CN105904022A - 仿螳螂口器上颚构形的拉刀及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了仿螳螂口器上颚构形的拉刀及其制备方法。现有拉刀工作负载大，刀具磨损严重。本发明刀齿的顶面开设凹槽；刀具头刀齿部分的齿升量呈等差数列分布；沿齿顶到齿槽方向，刀具头刀齿横截面积的梯度变化和螳螂上颚横截面积的梯度变化呈现一致性；刀具头的刀齿表面致密度和硬度均大于内部。本发明拉刀的制备方法：构造螳螂上颚三维曲面模型，得到螳螂上颚的面积梯度，确定刀具头刀齿沿齿顶到齿槽方向的面积梯度，并根据刀齿面积梯度设计刀齿外形；每个刀齿顶面加工多个凹槽；刀具头同一纵截面上，每个刀齿上的凹槽位置对应相邻刀齿上的未开凹槽部分刀齿顶面；刀具头热处理。本发明优化了拉刀的切削性能，减小切削负载，提高拉刀使用寿命。

Description

仿螳螂口器上颚构形的拉刀及其制备方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及拉刀及其制备方法，具体涉及一种仿螳螂口器上颚构形的拉刀及其制备方法。

背景技术

拉削是机械加工作业的一种类型，是使用拉床(拉刀)加工各种内外成形表面的切削工艺。拉床是一种金属切削机床，用来加工孔眼或键槽。加工时，一般工件不动，拉刀做直线切削运动。拉削时机床只有拉刀的直线运动，它是加工过程的主运动，进给运动则靠拉刀本身的结构来实现。而拉刀是其中的关键部件，拉刀是用于拉削的成形刀具，拉刀上分布着刀齿，当拉刀运作时，刀齿从工件上切削掉一定厚度的工件，重复多次后达到预期的形状和尺寸。但是现有拉刀在工作时，工作负载较大，刀齿容易被工件和切屑碰伤甚至挤坏，磨损也较严重，容易发生崩刃和缺齿的问题。因此，研制一种能承受大切削负载、耐磨损的新型刀具，对实现拉削加工的高精度、高效率有着重要意义。

目前，在相关领域并没有仿生的键槽拉刀及制备方法，如申请专利号为201521015218.0(授权公告号为205200682 U，授权公告日为2016年5月4日)的专利公开了一种圆柱形成型拉刀。该成型拉刀包括头部和尾部，头部至尾部依次为起连接作用的刀体部、前颈部、连接部和后颈部，刀体部具有若干排环绕排列的切削齿，相邻两排切削齿之间开设有容屑槽，切削齿的高度从头部至尾部为依次递增结构，连接部处设置有环形排列的两排刀刃，两相邻刀刃之间具有分屑槽，两排刀刃上的分屑槽交错分布。该成型拉刀稳定性能较好，较好地解决了拉刀切屑排出的问题，但是该成型拉刀工作区域刀齿不连续，工作时切削负载较大，刀具磨损也较为突出。申请专利号为CN201110143262.X(授权公告号CN102229228 A，授权公告日为2011年11月2日)公开了一种复合拉刀，其特征在于，刀具头上配置有多个环状切削刀块，并形成有切削面或倒角面；在切削面内侧凸起处设置有复合切削面，形成有复合切削刃或复合侧切削刃，并形成有加强台；在切削刃或侧切削刃上设置有至少有一个凹口刃，该凹口刃呈开口向切削面、后切削面、侧切削面之一延伸或者逐渐放大的形态分布在切削面、后切削面、侧切削面、复合切削面、复合侧切削面侧、复合后切削面之一形成有凹槽。该复合拉刀具有良好的散热和抗裂作用，但是其加强台的分布使其在刃口处负载较大，减小刀具的使用寿命，同时其凹槽分布较为单一，不能很好地改善拉刀的受力分布。

发明内容

本发明针对现有拉刀工作负载较大，刀具磨损较为严重，寿命较短等的不足，提供一种仿螳螂口器上颚构形的新型拉刀及相应制备方法。该拉刀是一种单个刀齿截面面积梯度分布仿上颚的刀具；是一种刀具截面材质致密度和硬度分布仿螳螂上颚的刀具；是一种可优化单个刀齿切削区域数量、切深和切削总面积的刀具；是一种优化整个拉刀粗拉、半精拉和精拉各区刀齿齿升量分布的刀具。

本发明仿螳螂口器上颚构形的拉刀主要由刀柄和刀具头组成。所述刀具头的刀齿部分由尾部至头部依次划分为粗拉区、半精拉区和精拉区。所有刀齿的顶面开设等距布置的凹槽；同一刀齿上，凹槽的底面面积与相邻凹槽之间未开凹槽部分刀齿顶面面积相等；刀具头同一纵截面上，每个刀齿上的凹槽位置对应相邻刀齿上的未开凹槽部分刀齿顶面。刀具头刀齿部分的齿升量呈公差大于0的等差数列分布，即δ₂-δ₁＝δ₃-δ₂＝δ_n-δ_n-1＝k，其中，k为定值常数，0.01mm≤k≤0.05mm；δ_n为沿刀具头尾部至头部方向上第n个齿的齿高，1≤n≤m，m≥20。沿齿顶到齿槽方向x，刀具头刀齿横截面积的梯度变化和螳螂上颚横截面积的梯度变化呈现一致性，即满足其中，S₁为螳螂上颚横截面积，S₂为刀齿横截面积。刀具头的刀齿表面致密度和硬度均大于内部。

本发明仿螳螂口器上颚构形的拉刀的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、通过激光扫描提取螳螂上颚的三维云图，获得表面几何信息的点云数据，对得到的点云数据平滑滤波处理后导出生成ASC II码格式的文件，并以NURBS曲面为基础构造曲面，在基础构造曲面上构造拓扑矩形网络，交互定义特征线，利用矩形数据网络构造出螳螂上颚三维曲面模型。

步骤二、通过螳螂上颚三维曲面模型分析得到螳螂上颚的面积梯度，确定刀具头刀齿沿齿顶到齿槽方向的面积梯度，并根据刀齿面积梯度设计刀齿外形。

步骤三、采用线锯切割加工刀齿外形，使得沿刀具头尾部至头部方向，刀具头刀齿部分的齿升量呈公差大于0的等差数列分布。

步骤四、在经步骤三加工后的每个刀齿顶面用激光雕刻机加工多个宽度为6mm、深度为1mm的凹槽。刀具头同一纵截面上，每个刀齿上的凹槽位置对应相邻刀齿上的未开凹槽部分刀齿顶面。

步骤五、采用高压电脉冲放电技术对经步骤四处理后的刀具头进行热处理，具体如下：

将刀具头放置于两块电极板之间，两块电极板分别与脉冲电场发生器的正、负极连接，刀具头上方固定火焰喷嘴和冷却喷嘴；打开脉冲电场发生器、火焰喷嘴和冷却喷嘴开关，刀具头移动，火焰喷嘴对刀具头加热的同时通高压脉冲电场，然后冷却喷嘴再喷水降温实现淬火，从而使刀具头刀齿的金相组织重新排列。

本发明的有益效果：

本发明从仿生学的角度出发，通过对螳螂口器的观察研究，发现其有良好的切削性能。通过仿照螳螂口器结构，优化了拉刀的切削性能，减小切削负载，达到保护刀具、减小拉刀磨损、提高拉刀使用寿命的目的。

附图说明

图1为本发明的结构立体图。

图2为刀具头的刀齿部分划分出的粗拉区、半精拉区和精拉区示意图。

图3-1为本发明中刀具头刀齿顶面的凹槽分布示意图。

图3-2为现有拉刀刀具头的刀齿顶面示意图。

图4-1为本发明中刀具头的刀齿齿升量变化示意图。

图4-2为现有拉刀刀具头的刀齿齿升量变化示意图。

图5-1为本发明中刀具头的单个刀齿形状示意图。

图5-2为螳螂上颚形状示意图。

图5-3为现有拉刀的刀齿形状示意图。

图6为螳螂上颚三维曲面模型示意图。

图7为高压电脉冲放电技术采用的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，仿螳螂口器上颚构形的拉刀，主要由刀柄1和刀具头2组成。如图2所示，刀具头2的刀齿部分由尾部至头部依次划分为粗拉区L1、半精拉区L2和精拉区L3，半精拉区的齿槽深度介于粗拉区的齿槽深度和精拉区的齿槽深度之间，且粗拉区的齿槽深度最大。

如图3-1所示，所有刀齿的顶面开设等距布置的凹槽；同一刀齿上，凹槽的底面面积与相邻凹槽之间未开凹槽部分刀齿顶面(剖面线部分)面积相等；刀具头2同一纵截面上，每个刀齿上的凹槽位置对应相邻刀齿上的未开凹槽部分刀齿顶面。如图3-2所示，现有拉刀的刀齿顶面没有开设凹槽。

如图4-1所示，刀具头2刀齿部分的齿升量呈公差大于0的等差数列分布，即δ₂-δ₁＝δ₃-δ₂＝δ_n-δ_n-1＝k，其中，k为定值常数，0.01mm≤k≤0.05mm；δ_n为沿刀具头2尾部至头部方向上第n个齿的齿高，1≤n≤m，m≥20。图4-2为现有拉刀齿升量分布示意图，所有刀齿高度一致，齿升量相等。

刀具头2的单个刀齿形状如图5-1所示，螳螂上颚形状如图5-2所示，现有拉刀刀齿形状如图5-3所示，设计刀具头2的刀齿形状时，保证沿齿顶到齿槽方向x，刀具头2刀齿横截面积的梯度变化和螳螂上颚横截面积的梯度变化呈现一致性，即满足其中，d表示求导，S₁为螳螂上颚横截面积，S₂为刀具头2的刀齿横截面积。

刀具头2的刀齿致密度和硬度仿照螳螂上颚分布。刀具头2的刀齿横截面金相组织如图5-1所示，螳螂上颚的横截面显微示意图如图5-2所示，而普通拉刀的金相组织如图5-3所示。从图中可以看出，螳螂上颚的致密度和硬度为边缘密而硬，仿照该结构，加工刀具头2的刀齿时，将刀齿加工成表面致密度和硬度均大于内部。而普通刀齿的金相组织显示刀齿表面致密度和硬度与内部呈现几乎一致的均匀性。

仿螳螂口器上颚构形的拉刀的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、通过激光扫描提取螳螂上颚的三维云图，获得表面几何信息的点云数据，对得到的点云数据平滑滤波处理后导出生成ASC II码格式的文件，并以NURBS曲面为基础构造曲面，在基础构造曲面上构造拓扑矩形网络，交互定义特征线，利用矩形数据网络构造出螳螂上颚三维曲面模型如图6所示。

步骤二、通过螳螂上颚三维曲面模型分析得到螳螂上颚的面积梯度，确定刀具头2刀齿沿齿顶到齿槽方向的面积梯度，并根据刀齿面积梯度设计刀齿外形。

步骤三、采用线锯切割加工刀齿外形，使得沿刀具头2尾部至头部方向，刀具头2刀齿部分的齿升量呈公差大于0的等差数列分布。

步骤四、在经步骤三加工后的每个刀齿顶面用激光雕刻机加工多个宽度为6mm、深度为1mm的凹槽，如图3-1所示。刀具头2同一纵截面上，每个刀齿上的凹槽位置对应相邻刀齿上的未开凹槽部分刀齿顶面。

步骤五、如图7所示，采用高压电脉冲放电技术对经步骤四处理后的刀具头2进行热处理，具体如下：

将刀具头放置于两块电极板3之间，两块电极板分别与脉冲电场发生器4的正、负极连接，刀具头上方固定火焰喷嘴5和冷却喷嘴6；打开脉冲电场发生器、火焰喷嘴5和冷却喷嘴6开关，刀具头移动，火焰喷嘴5对刀具头加热的同时通高压脉冲电场，然后冷却喷嘴6再喷水降温实现淬火，从而使刀具头刀齿的金相组织重新排列。热处理后刀具头的刀齿金相组织如图5-1所示。

Claims (2)

1.仿螳螂口器上颚构形的拉刀，主要由刀柄和刀具头组成，其特征在于：所述刀具头的刀齿部分由尾部至头部依次划分为粗拉区、半精拉区和精拉区；所有刀齿的顶面开设等距布置的凹槽；同一刀齿上，凹槽的底面面积与相邻凹槽之间未开凹槽部分刀齿顶面面积相等；刀具头同一纵截面上，每个刀齿上的凹槽位置对应相邻刀齿上的未开凹槽部分刀齿顶面；刀具头刀齿部分的齿升量呈公差大于0的等差数列分布，即δ₂-δ₁＝δ₃-δ₂＝δ_n-δ_n-1＝k，其中，k为定值常数，0.01mm≤k≤0.05mm；δ_n为沿刀具头尾部至头部方向上第n个齿的齿高，1≤n≤m，m≥20；沿齿顶到齿槽方向x，刀具头刀齿横截面积的梯度变化和螳螂上颚横截面积的梯度变化呈现一致性，即满足其中，S₁为螳螂上颚横截面积，S₂为刀齿横截面积；刀具头的刀齿表面致密度和硬度均大于内部。

2.如权利要求1所述仿螳螂口器上颚构形的拉刀的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、通过激光扫描提取螳螂上颚的三维云图，获得表面几何信息的点云数据，对得到的点云数据平滑滤波处理后导出生成ASC II码格式的文件，并以NURBS曲面为基础构造曲面，在基础构造曲面上构造拓扑矩形网络，交互定义特征线，利用矩形数据网络构造出螳螂上颚三维曲面模型；

步骤二、通过螳螂上颚三维曲面模型分析得到螳螂上颚的面积梯度，确定刀具头刀齿沿齿顶到齿槽方向的面积梯度，并根据刀齿面积梯度设计刀齿外形；

步骤三、采用线锯切割加工刀齿外形，使得沿刀具头尾部至头部方向，刀具头刀齿部分的齿升量呈公差大于0的等差数列分布；

步骤四、在经步骤三加工后的每个刀齿顶面用激光雕刻机加工多个宽度为6mm、深度为1mm的凹槽；刀具头同一纵截面上，每个刀齿上的凹槽位置对应相邻刀齿上的未开凹槽部分刀齿顶面；

步骤五、采用高压电脉冲放电技术对经步骤四处理后的刀具头进行热处理，具体如下：

将刀具头放置于两块电极板之间，两块电极板分别与脉冲电场发生器的正、负极连接，刀具头上方固定火焰喷嘴和冷却喷嘴；打开脉冲电场发生器、火焰喷嘴和冷却喷嘴开关，刀具头移动，火焰喷嘴对刀具头加热的同时通高压脉冲电场，然后冷却喷嘴再喷水降温实现淬火，从而使刀具头刀齿的金相组织重新排列。