CN114905075A - 一种具有温度测量功能的立铣刀及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有温度测量功能的立铣刀及其制备方法，属于切削刀具技术领域。所述具有温度测量功能的立铣刀由刀具主体和镶嵌在刀具主体中的测温模块组成，测温模块的测温功能依赖于热敏陶瓷。本发明通过将热敏陶瓷温度测量模块嵌入刀具主体芯部靠近刀具底端位置，通过热敏陶瓷测量切削过程中的温度变化，与目前测温刀具的测温原理和制造方法完全不同。本发明使用的热敏陶瓷温度测量模块，可通过调控其组分和烧结工艺获得满足不同切削温度测量要求的热敏陶瓷，以适用不同温度监测要求场合。

Description

一种具有温度测量功能的立铣刀及其制备方法
技术领域
本发明涉及切削刀具技术领域，特别涉及一种具有温度测量功能的立铣刀及其制备方法。
背景技术
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会产生重要的影响。高温合金和钛合金等难加工材料在切削区产生的局部高温会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则更为显著。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、预测刀具磨损和保证加工质量具有重要的指导作用。
刀具作为切削加工的直接参与者，除了具备良好的切削性能外，还应具备测温功能。目前使刀具具备测温功能的方法是将常规热电偶或薄膜热电偶嵌入刀具中，利用热电偶实现切削温度测量，主要实施方式有以下三种：一是，在刀具上开槽埋入常规热电偶；二是，采用直流脉冲磁控溅射技术在刀具后刀面靠近刀尖位置沉积薄膜热电偶，将刀具本身作为热电偶一极；三是，首先利用激光加工技术在刀具表面加工出微织构，然后利用磁控溅射技术将薄膜热电偶沉积在微织构中。
对于测温铣刀来说，目前这类测温刀具主要是通过在刀具切削刃附近预先埋入热电偶，利用热电偶实现对切削温度测量。如，论文(Measuring temperature of rotatingcutting tools:Application to MQL drilling and dry milling of aerospace alloys[J].Applied Thermal Engineering,2012,36:434-441.)提出了一种旋转式刀具温度测量系统，在钻头与端铣刀切削刃附近预埋热电偶，实现对钻头、端铣刀切削温度的测量；论文(A wireless sensor fortool temperature measurement and its integration withina manufacturing system[J].Transactions of the North American ManufacturingResearch Institute of SME,2006,34:63-70)研制了一种用于铣削刀具温度测量的无线测温刀具，电阻式温度传感器安装在端铣刀的背面；论文(Temperature measurement inCFRP milling using a wireless tool-integrated process monitoring sensor[J].International Journal of Automation Technology,2013,7(6):742-750.)研制了一种智能无线测温刀具，将直径0.2mm的K型热电偶精确地嵌入0.6mm的刀具凹槽中，保证热电偶距切削刃底部0.5mm的距离。
通过将热电偶埋入切削刃附近可使铣刀具备测温功能，但是，这类测温刀具存在多方面不足：常规热电偶传感器测量瞬态温度响应速度不足；将热电偶布置在切削区易产生磨损及破坏，影响测量精度；铣刀需要特殊处理，处理工艺复杂，难以量产，实现工程应用存在较大难度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种具有温度测量功能的立铣刀及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明技术方案之一：提供一种具有温度测量功能的立铣刀，结构包括：具有盲孔的刀具主体和嵌在所述刀具主体盲孔底壁中的温度测量模块，所述盲孔底壁靠近工件设置；
所述温度测量模块包括：热敏陶瓷(2)、连接在所述热敏陶瓷(2)上的导线(3)和连接在所述刀具主体(1)上的导线(4)。
优选地，所述刀具主体的直径为4～20mm，长度为20～35mm；所述盲孔的直径为2～12mm，距离所述刀具主体靠近工件的加工端的轴向距离为1～3mm；所述热敏陶瓷的直径与所述盲孔的直径一致，高度为3～10mm。
优选地，所述刀具主体的材料为陶瓷或硬质合金。
更优选地，所述刀具主体的材料为Ti(C,N)陶瓷。
更优选地，所述Ti(C,N)陶瓷的制备步骤包括：按质量百分数Ti(C,N)56～62％、Mo2C 10～15％、WC 5～10％、Ni 6～9％、Co 6～9％和Mo 6％称取各原料粉末，球磨后压制成型，烧结，得到Ti(C,N)陶瓷。
更优选地，所使用Ti(C,N)粉末的粒径为200nm，Mo2C粉末的粒径为200nm，WC粉末的粒径为400nm，Ni粉末的粒径为600nm，Co粉末的粒径为600nm，Mo粉末的粒径为80nm。压制成型时的压力为200～300MPa，保压时间为2min。
更优选地，所述球磨的时间为12～24h，球料比为8:1；所述烧结在惰性氛围下进行，烧结的温度为1550～1650℃，升温速率为20～50℃/min，保温时间为10～20min，压力为1～1.2个标准大气压。
优选地，所述热敏陶瓷的材料为(1-x)LaCrO3-xAl2O3热敏陶瓷，其中0.2≤x≤0.8。
更优选地，所述(1-x)LaCrO3-xAl2O3热敏陶瓷的制备步骤包括：按摩尔比(0.2～0.8):(0.8～0.2)配制氧化铝与铬酸镧粉末，球磨后压制成型，烧结，得到(1-x)LaCrO3-xAl2O3热敏陶瓷其中，0.2≤x≤0.8。
更优选地，所述球磨的时间为5～10h，球料比为10:1；所述烧结的温度为1400～1500℃，升温速率为20～50℃/min，保温时间为0～5min。
更优选地，压制成型时的压力为150～200MPa，保压时间为2min。
本发明技术方案之二：提供一种上述具有温度测量功能的立铣刀的制备方法，包括以下步骤：制备具有盲孔的刀具主体和热敏陶瓷，然后将热敏陶瓷镶嵌到刀具主体盲孔的底端，热敏陶瓷及刀具主体均连有导线，即制得具有温度测量功能的立铣刀。
本发明的有益技术效果如下：
本发明提供的具有温度测量功能的立铣刀及其制造方法，与目前传统立铣刀相比，不但可用来切削，而且具备切削温度测量功能，可实现切削过程中的切削温度在线感知，为切削参数调整、刀具磨损状态预测提供数据支撑，有利于推动智能切削技术的发展和应用；与目前基于热电偶的测温立铣刀相比，测温原理和制造方法完全不同，本发明测温刀具测温范围大，测量灵敏度高，结构简单，利用传统烧结方法即可实现批量制造，制造成本低。
本发明利用具有良好阻温特性的热敏陶瓷作为温度测量模块，将热敏陶瓷温度测量模块嵌入刀具主体芯部靠近刀具底端位置，通过热敏陶瓷测量切削过程中的温度变化，与目前热电偶测温刀具的测温原理和制造方法完全不同。
本发明使用的热敏陶瓷温度测量模块，可通过调控其组分和烧结工艺获得满足不同切削温度测量要求的热敏陶瓷。本发明制备的具有温度测量功能立铣刀温度测量从50℃即可开始，室温电阻率高，测温度范围大(本申请用的热敏陶瓷是负温度系数热敏陶瓷，其阻温特性为随着温度升高电阻值下降，室温电阻率越高，则表明它的测温范围越大)、测量灵敏度高(用B值来体现，B值代表单位温度变化时热敏陶瓷电阻变化范围，B值越大灵敏度越高，单位K)。
附图说明
图1为本发明实施例制备的具有温度测量功能的立铣刀的二维结构示意图。
图2为本发明实施例制备的具有温度测量功能的立铣刀的三维结构示意图。
其中，1为刀具主体，2为温敏陶瓷，3为与温敏陶瓷相连的导线，4为与刀具主体相连的导线。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例制备的具有温度测量功能的立铣刀的二维结构示意图见图1。
本发明实施例制备的具有温度测量功能的立铣刀的三维结构示意图见图2。
其中，1为刀具主体，2为热敏陶瓷，3为与热敏陶瓷相连的导线，4为与刀具主体相连的导线。
本发明制备的具有温度测量功能的立铣刀的刀具主体1的直径为12mm，长度为25mm；盲孔的直径为4mm，距离所述刀具主体1靠近工件的加工端的轴向距离为1mm；热敏陶瓷2的直径与盲孔的直径一致，高度为5mm，位于所述盲孔的底壁。
实施例1
步骤1：Ti(C,N)陶瓷刀具主体1的制备步骤如下：
按质量百分数200nm Ti(C,N)62％、200nm Mo2C 15％、400nm WC 5％、600nmNi6％、600nm Co 6％、80nm Mo 6％进行配料，将粉末质量3％的聚乙烯醇配制成浓度8％的去离子水溶液，将混合粉末、刚玉球、聚乙烯醇水溶液和无水乙醇放入磨罐中球磨24小时，无水乙醇与粉末的质量比为3:1，球料比为8:1；将球磨后的混合粉末在110℃进行真空干燥，干燥后粉末过100目筛；将过筛的粉末放入专用模具中压制带有盲孔的Ti(C,N)陶瓷刀具主体1素坯，单向加压压力为300MPa，保压2min；将素坯置于微波烧结炉腔中，通入99.99％的高纯氮气至烧结炉腔中，炉腔内空气压强达到1.2个标准大气压时停止通气，启动真空泵抽出气体，压强达到10Pa以下时停止抽气，之后再重复通氮气抽真空步骤2次，烧结时烧结炉腔内高纯氮气压强始终保持1.2个标准大气压；以20℃/min的升温速率将试样加热至1600℃，保温20min，然后随炉冷却；将烧结得到的Ti(C,N)陶瓷刀具主体的一端磨出切削刃。
步骤2：LaCrO3-Al2O3热敏陶瓷2的制备步骤如下：
按摩尔比0.4：0.6配制氧化铝与铬酸镧混合粉末，将粉末质量3％的聚乙烯醇配制成浓度8％的去离子水溶液，将混合粉末、玛瑙球、聚乙烯醇水溶液和无水乙醇经过行星球磨机球磨8小时，无水乙醇与粉末的质量比为3:1，球料比为10:1；球磨结束后混合粉末在110℃进行真空干燥，干燥后粉体过100目筛；将过筛的粉末放入模具压制，压制压力200MPa，保压2分钟，得到LaCrO3-Al2O3热敏陶瓷2素坯；将素坯放入微波烧结炉中烧结，空气气氛，升温速率30℃/min，烧结温度为1400℃，保温时间为5min，随炉自然冷却。
步骤3：将烧结得到的LaCrO3-Al2O3热敏陶瓷2嵌入Ti(C,N)陶瓷刀具主体1的盲孔中。
步骤4：将导线分别连接在热敏陶瓷温度测量模块和刀具主体上，然后分别将连接温度测量模块和刀具主体的导线接在数字源表上，得到具有温度测量功能的立铣刀。数字源表用于给热敏陶瓷供电和检测电流变化用。
采用上述方法制备的具有温度测量功能的立铣刀，相对密度99.0％，断裂韧性9.8±0.3MPa·m1/2，维氏硬度18.9±0.1GPa，从50℃开始具有良好的阻温特性(即，具备温度测量功能)，室温电阻率1.98×106Ω·cm，温度测量灵敏度4890K。
实施例2
改变Ti(C,N)陶瓷中Ni、Co、Mo的含量，其他制备步骤与实施例1相同，所得结果见表1。
表1金属相Ni、Co和Mo不同含量的实验结果
Figure BDA0003679430270000071
Figure BDA0003679430270000081
从表1中可以看出，当金属相Ni、Co和Mo的质量百分数为6～9％，6～9％和6％时，制得的Ti(C,N)陶瓷性能良好。
对比例1
与实施例1的步骤2相比，将氧化铝与铬酸镧的摩尔比调整为0.1:0.9，其他条件与实施例1的步骤2相同。
所制得的热敏陶瓷室温电阻率为2.3Ω·cm，近似导体，不能用作温度测量模块。
对比例2
与实施例1的步骤2相比，将氧化铝与铬酸镧的摩尔比调整为0.9:0.1，其他条件与实施例1的步骤2相同。
所制得的热敏陶瓷不导电，不能用作温度测量模块。
对比例3
与实施例1的步骤2相比，将烧结温度调整为1350℃，其他条件与实施例1的步骤2相同。
所制得的热敏陶瓷致密度为84.5％，从150℃开始具有阻温特性，室温电阻率为1.62×105Ω·cm，温度测量灵敏度为3369K。
对比例4
与实施例1的步骤2相比，将成型压力调整为100MPa，氧化铝所占摩尔比调整为70％，其他条件与实施例1的步骤2相同。
所制得的热敏陶瓷出现了开裂现象，不能用作温度测量模块。
对比例5
与实施例1的步骤2相比，将成型压力调整为100MPa，氧化铝所占摩尔比调整为40％，其他条件与实施例1的步骤2相同。
所制得的热敏陶瓷从80℃开始具有阻温特性，室温电阻率为1.68×105Ω·cm，温度测量灵敏度为3799K。
对比例6
与实施例1的步骤2相比，将烧结氛围更改为氮气氛围，其他条件与实施例1的步骤2相同。
所制得的热敏陶瓷从210℃开始有阻温特性，室温电阻率为2.75×106Ω·cm，温度测量灵敏度为12049K。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有温度测量功能的立铣刀，其特征在于，结构包括：具有盲孔的刀具主体(1)和嵌在所述刀具主体(1)盲孔底壁中的温度测量模块，所述盲孔底壁靠近工件设置；
所述温度测量模块包括：热敏陶瓷(2)、连接在所述热敏陶瓷(2)上的导线(3)和连接在所述刀具主体(1)上的导线(4)。
2.根据权利要求1所述的具有温度测量功能的立铣刀，其特征在于，所述刀具主体(1)的直径为4～20mm，长度为20～35mm；所述盲孔的直径为2～12mm，距离所述刀具主体(1)靠近工件的加工端的轴向距离为1～3mm；所述热敏陶瓷(2)的直径与所述盲孔的直径一致，高度为3～10mm。
3.根据权利要求1所述的具有温度测量功能的立铣刀，其特征在于，所述刀具主体(1)的材料为陶瓷或硬质合金。
4.根据权利要求3所述的具有温度测量功能的立铣刀，其特征在于，所述刀具主体(1)的材料为Ti(C,N)陶瓷。
5.根据权利要求4所述的具有温度测量功能的立铣刀，其特征在于，所述Ti(C,N)陶瓷的制备步骤包括：按质量百分数Ti(C,N)56～62％、Mo2C 10～15％、WC 5～10％、Ni 6～9％、Co 6～9％和Mo 6％称取各原料粉末，球磨后压制成型，烧结，得到Ti(C,N)陶瓷。
6.根据权利要求5所述的具有温度测量功能的立铣刀，其特征在于，所述球磨的时间为12～24h，球料比为8:1；所述烧结在惰性氛围下进行，烧结的温度为1550～1650℃，升温速率为20～50℃/min，保温时间为10～20min，压力为1～1.2个标准大气压。
7.根据权利要求1所述的具有温度测量功能的立铣刀，其特征在于，所述热敏陶瓷(2)的材料为(1-x)LaCrO3-xAl2O3热敏陶瓷，其中0.2≤x≤0.8。
8.根据权利要求7所述的具有温度测量功能的立铣刀，其特征在于，所述(1-x)LaCrO3-xAl2O3热敏陶瓷的制备步骤包括：按摩尔比(0.2～0.8):(0.8～0.2)配制氧化铝与铬酸镧粉末，球磨后压制成型，烧结，得到(1-x)LaCrO3-xAl2O3热敏陶瓷，其中0.2≤x≤0.8。
9.根据权利要求8所述的具有温度测量功能的立铣刀，其特征在于，所述球磨的时间为5～10h，球料比为10:1；所述烧结的温度为1400～1500℃，升温速率为20～50℃/min，保温时间为0～5min。
10.一种权利要求1～9任一项所述具有温度测量功能的立铣刀的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备具有盲孔的刀具主体(1)和热敏陶瓷(2)，然后将热敏陶瓷(2)镶嵌到刀具主体(1)盲孔的底端，热敏陶瓷(2)及刀具主体(1)均连有导线，即制得具有温度测量功能的立铣刀。
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