本發明涉及一種切削刀具，并且更具體地說，本發明涉及一種裝有傳感器的切削刀具。

背景技術：

1、如今，通常的趨勢是增加對金屬切削工藝的監測。一種進行該監測的方法是在切削刀具上或內部設置傳感器。這些傳感器可以是多種類型，例如用于測量溫度、應變、振動等的傳感器。來自這些傳感器的數據可用于監測切削工藝的狀態以及刀具的狀態，并且如果傳感器連接到機床的數控系統，則還可以在切削工藝中進行干預，以提高所制造零件的質量或避免故障。一個例子是在金屬切削操作中測量切削力。切削力的變化可能是由于切削刀具的振動、磨損或甚至故障引起的。此類切削力數據可以提供切削操作相關的重要信息。裝有傳感器的刀具比傳統刀具明顯昂貴得多，并且將傳感器整合到切削刀具中而不影響其性能也較為困難。傳感器會削弱刀具本體，例如降低剛度，或減低刀具的精度。

2、在各種領域中較為常用但較少用在切削刀具中的傳感器類型是所謂的壓電傳感器。該類型的傳感器是基于壓電效應，即在一些固體材料中響應于受到的機械應力而積累電荷。

3、在ep1984182中，公開了一種使用壓電傳感器的切削刀具。該壓電傳感器被用以在切削刀具操作中測量切削力。該解決方案的問題在于，切削刀具是昂貴且復雜的，并且也不那么可靠和精確。

4、這些缺陷導致需要一種更堅韌、更可靠的解決方案，其能夠提供一種具有更高可靠性和切削精度的切削刀具，并且該切削刀具不太復雜且成本較低。

技術實現思路

1、本發明的目的是解決上述問題和議題中的至少一些問題和議題。本發明實施例的目的是提供一種包括壓電傳感器的更堅韌的切削刀具。本發明的另一個目的是提供一種包括壓電傳感器的可靠的切削刀具。本發明的又一個目的是提供一種包括壓電傳感器的更經濟的切削刀具，這既是因為它的制造更便宜，也是因為它更容易維修。再一個目的是提供一種裝有壓電傳感器的切削刀具，該切削刀具在結構和功能上與標準的未裝傳感器的刀具的偏差盡可能得小，且因此更精確。

2、根據本發明，上述目標中的至少一個目的通過一種切削刀具實現，該切削刀具包括刀具本體，所述刀具本體具有至少一個刀座，所述至少一個刀座用于接納刀夾或切削刀片，其中所述刀座包括至少一個支撐表面。所述切削刀具本體包括與支撐表面相鄰的傳感器固位結構；以及布置在傳感器固位結構中的壓電傳感器。所述切削刀具還包括用于固定刀夾或切削刀片的夾緊裝置，并且所述壓電傳感器為可彈性變形的壓電傳感器，其具有中心縱向軸線和垂直于中心縱向軸線的靈敏度方向。所述壓電傳感器包括測量段，沿該測量段，所述中心縱向軸線基本平行于支撐表面。所述壓電傳感器在傳感器固位結構中彈性變形至預受力的初始狀態，并且能夠變形至多個另外的受力的測量狀態。

3、在現有技術中，當設計包含壓電傳感器的切削刀具時，必需使用非常堅固的傳感器，以避免在加工過程中過度變形或甚至斷裂，因為這將意味著切削工藝中的精度損失。昂貴的、剛性的、晶體的、壓電傳感器的風險在于比刀具本身磨損得更快，這也影響到刀具的性能，并且可能導致高成本的故障或維修。為了確保切削刀片的正確定位，現有技術中的傳感器的所需幾何公差非常高。損壞的傳感器還意味著刀具本身無法再操作。此外，壓電傳感器必須針對各種刀具和刀片尺寸的組合進行專門設計。所有這些因素使得切削刀具的精度降低、可靠性降低且更加昂貴。

4、由于與支撐表面相鄰的傳感器固位結構以及使可彈性變形的壓電傳感器預受力至初始狀態，可以避免對傳感器施加較高的力，從而允許替代地使用廉價的通用傳感器。在刀具本體上因切削力引起的機械應力使傳感器固位結構變形，且由此使傳感器變形，并由傳感器記錄到。由于可彈性變形的壓電傳感器的預受力的初始狀態，傳感器將在傳感器的優選測量范圍內檢測由傳感器固位結構中的壓縮張力或剪切引起的應力，即傳感器的多個另外的受力狀態。因此，可以避免先前解決方案的上述問題。

5、根據本發明，所述切削刀具優選用于cnc機床，即計算機數控機床，或類似的機床，并且所述切削刀具可以是銑削刀具、車削刀具、鉆削刀具或另一種使用刀夾或切削刀片的切削刀具。所述切削刀具優選用于加工工件，最通常是金屬工件，但也可以是纖維、陶瓷、聚合物或復合材料及其它類似材料形成的工件。

6、在本發明中，所述切削刀具包括優選由高強度材料（如鋼、鋁或鈦等）制成的切削刀具本體。

7、所述切削刀具本體包括至少一個刀座，所述至少一個刀座用于接納刀夾或切削刀片。刀夾，也稱為刀套，是刀具本體的可拆卸部件并且包括至少一個刀片刀座。它通常用于方便一次性更換多個切削刀片，或使得在不需更換整個切削刀具本體的情況下更換損壞的刀片刀座。在一些情況下，它們用于調節刀片在刀具本體中的位置。如果切削刀片在無刀夾的情況下直接由刀具本體接納，則所述刀座為刀片刀座。

8、所述刀座包括至少一個支撐表面。根據前面的描述，該支撐表面是刀夾支撐表面或刀片支撐表面，用以精確地保持刀夾或切削刀片。所述切削刀具還包括夾緊裝置，所述夾緊裝置用于通過將刀夾或切削刀片壓入到所述刀座和所述至少一個支撐表面中來固定刀夾或切削刀片，以確保其精確定位。使用多于一個支撐表面允許通過在多于一個方向上支撐刀夾或切削刀片來改善刀夾或切削刀片的固定。所述至少一個支撐表面有利地是布置在刀具本體中，使得其以盡可能好的方式吸收主切削力或吸收切削力中的一個或多個主要分量。這意味著，與切削力的或切削力的一個或多個主要分量的方向相比，所述至少一個支撐表面優選地是在相反的或基本相反的方向上面向。切削力的主要分量例如可以是切向分量或徑向分量，并且主切削力可以是這些切削力分量的合力。

9、在切削刀具本體中，傳感器固位結構與至少一個支撐表面相鄰。在此上下文中，“相鄰”意味著傳感器固位結構被所述支撐表面的平面交叉，或者其在切削刀具本體中緊鄰支撐表面。所述傳感器固位結構可以是刀具本體中的通道。優選地是，傳感器布置在距離支撐表面小于3mm或更優選地小于2mm的傳感器固位結構中。甚至更優選地是，傳感器固位結構距離支撐表面在1mm以內。最優選地是，傳感器固位結構距離支撐表面在0mm以內，即傳感器固位結構被刀片支撐表面平面交叉，即，固位結構是支撐表面中的開放通道，即凹槽。所述傳感器固位結構也可以遠離支撐表面繼續延伸，無論是作為封閉通道還是開放通道，以便壓電傳感器可以連接到布置在切削刀具的另一部件中的信號處理電路或連接點。

10、在本發明的一個實施例中，所述刀座包括多于一個支撐表面。優選地是，這些支撐表面每個都在與主要切削力分量的方向相反的方向上面向，例如是切向支撐表面和徑向支撐表面。

11、在本發明的一個實施例中，傳感器固位結構可以與每個刀座中的多于一個支撐表面相鄰。

12、根據一個實施例，所述切削刀具可以包括多個刀座，每個刀座具有至少一個支撐表面。傳感器固位結構可以與一個或多個支撐表面相鄰。

13、所述切削刀具還包括布置在或固位在或裝配在傳感器固位結構中的壓電傳感器。所述壓電傳感器是可彈性變形的壓電傳感器，其具有中心縱向軸線和垂直于或基本垂直于中心縱向軸線的主要靈敏度方向。可彈性變形（也稱為柔性、可彎折）的壓電傳感器通常用于更通用的應用中，如入侵檢測、檢測雨或冰雹、監測醫院病床上的患者等。這些傳感器與通常用于切削刀具中的那些傳感器不同，因為它們未被圍封在剛性外殼中。因此，它們可以遵循例如任意物體的周界進行布置。

14、壓電傳感器的主要靈敏度方向是如下的主要方向，傳感器被設計用于在該主要方向上測量力或被優化用以測量力。盡管壓電材料無論應力的方向如何都會產生電荷，但傳感器可以構造為使得它將不記錄一些方向的應力，或僅以較差的方式記錄應力。將會影響靈敏度方向的因素例如是壓電材料的幾何特性、傳感器的外殼的特性、壓電材料相對于外殼的取向等。一些傳感器可以是全向的，即在所有方向上同樣好地測量應力，在這種情況下，主要靈敏度方向是所有方向。在本發明中，該主要靈敏度方向至少是在垂直于或基本垂直于傳感器的中心縱向軸線的方向上。

15、所述壓電傳感器還包括測量段，沿該測量段，壓電傳感器的中心縱向軸線平行于或基本平行于支撐表面，并且沿該測量段，壓電傳感器在固位結構中彈性變形至預受力的初始狀態，并且能夠變形至多個另外的受力的測量狀態。所述測量段可以是傳感器的整個長度，或者優選地是，是較長傳感器的僅一部分，例如連接到信號處理電路的傳感器電纜，其中測量段僅在相鄰于支撐表面的傳感器的那一部分中。壓電傳感器的預受力的初始狀態（其中壓電傳感器與支撐表面相鄰）的存在，以及在不需要應力測量的情況下不存在該預受力的初始狀態，使得傳感器可以配置用以僅在優選區域中進行測量。

16、因此，測量段是壓電傳感器的一段，沿該段將進行主測量。沿該測量段，壓電傳感器的中心縱向軸線和傳感器固位結構的中心縱向軸線平行。盡管壓電傳感器可以在壓電傳感器的其它段（即，傳感器固位結構的不與支撐表面相鄰且未受力的那些段）中檢測到力，但這些可能（但不一定必然）被視為測量信號中的噪聲。由于不需要應力測量的壓電傳感器的那些段未預受力，因此來自這些段的信號弱得多。如有必要，則技術人員可以使用本領域已知的信號處理方法過濾掉這種噪聲。沿測量段，中心縱向軸線平行于或基本平行于支撐表面，靈敏度方向垂直于或基本垂直于支撐表面。換句話說，靈敏度平面垂直于或基本垂直于支撐表面。因此，傳感器沿著中心縱向軸線在靈敏度平面內在所有的徑向方向或基本徑向方向上都有響應。

17、由于傳感器固位結構，壓電傳感器被保護以免受全夾緊力的影響，并且在使用過程中也被保護以免受全切削力的影響。傳感器固位結構，或在支撐表面中具有開放通道的實施例中，固位結構與刀夾或切削刀片一起也保護壓電傳感器以免受磨損，例如切屑磨損或切削流體磨損。

18、所述預受力的初始狀態是壓電傳感器的如下狀態，在該狀態中，壓電傳感器達到這樣的水平，即：使得傳感器固位結構上的且由此壓電傳感器上的附加應力將產生優選的電荷。由于壓電材料的特性，壓電傳感器將僅在應力（即切削力）變化時產生電荷。因此，該預受力的初始狀態將不會從壓電傳感器產生恒定的電流。

19、在切削工藝中使用時，切削刀具可以因切削力而經受微小變形。作為切削刀具本體的一部分，傳感器固位結構也將變形。例如，在垂直于中心縱向軸線的橫截面中看，傳感器固位結構（如刀具本體中的通道）的形狀或尺寸可以發生變化。傳感器固位結構優選具有如下的橫截面，該橫截面使得當壓電傳感器布置在傳感器固位結構中時，傳感器固位結構至少部分地包圍壓電傳感器，從而可以產生應力場，并可以實現所述預受力的初始狀態。在此處，“部分地包圍”意味著：當壓電傳感器布置在傳感器固位結構中時，從垂直于壓電傳感器的中心縱向軸線的橫截面看，壓電傳感器在至少兩個點上觸碰傳感器固位結構。在其中傳感器固位結構被支撐表面平面交叉（即，是開放通道）的實施例中，這些點中的一個點可以位于刀夾或切削刀片上，從而當刀夾或刀片架被夾緊到位時，總共有至少兩個點壓在壓電傳感器上，如在橫截面圖中所見的那樣。在切削工藝中，變化的切削力將會在刀具本體和傳感器固位結構中產生變化的應力，導致變化的變形，這將使壓電傳感器變形至多個受力的測量狀態，并從壓電傳感器產生變化的輸出信號。優選地是，該信號在合適的電路中進行處理和解釋，例如電荷放大器和合適的遙測或無線傳感器節點。

20、優選地是，壓電傳感器的橫截面和固位結構的橫截面相互適配。壓電傳感器的橫截面優選為圓形或基本圓形，但其它形狀也是可以的，諸如橢圓形、多邊形等。因此，為了實現對壓電傳感器的良好適應，取決于壓電傳感器橫截面的確切形狀，傳感器固位結構的橫截面應優選為矩形、方形、u形、具有一個半徑的彎曲形或具有幾個半徑的彎曲形，以便充分包圍壓電傳感器。傳感器固位結構和壓電傳感器的適配或反之的目的是使得可以實現優選的預受力的初始狀態。

21、由于可彈性變形的壓電傳感器和預受力的初始狀態的結合，傳感器固位結構的公差可以比現有技術中將必須具有的公差寬松的多，這使得制造更容易、更便宜。

22、在本發明的一個實施例中，所述切削刀具包括墊片，該墊片是提供支撐表面的板狀結構。該墊片放置在所述刀座中，且因此是切削刀具本體的可更換部件。墊片保護切削刀具本體以免受切削工藝中能夠發生的損壞。如果在切削工藝中發生故障，例如切削刀片斷裂，則墊片可能會損壞，但切削刀具本體的其它部分不會損壞。然后，可以更換墊片，并且切削刀具可以再次使用。在本發明的一個實施例中，傳感器固位結構在墊片中獲得。

23、在一個實施例中，傳感器固位結構被支撐表面交叉。換句話說，傳感器固位結構是切削刀具本體中的、與支撐表面平面交叉的通道、凹槽或凹部。在該實施例中，傳感器固位結構可以很容易地用例如銑削刀具在切削刀具本體中加工出來。如先前已經描述的是，平行于支撐表面的凹槽橫截面的形狀可以變化。制造中使用的刀具會影響這種形狀。例如，如果使用銑削刀具，則槽的橫截面可以是方形、矩形或u形，并且在一次簡單操作中加工出來。可以選擇與支撐表面相鄰的傳感器固位結構的定位，以使固位結構的持續延伸變得容易，或者在有更多空間的地方做出固位結構。

24、在一個實施例中，傳感器固位結構緊鄰支撐表面，嵌入在切削刀具本體中。例如，傳感器固位結構可以是刀具本體中的鉆孔的形式，與支撐表面間隔一定距離。如前所述，該距離可以大于0且小于或等于3mm，或大于0且小于或等于2mm，或大于0且小于或等于1mm。切削刀具本體中的應力將隨著與支撐表面的距離而變化，且壓電傳感器的輸出也會相應變化。在處理信號時，必須要考慮到這一點。在該實施例中，可以通過將壓電傳感器壓配合在傳感器固位結構中，實現所述預受力的初始狀態。如果要測量的力非常大，則傳感器上的應力可能超過其應力極限，在這種情況下，可以增加傳感器固位結構與支撐表面之間的距離。如有必要，也可以增加到大于3mm的距離。

25、在一個實施例中，所述預受力的初始狀態是通過夾緊裝置實現的。該夾緊裝置可以用于將刀夾或切削刀片固定到切削刀具本體。優選地是，夾緊裝置是螺釘連接（即，切削刀具本體中與支撐表面交叉的螺紋孔，以及螺釘），或頂部夾具（即，切削刀具本體中不與支撐表面交叉的螺紋孔、夾具和螺釘）。在該實施例中，傳感器固位結構與支撐表面平面交叉，即刀具本體中的與支撐表面平面交叉的凹槽。壓電傳感器布置在傳感器固位結構中。傳感器固位結構的尺寸被調整，使得當刀夾或切削刀片被夾緊到所述刀座和所述至少一個支撐表面中時，壓電傳感器將被壓入到傳感器固位結構中，并且變形至所述預受力的初始狀態。優選地是，推薦的夾緊力（其可表示為夾緊裝置螺釘上用于固定刀夾或刀片所需的扭矩）與實現壓電傳感器的所述預受力的初始狀態所需的力相同。

26、在本發明的一個實施例中，壓電傳感器包括測量范圍。這可能是兩個應力水平之間的范圍。在該范圍內，傳感器中的應力和累積的電流之間的關系可以以嚴格單調函數來描述。換句話說，應力水平的增加將導致電荷的增加。在更具體的實施例中，該嚴格單調函數是遞增線性函數。

27、在一個實施例中，所述預受力的初始狀態使得傳感器達到測量范圍的下端點之上。這意味著傳感器上的任何進一步應力都將在該測量范圍內，從而簡化了信號處理。優選地是，所述預受力使得壓電傳感器高于其測量范圍的下端點。更優選地是，預應力剛好在測量范圍的下端點之上。這盡可能多地節省了測量范圍，以用于附加應力。如果預受力太大，則切削力產生的應力會超過測量范圍的上端點，或者甚至更糟地是，超過壓電傳感器在不斷裂情況下可以承受的應力。當在切削刀具上施加負載（如切削力）時，可以通過研究傳感器輸出來確認足夠的預應力水平，因為它將根據描述傳感器中的應力與累積的電流之間關系的函數在優選的測量范圍內表現出來。

28、在本發明的一個實施例中，壓電傳感器是壓電傳感器電纜。優選地是，它是同軸電纜，該同軸電纜從中心開始具有中心芯部、圍繞中心芯部的壓電材料、圍繞壓電材料的金屬編織層，最后是外護套。優選地是，壓電材料是共聚物。有利地是，壓電傳感器電纜是所謂的環形傳感器，這意味著它不是以離散件逐個傳感器地制成。相反，電纜可以以大量方式獲得，例如在電纜卷上按米數獲得，并根據具體用途切成合適的長度。這大大降低了成本。壓電傳感器電纜還充當其自己的信號導體，使得信號可以傳輸到切削刀具中或之外的其它電路，而無需像現有技術那樣需要單獨電纜。這減少了潛在故障點的數量，因為接頭較少。

29、在一個實施例中，切削刀具包括溫度傳感器。優選地是，溫度傳感器可以放置在刀具本體中，以便其可以精確地測量壓電傳感器周圍的溫度。以這種方式使用溫度傳感器具有優點。其中一個原因是，傳感器周圍的溫度可用于計算傳感器上的熱效應，例如傳感器固位結構和/或壓電傳感器本身的熱膨脹。利用這些信息，可以從信號中過濾掉這些熱效應。另一個優點是可以監測溫度，使得不超過壓電傳感器的溫度極限。優選地是，溫度傳感器是熱敏電阻。