CN106077724B - 一种固体润滑的金属切削刀具及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体润滑的金属切削刀具及其加工方法，涉及金属切削刀具技术领域。本发明在金属切削刀具加工有表面织构形貌，在所述表面织构形貌中填充固体润滑剂，在所述表面织构形貌位于切屑流向一侧的刀具表面设有凸坝。表面织构形貌兼具微凹坑和微凸台特征，能够发挥固体润滑减摩和微凸起脱粘的双重功效。在微织构区域末端，远离切削刃的位置，设置有凸坝，将一部分固体润滑剂回流至织构区域，提高固体润滑剂利用率和保持性。

Description

一种固体润滑的金属切削刀具及其加工方法
技术领域
本发明涉及金属切削刀具技术领域，具体的讲在金属切削刀具加工表面织构形貌后填充固体润滑材料，提高切削性能。
背景技术
金属切削加工中，切削热在刀尖附近累积，导致刀具局部温度急剧上升；伴随着切屑高速流出，刀具前、后刀面极易出现磨损，形成所谓月牙洼。月牙洼的宽度和深度逐渐增大，并向刀刃口延伸，降低切削刃强度，造成崩刃。同时，在高塑性金属材料切削过程中，“粘刀”形成积屑瘤，影响工件表面质量和尺寸精度。因此，刀具表面磨损与粘着关乎切削质量与刀具寿命。
从仿生学角度，微凸体形貌能够赋予表面一些独特性能。如荷叶表面的亚微米乳突使其具有超疏水特性；鲨鱼皮肤表面的块状凸起可以降低水下阻力。事实上，微凸体的脱附效果也能应用于刀具-切屑摩擦副界面；阵列的微凸体形貌降低两者的实际接触面积，发挥脱粘减摩效果。如中国专利ZL201210446252.8公开了一种刀具表面复合造型处理方法及其装置。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微凹腔、熔凝凸起和微沟槽，延长刀具寿命，改善切削质量和冷却，降低机加工成本。同时，还公开了一种实施上述复合造型处理方法的加工装置。该方法一定程度上减少刀-屑黏着，但其降低切削力、切削温升、磨损等效果仍十分有限；在某些切削工况，切屑与点状凸起形成点接触，反而增大摩擦；并且微凸体易于磨损，形貌持久性差。
中国专利ZL201110089826.6公开了一种微织构自润滑钻头及其制备方法，在前刀面的刀-屑接触区设置微沟槽或微孔织构并填充固体乳化剂。干切削时，在高温的作用下，微织构中的固体润滑剂快速软化并拖敷于刀具前刀面，形成连续的固体润滑层，阻止粘结、降低摩擦和低磨损，提高刀具使用寿命。该专利在凹体织构形貌中填充润滑剂，与凸起织构相比，刀具抗粘结性能不佳；同时凹坑形貌能够储存的固体润滑剂体积有限，一定程度上限制了有效润滑时间。
中国专利ZL201310022645.0公开了一种刀具表面抗粘减摩微镶嵌复合织构的制备方法，通过激光对刀具表面进行具有毛化微凸体、微腔及微槽的复合织构；向微腔和微槽中压填固体润滑剂复合材料。该方法形貌种类复杂，对激光器要求高，因此不便实施；同时还存在表面微凸体易于磨损，固体润滑剂损耗较快的问题。
中国专利CN201510653803公开了一种微织构硬质合金刀片的制备方法，其通过立方氮化硼砂轮制备具有微织构的成型模具，再利用成型模具压制硬质合金粉末、真空烧结制备微织构硬质合金刀具。该方法存在工艺较复杂，实施难度高；并且由于压制成型和脱模过程要求微织构形貌尺寸不能过小，该方法微织构尺寸较大脱粘润滑效果较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为，干切削和微量润滑切削工况下，刀-屑接触界面润滑不充分、易于粘刀；现有刀具表面织构复合固体润滑剂技术中，固体润滑剂损耗过快，且刀具未获得明显脱粘效果。
本发明针对干切削工况，采用激光加工的方法，在刀具表面设置凹凸复合形貌织构，并填充固体润滑剂。所述凹凸复合形貌兼具微凹坑和微凸台特征，因此能够发挥固体润滑减摩和微凸起脱粘的双重功效。在微织构区域末端，远离切削刃的位置，设置有凸坝，将一部分固体润滑剂回流至织构区域，提高固体润滑剂利用率。
本发明的技术方案为：在刀具前刀面或后刀面加工四周微凸中间凹的凹凸复合形貌阵列，随后在其形貌的凹坑中填充固体润滑剂并固化，形成凹凸复合织构与固体润滑剂相复合的特殊表面；切削过程中，固体润滑剂不断从凹凸复合形貌中释放出来，并被高速流出的切屑转移，在刀-屑接触界面形成固体润滑剂膜；在凹凸复合织构阵列的切屑流向一侧，即远离切削刃方向，设置凸坝，阻挡固体润滑剂粉末流出，并使其循环流动。在所述刀具表面还具有凸坝，其方向与切屑流出方向垂直；所述凸坝在切削过程中阻挡固体润滑剂粉末向刀尖远端进一步扩散；并将固体润滑剂回流至凹凸复合织构区域，实现固体润滑剂的循环利用。
本发明的刀具为，在金属切削刀具加工有表面织构形貌，在所述表面织构形貌中填充固体润滑剂，在所述表面织构形貌位于切屑流向一侧的刀具表面设有凸坝。所述表面织构形貌为凹凸复合形貌，所述凹凸复合形貌为中心为凹坑、围绕所述凹坑具有环状凸台的列阵。其特征在于，所述凹坑直径为50-500微米，凹坑深度为10-100微米。所述环状凸台高度为1-30微米，环状凸台宽度为5-100微米。所述表面织构形貌距离刀刃50 -200微米。
向凹凸复合织构的刀具表面填充固体润滑剂，使得固体润滑剂的填充的高度与环状凸台顶部平齐。
所述凸坝为带状凸起，所述凸坝的高度50-500微米，宽度100-1000微米。所述凸坝与切屑流出方向垂直。所述凸坝的个数大于等于1个；对于两个以上的凸坝，凸坝之间平行设置。
所述表面织构形貌的区域至少包括刀具与切屑接触区域和刀具与工件接触区域。
所述表面织构形貌的面积占有率为10%-40%。当所述刀具的加工工件为铝合金时，表面织构形貌的面积占有率15%-25%。当所述刀具的加工工件为钛合金时，表面织构形貌的面积占有率35%-45%。
所述固体润滑剂为二硫化钼、石墨、一氮化四硼或银固体润滑剂中的一种或二种以上的复合。
本发明的方法为，首先对金属切削刀具进行表面织构加工；然后，在所述表面织构形貌位于切屑流向一侧的刀具表面加工凸坝；随后向表面织构形貌中填充固体润滑剂；最后通过烧结将固体润滑剂固定在微织构形貌中。所述烧结固化温度200-600℃，固化时间10-60分钟。
所述表面织构形貌通过激光束加工获得凹凸复合形貌和凸坝形貌；激光器为CO2激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器或光纤激光器；激光参数为输出功率40-1000W、离焦量±2mm、脉冲宽度0.01-500ms。所述凹凸复合形貌的加工方法为，单个激光脉冲加工刀具表面获得中心为凹坑、围绕所述凹坑具有环状凸台的形貌，然后改变激光在刀具表面辐射位置至相邻形貌点同样用单个激光脉冲加工，重复完成凹凸复合形貌的阵列加工。所述凸坝通过激光束连续扫描形成。
向表面织构形貌中填充固体润滑剂方法一为，向凹凸复合形貌的凹坑中填充固体润滑剂，使固体润滑剂的最终填充高度等于环状凸台高度。
向表面织构形貌中填充固体润滑剂方法二为，向凹凸复合形貌的凹坑中填充固体润滑剂，使固体润滑剂的最终填充高度高于环状凸台高度，并且填充凹凸复合形貌的凹坑外部空间，将固体润滑剂覆盖织构区域内的所有形貌特征；然后通过砂纸平整填充后的表面，并去除部分固体润滑剂，使得固体润滑剂层的厚度等于环状凸台高度。
烧结之后，通过砂纸研磨去除表面多余固体润滑剂，使固体润滑剂的高度与环状凸台高度一致。
所述凹凸复合织构的面积占有率为凹凸复合形貌边界所围成面积与织构区域面积的比值。
所述凹坑直径为凹坑边界所围成图形的最大内切圆的直径。
所述凹坑深度为凹坑形貌最深处到基体材料表面的距离。
所述环状凸台高度为环状凸台最高点到基体材料表面的距离。
所述环状凸台宽度为环状凸台径向厚度的平均值。
本发明的有益效果为：1、由于刀具表面固体润滑剂的充分供给，切削力降低；2、凹凸复合形貌中的环状凸台部分，将刀具与切屑强制分离，减少切屑在刀面的粘结，避免形成切削瘤；3、由于切屑粘着的减少，工件表面加工精度和质量得以提升；4、与现有凹腔或沟槽复合固体润滑剂的方案相比，凹凸复合形貌复合固体润滑剂的表面，具有良好的表面承载性能，因此适用于更高的切削速度和切削深度；5、凸坝在刀具切削过程中，阻碍固体润滑剂在前刀面进一步扩散，使得一部分固体润滑剂回流至凹凸复合形貌阵列，实现固体润滑剂的循环利用，固体润滑剂有效保持时间延长；6、将固体润滑剂填充至环状凸台顶部，环状凸台在刀具表面起到标尺作用，用于标定砂纸去除部分固体润滑剂层的厚度，最终控制固体润滑剂的填充量；与单纯凹腔形貌填固体润滑剂方案相比，固体润滑剂填充体积和填充质量大幅提升，填充过程得以简化；7、与多种不同形貌组成的列阵需要不同的加工工艺相比，本发明的凹凸复合形貌列阵都是通过脉冲激光一次成形，简化了加工工艺流程，并且兼顾储存固体润滑剂和脱粘的效果，改善刀具摩擦特性，提升刀具性能。
附图说明
图1是凹凸复合形貌横截面示意图。
图2是填充固体润滑剂的凹凸复合形貌横截面示意图。
图3是表面形貌在切削过程中的工作原理示意图。
图中：1，凹坑；2，环状凸台；3，凹坑直径；4，凹坑深度；5，凸台宽度；6，凸台高度；7，固体润滑剂；10，刀具；11，工件；12，切屑；13，凸坝；14，固体润滑膜。
具体实施方式
下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。
需特别说明：1、固体润滑剂成份不影响本发明的具体实施，因此固体润滑剂种类不是本发明的重点，其它固体润滑剂种类及配比组合都在本发明的保护范围内；2、金属切削刀具具有相似工作原理，因此本发明适用于各类金属切削刀具种类，即不局限于外圆车刀；3、虽然相同参数的激光束作用于不同刀具材料，获得形貌的具体尺寸不尽相同；但是通过控制关键参数：输出功率、脉冲宽度、离焦量，仍可以获得设计形貌，因此本发明适用于所有金属切削刀具材料；4、为便于理解，实施例附图仅描绘了前刀面的加工方案，但并不代表本发明方法仅适用于刀具前刀面。
分别对图1、2、3进行说明。
实施例一：本实施例中，刀具10为硬质合金外圆车刀，切削材料为铝合金。
选用光纤激光器，输出高斯分布红外激光。
固体润滑剂由90wt.%MoS2与10wt.%聚酰亚胺粉末混合。
本发明技术特征的实施包括以下步骤。
步骤A，刀具10表面预处理；对刀具10上待织构加工面进行抛光处理，使其表面测粗糙度Ra小于0.3微米。
步骤B，确定复合织构区域及密度。本实施例中，织构区域包括前刀面刀具与切屑接触区域，以及后到面刀具与工件接触区域。凹凸复合织构的面积占有率20%。
步骤C，对金属切削刀具10进行凹凸复合形貌的织构加工。激光参数为：输出功率40-70W，离焦量1mm，脉冲宽度1.1ms。单个凹凸复合形貌是由单个所述参数的激光脉冲加工获得的。当前一个激光脉冲完成与刀具表面的作用，改变激光辐射位置，重复完成后续形貌加工。
所述凹凸复合形貌特征在于形貌中心为凹坑1，围绕凹坑1具有环状凸台2；所述凹坑直径3为70微米，凹坑深度4为20微米；环状凸台宽度5为30微米，上述各尺寸的误差±5微米。所述环状凸台高度6为4-6微米。所述凸坝的个数大于等于1个；对于两个以上的凸坝，凸坝之间平行设置。
步骤D，对金属切削刀具进行凸坝13加工。激光参数为：输出功率70-90W，扫描速度0.1m/min，脉冲频率1KHz。凸坝13为激光束连续扫描形成。
凸坝13为一定高度的带状凸起，其与切屑流出方向垂直，高度400微米，宽度500微米。
凸坝13在刀具10切削过程中，阻碍固体润滑剂7在前刀面进一步扩散，使得一部分固体润滑剂7回流至凹凸复合形貌阵列，实现固体润滑剂7的循环利用。
步骤E，固体润滑剂填充与烧结；向凹凸复合形貌的凹坑1中填充固体润滑剂7；通过烧结过程，将固体润滑剂7与凹坑1固结；烧结固化温度230℃，固化时间30分钟；烧结完成后，通过砂纸研磨去除表面多余固体润滑剂7。
上述凹坑直径3为凹坑1边界所围成图形的最大内切圆的直径。上述凹坑深度4为凹坑1形貌最深处到基体材料表面的距离。上述环状凸台高度6为环状凸台2最高点到基体材料表面的距离。上述环状凸台宽度5为环状凸台2径向厚度的平均值。
凹凸复合织构结合固体润滑的刀具10适用于干切削工况。在切削过程中，固体润滑剂7从表面织构中缓慢释放，形成固体润滑膜14，降低刀具10与切屑12间摩擦；环状凸台2将刀具10与切屑12分开，避免切削在刀具10表面粘着；最终效果，切削力、切削温度、粘着磨损大为降低，切削质量得以提高。
实施例二：实施例二与实施例一的区别在于步骤E中的填充方法。
实施例二，步骤E中，固体润滑剂7的填充方法为：向凹凸复合织构的刀具表面填充固体润滑剂7，使得固体润滑剂7的最终填充高度高于环状凸台高度6，并且填充凹凸复合形貌的外部空间，即将固体润滑剂7覆盖织构区域内的所有形貌特征。
随后通过砂纸，平整填充后的表面，并去除部分固体润滑剂7，使得固体润滑剂7层的厚度等于环状凸台高度6。
上述填充方法，进一步增加了刀具表面携带固体润滑剂7的体积，并且提升了表面支撑率。环状凸台2在刀具表面起到标尺作用，用于标定砂纸去除部分固体润滑剂7层的厚度，最终控制固体润滑剂7的填充量。
实施例三：本实施例中，刀具10为硬质合金外圆车刀，切削材料为钛合金。
实施例三与实施例一和二的区别在于步骤B和步骤C。
实施例三，步骤B中，凹凸复合织构的面积占有率40%。
实施例三，步骤C中，凹坑直径3为50微米，凹坑深度4为20微米；所述环状凸台高度6为4微米，环状凸台宽度5为15微米。

Claims (23)

1.一种固体润滑的金属切削刀具，其特征在于，在金属切削刀具（10）加工有表面织构形貌，在所述表面织构形貌中填充固体润滑剂（7），在所述表面织构形貌位于切屑流向远离切削刃一侧的刀具表面设有凸坝（13）。
2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，所述表面织构形貌为凹凸复合形貌，所述凹凸复合形貌为中心为凹坑（1）、围绕所述凹坑（1）具有环状凸台（2）的列阵。
3.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于，所述凹坑直径（3）为50-500微米，凹坑深度（4）为10-100微米。
4.根据权利要求3所述的刀具，其特征在于，所述环状凸台高度（6）为1-30微米，环状凸台宽度（5）为5-100微米。
5.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于，所述表面织构形貌距离刀刃50 -200微米。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的刀具，其特征在于，向凹凸复合织构的刀具表面填充固体润滑剂（7），使得固体润滑剂（7）的填充的高度与环状凸台（2）顶部平齐。
7.根据权利要求6所述的刀具，其特征在于，所述凸坝（13）为带状凸起，所述凸坝（13）的高度50-500微米，宽度100-1000微米。
8.根据权利要求7所述的刀具，其特征在于，所述凸坝（13）与切屑流出方向垂直。
9.根据权利要求7所述的刀具，其特征在于，所述凸坝（13）的个数大于等于1个；对于两个以上的凸坝（13），凸坝（13）之间平行设置。
10.根据权利要求1、2、3、4或5所述的刀具，其特征在于，所述表面织构形貌的区域至少包括刀具与切屑接触区域和刀具与工件接触区域。
11.根据权利要求10所述的刀具，其特征在于，所述表面织构形貌的面积占有率为10%-40%。
12.根据权利要求11所述的刀具，其特征在于，当所述刀具的加工工件为铝合金时，表面织构形貌的面积占有率15%-25%。
13.根据权利要求11所述的刀具，其特征在于，当所述刀具的加工工件为钛合金时，表面织构形貌的面积占有率35%-45%。
14.根据权利要求6所述的刀具，其特征在于，所述固体润滑剂（7）为二硫化钼、石墨、一氮化四硼或银固体润滑剂中的一种或二种以上的复合。
15.一种加工权利要求1-14任意一项所述的刀具的加工方法，其特征在于，首先对金属切削刀具（10）进行表面织构加工；然后，在所述表面织构形貌位于切屑流向一侧的刀具表面加工凸坝（13）；随后向表面织构形貌中填充固体润滑剂（7）；最后通过烧结将固体润滑剂（7）固定在微织构形貌中。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述表面织构形貌通过激光束加工获得凹凸复合形貌和凸坝（13）形貌；激光器为CO2激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器或光纤激光器；激光参数为输出功率40-1000W、离焦量±2mm、脉冲宽度0.01-500ms。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述凹凸复合形貌的加工方法为，单个激光脉冲加工刀具表面获得中心为凹坑（1）、围绕所述凹坑（1）具有环状凸台（2）的形貌，然后改变激光在刀具表面辐射位置至相邻形貌点同样用单个激光脉冲加工，重复完成凹凸复合形貌的阵列加工。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述凸坝（13）通过激光束连续扫描形成。
19.根据权利要求15、16、17或18所述的方法，其特征在于，向表面织构形貌中填充固体润滑剂（7）方法为，向凹凸复合形貌的凹坑（1）中填充固体润滑剂（7），使固体润滑剂（7）的最终填充高度等于环状凸台高度（6）。
20.根据权利要求15、16、17或18所述的方法，其特征在于，向表面织构形貌中填充固体润滑剂（7）方法为，向凹凸复合形貌的凹坑（1）中填充固体润滑剂（7），使固体润滑剂（7）的最终填充高度高于环状凸台高度（6），并且填充凹凸复合形貌的凹坑（1）外部空间，将固体润滑剂（7）覆盖表面织构形貌区域内的所有形貌；然后通过砂纸平整填充后的表面，使固体润滑剂（7）层的厚度等于环状凸台高度（6）。
21.根据权利要求15、16、17或18所述的方法，其特征在于，所述烧结固化温度200-600℃，固化时间10-60分钟。
22.根据权利要求15、16、17或18所述的方法，其特征在于，烧结之后，通过砂纸研磨去除表面多余固体润滑剂（7），使固体润滑剂（7）的高度与环状凸台高度（6）一致。
23.根据权利要求15、16、17或18所述的方法，其特征在于，在对金属切削刀具（10）进行表面织构加工之前，对刀具（10）表面预处理；对刀具（10）上待织构加工面进行抛光处理，使刀具（10）表面测粗糙度Ra小于0.3微米。
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