[發明專利]一種具有嵌入式薄膜溫度傳感器的切削刀具及制備方法

有效

• 申請號: 201810697091.7
• 申請日: 2018-06-29
• 公開（公告）號: CN108817880B
• 公開（公告）日: 2019-09-13
• 發明（設計）人: 湯自榮;李天翔;廖廣蘭;史鐵林
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23P15/28
• 分類號: B23P15/28
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本發明屬于切削刀具領域，并具體公開了一種具有嵌入式薄膜溫度傳感器的切削刀具及制備方法，該刀具采用如下步驟制備：準備兩塊刀體，包括第一刀體和第二刀體，經研磨拋光、清洗后待用；在第一刀體上表面制備薄膜溫度傳感器；在第一刀體上表面已制備的圖案上鍍絕緣薄膜層，在第一刀體上表面中部未制備圖案區域濺射金屬薄膜層；將第二刀體放置在第一刀體的上表面，通過模具固定第一刀體與第二刀體的位置，然后進行高溫高真空等靜壓燒結制備獲得刀具；對刀具進行刀尖修飾，獲得所需的切削刀具。本發明可實現溫度場實時原位在線測量，具有溫度測量可靠性高、響應速率快、空間分辨率高及溫度傳感器使用壽命長等優點。

技術領域

本發明屬于切削刀具領域，更具體地，涉及一種具有嵌入式薄膜溫度傳感器的切削刀具及制備方法。

背景技術

一直以來，金屬切削加工都是制造業中最為重要和活躍的機械零部件成形方法之一。由于切削加工中產生大量的切削熱，導致切削溫度升高，直接影響著工件的熱變形、加工表面質量以及刀具壽命等。但是狹小的切削區域存在極為陡峭的溫度、應力梯度變化，現有的溫度傳感器由于尺寸、測量環境的限制很難深入或接近到切削區域內，實現加工過程中溫度實時準確測量與記錄。因此，為快速、精確地監測切削溫度，提高工件加工質量，提高刀具使用壽命，有必要開發新型刀具測溫方法。

目前，比較常見的測量切削溫度的方法有：1)熱電偶法；2)紅外輻射法；3)熱物理效應法。其中，自然熱電偶測量的是切削區域的平均溫度，同時刀具-工件材料的變化直接影響著溫度-電壓之間的輸出曲線，而且刀具、工件上附加的絕緣介質直接降低機床剛度并可能引起顫振，產生較大的測量誤差。人工熱電偶通過刀具打孔以放置熱電偶，破壞性的降低了刀具強度并改變了切削熱正常的傳入到刀具中，并不能直接測量出前刀面上的溫度。紅外輻射法適用于惡劣環境下遠距離非接觸監測物體表面溫度，但由于該方法存在大量復雜的誤差源，測量結果存在很大的誤差。熱物理方法利用材料的電阻率、熔點、顏色、金相結構等物理特征隨著溫度的變化而發生變化來實現溫度間接測量的方法，這種方法只能對切削加工溫度做出比較粗略的、大概的估計。以上方法都不能保證測量溫度的準確性。

薄膜熱電偶作為新興起的測量瞬態溫度變化的溫度傳感器，其更快的時間響應，更高的測量精度及空間分辨率，為切削加工原位溫度場測量提供了可能。目前，應用薄膜熱電偶測量切削溫度的研究比較少，日本的AliBasti等人在氧化鋁刀具的前刀面沉積薄膜熱電偶，并在熱電偶上濺射HfO₂作為絕緣層，之后再濺射TiAlSiN刀具涂層。該刀具切削由于涂層磨損較快，只能切削硬度較低的材料如鋁合金。美國西北大學KornelEhmann教授開發了基于嵌入式微TFTCs溫度傳感器陣列的硬切削區域原位溫度場測量方法，其開發的刀具可以進行前刀面和后刀面溫度的準確測量，其測量結果與理論預測也比較接近，但刀具僅適合實驗研究，并不能用于車床實際工況中。

發明內容

針對現有技術的上述缺點和/或改進需求，本發明提供了一種具有嵌入式薄膜溫度傳感器的切削刀具及制備方法，其結合MEMS工藝及高真空等靜壓燒結工藝將薄膜溫度傳感器成功嵌入到整體立方刀具上，制備集切削、測溫為一體的刀具，可快速、精確地測量出刀具前刀面的切削溫度場，可有效解決切削過程中實時測量刀具前刀面切削溫度場困難、實現溫度場實時原位在線測量的問題，具有溫度測量可靠性高、溫度傳感器使用壽命長等優點。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提出了一種具有嵌入式薄膜溫度傳感器的切削刀具的制備方法，其包括如下步驟：

S1準備兩塊刀體，包括第一刀體和第二刀體，經研磨拋光、清洗后待用；

S2在第一刀體上表面制備薄膜溫度傳感器，包括如下子步驟：

S21制備溫度傳感器掩膜版，包括溫度傳感器第一部分圖案的掩膜版和溫度傳感器第二部分圖案的掩膜版；

S22在第一刀體上表面經勻膠、前烘、前曝光、后烘、泛曝光、顯影、鍍膜和金屬剝離完成溫度傳感器第一部分的制備；