压阻测力陶瓷刀具及其制备方法

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种压阻测力陶瓷刀具及其制备方法。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、切削力是监测机械加工状态的重要信息来源，它能够反映刀具状态和零件加工质量的变化。通过监测切削力，可以预测刀具磨损程度、刀具寿命以及工件表面质量，从而优化加工工艺参数，提高加工质量和效率。

3、目前的切削力传感器主要采用刀架式和夹具式设计，其内部结构复杂，体积庞大。在使用时，需要拆卸原有刀架，并额外安装夹具，这可能会影响机床本身的性能，包括机床的精度和整体刚度等方面。

4、cn114644510b具有压电效应的陶瓷刀具材料及其制备方法与切削刀具，制备的具有压电效应的陶瓷刀具虽然可以在一定程度上满足切削性能要求的前提下能够测量切削力，但是，发明人发现，采用该方法制备的陶瓷刀具的断裂韧度较差、耐磨性较差，压电层与陶瓷刀具基体之间的结合性能较弱，压电层的力学性能远低于刀具基体材料导致陶瓷刀具的使用寿命较短。在测量切削力时，具有压电效应的陶瓷刀具测力信号较弱，抗干扰能力差。此外，具有压电效应的陶瓷刀具使用温度要求小于400℃，难以应用在超过400℃的较高温度的使用场所。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种压阻测力陶瓷刀具及其制备方法。该新型陶瓷刀具集成了高力学性能与切削力测量功能。该陶瓷刀具材料不仅能满足切削性能要求，还能够直接测量切削力，而无需专用测力仪器。它具有结构简单、体积小巧、硬度高、抗弯强度和断裂韧度高、安装方便、信号抗干扰能力强、使用的温度范围广等优点。这一发明方案不仅具有重要的理论意义，还具有实际应用价值。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种压阻测力陶瓷刀具，为均质压阻陶瓷刀具，包括以下组分：基体材料20-80份；压阻材料20-80份；结合剂5-15份，增强相0.2-10份；

4、所述基体材料选自al2o3、si3n4、ti(c,n)中的一种或其组合；

5、所述压阻材料选自sicn、sioc、si、pbzro3中的一种或其组合。

6、该刀具具有高硬度、高抗弯强度和断裂韧度、高耐磨性，并且能够产生压阻效应。

7、在一些实施例中，所述结合剂为ni、co或mo。

8、在一些实施例中，所述增强相选自tic、sic、zro2、sic、mgo、y2o3中的一种或其组合。

9、第二方面，本发明提供一种压阻测力陶瓷刀具，为梯度压阻陶瓷刀具，至少包括基体层和压阻传感层，压阻传感层附着于基体层上；

10、所述基体层的基体材质选自al2o3、si3n4、ti(c,n)中的一种或其组合；

11、所述压阻传感层，由以下组分组成：基体材质5-15份，压阻材料70-90份。该层具有压阻效应，能够将切削力转换为电阻信号。

12、在一些实施例中，所述压阻传感层中还包括增强相3-10份。

13、在一些实施例中，基体层与压阻传感层之间还设置有粘结层，粘结层的材料组成包括：基体材质30-50份，结合剂30-60份。

14、该层起到粘结基体层与压阻传感层，并起到导电的作用。

15、优选的，所述粘结层中还包括增强相2-10份。

16、优选的，所述粘结层中还包括压阻材料0-10份。

17、在一些实施例中，所述压阻测力陶瓷刀具还包括表层，表层附着于压阻传感层的表面，所述表层的材料组成和厚度与粘结层相同。材料的表层作用包括切削金属与作为电极，该层的硬度、耐磨性与韧性优异不会对刀具的硬度、耐磨性与韧性产生负面影响。

18、在一些实施例中，当压阻测力陶瓷刀具为两层时，基体层的厚度为刀具总厚度的40-80％；

19、当压阻测力陶瓷刀具为三层时，基体层的厚度为刀具总厚度的40-80％，粘结层占刀具总厚度的5-25％，压阻传感层占刀具总厚度的20-50％；

20、当压阻测力陶瓷刀具为四层时，基体层的厚度为刀具总厚度的40-80％，粘结层占刀具总厚度的5-25％，压阻传感层占刀具总厚度的20-50％，表层与粘结层相同。

21、第三方面，本发明提供所述压阻测力陶瓷刀具的制备方法，包括如下步骤：

22、将构成压阻测力陶瓷刀具不同层的材料粉末混合后，使用无水乙醇进行球磨，以混合均匀；

23、将混合后的粉体逐层填铺并压实；

24、进行真空热压烧结或放电等离子烧结，即得。

25、在一些实施例中，真空热压烧结的温度为1350-1600℃，烧结时间为50-60min，烧结压力为30-35mpa。

26、上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

27、本发明旨在将压阻材料引入陶瓷刀具材料中，以提高陶瓷刀具的断裂韧度，并赋予其压阻效应。当具备压阻效应的陶瓷刀具用于切削金属时，能够将切削力信号转化为电阻信号。通过辅助装置采集电阻信号，实时测量切削力，并监测陶瓷刀具的工作状态。

28、与传统传感器相比，这种设计对机床系统没有任何影响，具有良好的兼容性和互换性。此外，安装该刀具传感器也非常简单，安全可靠，无需对现有机床结构和系统进行任何改变即可使用。

29、本发明制备的压阻陶瓷材料的力学性能显著优于压电陶瓷材料，采用压阻陶瓷材料制备的压阻测力陶瓷刀具力学性能优于具有压电效应的陶瓷刀具，使得压阻测力陶瓷刀具具有更长的使用寿命，且制备的压阻陶瓷刀具可以应用在1000℃以内的工作环境中，大大扩展了应用范围。

30、本发明制备的压阻测力陶瓷刀具的测力信号较强，抗干扰能力强，可以起到较好的测力效果。

技术特征：

1.一种压阻测力陶瓷刀具，其特征在于：为均质压阻陶瓷刀具，包括以下组分：基体材料20-80份；压阻材料20-80份；结合剂5-15份，增强相0.2-10份；

2.根据权利要求1所述的压阻测力陶瓷刀具，其特征在于：所述结合剂为ni、co或mo。

3.根据权利要求1所述的压阻测力陶瓷刀具，其特征在于：所述增强相选自tic、sic、zro2、sic、mgo、y2o3中的一种或其组合。

4.一种压阻测力陶瓷刀具，其特征在于：为梯度压阻陶瓷刀具，至少包括基体层和压阻传感层，压阻传感层附着于基体层上；

5.根据权利要求4所述的压阻测力陶瓷刀具，其特征在于：所述压阻传感层中还包括增强相3-10份。

6.根据权利要求4所述的压阻测力陶瓷刀具，其特征在于：基体层与压阻传感层之间还设置有粘结层，粘结层的材料组成包括：基体材质30-50份，结合剂30-60份；

7.根据权利要求4所述的压阻测力陶瓷刀具，其特征在于：所述压阻测力陶瓷刀具还包括表层，表层附着于压阻传感层的表面，所述表层的材料组成和厚度与粘结层相同。

8.根据权利要求4所述的压阻测力陶瓷刀具，其特征在于：当压阻测力陶瓷刀具为两层时，基体层的厚度为刀具总厚度的40-80％；

9.权利要求1-8任一所述压阻测力陶瓷刀具的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的压阻测力陶瓷刀具的制备方法，其特征在于：真空热压烧结的温度为1350-1600℃，烧结时间为50-60min，烧结压力为30-35mpa。

技术总结本发明公开了一种压阻测力陶瓷刀具及其制备方法，为均质压阻陶瓷刀具或梯度压阻陶瓷刀具，将压阻材料引入陶瓷刀具材料中，以提高陶瓷刀具的断裂韧度，并赋予其压阻效应。当具备压阻效应的陶瓷刀具用于切削金属时，能够将切削力信号转化为电阻信号。通过辅助装置采集电阻信号，实时测量切削力，并监测陶瓷刀具的工作状态。技术研发人员：黄传真,孟凯,史振宇,王真,徐龙华,黄水泉,曲美娜,许征凯,张迪嘉,郭保苏,刘含莲,刘盾,姚鹏受保护的技术使用者：燕山大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27