过100目筛盘进行筛粉造粒，在硬质合金模具内部涂上油，后将过筛的粉体进行装填模具，对石墨模具施加200mpa压力，保压2分钟，冷压成型并脱模。脱模后的样品放入微波烧结炉中的保温桶，通过设置程序段控制升温速率为470
‑
800℃采用33℃/min，800
‑
1100℃采用30℃/min，1100
‑
1400采用25℃/min；设置排出pva温度和时间在1100℃停留5min，烧结温度为1400℃，保温时间为5min，随炉自然冷却。制的高温热敏陶瓷材料。
[0058]
通过该方法获得的高温热敏电阻材料温区为25℃
‑
800℃，材料常数b
300/700
＝4144k，温度25℃电阻率为6.31
×
105ωcm。
[0059]
实现本发明的原理：一种高温热敏陶瓷材料，使用亚微米的粉体原料，随着微波设备功率的升高，依靠材料自身的极化损耗特性发热，与常规烧结不同，微波的温度场均匀，与传统烧结梯度相反且为整体性加热。随着温度的升高，原子获得足够的能量越过原子势垒，原子间进行扩散发生反应。基体材料铬酸镧、氧化铝在1400℃发生反应，生成六铝酸镧固溶体，六铝酸镧为高阻相，具有良好的稳定性，铝掺杂可以把铬酸镧高温菱形相变稳定到室温从而消除体积的不连续变化，因此改善了复合材料的抗热振性。