CN108237236A - 异型织构化刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了异型织构化刀具及其制备方法，属于刀具领域，其结构包括刀具基体，刀具基体上设置有前刀面和后刀面，前刀面的端部为刀‑屑接触区域，所述的刀‑屑接触区域处的前刀面上设置有微织构，所述的微织构为方形微织构、圆形微织构或三角沟槽形微织构，且分别包括多个，阵列设置，排列方式沿切屑流动方向分布。本发明的异型织构化刀具及其制备方法具有有利于减小刀‑屑接触面积，也有利于存储磨损颗粒及润滑液，降低切削力、切削温度，并减缓刀具磨损状况，提高刀具的使用寿命等特点，因而具有很好的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种刀具领域，尤其是一种异型织构化刀具及其制备方法。
背景技术
高速切削技术作为先进制造技术中的重要技术之一，广泛应用于航空航天、模具、机械装备、汽车和医学等领域。与传统切削加工相比，高速切削加工能够提高生产效率，但对难加工材料而言，高速切削加工过程中的高切削温度和切削区域的剧烈摩擦会加快刀具磨损，刀-屑界面摩擦系数增大，影响表面加工质量。高切削温度会导致主切削刃处应力及其温度梯度增大，刀具耐用度大为降低，与此同时，刀具的快速磨损严重制约了切削效率的提高。在高速切削加工过程中，刀-屑界面上的材料会紧密结合，外部的润滑液很难进入刀-屑界面，只能通过毛细渗透等方式到达摩擦副界面的边界区域。上述原因共同导致了刀具的快速磨损和工件表面加工质量差的问题，故为了提高刀具耐用度和改善表面加工质量，可从改善切削区的摩擦润滑状况出发，优化刀具结构设计。
表面织构技术就是在摩擦副表面制备出具有一定几何尺寸和排列方式的微小结构阵列，从而有效地改善材料表面的接触方式和润滑方式，提高材料的摩擦学性能。在滑动接触表面上加工微造型，一方面纹理的存在能减小摩擦副接触表面积，降低黏着作用，另一方面，表面纹理凹坑能够存储磨损颗粒及润滑液，从而降低表面磨损程度。然而，表面纹理的存在也可能使基体产生微裂纹或表面缺陷，从而加剧表面磨损。可见，设计合理的表面微织构图貌对提高摩擦副减摩抗磨特性有着重要意义。
发明内容
本发明的技术任务是针对上述现有技术中的不足提供一种异型织构化刀具及其制备方法，该异型织构化刀具及其制备方法具有有利于减小刀-屑接触面积，也有利于存储磨损颗粒及润滑液，降低切削力、切削温度，并减缓刀具磨损状况，提高刀具的使用寿命的特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：异型织构化刀具，包括刀具基体，刀具基体上设置有前刀面和后刀面，前刀面的端部为刀-屑接触区域，所述的刀-屑接触区域处的前刀面上设置有微织构，所述的微织构为方形微织构、圆形微织构或三角沟槽形微织构，且分别包括多个，阵列设置，排列方式沿切屑流动方向分布。
所述的方形微织构的边长尺寸为450um，深度为32um。
所述的圆形微织构的半径为250um，深度为32um。
所述的三角沟槽形微织构为两个等边三角形所围成，其外边长为700um，内边长为300um，深度为32um。
相对于整个刀-屑接触区域，微织构的面积占有率为10％，且微织构排列方式沿切屑流动方向分布。
异型织构化刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)刀具前处理：选用碳化硼高级研磨材料对硬质合金刀具基体材料进行研磨，直至基体表面呈光滑暗沉状，再用W0.5的金刚石研磨膏和金相抛光布对其进行抛光处理，直至达到镜面级别；
(2)酒精清洗和超声波清洗：将刀具基体表面抛光至镜面光泽后，立即放入盛放无水乙醇的烧杯中浸泡15-20分钟，以防止暴露在空气中被氧化，再将烧杯放入超声清洗器中超声清洗15分钟，最后将试件取出，放入鼓风干燥机中烘干；
(3)飞秒激光雕刻：加工过程中使用Bruker测量仪对表面微造型进行尺寸测量，同时在飞秒激光器上对雕刻图貌的加工尺寸进行调整，对基体表面微造型重复测量和激光加工，按照不同形状及不同的图貌参数依次完成正方形、圆形和三角沟槽形微造型表面的加工。
研磨抛光后的刀具基体表面的表面粗糙度值为0.04。
飞秒激光雕刻过程中，激光波长为800nm，激光脉宽为100fs，脉冲频率为10KHz，平均功率为4W，对每个微造型单元的扫描雕刻次数为13次。
本发明的异型织构化刀具及其制备方法和现有技术相比，具有以下突出的有益效果：运用飞秒激光雕刻技术在刀具基体前刀面上进行不同图貌微织构单元的制备，得到的微造型单元轮廓清晰，尺寸精度高；本发明克服了以往刀具织构化技术在微织构图貌设计上的单一性，可进一步减少刀-屑实际接触面积，降低切削力、切削温度，并减缓刀具磨损状况，提高刀具的使用寿命等特点。
附图说明
图1为异形织构化刀具的立体示意图；
图2为刀具表面进行飞秒激光雕刻的示意图；
图3为方形微织构在DINO-LITE显微镜测量下的显微图片；
图4为圆形微织构在DINO-LITE显微镜测量下的显微图片；
图5为三角沟槽形微织构在DINO-LITE显微镜测量下的显微图片；
图6为方形微织构在超景深测量仪测量下的显微图片；
图7为圆形微织构在超景深测量仪测量下的显微图片；
图8为三角沟槽形微织构在超景深测量仪测量下的显微图片；
图9为无织构工作表面的纵向压力云图；
图10为正方形微织构表面的纵向压力云图；
图11为圆形微织构表面的纵向压力云图；
图12为三角沟槽形微织构表面的纵向压力云图；
图13为三角沟槽形微织构表面的横向压力云图；
图14为微凹坑上流体动压力产生示意图。
附图标记说明：1、前刀面，2、后刀面，3、刀-屑接触区域，4、微织构。
具体实施方式
参照说明书附图1至附图14对本发明的异型织构化刀具及其制备方法作以下详细地说明。
本发明的异型织构化刀具，包括刀具基体，刀具基体上设置有前刀面1和后刀面2，前刀面1的端部为刀-屑接触区域3，所述的刀-屑接触区域3处的前刀面1上设置有微织构4，所述的微织构4为方形微织构、圆形微织构或三角沟槽形微织构，且分别包括多个，阵列设置，排列方式沿切屑流动方向分布。
所述的方形微织构的边长尺寸为450um，深度为32um。
所述的圆形微织构的半径为250um，深度为32um。
所述的三角沟槽形微织构为两个等边三角形所围成，其外边长为700um，内边长为300um，深度为32um。
相对于整个刀-屑接触区域3，微织构的面积占有率为10％，且微织构排列方式沿切屑流动方向分布。
异型织构化刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)刀具前处理：选用碳化硼高级研磨材料对硬质合金刀具基体材料进行研磨，直至基体表面呈光滑暗沉状，再用W0.5的金刚石研磨膏和金相抛光布对其进行抛光处理，直至达到镜面级别；
(2)酒精清洗和超声波清洗：将刀具基体表面抛光至镜面光泽后，立即放入盛放无水乙醇的烧杯中浸泡15-20分钟，以防止暴露在空气中被氧化，再将烧杯放入超声清洗器中超声清洗15分钟，最后将试件取出，放入鼓风干燥机中烘干；
(3)飞秒激光雕刻：加工过程中使用Bruker测量仪对表面微造型进行尺寸测量，同时在飞秒激光器上对雕刻图貌的加工尺寸进行调整，对基体表面微造型重复测量和激光加工，按照不同形状及不同的图貌参数依次完成正方形、圆形和三角沟槽形微造型表面的加工。
研磨抛光后的刀具基体表面的表面粗糙度值为0.04。
飞秒激光雕刻过程中，激光波长为800nm，激光脉宽为100fs，脉冲频率为10KHz，平均功率为4W，对每个微造型单元的扫描雕刻次数为13次。
参照图9至图12，仿真过程中，设置操作参考压力为305MPa，经Fluent计算的输出压力均为表压，考虑到流体相邻层间不止有滑动，在流速垂直方向上存在脉动，设置流体类型为湍流。相比于无织构工作表面，方形微织构、圆形微织构及三角沟槽形微织构的各单元出口处都有一定的正压力，同时在凹坑或凹槽内部存在回流现象，流体回流一方面使流体产生对流，另一方面使微织构单元中心处产生负压。
参照图12和图13，三角沟槽形微织构单元不仅具有纵截面的收敛出口，在横截面上也拥有收敛的几何特征，这使其在提供流体动压承载力的同时附加有对流正压力，整个区域单元供压效果明显，这也从侧面反映出三角沟槽形这种有几何收敛特征的图貌，其流体动压效果要比无几何收敛特征的正方形和圆形图貌更好。
参照图9至图14，当摩擦副表面的润滑剂流往表面间隙逐渐减小的收敛楔时，就会产生动压润滑。当润滑剂从发散楔流向收敛楔，其在单位长度上的流量沿运动方向逐渐减小，由流量连续条件，收敛楔处的平均压力大于发散楔处压力，这种压力分布会减少发散处的流入量，而增加收敛处流出量。流体动压润滑常伴随空化现象的产生，在发散楔端面处流体速度梯度急剧变化，内部压强快速下降而出现负压，当负压突破临界值以下，就会导致空泡的产生。空化现象的存在会抑制负压力的产生，而在润滑剂流出收敛楔端口时会产生正的润滑膜压力，这样表面微凹坑的两侧就会形成一正一负的非零压力，这种不对称的压力使得润滑膜具有一定的承载能力，因此，每一个微小的形貌都可以看作一个流体动压润滑轴承，其产生的流体动压力能够使摩擦副表面分开，从而获得较低的摩擦因数和极小的磨损。
以上所列举的实施方式仅供理解本发明之用，并非是对本发明所描述的技术方案的限定，有关领域的普通技术人员，在权利要求所述技术方案的基础上，还可以作出多种变化或变形，所有等同的变化或变形都应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.异型织构化刀具，包括刀具基体，刀具基体上设置有前刀面和后刀面，前刀面的端部为刀-屑接触区域，其特征是：所述的刀-屑接触区域处的前刀面上设置有微织构，所述的微织构为方形微织构、圆形微织构或三角沟槽形微织构，且分别包括多个，阵列设置，排列方式沿切屑流动方向分布。
2.根据权利要求1所述的异型织构化刀具，其特征是：所述的方形微织构的边长尺寸为450um，深度为32um。
3.根据权利要求1所述的异型织构化刀具，其特征是：所述的圆形微织构的半径为250um，深度为32um。
4.根据权利要求1所述的异型织构化刀具，其特征是：所述的三角沟槽形微织构为两个等边三角形所围成，其外边长为700um，内边长为300um，深度为32um。
5.异型织构化刀具的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)刀具前处理：选用碳化硼高级研磨材料对硬质合金刀具基体材料进行研磨，直至基体表面呈光滑暗沉状，再用W0.5的金刚石研磨膏和金相抛光布对其进行抛光处理，直至达到镜面级别；
(2)酒精清洗和超声波清洗：将刀具基体表面抛光至镜面光泽后，立即放入盛放无水乙醇的烧杯中浸泡15-20分钟，以防止暴露在空气中被氧化，再将烧杯放入超声清洗器中超声清洗15分钟，最后将试件取出，放入鼓风干燥机中烘干；
(3)飞秒激光雕刻：加工过程中使用Bruker测量仪对表面微造型进行尺寸测量，同时在飞秒激光器上对雕刻图貌的加工尺寸进行调整，对基体表面微造型重复测量和激光加工，按照不同形状及不同的图貌参数依次完成正方形、圆形和三角沟槽形微造型表面的加工。
6.根据权利要求5所述的异型织构化刀具的制备方法，其特征是：研磨抛光后的刀具基体表面的表面粗糙度值为0.04。
7.根据权利要求5所述的异型织构化刀具的制备方法，其特征是：飞秒激光雕刻过程中，激光波长为800nm，激光脉宽为100fs，脉冲频率为10KHz，平均功率为4W，对每个微造型单元的扫描雕刻次数为13次。
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