[發(fā)明專利]多物理量實時監(jiān)測加工狀態(tài)的智能刀具

有效

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• 申請日: 2012-03-30
• 公開（公告）號: CN102601399A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設計）人: 程凱;肖才偉;丁輝;李文德;陳時錦
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: B23B27/00
• 分類號: B23B27/00;B23Q17/09
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明屬于機械加工刀具及檢測技術領域，具體涉及的是多物理量實時監(jiān)測加工狀態(tài)的智能刀具。

背景技術

切削加工作為機械零件制造最主要的方法，刀具在機械切削加工過程中起著至關重要的作用。刀具在切削加工過程中所處的狀態(tài)，包括刀具應力、應變、溫度分布、切削力、切削溫度、刀具切削振動、刀具磨損和破壞等直接影響刀具的壽命、加工效率、加工精度和加工表面質(zhì)量等對切削狀態(tài)的監(jiān)測、對檢驗和分析切削過程機理、優(yōu)化加工過程參數(shù)、進行刀具幾何參數(shù)和刀具的優(yōu)化設計具有重要意義。通過實時監(jiān)測刀具切削狀態(tài)可以實現(xiàn)刀具的在線故障識別和預警，提高加工過程的可靠性和加工效率，降低加工成本以及提高加工自適應控制性能和數(shù)控系統(tǒng)的集成性能。

一般來說，檢測切削力作為最有效的監(jiān)測方式也是國內(nèi)外研究與應用最多的監(jiān)測方法之一，通過對切削力的檢測和分析可有效地監(jiān)測切削加工過程。切削力的測量方式也隨著測量技術的發(fā)展從最初的機械式、液壓式、電容式、電感式、電阻應變式發(fā)展到目前壓電晶體式。壓電晶體式因靈敏度相對較高，測量誤差小并可通過有效手段消除，已成為成熟的切削力測量手段。雖然這種檢測方式已經(jīng)商業(yè)化，但同時由于壓電晶體式測力儀成本高，體積相對大，在實際生產(chǎn)安裝上較為不便，以及在使用時或多或少地要改變機床的原有部件，給壓電晶體式傳感器在實際零件生產(chǎn)加工中的應用帶來很大局限性，不適應更為廣泛的應用。更為重要的是壓電晶體式傳感器的動態(tài)特性和最小分辨率局限于自身性能參數(shù)，制約了其在超高速切削加工和微納切削中的應用。

切削過程是刀具和工件相互作用的過程，切削過程中刀具所受的各種力、應力、應變、振動、噪聲、溫度和有效功率等信息都可用于監(jiān)測切削刀具的狀態(tài)。一般來說在切削過程中，刀具所產(chǎn)生的一些微小變化，如刀具磨損、刀具振動，都能通過切削力和溫度的變化反映出來。雖然通過多傳感器融合，將檢測切削力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器和聲發(fā)射傳感器等集成起來能有效的全方位的檢測刀具加工過程狀態(tài)，但這種方式成本高、系統(tǒng)結構復雜，一般局限于實驗室切削的科學分析。

目前，還缺乏一種廣泛工業(yè)化實用的切削過程狀態(tài)監(jiān)測傳感裝置，實現(xiàn)真正意義上的加工過程自適應控制和數(shù)控系統(tǒng)的集成。由于缺乏加工情況下刀具實時狀態(tài)情況，在切削加工時沒有考慮刀具的磨損、切削力、切削熱等因素對加工過程的影響，不能實時動態(tài)調(diào)整加工工藝參數(shù)，直接影響了加工精度、加工效率、加工過程的可靠性與零件質(zhì)量的一致性。并且基于現(xiàn)有的檢測手段只能反應整體刀具的切削加工狀況，而很難檢測刀具參與切削區(qū)域，刀尖和切削刃附近區(qū)域的應力和溫度。而真實情況是直接參與切削區(qū)域的狀況就直接決定刀具切削的狀態(tài)、刀具磨損程度和破壞的可能。綜合來看，需要一種能實時檢測刀具切削加工中切削區(qū)域狀況，且實用、低成本，并將檢測與加工融合一體的切削刀具。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種多物理量實時監(jiān)測加工狀態(tài)的智能刀具，以適應加工智能化，高效高精和自適應加工的發(fā)展需求，并解決采用傳統(tǒng)切削加工監(jiān)測方法設備復雜，成本高，體積大，使用安裝不便，并且一般限于單一物理量監(jiān)測，靈敏度低，且難以實現(xiàn)旋轉刀具的加工過程監(jiān)測的問題。本發(fā)明的智能刀具能在切削過程中自主實時監(jiān)測，具有刀具切削區(qū)域多物理量的無線實時感知和監(jiān)測功能。

實現(xiàn)上述目的的技術方案分別是：

多物理量實時監(jiān)測加工狀態(tài)的智能刀具，所述的智能刀具包括刀具基體和功能涂層，所述功能涂層包括傳感器感知涂層、切削涂層和保護涂層；

傳感器感知涂層包括壓電薄膜涂層、射頻天線、以及與射頻天線相連的一列或多列叉指換能器陣列；切削涂層涂敷在刀具基體的各表面上，切削涂層的表面涂敷壓電薄膜涂層；在涂敷刀具基體的后刀面和副后刀面的切削涂層上或者壓電薄膜涂層上各分別制作一個射頻天線和與之連接的一列或多列金屬叉指換能器陣列；一列或多列叉指換能器陣列中的叉指換能器陣列沿豎直方向均勻分布在刀具后刀面和副后刀面上，且靠近刀尖切削區(qū)；保護涂層為最外層，保護涂層涂敷在傳感器感知涂層的表面。

所述刀具基體外形為正多邊形；在涂敷刀具基體正多邊形外形每個外側面的切削涂層上或者壓電薄膜涂層上采用微加工方式各分別制作一個射頻天線和與之連接的兩列金屬叉指換能器陣列；所述的兩列金屬叉指換能器陣列位于該側面的兩端，兩列金屬叉指換能器陣列以所在側面中心線相互對稱遠離并靠近各自刀尖位置，每個切削刃切削區(qū)的后刀面和副后刀面各有一列金屬叉指換能器陣列，所述的射頻天線布置在該側面上的兩列金屬叉指換能器陣列的中間。