CN102962656A - 一种刀具表面复合造型处理方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种刀具表面复合造型处理方法及其装置，在刀具的主要摩擦、磨损表面进行微织构复合形貌的主动处理，属于机械制造领域。通过高能激光束或高能电子束在刀具主要摩擦、磨损部位加工出三种微结构造型，分别为微凹腔，熔凝凸起和微沟槽。本发明延长了刀具连续使用寿命、改善了刀具的切削质量、提高了工件加工后的表面质量和切削及冷却性能、降低金属切削的机加工成本。本发明还公开了一种实施上述复合造型处理方法的加工装置。该装置结合了高能技术与数控技术，能够高效、稳定的在刀具主要切削工作面上加工出预先设定的复合微结构形貌及其分布。本发明方法及其装置加工对象为切屑加工中的各种刀具。

Description

一种刀具表面复合造型处理方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种刀具表面复合造型处理方法及实施这种加工方法的装置，在刀具的主要摩擦、磨损表面进行微织构复合形貌的主动处理，属于机械制造领域。

背景技术

机械加工大多离不开刀具且后者在机加工成本中占很大比重。在机械行业竞争日趋激烈的今天，刀具使用寿命的延长，切削质量的提高对提升企业竞争力有着显著的积极效果。

 在切削加工中，尤其是高速重载的切削条件下，热量在刀具切削刃上聚集造成刀具局部温度急剧上升，同时切屑高速流出。在高温、高压和强烈摩擦的共同作用下，前刀面极易磨损，形成所谓的月牙洼。月牙洼的宽度和深度逐渐增大，并向刃口铺展，当铺展到刃口边缘时，使切削刃的强度降低，极易导致崩刃的现象发生。另一方面，在加工塑性好的金属材料时，金属材料在刀刃粘附，逐渐在刀具的刀尖处形成积屑瘤。积屑瘤影响工件表面的加工质量和尺寸精度，所以应竭力避免积屑瘤的产生。

 目前，已有多种技术用以提高刀具性能：采用高压射流冷却润滑系统，延长刀具的使用寿命达50%；刀具表面涂层技术，提高刀具表面的耐磨性与抗粘结能力；超细晶粒硬质合金材料的使用大大增加了刀具的硬度和耐磨性。

从传统意义上讲，为了减小摩擦，必须要使得相互接触的表面尽可能光滑，粗糙度越小越好，这是从机械啮合理论来分析摩擦机理的；随着摩擦学研究进入微观领域，人们发现表面太光滑，摩擦系数反而增加，这是从分子间作用力的角度来考虑的。在此基础上，科研工作者发现在摩擦副表面设置一定形状和分布的微观织构，对存在相对运动的物体表面主要有以下作用：（1）相互平行的摩擦表面间产生动压润滑效应；（2）减少摩擦表面的摩擦因素，从而减小摩擦力和摩擦力矩；（3）提高承载能力；（4）微孔（槽）可以作为储油槽，为边界润滑或为刚启动的摩擦表面提供润滑油；（5）微孔（槽）可以用作储屑槽，容纳因边界润滑或干摩擦产生的磨屑，从而减少磨损，延长使用寿命。上世纪末，随着将表面技术引入刀具的研制，刀具的性能得到了进一步的提高。中国专利：CN201010124734，公开了具有表面微造型的抗粘结、耐磨损刀具/刀片，在易发生磨损的区域，如靠近切削刃附近的前、后刀面上，分布了一些微坑阵列结构，这些微坑阵列结构是采用电化学加工或激光加工等微细制造技术加工而成，能够改善切削加工时刀具与切屑、工件的接触状况，抑制粘刀现象。虽然该专利中在易发生磨损的区域进行微造型，但是易发生磨损的区域往往都是冷却液难以进入的区域，使得微坑阵列结构的动压润滑效果得不到充分的发挥，并且微坑阵列结构没有防止材料粘附的效果。

本发明主要技术思想是在刀具主要摩擦、磨损表面进行复合微织构的主动设计制造，微织构形貌具体有：微凹腔、微凸起、微沟槽。三种微尺度结构各自有其有益效果且又相互影响，相辅相成，显著改善刀具的表面性能，提高刀具润滑冷却性能，延长刀具寿命。在外圆车刀应用后的实验表明，采用本专利技术的外圆车刀在同等切削时间和工况的对比实验中，其磨损量减少了30%，切削力减少了15%，在对铝合金塑性材料的切削过程中未出现积削瘤现象。

刀具的种类很多，但是它们切削部位的几何形状却有共通之处。外圆车刀是比较简单的一种，其余刀具都可以看成是外圆车刀的组合或演变，如铣刀有许多个刀齿，每个刀齿相当于外圆车刀的刀头。本专利随后在对技术特征叙述时，都是以外圆车刀为描述对象，但是技术特征能够扩展至所有的机加工刀具。

发明内容

本发明针对刀具易磨损、崩刃、加工质量不高、冷却液失效问题，提出一种全面提升刀具性能的表面复合造型处理方法，其利于切屑与刀具强制分离，减少了切屑瘤的生成，进而避免了切屑瘤造成的震动，提高了切屑质量；利于排屑，减少了切屑对刀具的磨损；在刀具表面形成强动压润滑效应；利于切屑液的扩散和吸收切削生热；在微造型区域形成类似钉扎强化的效果，使该区域材料硬度、耐磨性增加，延长刀具使用寿命；复合造型处理后的刀具更美观，磨损程度更容易判断。

本发明的一种刀具表面复合造型处理方法所采取的技术方案是：确定刀具的易磨损部位；主动设计针对上述易磨损部位的复合微造型方案；在刀具上形成上述方案的造型；判定造型质量。

实施本发明的一种刀具表面复合造型处理方法的装置所采取的技术方案是，结合表面检测技术、微造型技术、毛化技术和数控技术、机器人技术在刀具易磨损部位完成主动的复合微造型。

本发明的一种刀具表面复合造型处理方法的具体技术方案为，通过表面检测装置加工过程中的观测，确定对象刀具的主要磨损区域。外圆车刀的主要磨损部位为前刀面。在前刀面进行区域划分，将其划分为切削区、主磨损区、加工影响区，切削区的宽度小于主磨损区的宽度，根据刀具尺寸的不同，切削区宽度为0.2~1mm，削磨损区宽度为1~30mm；上述三个区域分别对应三种微造型方案，切削区为熔凝凸起阵列的熔凝微造型，其面积占有率为5%~50%，熔凝凸起的高度1~20微米，直径20~500微米，主磨损区为微凹腔阵列的微凹腔造型，其面积占有率5%~50%，微凹腔的深度2~25微米，直径10~100微米，在加工影响区为连接并贯穿上述两个区域的含有多条微沟槽的微沟槽的微造型，微沟槽宽10~250微米，深2~25微米，微沟槽为直线或曲线且为多种宽度、深度、延展方向的组合，针对特定的刀具，微沟槽在前刀面有两类分布：刀具的主偏角在45^o~75^o之间，此种刀具的刀尖散热性能良好，微沟槽的主要作用是为主磨损区提供切削液形成润滑，呈发散式延展，利于切削液的在前刀面上的扩散，刀具的主偏角在75^o~90^o之间，此种刀具的刀尖散热性能差且应力较为集中，微沟槽的主要作用是将切削液传送至刀尖附近，呈收敛式延展，利于吸收切削生热。三种微造型方案通过高能能量束，如激光和脉冲电流，对刀具表面材料的融化或气化获得，其中微沟槽的微造型还能通过机械刮擦的方式获得，熔凝微造型由熔凝凸起阵列而成，熔凝凸起由于加工参数的不同包括两种形态即熔凝凸起A和 熔凝凸起B，前者为基体材料融化后向造型边界中心流动形成的中心凸起，后者为基体材料融化后向造型边界四周流动形成的火山口状凸起，微凹腔造型由微凹腔阵列而成；高能能量束加工后的表面还留有硬化区；表面检测装置观测造型效果，判定是否成功造型。

熔凝凸起和微凹腔排列规律，为排列间隔相等、排列间隔递增或递减、面积占有率恒定的随机排列中的一种，面积占有率为造型边界所围面积之和与造型区域面积的比值，直径为造型边界所围图形的最大内切圆直径，深度为造型边界最深处至基体材料表面的距离，高度为熔凝凸起最高点至基体材料表面的距离。

激光A在切削区获得熔凝微造型的激光器为CO₂激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器、光纤激光器之一，激光A参数为：功率密度10⁴—10⁷W/cm²，离焦量±2mm，脉冲宽度0.01~500ms，脉冲频率30 Hz ~20kHz；激光B在主磨损区获得微凹腔造型的激光器为二极管泵浦YAG固体激光器，光纤激光器之一，激光B参数为：功率密度10⁶~10⁸W/cm²，脉冲宽度0.01ns~50üs，脉冲频率1~50kHz，脉冲数1~7次，辅助气体为氮气、氩气、氧气、空气，气压为0.05~1.00MPa，其中脉冲频率为激光器每秒钟发出的激光脉冲个数，脉冲数为形成单个微凹腔的激光脉冲个数。

实施本发明的表面复合造型处理方法的装置包括刀具表面检测系统、刀具夹具、微造型系统、辅助气体系统、水冷系统、控制系统、扫描系统。

刀具表面检测系统为检测刀具表面粗糙度或磨损量的装置，用于在微造型前寻找主要磨损区域和微造型后的表面形貌的观测及检验，优选的表面检测装置有微观形貌仪、高倍数光学显微镜、电子显微镜、机械探针式形貌检测仪。

刀具夹具用于在形貌加工过程中固定刀具位置，保证同种不同件刀具每次加工的空间位姿相同，刀具的定位原理是机械行业从业人员容易想到的，故不一一列举。

微造型系统包括，一是在基体材料形成熔凝凸起的装置，该装置统包括激光器发生器和外光路。激光器产生波长、脉冲宽度、功率适于熔凝微造型的激光，外光路实现激光的传导及聚焦，外光路在空间中一点形成高能的激光束，最后借助激光扫描装置完成对空间任意点的熔凝微造型。外光路为镜面反射传导或光纤传导结合透镜完成对焦；二是在基体材料形成微凹腔的装置，其与在基体材料形成熔凝凸起的装置差别在于激光器产生的激光参数不同，参数包括激光波长、重复频率、功率密度、脉宽、脉冲个数；三是在基体材料形成微沟槽的装置，其硬件部分与在基体材料形成微凹腔装置相同，微沟槽由连续排列的微凹腔组成，也能够由机械刮擦获得随机的微沟槽，上述装置通过电化学方法也能实现。

辅助气体系统包括气源、输气管线、开闭阀门A、喷嘴，输气管线连接气源和喷嘴，通过开闭阀门A控制其通闭，开闭阀门A由控制系统控制；

水冷系统包括水冷装置、输水管线、开闭阀门B，输水管线连接水冷装置和激光器内部的冷却腔管，通过开闭阀门B控制输水管线通闭，开闭阀门B由控制系统控制；

扫描系统包括水平X-Y工作台、竖直导轨，喷嘴固接在导轨工作台上随导轨上下移动，外光路调节激光光路，从喷嘴出光，扫描系统也能通过机械手实现；

控制系统即指上位工控机，使上述系统协同工作，其上的运动控制单元控制扫描系统协同运动，上位工控机还包括激光控制单元，调节激光频率、激光功率密度、泵浦电压或泵浦电流、激光脉宽、脉冲个数。

优选拉法尔喷嘴作为以获得最大吹拂力。

优选惰性气体作为辅助气体，减少熔渣的生成。

本发明的技术优点在于，针对长期困扰机加工领域的刀具易磨损、崩刃、加工质量不高、冷却液失效等问题，给出了一种全面提升刀具性能的表面复合造型处理方法，同时公开了实施这种加工方法的装置。在前刀面形成的微沟槽、微凹腔、熔凝凸起形貌三者各司其职，同时又相辅相成。其中熔凝凸起形貌区域材料硬度高、耐磨，在切削过程中将切屑与刀具强制分离，抑制切屑瘤的生成，进而避免了切屑瘤造成的震动，提高了切屑质量。主磨损区的微凹腔造型由微凹腔阵列而成，刀具切削时，金属切屑相对刀具高速从切削面甩出，配合以充足的冷却液而形成动压润滑效应，利于排屑，减少刀面磨损。贯穿前刀面上加工影响区的沟槽，由于虹吸原理形成冷却液向刀尖的传输通道，为动压润滑效应提供润滑介质和冷却液，且可以依据刀具的主要失效原因合理设计微沟槽在前刀面上的延展形式。上述微造型由于尺寸微小，以极小的刚度损耗极大的改善了刀具的整体性能。高能能量束作用在刀具表面，能够在微造型区域形成类似钉扎强化的效果，使该区域材料硬度、强度增加，延长刀具使用寿命。最后，微造型的尺寸控制精准，分布规则，刀具更美观，在前刀面上加工出一定深度的微造型后，刀具的磨损程度更容易判断。

附图说明

图1是三类四种微造型结构形貌放大示意图。

图2是前刀面上区域划分示意图。

图3是前刀面上造型方案示意图。

图4是前刀面上微沟槽呈发散式延展示意图。

图5是前刀面上微沟槽呈收敛式延展示意图。

图6是熔凝凸起强制将切屑与刀具分离示意图。

图7是本发明实施例1的装置示意图。

图8是本发明实施例2的装置示意图。

图中，1，刀具；3，被切削工件； 5，基体材料；7，刀尖；2，熔凝微造型；6，微凹腔造型；8，微沟槽的微造型；9，前刀面；10，切削区宽度；11，主磨损区宽度；13，熔凝凸起A；14， 熔凝凸起B；15，微凹腔；12，微沟槽；18，切削区；17，主磨损区；16，加工影响区；19，副切削刃；21，主切削刃；20，硬化区；21，主偏角；29，造型边界；30，影响边界；40，刀具夹具；41，竖直导轨；42水平X-Y工作台；43，水冷装置；44，输水管线；45，气源；46，输气管线；47，激光器；48，喷嘴； 100，光纤；101，机械手；102机械手末端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细说明。

图1是三类，四种微造型结构形貌放大示意图。微造型结构的形貌共有三类，分别是熔凝凸起、微凹腔15、微沟槽12，其中熔凝凸起由于具体加工参数变化和随机性原则包含熔凝凸起A13和熔凝凸起B14。图一表格中第一行对应熔凝凸起A13，第二行对应熔凝凸起B14，第三行对应微凹腔15，第四行对应一小段微沟槽12。图一表格中第一列为各微造型结构的形貌的俯视图；第二，第三列为对应各微造型结构的形貌的宽度和长度方向的剖视图。定义面积占有率为造型边界29所围面积之和对应造型区域总面积的比值，直径为造型边界29所围图形的最大内切圆直径，深度为造型边界29最深处至基体材料5表面的距离，高度为熔凝凸起最高点至基体材料5表面的距离。

本发明方法的具体实施方式如下： 

（a）       在金属切削刀具1表面划分区域，加工影响区16是刀具表面受到切削作业影响的区域，包括了切削区18和主磨损区17及向刀具1表面其它区域的延伸，延伸出的区域为刀具1表面冷却液易于到达的位置，切削区18和主磨损区17是冷却液不易到达或者损耗很快的位置；切削区18是在刀具1切削过程完成去除被切削工件3材料任务的区域；主磨损区17是在刀具1切削过程中对切屑起支撑作用的区域，切屑在这一区域开始与刀具分离；切削区18和主磨损区17各区域的边界和切削刃平行。划分区域的方法有两种，其一加工观测法，其二刀具观测法，加工观测法是观测实际加工过程中切屑流动、脱离刀具1的形式，加工过程中冷却液流动状况，在肉眼不便观测时，优选对刀具1拍摄红外图像的方法，图像中显示的热聚集的位置即为冷却液不易到达或者损耗快的位置，则主磨损区17包括切屑与刀具1接触至脱离过程中与刀具1接触的部位，切削刃开始至主磨损区边界为切削区18，加工影响区16包括切削区（18）和主磨损区17及向其它区域的延伸，延伸出的区域为刀具1表面冷却液易于到达的区域，刀具观测法是观测已达设计加工时间的刀具1，通过刀具表面检测系统测绘刀具1表面的磨损状况，刀具表面检测系统优选微观形貌仪、高倍数光学显微镜、电子显微镜、机械探针式形貌检测仪，若观测到月牙洼，则主磨损区17至少包括月牙洼所在区域，若未观测到月牙洼即刀具1的磨损未聚集，对比刀具1原有尺寸，则主磨损区17至少覆盖80%的磨损，切削刃开始至主磨损区17边界距离即为切削区18宽度，加工影响区16包括切削区18和主磨损区17及向其它区域的延伸，延伸出的区域为未出现磨损的区域，切削区宽度10为0.2~1mm，主磨损区宽度11为1~30mm，切削刃开始至主磨损区边界距离超过切削区宽度10上限的，超出部分划分入主磨损区，且计入主磨损区宽度11。

（b）       定义面积占有率为造型边界29所围面积之与对应造型区域总面积的比值，直径为造型边界29所围图形的最大内切圆直径，深度为造型边界29最深处至基体材料5表面的距离，高度为熔凝凸起最高点至基体材料5表面的距离，根据步骤a，为上述三个区域设计造型方案，切削区18为熔凝凸起阵列的熔凝微造型2，其面积占有率为5%~50%，熔凝凸起的高度1~20微米，直径20~500微米，主磨损区17为微凹腔15阵列的微凹腔造型6，其面积占有率5%~50%，微凹腔15的深度2~25微米，直径10~100微米，在加工影响区16为连接并贯穿上述两个区域的含有多条微沟槽12的微沟槽的微造型8，微沟槽12宽10~250微米，深2~25微米，其为直线或者曲线且为多种宽度、深度、延展方向的组合，针对特定的刀具，微沟槽12在前刀面9有两类分布：刀具的主偏角21在45^o~75^o之间，此种刀具的刀尖7散热性能良好，微沟槽12的主要作用是为主磨损区17提供切削液形成动压润滑效应，呈发散式延展，利于切削液的在前刀面9上的扩散，刀具的主偏角21在75^o~90^o之间，此种刀具的刀尖7散热性能差且应力较为集中，微沟槽12的主要作用是将切削液传送至刀尖7附近，呈收敛式延展，利于吸收切削生热；

（c）       将刀具1固定在刀具夹具40上；

（d）       熔凝微造型2，微凹腔造型6和微沟槽的微造型8通过高能能量束对刀具1表面材料的融化或气化获得，微沟槽的微造型8由微凹腔15线性排列、连接而成，还可通过机械刮擦获得，熔凝微造型2由熔凝凸起阵列而成，熔凝凸起由于加工参数的不同包括两种形态即熔凝凸起A13和 熔凝凸起B14，前者为基体材料5融化后向造型边界29中心流动形成的中心凸起，后者为基体材料5融化后向造型边界29四周流动形成的火山口状凸起，微凹腔造型6由微凹腔15阵列而成，加工后的影响边界30内含有硬化区20；

（e）       步骤a中的表面检测装置观测及检验表面形貌，判定是否达到预期造型目标，判断标准为，造型区域边界偏差小于2mm，微凹腔15）和熔凝凸起90%满足尺寸要求：成功造型的刀具1进行步骤f，不成功造型的刀具1将原有造型磨去回到步骤c；

（f）          使用造型后的刀具1，重复步骤a，即通过加工观测法和刀具观测法二次优化表面的区域分布，最终的区域设计划分用于大批量刀具1的加工。

如图7所示，本发明实施例一的一种刀具表面改性装置包括，刀具表面检测系统、微造型系统、辅助气体系统、水冷系统、控制系统、扫描系统。除了刀具表面检测系统，控制系统负责协同其余各系统工作。

表面检测系统的工作流程为：采用检测刀具表面粗糙度，磨损量的装置，在微造型前寻找主要磨损区域，在微造型后进行表面形貌的观测及检验。

辅助气体的系统结构是：输气管线46连接气源45和喷嘴48，喷嘴48位于激光器47下方，通过开闭阀门A控制输气管线46通闭，开闭阀门A由控制系统控制。该系统的工作流程为：输气管线46将气源45产生的辅助气体输送到喷嘴48高速射出，控制系统控制输气管线46的开闭。

水冷系统结构是：输水管线44连接水冷装置43和激光器47内部的冷却腔管，通过开闭阀门B控制输水管线44通闭，开闭阀门B由控制系统控制。系统的工作流程为：输水管线44将冷却液在激光器47内循环以降温，控制系统控制输水管线44和水冷装置43的开闭。

本例中微造型系统包括，一是在基体材料形成熔凝凸起的装置，该装置统包括激光器发生和外光路。激光器产生波长、脉冲宽度、功率适于熔凝微造型的激光，外光路实现激光的传导及聚焦，外光路在空间中一点形成高能的激光束，最后借助激光扫描装置完成对空间任意点的熔凝微造型。外光路为镜面反射传导或光纤传导结合透镜完成对焦；二是在基体材料形成微凹腔的装置，其与在基体材料形成熔凝凸起的装置差别在于激光器产生的激光参数不同，参数包括激光波长、重复频率、功率密度、脉宽、脉冲个数；三是在基体材料形成微沟槽的装置，其硬件部分与在基体材料形成微凹腔装置相同，微沟槽由连续排列的微凹腔组成，也能够由机械刮擦获得随机的微沟槽，上述装置通过电化学方法也能实现。

 本例中的扫描系统包括水平X-Y工作台42和竖直导轨41，它们的动作受控制系统的运动控制单元控制，喷嘴48固接于导轨41的工作台，扫描系统改变喷嘴48和刀具1的相对位置，激光的光路的改变由外光路完成。

控制系统为上位工控机，上位工控机中有激光控制单元和运动控制单元，上位工控机通过激光控制单元实现激光频率、泵浦电压、泵浦电流、激光脉宽、脉冲个数参数的调节，通过开关量控制水冷系统、辅助气体系统的开闭，通过运动控制单元控制水平X-Y工作台42、竖直导轨41的协同工作。

装置实施步骤是这样的：在确定刀具复合微造型方案后将刀具1固定在刀具夹具40上。

首先进行熔凝微造型2，通过上位工控机控制开启水冷装置43和气源45，通过开闭阀门A和开闭阀门B分别开通输气管线46和输水管线44，通过上位工控机的激光控制单元调节激光器47参数，获得激光A，通过扫描系统使得喷嘴48扫略过刀具1表面的切削区18。随后进行微凹腔造型6，通过上位工控机的激光控制单元调节激光器47参数，获得激光B，通过扫描系统使得喷嘴48扫略过刀具1表面的主磨损区17。最后进行微沟槽的微造型8，通过扫描系统，改变先前的扫描策略，将微凹腔15的加工连续成线，喷嘴48扫略过加工影响区16。

激光A在切削区18获得熔凝微造型2的激光器为CO₂激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器、光纤激光器之一，激光A参数为：功率密度10⁴—10⁷W/cm²，离焦量±2mm，脉冲宽度0.01~500ms，脉冲频率30 Hz ~20kHz；激光B在主磨损区17获得微凹腔造型6的激光器为二极管泵浦YAG固体激光器，光纤激光器之一，激光B参数为：功率密度10⁶~10⁸W/cm²，脉冲宽度0.01ns~50μs，脉冲频率1~50kHz，脉冲数1~7次，辅助气体为氮气、氩气、氧气、空气，气压为0.05~1.00MPa，其中脉冲频率为激光器每秒钟发出的激光脉冲个数，脉冲数为形成单个微凹腔15的激光脉冲个数。

实施例二如图8，其与实施例一的不同点在于：实施例二中的扫描系统为机械手101；微造型系统的外光路由具有柔度的光纤100实现，光纤100连接激光器47和喷嘴48；激光器47产生的激光通过光纤100传导，机械手末端102夹持喷嘴48。机械手101与上位工控机进行通讯，并被后者控制实现和实施例一相同的刀具表面复合造型处理方法。 

Claims (10)

1.一种刀具表面复合造型处理方法，其特征在于包括如下步骤：

A）在金属切削刀具（1）表面划分区域，加工影响区（16）是刀具表面受到切削作业影响的区域，包括了切削区（18）和主磨损区（17）及向刀具（1）表面其它区域的延伸，延伸出的区域为刀具（1）表面冷却液易于到达的位置，切削区（18）和主磨损区（17）是冷却液不易到达或者损耗很快的位置；切削区（18）是在刀具（1）切削过程完成去除被切削工件（3）材料任务的区域；主磨损区（17）是在刀具（1）切削过程中对切屑起支撑作用的区域，切屑在这一区域开始与刀具分离；切削区（18）和主磨损区（17）各区域的边界和切削刃平行； 

B）为切削区（18）和主磨损区（17）及向刀具（1）表面其它区域的延伸三个区域设计造型方案，切削区（18）为熔凝凸起阵列的熔凝微造型（2），其面积占有率为5%~50%，熔凝凸起的高度1~20微米，直径20~500微米；主磨损区（17）为微凹腔（15）阵列的微凹腔造型（6），其面积占有率5%~50%，微凹腔（15）的深度2~25微米，直径10~100微米；在加工影响区（16）为连接并贯穿上述两个区域的含有多条微沟槽（12）的微沟槽的微造型（8），微沟槽（12）宽10~250微米，深2~25微米，其为直线或者曲线且为多种宽度、深度、延展方向的组合；其中，面积占有率为造型边界（29）所围面积之与对应造型区域总面积的比值，直径为造型边界（29）所围图形的最大内切圆直径，深度为造型边界（29）最深处至基体材料（5）表面的距离，高度为熔凝凸起最高点至基体材料（5）表面的距离；

C）将刀具（1）固定在刀具夹具（40）上；

D）熔凝微造型（2）、微凹腔造型（6）和微沟槽的微造型（8）通过高能能量束对刀具（1）表面材料的融化或气化获得；微沟槽的微造型（8）由微凹腔（15）线性排列、连接而成；熔凝微造型（2）由熔凝凸起阵列而成；微凹腔造型（6）由微凹腔（15）阵列而成，加工后的影响边界（30）内含有硬化区（20），硬化区（20）为热效应影响区域，硬度上升；

E）步骤A）中的表面检测装置观测及检验表面形貌，判定是否达到预期造型目标，判断标准为，造型区域边界偏差小于2mm，微凹腔（15）和熔凝凸起90%满足尺寸要求：成功造型的刀具（1）进行步骤F），不成功造型的刀具（1）将原有造型磨去回到步骤C）；

F）使用造型后的刀具（1），重复步骤A），即通过加工观测法或刀具观测法二次优化表面的区域分布，确定最终的区域划分，用于大批量刀具（1）的表面复合造型处理加工。

2.根据权利要求1所述的一种刀具表面复合造型处理方法，其特征在于：所述步骤A）定义划分区域的方法为加工观测法，所述加工观测法是观测实际加工过程中切屑流动、脱离刀具（1）的形式，加工过程中冷却液流动状况，在肉眼不便观测时对刀具（1）拍摄红外图像，图像中显示的热聚集位置即为冷却液不易到达或者损耗快的位置，则主磨损区（17）包括切屑与刀具（1）接触至脱离过程中与刀具（1）接触的部位，切削刃开始至主磨损区边界为切削区（18）。

3.根据权利要求1所述的一种刀具表面复合造型处理方法，其特征在于：所述步骤A）定义划分区域的方法为刀具观测法，刀具观测法是观测已达设计加工时间的刀具（1），通过刀具（1）表面检测系统测绘刀具（1）表面的磨损状况，若观测到月牙洼，则主磨损区（17）至少包括月牙洼所在区域，若未观测到月牙洼即刀具（1）的磨损未聚集，对比刀具（1）原有尺寸，则主磨损区（17）至少覆盖80%的磨损痕迹，切削刃开始至主磨损区（17）边界距离即为切削区（18）宽度，切削区宽度（10）为0.2~1mm，主磨损区宽度（11）为1~30mm，切削刃开始至主磨损区边界距离超过切削区宽度（10）上限的，超出部分划分入主磨损区，且计入主磨损区宽度（11）。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种刀具表面复合造型处理方法，其特征在于：所述步骤B）针对刀具的主偏角（21）在45^o~75^o之间的刀具，微沟槽（12）在前刀面（9），刀具的主偏角（21）在45^o~75^o之间，微沟槽（12）为主磨损区（17）提供切削液形成动压润滑效应，呈发散式延展，使切削液的在前刀面（9）上的扩散，发散的末端为切削区（18）边界。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种刀具表面复合造型处理方法，其特征在于：所述步骤B）针对刀具的主偏角（21）在75^o~90^o之间的刀具，微沟槽（12）在前刀面（9），刀具的刀尖（7）散热性能差且应力较为集中，微沟槽（12）将切削液传送至刀尖（7）附近，呈收敛式延展，改善切削液在刀尖（7）区域的供给，收敛的末端为刀尖（7）。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种刀具表面复合造型处理方法，其特征在于：所述步骤D）中微沟槽的微造型（8）通过机械刮擦获得；熔凝凸起包括两种形态，为熔凝凸起A（13）和 熔凝凸起B（14），熔凝凸起A（13）为基体材料（5）融化后向造型边界（29）中心流动形成的中心凸起，熔凝凸起B（14）为基体材料（5）融化后向造型边界（29）四周流动形成的火山口状凸起。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种刀具表面复合造型处理方法，其特征在于：特征E）中，切削区（18）和主磨损区（17）上的熔凝凸起和微凹腔（15）的排列和分布规律，为排列间隔相等、排列间隔递增或递减、恒定面积占有率的排列中的一种。

8.根据权利要求1、2或3所述的一种刀具表面复合造型处理方法，其特征在于：特征E）中高能能量束为激光束，激光A在切削区（18）获得熔凝微造型（2）的激光器为CO₂激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器、光纤激光器之一，激光A参数为：功率密度10⁴—10⁷W/cm²，离焦量±2mm，脉冲宽度0.01~500ms，脉冲频率30 Hz ~20kHz；激光B在主磨损区（17）获得微凹腔造型（6）的激光器为二极管泵浦YAG固体激光器，光纤激光器之一，激光B参数为：功率密度10⁶~10⁸W/cm²，脉冲宽度0.01ns~50μs，脉冲频率1~50kHz，脉冲数1~7次，辅助气体为氮气、氩气、氧气、空气，气压为0.05~1.00MPa；其中，脉冲频率为激光器每秒钟发出的激光脉冲个数，脉冲数为形成单个微凹腔（15）的激光脉冲个数。

9.实施权利要求1所述的一种刀具表面复合造型处理方法的装置，其特征在于：包括刀具表面检测系统、刀具夹具（40）、微造型系统、辅助气体系统、水冷系统、控制系统和扫描系统；

刀具表面检测系统为微观形貌仪、高倍数光学显微镜、电子显微镜或机械探针式形貌检测仪；

微造型系统包括，包括激光器（47）和外光路，外光路对激光器（47）产生的激光进行传导及聚焦，外光路将高能的激光束在空间中聚焦成一点，外光路为镜面反射传导或光纤（100）传导结合透镜完成对焦； 

辅助气体系统包括气源（45）、输气管线（46）、开闭阀门A和喷嘴（48）；实施输气管线（46）连接气源（45）和喷嘴（48）通过开闭阀门A控制其通闭，开闭阀门A由控制系统控制；

水冷系统包括水冷装置（43）、输水管线（44）和开闭阀门B；实施输水管线（44）连接水冷装置（43）和激光器（47）内部的冷却腔管，通过开闭阀门B控制输水管线（44）的通闭，开闭阀门B由控制系统控制；

扫描系统包括水平X-Y工作台（42）和竖直导轨，喷嘴（48）固接在导轨工作台上，随导轨上下移动，外光路调节激光光路从喷嘴（48）出光；所述刀具夹具（40）设置于水平X-Y工作台（42），固定刀具（1）的位置，使刀具（1）每次加工的空间位姿相同；

控制系统为上位工控机，控制微造型系统、辅助气体系统、水冷系统和扫描系统工作，控制系统的运动控制单元控制扫描系统运动，上位工控机控制微造型系统的激光控制单元，调节激光频率、激光功率密度、泵浦电压或泵浦电流、激光脉宽、脉冲个数。

10.根据权利要求6所述的一种刀具表面复合造型处理装置，其特征在于：扫描系统为替换为机械手（101），机械手（101）为六自由度机械手，激光束经由光纤（100）传输，光纤（100）连接喷嘴（48），喷嘴（48）通过机械手末端（102）夹持，对准刀具夹具（40）。

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