CN116100052A - 一种仿生燕尾形微织构刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生燕尾形微织构刀具及其制备方法，属于金属切削刀具技术领域。该制备方法基于硬质合金刀具基体，结合燕尾结构的降低摩擦阻力加快气液流动的结构优点，在此基础上通过加工仿生燕尾形槽型和表面织构，制备相应功能刀具。所设计的刀具槽型用于排出切屑和存储输送切削液；表面织构用于减少切削加工时切屑与刀具间的摩擦力和促进切屑的排出，从而减小切削力提高刀具寿命和加工效率。相比于现有技术，本发明基于仿生原理，将刀具槽型与表面织构相结合，设计和制备一种功能刀具，达到了提高刀具耐热耐磨能力、延长刀具寿命、降低生产加工成本、实现绿色加工的功能要求，满足了生产加工需要。

Description

一种仿生燕尾形微织构刀具及其制备方法

技术领域

本发明属于金属切削刀具技术领域，涉及一种适用于金属加工的仿生燕尾形微织构刀具设计与制备方法。

背景技术

基于各种机床的金属切削加工在工业制造中有着极其重要的地位，可以说金属切削加工的效率直接影响着整个制造业的效率产能。切削刀具是直接影响金属切削加工效率的因素，一般而言，刀具耐磨性好，抗热性高切削寿命长就有着更低的加工成本和更高的加工效率，因此设计制备一直适用于多种切削场合的适用于多种金属切削加工的耐磨高寿命刀具有着十分广袤的前景。

除此之外，生产技术的发展是促进人类生活水平提高的重要原因，但是地球生态环境也是在急剧的恶化，生产加工适应环境保护，实现绿色加工已经成为了制造业日益关注的话题。在金属切削加工过程中，刀具材料的大量消耗、切削液的大量使用以及机床功率的更大输出都是影响绿色加工发展的重要原因。因此，如何降低在金属切削加工过程中的刀具的磨损，延长其使用寿命，如何减少废液、废气、废渣、和噪音等的产生，实现绿色加工是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

公开号为CN113492220A，公开日为2021年10月12日的中国发明专利申请公开了一种用于工件加工的微织构刀具，包括刀头和前刀面，所述前刀面上加工设置有多个不同尺寸的微组织结构，所述多个微组织结构的尺寸呈梯度排列，所述微组织结构包括凹槽，所述凹槽的开口四周围绕设置有凸起；该刀具虽然利用了微织构的凹槽和凸起来存储润滑液，提高润滑效果，但仅仅通过几个带有边缘凸起的凹槽来实现，效果并不好，而且该刀具只有存储润滑液，提高冷却效果的作用，手段单一，不能满足现阶段高精度加工的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生燕尾形微织构刀具设计与制备方法，用于降低金属切削加工过程中的刀具磨损，延长刀具寿命同时降低加工能耗和切削液的使用，实现节能减排。

为实现上述目的，本发明一方面提供一种仿生燕尾形微织构刀具，包括：刀具基体；

设置于所述的刀具基体上的燕尾形的槽型结构，所述槽型结构包括多个沿切削刃延伸方向分布的椭圆凹槽，多个椭圆凹槽之间通过长梯形直槽连通形成通槽；

毗邻槽型结构的燕尾形的表面织构，所述表面织构包括多个沿切削刃延伸方向排列的燕尾形凹槽，以及沿切削刃延伸方向且靠近切削刃一侧的直槽。

作为优选的一种技术方案，所述的槽型结构分布在刀具前刀面。

作为优选的一种技术方案，所述的多个椭圆凹槽的面积大小不同，越靠近刀尖的椭圆凹槽面积越小。

作为优选的一种技术方案，所述槽型结构呈燕尾形，两条燕尾的中心线与主、副切削刃平行，燕尾夹角为50～60°相交处圆角半径为300～500μm。

作为优选的一种技术方案，槽型结构每条燕尾整体呈直长梯形，梯形底角为75～85°，具有坡度，为刀尖低尾端高，直线长度为6～8mm，槽型结构与前刀面的过渡圆弧半径为50～100μm。

作为优选的一种技术方案，沿两条燕尾中心线分布的每个椭圆凹槽中心距均为2mm，椭圆长轴为0.5～3mm，短轴为0.2～1.5mm，椭圆凹槽和长梯形直槽组成的通槽深度为200～300μm。

作为优选的一种技术方案，所述的表面织构设置在刀尖处，每个燕尾形凹槽长度为100～150μm，顶尖夹角为35～45°，尾部夹角为70～80°，相邻两顶尖距离150～250μm。

作为优选的一种技术方案，所述直槽的最大宽度为50μm，长度为1.5～2mm，直槽中心线与切削刃的距离为100μm；直槽与燕尾形凹槽深度均为25～50μm，二者中心线距离为70μm。

另一方面，本发明还提供一种仿生燕尾形微织构刀具的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在刀具基体上通过激光加工出具有上述任意一技术方案所记载的仿生燕尾形微织构刀具中的燕尾形槽型结构；

步骤2：在刀具基体上通过激光加工出具有上述任意一技术方案所记载的仿生燕尾形微织构刀具中的表面织构。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明基于仿生学原理，将刀具槽型、表面织构合在刀具基体上，通过不同的手段提高刀具切削过程中的耐热性与耐磨性，延长刀具寿命，减少切削液的使用从而满足绿色加工需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种仿生燕尾形微织构刀具的总体结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种仿生燕尾形微织构刀具的刀尖详细结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的一种仿生燕尾形微织构刀具的总体结构示意图；

附图标记说明：100-刀具整体；1-刀具基体；11-刀尖；12-切削刃；13-前刀面；2-槽型结构；21-长梯形直槽；22-椭圆凹槽；3-表面织构；31-燕尾形凹槽；32-直槽；4-疏液槽；

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种适用于金属切削加工的可实现绿色切削的刀具结构和制备方法，用于减小加工金属切削加工时刀具的磨损，减少切削液的使用，延长其使用寿命。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明提供一种适用于金属切削加工的仿生燕尾形微织构刀具100，包括刀具基体1、槽型结构2、和表面织构3。

刀具基体1的型号可以根据实际需要进行选择，例如型号为CCMT09T308或CNMG120408的刀具基体1。在本实施方式中，切削刀具的基体材料为YG6硬质合金刀具，主要成分为碳化钨(WC)和钴(Co)元素粘结剂，YG6牌号表示其内部的Co元素含量大约占6％左右。

槽型结构2由激光加工而成，其作用在于存储切削过程中的切削液并且将切削液输送到切削部位从而起到减小切削液使用量和降低切削温度的作用；同时椭圆形的凹槽可以适当的存储切削过程的部分切屑，加速切屑的断裂和切屑与刀具的脱离，提高刀具的寿命减小加工损耗。槽型结构2整体呈现燕尾形，在高速加工中可以利用燕尾形在空气动力学上面的减摩抬升作用，促使切屑更快离开刀具表面从而更好的延长刀具寿命。

表面织构3有断屑和运输切削液的作用，靠近切削刃的直槽32可以使切削液更好的流过刀具表面，连续排列的燕尾形凹槽31在加工时可以使切屑断裂，燕尾形构造可以在高速切削时通过产生气体升力来加速切屑离开刀具表面从而起到降低切削温度，提高刀具寿命的作用。

本实施方式将槽型结构2、表面织构3结合在刀具基体1上，通过不同的手段提高刀具切削过程中的耐热性和耐磨性，延长刀具寿命，减小加工能耗和切削液用量，从而满足金属切削的加工需要和达到节能减排绿色加工的目标。

进一步的，本实施方式的槽型结构2，其分布在刀具前刀面，整体结构形状类似于燕尾形，两条燕尾中心线与主、副切削刃平行，燕尾夹角为50～60°相交处圆角半径为300～500μm，槽型结构2的每条燕尾整体呈直长梯形，梯形底角为75～85°，有一定坡度，为刀尖低尾端高，直线长度为6～8mm，槽型结构2与前刀面13的过渡圆弧半径为50～100μm；沿槽型结构2的两燕尾中心线分布的每个椭圆凹槽21中心距均为2mm，椭圆长轴为0.5～3mm，短轴为0.2～1.5mm，椭圆凹槽21和长梯形直槽22组成的结构深度为200～300μm。

本实施方案中，所述的表面织构3由两部分组成且分布在刀尖11位置，其结构组成一是线性排列的燕尾形凹槽31，每个燕尾形凹槽31长度为100～150μm，顶尖夹角为35～45°，尾部夹角为70～80°，相邻两顶尖距离150～250μm；二是在燕尾形凹槽31外侧的直槽32，直槽32最大宽度为50μm，长度为1.2～2mm，直槽32中心线与主副切削刃的距离为100μm；直槽32与燕尾形凹槽31深度均为50μm，二者中心线距离为70μm。

进一步的，为了实现在加工过程中的槽型结构2和表面织构3的相互配合，从而起到提高切削加工效率的目的，在本实施方案中的燕尾形凹槽31与槽型结构2的中心距离为50μm，在切削加工时，在刀具前刀面13流动的切屑可以沿着燕尾形凹槽31斜向槽型结构2流动，将切屑储存在槽型结构2中，槽型结构2的椭圆结构21存在断屑的作用；同时在切削加工时过多的切削液也可以通过此结构储存在槽型结构2中，而储存的切削液可以通过槽型结构2内部的坡度和疏液结构3的共同作用下来缓缓补给到刀尖，从而稳定切削过程，保证加工质量。

本实施方式还提供一种适用于金属切削加工的仿生燕尾形微织构刀具的制备方法，用于制备上述的一种适用于金属切削加工的仿生燕尾形微织构刀具100，包括如下步骤：

在所述刀具基体上1加工出具有所述储、输液功能燕尾形槽型结构2，然后在刀尖位置加工出所述燕尾形表面织构2；或先在所述刀具基体1上加工出所述燕尾形表面织构3，之后在所述刀具基体1表面通过激光加工技术加工出所述储、输液燕尾形槽型结构2，使所述槽型结构2与表面织构3实现配合。

其中，槽型结构2和表面织构3均可根据相关参数由皮秒激光加工而成。在加工完所述步骤后可以根据实际加工情况对刀具进行其他处理。

在另外一实施例中，如图3所示，在槽型结构2的内开设有多个三角形的疏液槽4，疏液槽4沿切削刃12的延伸方向设置，疏液槽4可以使切削液更多的汇聚到刀尖起到降温和润滑的作用。

以下结合两个具体的实施例对本实施方式中针对于不同加工环境下的金属切削加工的仿生燕尾形微织构刀具的制备方法进行说明：实施例1

如图1所示，本实施例提供一种在低速干切削条件下金属切削用仿生燕尾形微织构刀具的制备方法，用于制备上述的适用于金属切削加工的仿生燕尾形表面微织构刀具100(如图1、图2所示)，包括如下步骤：

S1、选择型号为CCMT09T308的刀具基体1，刀具基体1材料为WC硬质合金材料；

S2、将刀具基体1在丙酮与无水乙醇的混合溶液中进行超声清洗20-30分钟以备后续的激光加工；

S3、在前刀面13的表面，用皮秒激光在平行且中心距离切削刃300μm的位置，使用激光直写加工出槽型结构2中的长梯形直槽21，使其形成燕尾形槽型，随后在长梯形直槽21上转换激光参数根据每个椭圆槽中心距离2mm的参数加工出椭圆凹槽21；燕尾形织构两条燕尾中心线分别平行于主、副切削刃，且夹角为60°；

S4、采用激光直写方法，用皮秒激光在与槽型结构2中心距离50μm的位置挨个加工出燕尾形表面织构31，其形状参数为，每个燕尾形结构长度为150μm，顶尖夹角为45°，尾部夹角为80°，间距为250μm，燕尾形凹槽31的中心线与切削刃平行，数量根据刀片大小而定，在本实施例中为6个；随后调整激光参数在与燕尾形凹槽31中心距离70μm且平行切削刃的位置加工出直槽32，其宽度为40μm，长度为2mm；直槽32与燕尾形凹槽31深度均为40μm；

S5、针对于在干切削条件切削金属，为了更好的解决干切削条件下刀具与工件之间润滑性差的问题，在所述燕尾形凹槽31内部附着一层平均厚度为10μm的MoS₂固体润滑剂，其密度为4.8-5.0g/cm³，粒度达到325-2500目，微颗粒硬度1-1.5，摩擦系数0.05-0.1。固体润滑MoS₂位于表面织构3内部，用于在切削过程润滑减摩，可以在刀具表面和切屑直接形成一层润滑膜，减少切屑和刀具的前刀面13的摩擦力，从而减小刀具磨损，提高加工后表面质量，延长刀具寿命。此外，MoS₂是经过化学提纯综合反应而得，其PH值为7-8，略显碱性，它覆盖在摩擦材料的表面，能保护其它材料，防止它们被氧化，尤其是使其他材料不易脱落，贴附力增强，从而可以起到保护刀具的作用；在实施例1中，在已经加工好的刀具基体表面使用磁控管溅射镀膜法将MoS₂沉积在表面织构3的内部。

本实施例针对于低速干切削条件下进行金属切削加工的情况，刀具槽型结构2可以在干切削过程中利用燕尾形的构造在高速加工下提供升力加快切屑的排出，从而降低切削温度；表面织构3可以减少刀具切屑接触面积，固体润滑MoS₂位于表面织构3内部，可以在刀具表面和切屑直接形成一层润滑膜，减少切屑和刀具前刀面的摩擦力，从而减小刀具磨损，提高加工后表面质量，延长刀具寿命。

实施例2

如图3所示，本实施例提供一种在高速润滑条件下的金属切削加工用仿生燕尾形微织构刀具的制备方法，用于制备上述的金属切削加工用仿生燕尾形表面微织构刀具100。针对于高速润滑条件下的情况，在此实施例中在燕尾形槽型结构2的底部加工疏液槽4，其位于所述燕尾型槽型结构凹槽内部，为7个顶角为30°，高为0.8mm的三角形凹槽，其中心线与所述槽型结构中心线重合，每个三角形距离为1mm，凹槽深度为20μm。

具体包括如下步骤：

S1、选择型号为CCMT09T308的刀具基体1，刀具基体1材料为WC硬质合金材料；

S2、将刀具基体1在丙酮与无水乙醇的混合溶液中进行超声清洗20-30分钟以备后续的激光加工；

S3、在前刀面13的表面，用皮秒激光在平行且中心距离切削刃400μm的位置，使用激光直写加工出槽型结构2中的长梯形凹槽21，使其形成燕尾形槽型，随后在长梯形直槽21上转换激光参数根据每个椭圆槽中心距离2mm的参数加工出椭圆凹槽22；燕尾形织构两条燕尾中心线分别平行于主、副切削刃，且夹角为55°；

S4、采用激光直写方法，用皮秒激光在与槽型结构2中心距离40μm的位置挨个加工出燕尾形凹槽31，其形状参数为，每个燕尾形结构长度为130μm，顶尖夹角为40°，尾部夹角为75°，间距为225μm，燕尾形凹槽31的中心线与切削刃平行，数量根据刀片大小而定，在本实施例中为6个；随后调整激光参数在与燕尾形凹槽31中心距离60μm且平行切削刃的位置加工出直槽32，根据高速润滑下的加工特点，这里设置其最大宽度为50μm，长度为5mm；直槽32与燕尾形凹槽31深度均为30μm；

S5、采用激光液相加工的方法将工件浸没在质量分数为0.8％的氟硅烷溶液中，其溶质为十七氟癸基三甲氧基硅烷，溶剂为8015A氟溶剂，然后用高能激光加工出所述疏液槽4。

本实施例2针对于切削加工时有冷却润滑条件的加工条件，刀具槽型结构2可以在切削过程中利用燕尾形的构造将切削液补给到切削区，减少切削液的使用量，与此同时燕尾形的构造在高速加工下也提供升力加快切屑的排出，从而大大的降低切削温度；疏液槽4可以使切削液更多的汇聚到刀尖起到降温和润滑的作用；表面织构3用于储存切屑和运输切削液，靠近切削刃的直槽32可以使切削液更好的流过刀具表面，线性排列的燕尾形槽凹槽31可以促进切屑的断裂，减小刀具与切屑的相互作用提高刀具寿命的作用。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种仿生燕尾形微织构刀具，其特征在于，包括：

刀具基体；

位于所述的刀具基体上的燕尾形的槽型结构。所述燕尾形，即形似雨燕尾巴的形状，具体特征为两线相交成锐角构成一个“V”形，所述槽型结构包括多个沿切削刃延伸方向分布的椭圆凹槽，多个椭圆凹槽之间通过长梯形直槽连通形成通槽；

毗邻槽型结构的燕尾形的表面织构；所述表面织构包括多个沿切削刃延伸方向排列的燕尾形凹槽，以及沿切削刃延伸方向且靠近切削刃一侧的直槽。

2.根据权利要求1所述的所述的一种仿生燕尾形微织构刀具，其特征在于，所述燕尾形槽型的结构位于刀具前刀面；所述槽型结构呈燕尾形，两条燕尾的中心线与主、副切削刃平行，燕尾夹角为50～60°相交处圆角半径为300～500μm。具体的，槽型结构每条燕尾整体呈直长梯形，梯形底角为75～85°，具有坡度，为刀尖低尾端高，直线长度为6～8mm，槽型结构与前刀面的过渡圆弧半径为50～100μm。

3.根据权利要求1所述的一种仿生燕尾形微织构刀具，其特征在于，所述的燕尾形表面织构设置在刀尖处，所述的凹槽呈燕尾形，每个燕尾形凹槽长度为100～150μm，顶尖夹角为35～45°，尾部夹角为70～80°，相邻两顶尖距离150～250μm；

4.根据权利要求1或2所述的一种仿生燕尾形微织构刀具，其特征在于，所述的多个椭圆凹槽的面积大小不同，越靠近刀尖的椭圆凹槽面积越小。

5.根据权利要求4所述的一种仿生燕尾形微织构刀具，其特征在于，沿两条燕尾中心线分布的每个椭圆凹槽中心距均为2mm，椭圆长轴为0.5～3mm，短轴为0.2～1.5mm，椭圆凹槽和长梯形直槽组成的通槽深度为200～300μm。

6.根据权利要求1或3所述的一种仿生燕尾形微织构刀具，其特征在于，所述直槽织构的最大宽度为50μm，长度为1.5～2mm，直槽中心线与切削刃的距离为100μm；直槽与燕尾形凹槽织构深度均为25～50μm，二者中心线距离为70μm。

7.一种仿生燕尾形微织构刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在刀具基体上通过激光加工出具有如权利要求1-7中任意一项所述的仿生燕尾形微织构刀具中的燕尾形槽型结构；

步骤2：在刀具基体上通过激光加工出具有如权利要求1-7中任意一项所述的仿生燕尾形微织构刀具中的表面织构。

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