[发明专利]一种具有嵌入式薄膜温度传感器的切削刀具及制备方法

说明书

本发明属于切削刀具领域，并具体公开了一种具有嵌入式薄膜温度传感器的切削刀具及制备方法，该刀具采用如下步骤制备：准备两块刀体，包括第一刀体和第二刀体，经研磨抛光、清洗后待用；在第一刀体上表面制备薄膜温度传感器；在第一刀体上表面已制备的图案上镀绝缘薄膜层，在第一刀体上表面中部未制备图案区域溅射金属薄膜层；将第二刀体放置在第一刀体的上表面，通过模具固定第一刀体与第二刀体的位置，然后进行高温高真空等静压烧结制备获得刀具；对刀具进行刀尖修饰，获得所需的切削刀具。本发明可实现温度场实时原位在线测量，具有温度测量可靠性高、响应速率快、空间分辨率高及温度传感器使用寿命长等优点。

技术领域

本发明属于切削刀具领域，更具体地，涉及一种具有嵌入式薄膜温度传感器的切削刀具及制备方法。

背景技术

一直以来，金属切削加工都是制造业中最为重要和活跃的机械零部件成形方法之一。由于切削加工中产生大量的切削热，导致切削温度升高，直接影响着工件的热变形、加工表面质量以及刀具寿命等。但是狭小的切削区域存在极为陡峭的温度、应力梯度变化，现有的温度传感器由于尺寸、测量环境的限制很难深入或接近到切削区域内，实现加工过程中温度实时准确测量与记录。因此，为快速、精确地监测切削温度，提高工件加工质量，提高刀具使用寿命，有必要开发新型刀具测温方法。

目前，比较常见的测量切削温度的方法有：1)热电偶法；2)红外辐射法；3)热物理效应法。其中，自然热电偶测量的是切削区域的平均温度，同时刀具-工件材料的变化直接影响着温度-电压之间的输出曲线，而且刀具、工件上附加的绝缘介质直接降低机床刚度并可能引起颤振，产生较大的测量误差。人工热电偶通过刀具打孔以放置热电偶，破坏性的降低了刀具强度并改变了切削热正常的传入到刀具中，并不能直接测量出前刀面上的温度。红外辐射法适用于恶劣环境下远距离非接触监测物体表面温度，但由于该方法存在大量复杂的误差源，测量结果存在很大的误差。热物理方法利用材料的电阻率、熔点、颜色、金相结构等物理特征随着温度的变化而发生变化来实现温度间接测量的方法，这种方法只能对切削加工温度做出比较粗略的、大概的估计。以上方法都不能保证测量温度的准确性。

薄膜热电偶作为新兴起的测量瞬态温度变化的温度传感器，其更快的时间响应，更高的测量精度及空间分辨率，为切削加工原位温度场测量提供了可能。目前，应用薄膜热电偶测量切削温度的研究比较少，日本的AliBasti等人在氧化铝刀具的前刀面沉积薄膜热电偶，并在热电偶上溅射HfO₂作为绝缘层，之后再溅射TiAlSiN刀具涂层。该刀具切削由于涂层磨损较快，只能切削硬度较低的材料如铝合金。美国西北大学KornelEhmann教授开发了基于嵌入式微TFTCs温度传感器阵列的硬切削区域原位温度场测量方法，其开发的刀具可以进行前刀面和后刀面温度的准确测量，其测量结果与理论预测也比较接近，但刀具仅适合实验研究，并不能用于车床实际工况中。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种具有嵌入式薄膜温度传感器的切削刀具及制备方法，其结合MEMS工艺及高真空等静压烧结工艺将薄膜温度传感器成功嵌入到整体立方刀具上，制备集切削、测温为一体的刀具，可快速、精确地测量出刀具前刀面的切削温度场，可有效解决切削过程中实时测量刀具前刀面切削温度场困难、实现温度场实时原位在线测量的问题，具有温度测量可靠性高、温度传感器使用寿命长等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种具有嵌入式薄膜温度传感器的切削刀具的制备方法，其包括如下步骤：

S1准备两块刀体，包括第一刀体和第二刀体，经研磨抛光、清洗后待用；

S2在第一刀体上表面制备薄膜温度传感器，包括如下子步骤：

S21制备温度传感器掩膜版，包括温度传感器第一部分图案的掩膜版和温度传感器第二部分图案的掩膜版；

S22在第一刀体上表面经匀胶、前烘、前曝光、后烘、泛曝光、显影、镀膜和金属剥离完成温度传感器第一部分的制备；