具有压电效应的陶瓷刀具材料及其制备方法与切削刀具技术

本发明专利技术属于机械加工领域，涉及陶瓷刀具材料，具体涉及具有压电效应的陶瓷刀具材料及其制备方法与切削刀具。该陶瓷刀具材料，按照重量份数计，包括以下原料，基体材料30～70份，压电材料30～70份，结合剂5～10份，增强相10～20份。并由该陶瓷刀具材料制成切削刀具，本发明专利技术提供的切削刀具同时具备压电效应与优良的力学性能，在切削时，能将切削力信号转化为电荷信号。通过采集电荷信号，能测量切削力，监测陶瓷刀具状态。本发明专利技术将切削力测量功能和高力学性能集于一体，研制具有压电效应的陶瓷刀具材料，使其在满足切削性能要求的前提下能够测量切削力，具有结构简单、体积小巧、硬度高、抗弯强度和断裂韧度高、安装方便等优点。安装方便等优点。安装方便等优点。

【技术实现步骤摘要】
具有压电效应的陶瓷刀具材料及其制备方法与切削刀具


[0001]本专利技术属于机械加工领域，涉及陶瓷刀具材料，具体涉及具有压电效应的陶瓷刀具材料及其制备方法与切削刀具。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]通过对切削力的监测可以预测刀具磨损状态、刀具寿命、工件表面质量，从而对加工工艺参数进行优化，提高加工质量与加工效率。据专利技术人研究了解，目前，切削力普遍采用装夹到工作台的专门测力仪器进行测量，然而，测力仪存在体积大、结构复杂、成本高等问题。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供具有压电效应的陶瓷刀具材料及其制备方法与切削刀具，将切削力测量功能和高力学性能集于一体的陶瓷刀具材料，使其在满足切削性能要求的前提下能够测量切削力，即切削时不需要专门的测力仪即可测量切削力，具有结构简单、体积小巧、硬度高、抗弯强度和断裂韧度高、安装方便等优点。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一方面，一种具有压电效应的陶瓷刀具材料，按照重量份数计，包括以下原料，基体材料30～70份，压电材料30～70份，结合剂5～10份，增强相10～20份。
[0007]本专利技术将基体材料与压电材料结合能够使陶瓷刀具材料具备压电效应，从而能够测量切削力，通过结合剂和增强相的添加，能够保证陶瓷刀具材料的力学性能，从而使其在满足切削性能要求的前提下能够测量切削力。
[0008]进一步地，所述基体材料为Al2O3、Si3N4、CBN中的一种或多种。
[0009]进一步地，所述压电材料为PZT、BaTiO3、PbTiO3、(Bi
1/2
Na
1/2
)TiO3、(Bi
1/2
K
1/2
)TiO3中的一种或多种。
[0010]进一步地，结合剂为Ni、Co、Cr中的一种或多种，增强相为TiC、WC、SiC、MgO、TiO2、ZrO2中的一种或多种。
[0011]经过验证表明，上述材料的选择能够使陶瓷刀具材料具有更高的力学性能，从而避免添加压电材料导致力学性能下降无法满足切削性能的问题。
[0012]另一方面，一种上述具有压电效应的陶瓷刀具材料的制备方法，将原料混合，球磨过筛后获得粉体，将粉体填铺并压实，进行真空热压烧结。
[0013]第三方面，一种上述具有压电效应的陶瓷刀具材料在切削刀具中的应用。
[0014]第四方面，一种切削刀具，由上述具有压电效应的陶瓷刀具材料制备获得。
[0015]第五方面，一种多层切削刀具，由上述具有压电效应的陶瓷刀具材料制备获得，包
括至少一层基体层和至少一层压电层，基体层由部分所述具有压电效应的陶瓷刀具材料的原料制成，压电层由部分所述具有压电效应的陶瓷刀具材料的原料制成。
[0016]本专利技术提供的切削刀具和多层切削刀具均具备压电效应，能将切削力转化为电荷信号。通过采集电荷信号，能测量切削力，监测切削刀具状态。
[0017]与现有技术相比本专利技术具有如下优点：
[0018]目前的切削力传感器以刀架式、夹具式为主，传感器内部结构复杂，体积大，使用时需要拆除原有刀架，额外安装夹具，会影响机床本身性能，包括机床精度和机床整体刚度等。本专利技术将刀具切削功能与传感功能融为一体，刀具既是切削工具又是传感器，对机床系统没有影响，具有良好的兼容性与互换性，且安装简单、安全可靠，无需对现有机床结构与系统进行改变即可使用。
附图说明
[0019]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0020]图1是本专利技术实施例切削力测量与刀具状态监测原理图。
[0021]图2是本专利技术实施例1的具有压电效应的均质陶瓷刀具。
[0022]图3是本专利技术实施例2的具有压电效应的双层梯度陶瓷刀具。
[0023]图4是本专利技术实施例3的具有压电效应的三层梯度陶瓷刀具。
[0024]图5是本专利技术实施例4的具有压电效应的四层梯度陶瓷刀具。
具体实施方式
[0025]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0026]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0027]鉴于现有机械加工中切削力的检测仪器存在体积大、结构复杂、成本较高等问题，本专利技术提出了具有压电效应的陶瓷刀具材料及其制备方法与切削刀具。
[0028]本专利技术的一种典型实施方式，提供了一种具有压电效应的陶瓷刀具材料，按照重量份数计，包括以下原料，基体材料30～70份，压电材料30～70份，结合剂5～10份，增强相10～20份。
[0029]本专利技术通过先在基体材料中添加压电材料、结合剂和增强相，即能使刀具材料具有压电效应，又能保证陶瓷刀具材料的力学性能，从而使陶瓷刀具材料在满足切削性能要求的前提下能够测量切削力。
[0030]在一些实施例中，所述基体材料为Al2O3、Si3N4、CBN中的一种或多种。
[0031]在一些实施例中，所述压电材料为PZT、BaTiO3、PbTiO3、(Bi
1/2
Na
1/2
)TiO3、(Bi
1/2
K
1/2
)TiO3中的一种或多种。
[0032]在一些实施例中，所述结合剂为Ni、Co、Cr中的一种或多种。
[0033]在一些实施例中，所述增强相为TiC、WC、SiC、MgO、TiO2、ZrO2中的一种或多种。
[0034]本专利技术的陶瓷刀具材料可以为各原料混合均匀制备形成均质材料，也可以制成多层材料。多层材料中从表层到底层的材料比例可以逐层增加，形成多层梯度陶瓷刀具材料；其中，表层为基体层，具有高硬度、高耐磨性与高韧性，能够切削金属；压电层具有压电效应，能够将切削力转换为电荷信号。
[0035]当设置多层梯度陶瓷刀具材料时，主要包括至少一层基体层和至少一层压电层，例如当梯度陶瓷刀具材料为两层时，由一层基体层和一层压电层形成。也可以设置粘结层，增加基体层和压电层的粘结性和导电性，例如当梯度陶瓷刀具材料为三层时，表层到底层依次包括基体层、粘结层和压电层；当梯度陶瓷刀具材料为三层时，表层到底层依次包括基体层、粘结层、压电层和粘结层。粘结层中还包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有压电效应的陶瓷刀具材料，其特征是，按照重量份数计，包括以下原料，基体材料30～70份，压电材料30～70份，结合剂5～10份，增强相10～20份。2.如权利要求1所述的具有压电效应的陶瓷刀具材料，其特征是，所述基体材料为Al2O3、Si3N4、CBN中的一种或多种；或，所述压电材料为PZT、BaTiO3、PbTiO3、(Bi
1/2
Na
1/2
)TiO3、(Bi
1/2
K
1/2
)TiO3中的一种或多种；或，所述结合剂为Ni、Co、Cr中的一种或多种；或，所述增强相为TiC、WC、SiC、MgO、TiO2、ZrO2中的一种或多种。3.如权利要求1所述的具有压电效应的陶瓷刀具材料，其特征是，所述陶瓷刀具材料为多层梯度陶瓷刀具材料；优选地，所述多层梯度陶瓷刀具材料从表层到底层的材料比例可以逐层增加；优选地，所述多层梯度陶瓷刀具材料包括至少一层基体层和至少一层压电层；进一步优选地，包括粘结层；进一步优选地，基体层的厚度为陶瓷刀具材料总厚度的50～70％。4.一种权利要求1～3任一所述的具有压电效应的陶瓷刀具材料的制备方法，其特征是，将原料混合，球磨过筛后获得粉体，将粉体填铺并压实，进行真空热压烧结；优选地，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄传真，孟凯，史振宇，王真，徐龙华，刘盾，黄水泉，白晓兰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：