专利名称：具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具及其配对刀体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种智能金刚石刀具及刀体，属于超精密切削加工及其切削状态实时监测领域。
背景技术：
金刚石切削作为超精密切削加工的最主要手段，金刚石刀具在超精密加工过程中起着至关重要的作用。金刚石刀具在切削加工过程中所处的状态，如刀具磨损和破损，切削力，切削温度等直接影响金刚石切削加工精度，表面质量，刀具的寿命和加工效率。目前，由于缺乏加工情况下刀具状态情况的实时感知，无法在切削加工过程中考虑刀具的磨损、切削力及切削热等因素对加工的影响，实时动态调整加工工艺参数，因此直接影响了加工精度、加工效率以及加工过程的可靠性与零件质量的一致性。虽然可以通过实时监测刀具切削状态提高加工过程的可靠性和加工效率，降低加工成本和进行自适应加工。但是现有的实时监测手段由于检测设备复杂，成本高，体积大，使用不便，并受限于自身的动态特性和分辨率的参数大小，制约了金刚石超精密加工中微小切削力，振动以及温度的变化的实时监测和自适应加工发展。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，而很难检测刀具参与切削区域，刀尖和切削附近区域的情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具及其配对刀体，本发明将感知监测的微机电传感系统与刀具基体组装成为一体，可满足超精密加工过程实时感知监测和自适应加工的需要，克服了现有用于金刚石刀具加工状态监测手段复杂，成本高，设备体积大，安装空间受限，实用性不足以及无法满足超精密加工监测对测量精度和灵敏度的要求等问题。本发明的智能金刚石刀具在切削加工过程的同时，通过微机电传感系统进行刀具切削温度、切削力、刀具振动的测量，实现所述智能金刚石刀具切削状态自主实时监测。通过安装在微机电传感系统的感知测量长臂悬伸梁上的温度感知器进行刀尖锐角区域切削温度测量，同时通过感知测量长臂悬伸梁对刀尖锐角区域在切削力作用下位移的感知测量进行主切削力的测量，并且将加速度传感器集成在微机电传感系统的芯片上进行刀具切削振动的监测，并通过微机电传感系统上的无线传输模块进行切削状态信息的无线传递，本发明可实现工业化生产的实时感知监测和满足超精密自适应加工需求。实现上述目的，本发明采取的技术方案是
具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具，所述智能金刚石刀具包括金刚石刀片及刀具基体，金刚石刀片固结在刀具基体的上表面的前端用于切削工件，金刚石刀片的前端置于刀具基体的外部，所述智能金刚石刀具还包括微机电传感系统、后密封压垫及上密封盖；所述微机电传感系统包括温度感知器、芯片、感知测量长臂悬伸梁、加速度传感器、信息处理与无线传输模块以及两个应变感知器，刀具基体的前端设有刀尖锐角区域，刀具基体的后端设有矩形突出部分，刀具基体上的两侧面各设有一个钝角突起，且钝角突起位于刀尖锐角区域与矩形突出部分之间，两个钝角突起相对于刀具基体的纵向中分面对称设置，刀具基体上沿厚度方向加工有两个第一螺钉锁紧孔，两个第一螺钉锁紧孔位于两个钝角突起处，两个第一螺钉锁紧孔相对于刀具基体的纵向中分面对称设置，刀具基体的上表面向矩形突出部分方向设有一个空腔，空腔的后端与刀具基体的后端面相通，空腔的前端延伸至刀尖锐角区域内部，空腔相对于刀具基体的纵向中分面对称设置，空腔的底面的后端设有沉槽，后密封压垫设置在沉槽内，后密封压垫与刀具基体固接，后密封压垫和刀具基体上设有同轴的第二螺钉锁紧孔，第二螺钉锁紧孔及两个第一螺钉锁紧孔共同用于所述智能金刚石刀具的紧固安装，空腔的底面上设有多个用于固定微机电传感系统的锁紧螺钉孔，微机电传感系统设置在空腔内，微机电传感系统上设有感知测量长臂悬伸梁，感知测量长臂悬伸梁的前端延伸至刀尖锐角区域内部，感知测量长臂悬伸梁的前端上表面设有温度感知器，温度感知器与刀尖锐角区域内部的空腔30的前端上表面接触用于感知检测刀尖切削温度；感知测量长臂悬伸梁根部的上表面及下表面各对称设有一个应变感知器，用于感知检测切削加工的主切削力；加速度传感器设置在芯片上，用于切削振动的检测；信息处理与无线传输模块与芯片集成为一体，信息处理与无线传输模块用于感知检测的信号处理与无线传输，空腔通过上密封盖密封。
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与具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具配对刀体，所述刀体包括智能金刚石刀具及刀柄，所述刀柄上表面的前端加工有一个与所述智能金刚石刀具相配对的安装槽，智能金刚石刀具置于刀柄的安装槽内，智能金刚石刀具中的刀具基体的下表面及两个刀具定位侧面用于与所述安装槽相对应定位面配对定位，两个第一紧定螺钉通过两个第一螺钉锁紧孔紧固在所述刀柄上，第二紧定螺钉通过第二螺钉锁紧孔紧固在所述刀柄上。本发明的有益效果是本发明所述智能金刚石刀具，融合微机电传感系统和金刚石刀具于一体，打破了刀具只用于切削加工的单一执行器功能，实现刀具智能化的自我实时监测的感知器转变。其解决了以往监测传感系统复杂，价格高，测试精度和灵敏度不足，安装和结构尺寸受限问题。本发明的智能金刚石刀具及刀体具有结构简单紧凑，使用方便简单，能监测刀具切削温度、切削力和刀具振动，功能全面强大，测量灵敏度高。此外，本发明的智能金刚石刀具也可用于工具钢、高速钢、硬质合金、具有涂层的硬质合金或者超硬材料等各种材料的刀具中。
图I示出本发明所述智能金刚石刀具的立体 图2 (a)示出本发明所述智能金刚石刀具的主视 图2 (b)示出所述图2 Ca)的A-A剖面 图3示出安装有本发明所述智能金刚石刀具的刀体的立体 图4示出安装有本发明所述智能金刚石刀具的刀体的主视 图5示出所述图4的B-B剖面 图6示出本发明所述刀具基片的立体图。图中，智能金刚石刀具I、第一紧定螺钉2、第二紧定螺钉3、刀柄4、上表面11、前侧面12、刀具定位侧面13、后侧面14、下表面15、后端面16、芯片17、弹性橡胶垫18、安装槽19、金刚石刀片21、刀具基体22、微机电传感系统23、后密封压垫24、上密封盖25、温度感知器26、应变感知器27、感知测量长臂悬伸梁28、加速度传感器29、空腔30、第一螺钉锁紧孔31、第二螺钉锁紧孔32、纵向中分面33、刀尖锐角区域34、钝角突起35、矩形突出部分37、底面螺钉锁紧孔41、沉槽42。
具体实施例方式具体实施方式
一如图I、图2 (a)、图2 (b)和图6所示，具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具，所述智能金刚石刀具I包括金刚石刀片21及刀具基体22，金刚石刀片21固结在刀具基体22的上表面11的前端用于切削工件，金刚石刀片21的前端置于刀具基体22的外部，所述智能金刚石刀具I还包括微机电传感系统23、后密封压垫24及上密封盖25 ;所述微机电传感系统23包括温度感知器26、芯片17、感知测量长臂悬伸梁28、加速度传感器29、信息处理与无线传输模块以及两个应变感知器27，
刀具基体22的前端设有刀尖锐角区域34，刀具基体22的后端设有矩形突出部分37，刀具基体22上的两侧面各设有一个钝角突起35，且钝角突起35位于刀尖锐角区域34与矩形突出部分37之间，两个钝角突起35相对于刀具基体22的纵向中分面33对称设置，刀具基体22上沿厚度方向加工有两个第一螺钉锁紧孔31，两个第一螺钉锁紧孔31位于两个钝角突起35处，两个第一螺钉锁紧孔31相对于刀具基体22的纵向中分面33对称设置，刀具基体22的上表面11向矩形突出部分37方向设有一个空腔30，空腔30的后端与刀具基体22的后端面16相通，空腔30的前端延伸至刀尖锐角区域34内部，空腔30相对于刀具基体22的纵向中分面33对称设置，空腔30的底面的后端设有沉槽42，后密封压垫24设置在沉槽内42，后密封压垫24通过密封胶与刀具基体22固接，后密封压垫24和刀具基体22上设有同轴的第二螺钉锁紧孔32，第二螺钉锁紧孔32及两个第一螺钉锁紧孔31共同用于所述智能金刚石刀具I的紧固安装，空腔30的底面上设有多个(本实施方式采用四个)用于固定微机电传感系统23的锁紧螺钉孔41,微机电传感系统23设置在空腔30内，微机电传感系统23上设有感知测量长臂悬伸梁28，感知测量长臂悬伸梁28的前端延伸至刀尖锐角区域34内部，感知测量长臂悬伸梁28的前端上表面设有温度感知器26，温度感知器26与刀尖锐角区域34内部的空腔30的前端上表面接触用于感知检测刀尖切削温度；感知测量长臂悬伸梁28根部的上表面及下表面各对称设有一个应变感知器27，用于感知检测切削加工的主切削力；加速度传感器29 (微加速度计)设置在芯片17上，用于切削振动的检测；信息处理与无线传输模块与芯片17集成为一体，信息处理与无线传输模块用于感知检测的信号处理与无线传输，空腔30通过上密封盖25 (通过密封胶)密封。所述温度感知器26为热电偶或热电阻传感器件；所述智能金刚石刀具还包括弹性橡胶垫18，所述弹性橡胶垫18固定在感知测量长臂悬伸梁28前端的下表面上，弹性橡胶垫18与温度感知器26正对设置(保证温度感知器26与刀尖锐角区域34内部的空腔30的前端上表面充分接触)；所述应变感知器27为电阻应变、压阻薄膜、压电薄膜或声表面波传感器件；当所述刀具基体22材料为刀具材料时，如工具钢、高速钢、硬质合金或外表面设有涂层的硬质合金及其超硬材料，能直接利用刀具基体刀尖进行切削。本实施方式的智能金刚石刀具I作为一个集切削加工和感知监测刀具状态的整体系统。
具体实施方式
二 如图I、图2 (a)及图2 (b)和图6所示，具体实施方式
一所述刀具基体22的外形结构由上表面11、下表面15、后端面16、两个前侧面12、两个刀具定位侧面13及两个后侧面14构成，上表面11和下表面15上下水平正对设置，两个前侧面12相对于刀具基体22的纵向中分面33对称设置在上表面11及下表面15之间,两个前侧面12的前端相交设置，两个前侧面12的上端和下端分别与上表面11和下表面15相交且与其成一定倾斜角设置，由上表面11、下表面15及两个前侧面12组合形成刀尖锐角区域34，金刚石刀片21设置在刀尖锐角区域34内的前端，两个后侧面14相对于刀具基体22的纵向中分面33平行且对称设置，两个后侧面14之间的距离小于两个前侧面12后端之间的距离，前侧面12的后端与刀具定位侧面13的前端相交，该刀具定位侧面13的后端与后侧面14的前端相交，所述钝角突起35位于前侧面12与刀具定位侧面13的相交处，后端面16垂直设置在两个后侧面14之间，两个后侧面14之间包含的区域为矩形突出部分37。
具体实施方式
三如图I、图3、图4及图5所示，与具体实施方式
二所述智能金刚石刀具配对刀体；所述刀体包括智能金刚石刀具I及刀柄4，所述刀柄4上表面的前端加工有一个与所述智能金刚石刀具I相配对的安装槽19，智能金刚石刀具I置于刀柄4的安装 槽19内，智能金刚石刀具I中的刀具基体22的下表面15及两个刀具定位侧面13用于与所述安装槽19相对应定位面配对定位，两个第一紧定螺钉2通过两个第一螺钉锁紧孔31紧固在所述刀柄4上，第二紧定螺钉3通过第二螺钉锁紧孔32紧固在所述刀柄4上。
权利要求
1.一种具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具，所述智能金刚石刀具(I)包括金刚石刀片(21)及刀具基体(22)，金刚石刀片(21)固结在刀具基体(22)的上表面(11)的前端用于切削工件，金刚石刀片(21)的前端置于刀具基体(22)的外部，其特征在于所述智能金刚石刀具(I)还包括微机电传感系统(23)、后密封压垫(24)及上密封盖(25);所述微机电传感系统(23)包括温度感知器(26)、芯片(17)、感知测量长臂悬伸梁(28)、加速度传感器(29 )、信息处理与无线传输模块以及两个应变感知器(27 )， 刀具基体(22)的前端设有刀尖锐角区域(34)，刀具基体(22)的后端设有矩形突出部分(37)，刀具基体(22)上的两侧面各设有一个钝角突起(35)，且钝角突起(35)位于刀尖锐角区域(34)与矩形突出部分(37)之间，两个钝角突起(35)相对于刀具基体(22)的纵向中分面(33)对称设置，刀具基体(22)上沿厚度方向加工有两个第一螺钉锁紧孔(31)，两个第一螺钉锁紧孔(31)位于两个钝角突起(35)处，两个第一螺钉锁紧孔(31)相对于刀具基体(22 )的纵向中分面(33 )对称设置，刀具基体(22 )的上表面(11)向矩形突出部分(37 )方向设有一个空腔(30)，空腔(30)的后端与刀具基体(22)的后端面(16)相通，空腔(30)的前端延伸至刀尖锐角区域(34)内部，空腔(30)相对于刀具基体(22)的纵向中分面(33)对称设置，空腔(30 )的底面的后端设有沉槽(42 )，后密封压垫(24 )设置在沉槽(42 )内，后密封压垫(24)与刀具基体(22)固接，后密封压垫(24)和刀具基体(22)上设有同轴的第二螺钉锁紧孔(32)，第二螺钉锁紧孔(32)及两个第一螺钉锁紧孔(31)共同用于所述智能金刚石刀具的紧固安装，空腔(30)的底面上设有多个用于固定微机电传感系统(23)的锁紧螺钉孔(41)，微机电传感系统23设置在空腔30内，微机电传感系统23上设有感知测量长臂悬伸梁28，感知测量长臂悬伸梁(28)的前端延伸至刀尖锐角区域(34)内部，感知测量长臂悬伸梁(28)的前端上表面设有温度感知器(26)，温度感知器(26)与刀尖锐角区域(34)内部的空腔的30前端上表面接触用于感知检测刀尖切削温度；感知测量长臂悬伸梁(28)根部的上表面及下表面各对称设有一个应变感知器(27)，用于感知检测切削加工的主切削力；加速度传感器(29)设置在芯片(17)上，用于切削振动的检测；信息处理与无线传输模块与芯片(17)集成为一体，信息处理与无线传输模块用于感知检测的信号处理与无线传输，空腔(30 )通过上密封盖(25 )密封。
2.如权利要求I所述一种具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具，其特征在于所述刀具基体(22)的外形结构由上表面(11)、下表面(15)、后端面(16)、两个前侧面(12)、两个刀具定位侧面(13)及两个后侧面(14)构成，上表面(11)和下表面(15)上下水平正对设置，两个前侧面(12)相对于刀具基体(22)的纵向中分面(33)对称设置在上表面(11)及下表面(15)之间，两个前侧面(12)的前端相交设置，两个前侧面(12)的上端和下端分别与上表面(11)和下表面(15)相交且与其成一定倾斜角设置，由上表面(11)、下表面(15)及两个前侧面(12)组合形成刀尖锐角区域(34)，金刚石刀片(21)设置在刀尖锐角区域(34)内的前端，两个后侧面(14)相对于刀具基体(22)的纵向中分面(33)平行且对称设置，两个后侧面(14)之间的距离小于两个前侧面(12)后端之间的距离，前侧面(12)的后端与刀具定位侧面(13)的前端相交，该刀具定位侧面(13)的后端与后侧面(14)的前端相交，所述钝角突起(35)位于前侧面(12)与刀具定位侧面(13)的相交处，后端面(16)垂直设置在两个后侧面(14)之间，两个后侧面(14)之间包含的区域为矩形突出部分(37)。
3.如权利要求I或2所述一种具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具，其特征在于所述刀具基体(22 )为工具钢、高速钢、硬质合金或外表面设有涂层的硬质合金及其超硬材料，能直接利用刀尖进行切削。
4.如权利要求I所述一种具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具，其特征在于所述温度感知器(26)为热电偶或热电阻传感器件。
5.如权利要求I所述一种具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具，其特征在于所述应变感知器(27)为电阻应变、压阻薄膜、压电薄膜或声表面波传感器件。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述一种具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具，其特征在于所述智能金刚石刀具还包括弹性橡胶垫(18)，所述弹性橡胶垫(18)固定在感知测量长臂悬伸梁(28)前端的下表面上，弹性橡胶垫(18)与温度感知器(26)正对设置。
7.一种与权利要求2所述智能金刚石刀具配对刀体；其特征在于所述刀体包括智能金刚石刀具(I)及刀柄(4)，所述刀柄(4)上表面的前端加工有一个与所述智能金刚石刀具(I)相配对的安装槽(19)，智能金刚石刀具(I)置于刀柄(4)的安装槽(19)内，智能金刚石刀具(I)中的刀具基体(22)的下表面(15)及两个刀具定位侧面(13)用于与所述安装槽(19)相对应定位面配对定位，两个第一紧定螺钉(2)通过两个第一螺钉锁紧孔(31)紧固在所述刀柄(4)上，第二紧定螺钉(3)通过第二螺钉锁紧孔(32)紧固在所述刀柄(4)上。
全文摘要
具有实时感知监测系统的智能金刚石刀具及其配对刀体。属于超精密切削加工及其切削状态实时监测领域。本发明可满足超精密加工过程实时感知监测和自适应加工的需要。智能金刚石刀具在切削加工的同时，通过微机电传感系统进行刀具切削温度、切削力、刀具振动的测量。金刚石刀具固结于刀具基片前端，微机电传感系统内置在刀具基体上的空腔内，其上设有感知测量长臂悬伸梁延伸至刀尖锐角区域内部，其端部设有温度感知器，其根部的上、下表面各对称设有一个应变感知器，加速度传感器、信息处理与无线传输模块集成在微机电传感系统中，空腔通过上密封盖和后密封压垫密封；智能金刚石刀具安装在配对的刀柄上。本发明用于超精密切削加工及其过程实时监测。
文档编号B23B27/00GK102699362SQ201210213050
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月26日 优先权日2012年6月26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