专利名称：多物理量实时监测加工状态的智能刀具的制作方法
技术领域：
本发明属于机械加工刀具及检测技术领域，具体涉及的是多物理量实时监测加工状态的智能刀具。
背景技术：
切削加工作为机械零件制造最主要的方法，刀具在机械切削加工过程中起着至关重要的作用。刀具在切削加工过程中所处的状态，包括刀具应力、应变、温度分布、切削力、 切削温度、刀具切削振动、刀具磨损和破坏等直接影响刀具的寿命、加工效率、加工精度和加工表面质量等对切削状态的监測、对检验和分析切削过程机理、优化加工过程參数、进行刀具几何參数和刀具的优化设计具有重要意义。通过实时监测刀具切削状态可以实现刀具的在线故障识别和预警，提高加工过程的可靠性和加工效率，降低加工成本以及提高加工自适应控制性能和数控系统的集成性能。一般来说，检测切削力作为最有效的监测方式也是国内外研究与应用最多的监测方法之一，通过对切削力的检测和分析可有效地监测切削加工过程。切削力的測量方式也随着测量技术的发展从最初的机械式、液压式、电容式、电感式、电阻应变式发展到目前压电晶体式。压电晶体式因灵敏度相对较高，测量误差小并可通过有效手段消除，已成为成熟的切削力測量手段。虽然这种检测方式已经商业化，但同时由于压电晶体式测カ仪成本高， 体积相对大，在实际生产安装上较为不便，以及在使用时或多或少地要改变机床的原有部件，给压电晶体式传感器在实际零件生产加工中的应用带来很大局限性，不适应更为广泛的应用。更为重要的是压电晶体式传感器的动态特性和最小分辨率局限于自身性能參数， 制约了其在超高速切削加工和微纳切削中的应用。切削过程是刀具和エ件相互作用的过程，切削过程中刀具所受的各种力、应カ、应变、振动、噪声、温度和有效功率等信息都可用于监测切削刀具的状态。一般来说在切削过程中，刀具所产生的ー些微小变化，如刀具磨损、刀具振动，都能通过切削力和温度的变化反映出来。虽然通过多传感器融合，将检测切削カ传感器、加速度传感器、温度传感器和声发射传感器等集成起来能有效的全方位的检测刀具加工过程状态，但这种方式成本高、系统结构复杂，一般局限于实验室切削的科学分析。目前，还缺乏一种广泛エ业化实用的切削过程状态监测传感装置，实现真正意义上的加工过程自适应控制和数控系统的集成。由于缺乏加工情况下刀具实时状态情况，在切削加工时没有考虑刀具的磨损、切削力、切削热等因素对加工过程的影响，不能实时动态调整加工エ艺參数，直接影响了加工精度、加工效率、加工过程的可靠性与零件质量的一致性。并且基于现有的检测手段只能反应整体刀具的切削加工状况，而很难检测刀具參与切削区域，刀尖和切削刃附近区域的应カ和温度。而真实情况是直接參与切削区域的状况就直接决定刀具切削的状态、刀具磨损程度和破坏的可能。综合来看，需要一种能实时检测刀具切削加工中切削区域状况，且实用、低成本，并将检测与加工融合一体的切削刀具。
发明内容
本发明的目的是提供ー种多物理量实时监测加工状态的智能刀具，以适应加工智能化，高效高精和自适应加工的发展需求，并解决采用传统切削加工监测方法设备复杂，成本高，体积大，使用安装不便，并且一般限于单ー物理量监测，灵敏度低，且难以实现旋转刀具的加工过程监测的问题。本发明的智能刀具能在切削过程中自主实时监测，具有刀具切削区域多物理量的无线实时感知和监测功能。实现上述目的的技术方案分别是
多物理量实时监测加工状态的智能刀具，所述的智能刀具包括刀具基体和功能涂层， 所述功能涂层包括传感器感知涂层、切削涂层和保护涂层；
传感器感知涂层包括压电薄膜涂层、射频天线、以及与射频天线相连的一列或多列叉指换能器阵列；切削涂层涂敷在刀具基体的各表面上，切削涂层的表面涂敷压电薄膜涂层； 在涂敷刀具基体的后刀面和副后刀面的切削涂层上或者压电薄膜涂层上各分别制作ー个射频天线和与之连接的一列或多列金属叉指换能器阵列；一列或多列叉指换能器阵列中的叉指换能器阵列沿竖直方向均匀分布在刀具后刀面和副后刀面上，且靠近刀尖切削区；保护涂层为最外层，保护涂层涂敷在传感器感知涂层的表面。所述刀具基体外形为正多边形；在涂敷刀具基体正多边形外形每个外侧面的切削涂层上或者压电薄膜涂层上采用微加工方式各分别制作一个射频天线和与之连接的两列金属叉指换能器阵列；所述的两列金属叉指换能器阵列位于该侧面的两端，两列金属叉指换能器阵列以所在侧面中心线相互对称远离并靠近各自刀尖位置，每个切削刃切削区的后刀面和副后刀面各有一列金属叉指换能器阵列，所述的射频天线布置在该侧面上的两列金属叉指换能器阵列的中间。所述的刀具基体外形为菱形；在涂敷菱形刀具基体的每个侧面的切削涂层上或者压电薄膜涂层上采用微加工方式各分别制作一个射频天线和与之连接的一列金属叉指换能器阵列；在菱形刀具基体上位于每个切削区刀具后刀面上的一列金属叉指换能器阵列靠近所在切削刃后刀面的切削区设置，在菱形刀具基体上位于每个副后刀面上的金属叉指换能器阵列靠近所在每个切削区刀具副后刀面的切削区设置。压电薄膜涂层为ZnO压电薄膜涂层或AlN压电薄膜涂层；保护涂层为非电磁屏蔽材料。多物理量实时监测加工状态的智能刀具，所述的智能刀具包括刀具基体和功能涂层，功能涂层包括传感器感知涂层和切削涂层；
传感器感知涂层包括压电薄膜涂层、射频天线、以及与射频天线相连的一列或多列叉指换能器阵列；刀具基体的表面涂敷压电薄膜涂层，在涂敷刀具基体的每个侧面的压电薄膜涂层上制作一个射频天线和与之连接的一列或多列金属叉指换能器阵列，刀具后刀面和副后刀面各有一列金属叉指换能器阵列；一列或多列金属叉指换能器阵列中的金属叉指换能器阵列沿竖直方向均匀分布在刀具后刀面和副后刀面，且靠近刀尖切削区；切削涂层为最外层，切削涂层涂敷在压电薄膜涂层的表面，作为保护涂层。所述刀具基体外形为正多边形；在涂敷刀具基体正多边形外形每个外侧面的压电薄膜涂层上制作一个射频天线和与之连接的两列金属叉指换能器阵列；所述的两列金属叉指换能器阵列位于该侧面的两端，两列金属叉指换能器阵列以所在侧面中心线相互对称远离并靠近各自刀尖位置；所述的射频天线布置在该侧面上的两列金属叉指换能器阵列的中间。所述的刀具基体外形为菱形；在涂敷菱形刀具基体的每个侧面的压电薄膜涂层上制作一个射频天线和与之连接的一列金属叉指换能器阵列；在菱形刀具基体上位于每个切削区刀具后刀面上的一列金属叉指换能器阵列靠近所在切削刃后刀面的切削区设置，在菱形刀具基体上位于每个副后刀面上的金属叉指换能器阵列靠近所在每个切削区刀具副后刀面的切削区设置。刀具基体由超硬刀具材料陶瓷或立方氮化硼制成；压电薄膜涂层为ZnO压电薄膜涂层或AlN压电薄膜涂层；切削涂层为纳米金刚石或金刚石薄膜涂层；
刀具基体与压电薄膜涂层之间还增加了一层作为切削涂层的金刚石薄膜涂层。本发明相对现有技术的有益效果是本发明的智能刀具集成声表面波传感系统与传统刀具于一体，刀具在完成切削加工过程的同时，利用集成的声表面波传感器(传感器感知涂层)实现切削过程中刀具应变、切削力、刀具温度多參量的实时感知和监测。通过涂层涂镀エ艺和微加工的方法在刀具基底材料表面沉积基底层和加工传感器感知涂层，传感器感知涂层包括涂敷的压电薄膜涂层和集成在其表面的叉指换能器(IDT)阵列、射频天线及信号连接线，并且通过IDT阵列与射频天线的连接来实现传感系统监测信息的传递，可以实现切削过程中刀具的应カ状况和温度等监测信息无线传递。本发明的多物理量实时监测加工状态的智能刀具根据声表面波传感器原理在刀具切削过程中进行切削区的应カ和温度的检测。本发明与传统切削刀具和监测系统相比， 打破了刀具只用于切削加工的单一功能，实现刀具的智能化，突破了以往监测传感系统安装和结构尺寸以及刀具參与切削区域的状态检测限制，具有结构简单，安装使用方便，灵敏度高，能无线检测刀具切削区域的切削应カ和温度，适合旋转刀具切削状态实时监测，适合 エ业化应用。
图I表示的是本发明的多物理量实时监测加工状态的智能刀具的立体结构示意图，刀具外形为正多边形，每侧面有两列IDT阵列；
图2表示的是本发明的多物理量实时监测加工状态的智能刀具的立体结构示意图，刀具外形为菱形，每侧面有一列IDT阵列；
图3表示的是本发明的多物理量实时监测加工状态的智能刀具副后刀面的断层图，压电薄膜涂层的表面加工IDT阵列；
图4表示的是本发明的多物理量实时监测加工状态的智能刀具副后刀面的断层图， IDT阵列制作在切削涂层上，IDT上覆盖压电薄膜涂层；
图5表示的是本发明的多物理量实时监测加工状态的智能刀具副后刀面的断层图，传感器感知涂层置于切削涂层与刀具基体之间，切削涂层为金刚石薄膜涂层；
图6表示的是本发明的多物理量实时监测加工状态的智能刀具副后刀面的断层图，传感器感知涂层与刀具基体之间增加了一层作为切削涂层的金刚石薄膜涂层。
具体实施方式
具体实施方式
一见图I-图4，多物理量实时监测加工状态的智能刀具，
所述的智能刀具包括刀具基体I和功能涂层2，所述功能涂层2包括传感器感知涂层
3、切削涂层4和保护涂层5;
传感器感知涂层3包括压电薄膜涂层6、射频天线7、以及与射频天线7相连的一列或多列叉指换能器阵列8 ;切削涂层4涂敷在刀具基体I的各表面上，切削涂层4的表面涂敷压电薄膜涂层6 ;在涂敷刀具基体I的后刀面9和副后刀面10的切削涂层4上或者压电薄膜涂层6上采用微加工方式各分别制作ー个射频天线7和与之连接的一列或多列金属叉指换能器阵列8 ;保证刀具后刀面9和副后刀面10各有一列叉指换能器(IDT)阵列8 ;一列或多列叉指换能器阵列8中的叉指换能器阵列沿竖直方向均匀分布在刀具后刀面9和副后刀面10上，且靠近刀尖切削区；每列IDT的个数视监测物理參量和刀具尺寸等具体实施方案而定；保护涂层5为最外层，保护涂层5涂敷在传感器感知涂层3的表面。射频天线7和叉指换能器阵列8同时采用微加工的办法(如光刻)来制作实现，其材料均为金属(如招，金)薄膜。刀具基体I由高速钢、硬质合金或超硬刀具材料制成；
切削涂层4优选为金刚石涂层或纳米金刚石涂层；
压电薄膜涂层6为ZnO压电薄膜涂层或AlN压电薄膜涂层；
保护涂层5为非电磁屏蔽材料，非电磁屏蔽材料优选类钻碳材料。
具体实施方式
ニ 见图I、图3和图4 ;具体实施方式
一所述的多物理量实时监测加工状态的智能刀具，
所述刀具基体I外形为正多边形；在涂敷刀具基体I正多边形外形每个外侧面的切削涂层4上或者压电薄膜涂层6上采用微加工方式各分别制作ー个射频天线7和与之连接的两列金属叉指换能器阵列8 ;所述的两列金属叉指换能器阵列8位于该侧面的两端，两列金属叉指换能器阵列8以所在侧面中心线相互对称远离并靠近各自刀尖位置，每个切削刃切削区的后刀面9和副后刀面10各有一列金属叉指换能器阵列8，所述的射频天线7布置在该侧面上的两列金属叉指换能器阵列8的中间。
具体实施方式
三见图2-图4，具体实施方式
一所述的多物理量实时监测加工状态的智能刀具，
所述的刀具基体I外形为菱形；在涂敷菱形刀具基体I的每个侧面的切削涂层4上或者压电薄膜涂层6上采用微加工方式各分别制作ー个射频天线7和与之连接的一列金属叉指换能器阵列8 ;在菱形刀具基体I上位于每个切削区刀具后刀面9上的一列金属叉指换能器阵列8靠近所在切削刃后刀面9的切削区设置，在菱形刀具基体上位于每个副后刀面 10上的金属叉指换能器阵列8靠近所在每个切削区刀具副后刀面10的切削区设置。
具体实施方式
四见图I、图2、图5及图6，多物理量实时监测加工状态的智能刀具，
所述的智能刀具包括刀具基体I和功能涂层2，其特征是功能涂层2包括传感器感知涂层3和切削涂层4 ;传感器感知涂层3包括压电薄膜涂层6、射频天线7、以及与射频天线 7相连的一列或多列叉指换能器阵列8 ;刀具基体I的表面涂敷压电薄膜涂层6，在涂敷刀具基体I的每个侧面的压电薄膜涂层6上制作ー个射频天线7和与之连接的一列或多列金属叉指换能器阵列8，刀具后刀面9和副后刀面10各有一列金属叉指换能器阵列8 ;—列或
7多列金属叉指换能器阵列8中的金属叉指换能器阵列沿竖直方向均匀分布在刀具后刀面9 和副后刀面10，且靠近刀尖切削区；切削涂层4为最外层，切削涂层4涂敷在压电薄膜涂层 6的表面，作为保护涂层5。射频天线和叉指换能器阵列同时采用微加工的办法(如光刻)来制作实现，均为金属(如铝，金)薄膜。刀具基体I由超硬刀具材料(如陶瓷，立方氮化硼)制成；
压电薄膜涂层7为ZnO压电薄膜涂层或AlN压电薄膜涂层；
切削涂层4优选为金刚石薄膜涂层或纳米金刚石薄膜涂层，为非电磁屏蔽材料，金刚石薄膜层在最外层同时提供刀具切削和传感器涂层系统保护而作为切削涂层4和保护涂层5，減少涂层数降低成本，并保证切削和检测效果。
具体实施方式
五见图I、图5，具体实施方式
四所述的ー种多物理量实时监测加 エ状态的智能刀具，所述刀具基体I外形为正多边形；在涂敷刀具基体I正多边形外形每个外侧面的压电薄膜涂层6上采用微加工方式制作ー个射频天线7和与之连接的两列金属叉指换能器阵列8 ;所述的两列金属叉指换能器阵列8位于该侧面的两端，两列金属叉指换能器阵列8以所在侧面中心线相互对称远离并靠近各自刀尖位置；所述的射频天线7布置在该侧面上的两列金属叉指换能器阵列8的中间。
具体实施方式
六见图2、图5，具体实施方式
四所述的ー种多物理量实时监测加 エ状态的智能刀具，所述的刀具基体I外形为菱形；在涂敷菱形刀具基体的每个侧面的压电薄膜涂层6上采用微加工方式制作ー个射频天线7和与之连接的一列金属叉指换能器阵列8 ;在菱形刀具基体I上位于每个切削区刀具后刀面9上的一列金属叉指换能器阵列8靠近所在切削刃后刀面9的切削区设置，在菱形刀具基体上位于每个副后刀面10上的金属叉指换能器阵列8靠近所在每个切削区刀具副后刀面10的切削区设置。
具体实施方式
七见图I、图2和图6，具体实施方式
四所述的ー种多物理量实时监测加工状态的智能刀具，刀具基体I与压电薄膜涂层6之间还增加了一层作为切削涂层 4的金刚石薄膜涂层，即将传感器涂层3布置在金刚石薄膜涂层中，可以达到最佳的切削和检测效果。
权利要求
1.ー种多物理量实时监测加工状态的智能刀具，所述的智能刀具包括刀具基体(I)和功能涂层(2)，其特征是所述功能涂层(2)包括传感器感知涂层(3)、切削涂层(4)和保护涂层(5);传感器感知涂层(3)包括压电薄膜涂层(6)、射频天线(7)、以及与射频天线(7)相连的一列或多列叉指换能器阵列(8);切削涂层(4)涂敷在刀具基体(I)的各表面上，切削涂层 (4)的表面涂敷压电薄膜涂层(6);在涂敷刀具基体(I)的后刀面(9)和副后刀面(10)的切削涂层(4)上或者压电薄膜涂层(6)上各分别制作ー个射频天线(7)和与之连接的一列或多列金属叉指换能器阵列(8);—列或多列叉指换能器阵列(8)中的叉指换能器阵列沿竖直方向均匀分布在刀具后刀面(9)和副后刀面(10)上，且靠近刀尖切削区；保护涂层(5)为最外层，保护涂层(5)涂敷在传感器感知涂层(3)的表面。
2.如权利要求I所述的多物理量实时监测加工状态的智能刀具，其特征是所述刀具基体(I)外形为正多边形；在涂敷刀具基体(I)正多边形外形每个外侧面的切削涂层(4)上或者压电薄膜涂层(6)上采用微加工方式各分别制作ー个射频天线(7)和与之连接的两列金属叉指换能器阵列(8);所述的两列金属叉指换能器阵列(8)位于该侧面的两端，两列金属叉指换能器阵列(8)以所在侧面中心线相互对称远离并靠近各自刀尖位置，每个切削刃切削区的后刀面(9)和副后刀面(10)各有一列金属叉指换能器阵列(8)，所述的射频天线(7)布置在该侧面上的两列金属叉指换能器阵列(8)的中间。
3.如权利要求I所述的多物理量实时监测加工状态的智能刀具，其特征是所述的刀具基体(I)外形为菱形；在涂敷菱形刀具基体(I)的每个侧面的切削涂层(4)上或者压电薄膜涂层(6)上采用微加工方式各分别制作ー个射频天线(7)和与之连接的一列金属叉指换能器阵列(8);在菱形刀具基体(I)上位于每个切削区刀具后刀面(9)上的一列金属叉指换能器阵列(8)靠近所在切削刃后刀面(9)的切削区设置，在菱形刀具基体上位于每个副后刀面(10)上的金属叉指换能器阵列(8)靠近所在每个切削区刀具副后刀面(10)的切削区设置。
4.如权利要求1、2或3所述的多物理量实时监测加工状态的智能刀具，其特征是压电薄膜涂层(6)为ZnO压电薄膜涂层或AlN压电薄膜涂层；保护涂层(5)为非电磁屏蔽材料。
5.ー种多物理量实时监测加工状态的智能刀具，所述的智能刀具包括刀具基体(I)和功能涂层(2)，其特征是功能涂层(2)包括传感器感知涂层(3)和切削涂层(4)；传感器感知涂层(3)包括压电薄膜涂层(6)、射频天线(7)、以及与射频天线(7)相连的一列或多列叉指换能器阵列(8);刀具基体(I)的表面涂敷压电薄膜涂层(6)，在涂敷刀具基体(I)的每个侧面的压电薄膜涂层(6)上制作ー个射频天线(7)和与之连接的一列或多列金属叉指换能器阵列(8)，刀具后刀面(9)和副后刀面(10)各有一列金属叉指换能器阵列(8);—列或多列金属叉指换能器阵列(8)中的金属叉指换能器阵列沿竖直方向均匀分布在刀具后刀面(9)和副后刀面(10)，且靠近刀尖切削区；切削涂层(4)为最外层，切削涂层(4)涂敷在压电薄膜涂层(6)的表面，作为保护涂层(5)。
6.如权利要求5所述的ー种多物理量实时监测加工状态的智能刀具，其特征是所述刀具基体(I)外形为正多边形；在涂敷刀具基体(I)正多边形外形每个外侧面的压电薄膜涂层(6)上制作ー个射频天线(7)和与之连接的两列金属叉指换能器阵列(8);所述的两列金属叉指换能器阵列(8)位于该侧面的两端，两列金属叉指换能器阵列(8)以所在侧面中心线相互对称远离并靠近各自刀尖位置；所述的射频天线(7)布置在该侧面上的两列金属叉指换能器阵列(8)的中间。
7.如权利要求5所述的ー种多物理量实时监测加工状态的智能刀具，其特征是所述的刀具基体(I)外形为菱形；在涂敷菱形刀具基体的每个侧面的压电薄膜涂层(6)上制作 ー个射频天线(7)和与之连接的一列金属叉指换能器阵列(8);在菱形刀具基体(I)上位于每个切削区刀具后刀面(9)上的一列金属叉指换能器阵列(8)靠近所在切削刃后刀面(9) 的切削区设置，在菱形刀具基体上位于每个副后刀面(10)上的金属叉指换能器阵列(8)靠近所在每个切削区刀具副后刀面(10)的切削区设置。
8.如权利要求5、6或7所述的ー种多物理量实时监测加工状态的智能刀具，其特征是: 刀具基体(I)由超硬刀具材料陶瓷或立方氮化硼制成；压电薄膜涂层(6)为ZnO压电薄膜涂层或AlN压电薄膜涂层；切削涂层(2)为纳米金刚石或金刚石薄膜涂层； 如权利要求8所述的ー种多物理量实时监测加工状态的智能刀具，其特征是刀具基体(I)与压电薄膜涂层(6)之间还增加了一层作为切削涂层(4)的金刚石薄膜涂层。
9.如权利要求8所述的ー种多物理量实时监测加工状态的智能刀具，其特征是刀具基体(I)与压电薄膜涂层(6)之间还增加了一层作为切削涂层(4)的金刚石薄膜涂层。
全文摘要
多物理量实时监测加工状态的智能刀具。属于机械加工刀具及检测技术领域。具有刀具切削区域多物理量的无线实时感知和监测功能。智能刀具包括刀具基体和功能涂层，功能涂层包括刀具基体上的切削涂层，传感器感知涂层和最外层的保护涂层，切削涂层涂敷在刀具基体上，保护涂层涂敷于传感器感知涂层的表面，传感器感知涂层由压电薄膜层和集成在其中的叉指换能器阵列和与之相连的射频天线构成，实现刀具切削区域切削状态多物理量的感知和监测信号的无线传递。本发明的智能刀具集传感系统涂层和刀具功能涂层融合一体，具有结构简单，能无线检测刀具切削区域的状态多物理量，安装使用方便，适合旋转刀具切削状态实时监测。
文档编号B23Q17/09GK102601399SQ20121008951
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者丁辉, 李文德, 程凯, 肖才伟, 陈时锦 申请人:哈尔滨工业大学