CN110039079B - 一种面向微纳结构加工的刀具及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微制造技术领域，尤其涉及一种面向微纳结构加工的刀具及其制作方法。面向微纳结构加工的刀具具有朝向工件的前刀面、与前刀面相对设置的背刀面以及位于前刀面与背刀面之间且沿面向微纳结构加工的刀具厚度方向布置并呈非平面设置的后刀面，前刀面与后刀面的相交处形成用于切削工件的刀刃，后刀面上开设有多个间隔设置的第一结构槽，第一结构槽的尺寸范围为微米级或纳米级；各第一结构槽的一端位于后刀面，各结构槽的另一端均贯穿至前刀面。本发明可以将面向微纳结构加工的刀具的第一结构槽的尺寸特征复制到工件表面，从而在工件表面快速加工出预定尺寸的微纳结构。

Description

一种面向微纳结构加工的刀具及其制作方法

技术领域

本发明属于微制造技术领域，尤其涉及一种面向微纳结构加工的刀具及其制作方法。

背景技术

微纳结构是尺寸范围在微米级或者纳米级的各类几何结构特征的总称。目前，具有微纳结构的表面的产品已经在医用种植体、光学、能源等领域得到了广泛的应用。以牙的人工种植体为例，为了提升种植牙的骨整合能力，缩短骨愈合时间，对于通过加工得到的种植体表面，需要通过各种表面处理方法，在种植体表面获得微纳结构。种植体表面所具有的微纳结构将增加其与周围骨的接触面，加强与周围骨的结合力，吸附骨细胞粘附生长，增强生物活性从而促进骨生成。

目前比较成熟的种植体表面处理技术包括阳极氧化、(氧化铝砂材、氢氧基磷灰石、与天然骨成分相近的陶瓷材料)喷砂、酸蚀、离散结晶沉积、二氧化钛颗粒撞击技术、加亲水性功能基处理以及电化学等。

但是，采用的这些方法都存在效率低，需要多道工序完成；处理过程需要使用强酸等化学试剂，对人体健康存在潜在风险，需要经过长期的临床试验才能进入市场，影响产品上市周期；微纳结构的几何特征和几何参数很难得到精确控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向微纳结构加工的刀具，旨在解决如何在工件表面快速加工出微纳结构的问题。

本发明是这样实现的，一种面向微纳结构加工的刀具，用于对工件表面进行加工，所述面向微纳结构加工的刀具具有朝向所述工件的前刀面、与所述前刀面相对设置的背刀面以及位于所述前刀面与所述背刀面之间的后刀面，所述后刀面沿所述面向微纳结构加工的刀具厚度方向布置并呈非平面设置，所述前刀面与所述后刀面的相交处形成用于切削所述工件的刀刃，所述后刀面上开设有多个间隔设置的第一结构槽，所述第一结构槽的尺寸范围为微米级或纳米级；各所述第一结构槽的一端位于所述后刀面，各所述结构槽的另一端均贯穿至所述前刀面。

在一个实施例中，所述后刀面为弧形面或圆锥面，且所述后刀面上任意一点的曲率中心位于所述后刀面的内侧。

在一个实施例中，各所述第一结构槽的槽深从位于所述后刀面的一端处往另一端逐渐增大设置。

在一个实施例中，所述第一结构槽的各内壁与所述前刀面的夹角大于0度且小于或等于90度，各所述第一结构槽沿所述前刀面指向所述背刀面的方向呈外扩状设置。

在一个实施例中，各所述第一结构槽等间距设置。

在一个实施例中，各所述第一结构槽非等间距设置。

在一个实施例中，所述第一结构槽的尺寸范围为微米级，所述面向微纳结构加工的刀具上开设有尺寸范围为纳米级的第二结构槽，所述第一结构槽与所述第二结构槽于所述后刀面上间隔设置。

在一个实施例中，所述第一结构槽的内壁上开设有所述第二结构槽。

本发明的另一目的在于提供一种刀具的制作方法，其包括以下步骤：

准备待加工的刀本体，所述刀本体具有前刀面、与所述前刀面相对设置的背刀面，以及位于所述前刀面与所述背刀面之间且沿所述刀本体厚度方向布置并呈非平面设置的后刀面，所述前刀面与所述后刀面的相交处形成用于切削工件的刀刃；

通过表面改性的加工方法于所述后刀面上加工出多个第一结构槽，所述第一结构槽的尺寸范围为微米级或纳米级；各所述第一结构槽均于所述后刀面上间隔分布并沿所述刀本体的厚度方向延伸布置且一端均贯穿所述前刀面。

在一个实施例中，所述表面改性的加工方法包括电子束表面改性、离子束表面改性和激光束表面改性。

本发明的技术效果是：通过在面向微纳结构加工的刀具的后刀面上加工出尺寸范围为微米级或纳米级的第一结构槽。第一结构槽位于前刀面与背刀面之间且沿面向微纳结构加工的刀具的厚度方向延伸。再使用刀刃切削待加工的工件，将第一结构槽的尺寸特征复制到工件表面，从而快速在工件表面加工出微纳结构。该加工过程环保，不会对人体产生伤害以及对环境造成污染，而且通过设定面向微纳结构加工的刀具上第一结构槽的几何特征和几何参数，可以精确控制工件表面的微纳结构的几何特征和几何参数。

附图说明

图1是本发明一个实施例所提供的面向微纳结构加工的刀具的立体结构图；

图2是图1的A处的局部放大图；

图3是本发明另一个实施例所提供的面向微纳结构加工的刀具的立体结构图；

图4是本发明再一个实施例所提供的面向微纳结构加工的刀具的立体结构图；

图5是本发明又一个实施例所提供的面向微纳结构加工的刀具的立体结构图；

图6是图5的B处的局部放大图；

图7是本发明实施例所提供的刀具的制作方法的流程图。

附图中标号与名称对应的关系如下所示：

100、面向微纳结构加工的刀具；21、后刀面；211、第一结构槽；311、刀齿；212、第二结构槽；23、前刀面；24、背刀面；214、刀刃；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“垂直”、“平行”、“底”、“角”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。

请参阅图1至图3，本发明实施例提供了一种面向微纳结构加工的刀具100以及刀具的制作方法。可选地，面向微纳结构加工的刀具100可以装夹在加工车床中，从而使用面向微纳结构加工的刀具100在工件的表面加工出微纳结构。微纳结构是尺寸范围在微米级或者纳米级的各类几何结构特征的总称。可选地，本实施例中的工件可以为种植牙齿所使用的种植体。本发明实施例还提供了一种切削装置，切削装置包括面向微纳结构加工的刀具100以及用于安装面向微纳结构加工的刀具100的机床，机床可以为慢刀伺服车床或快刀伺服车床。

请参阅图4至图6，面向微纳结构加工的刀具100具有朝向工件的前刀面 23、与前刀面23相对设置的背刀面24，以及位于前刀面23与背刀面24之间且沿面向微纳结构加工的刀具100厚度方向布置并呈非平面设置的后刀面21，前刀面23与后刀面21的相交处形成用于切削工件的刀刃214。刀刃214用于切除工件表面的材料。后刀面21上开设有多个第一结构槽211，第一结构槽211 的尺寸范围为微米级或纳米级。各第一结构槽211均于后刀面21上间隔分布并沿面向微纳结构加工的刀具100的厚度方向延伸布置，各第一结构槽211的一端位于后刀面21处，各结构槽211的另一端均贯穿前刀面23。可以理解的是，各第一结构槽211的另一端未贯穿背刀面24。可选地，微米级的尺寸范围为 1μm～100μm；纳米级的尺寸范围为50nm～1μm。各第一结构槽211均间隔分布于后刀面21并沿面向微纳结构加工的刀具100的厚度方向延伸布置，以使面向微纳结构加工的刀具100于后刀面21处呈锯齿状设置。可以理解的是，任意两相邻的第一结构槽211之间的距离范围为微米级或纳米级。

通过在面向微纳结构加工的刀具100的后刀面21上加工出尺寸范围为微米级或纳米级的第一结构槽211。第一结构槽211位于前刀面23与背刀面24之间且沿面向微纳结构加工的刀具100的厚度方向延伸。再使用刀刃214切削待加工的工件，将第一结构槽211的尺寸特征复制到工件表面，从而快速在工件表面加工出微纳结构。该加工过程环保，不会对人体产生伤害以及对环境造成污染，而且通过设定面向微纳结构加工的刀具100上第一结构槽211的几何特征和几何参数，可以精确控制工件表面的微纳结构的几何特征和几何参数。

可选地，本实施例中面向微纳结构加工的刀具100的切削加工过程既包含传统车削加工、慢刀伺服车削加工和快刀伺服车削加工等常见加工方法以及此类方法基础上衍生出来的其他加工方法，还包含采用刨削、镗削、飞刀切削等切削方式及基于此类方法衍生出来的其它加工方法。此外，还包含在上述各种加工方法的基础上，再结合超声波振动的加工方法。

可选地，慢刀伺服车削是将车削主轴与线性轴进行联动，实现具有低频特征的自由曲面车削加工的一种车削加工方式。

可选地，快刀伺服车削是采用能做高频运动的微动机构跟踪主轴的位置信号，实现具有高频特征的自由曲面车削加工的一种车削加工方式。

可选地，定义面向微纳结构加工的刀具实体部分的一侧为后刀面的内侧，与内侧相对的部分为后刀面的外侧。后刀面21为弧形面或圆锥面，且后刀面 21上任意一点的曲率中心位于后刀面的内侧。可选地，后刀面21可以为圆弧形，面向微纳结构加工的刀具100为圆弧形面向微纳结构加工的刀具100，圆弧形面向微纳结构加工的刀具100可以适配工件的不同表面形状，即圆弧形的后刀面21既可以适配平面型的工件表面，也可以适配曲面型的工件表面，不受待加工表面的形状限制，从而扩大了面向微纳结构加工的刀具100的加工范围。可以理解的是，通过面向微纳结构加工的刀具100的切削运动可以包络出任意形状的目标面形。面向微纳结构加工的刀具100也可以是具有其它非平面型后刀面21的面向微纳结构加工的刀具100。

请参阅图2，在一个实施例中，第一结构槽211的横截面形状为多边形。具体地，第一结构槽211的横截面形状可以为三角形或梯形。

可选地，第一结构槽211的横截面形状为等边三角形。

请参阅图3，在一个实施例中，第一结构槽211的横截面形状为梯形，各第一结构槽211的槽深方向与该位置处的后刀面21的法相方向相同。

在一个实施例中，第一结构槽211的横截面形状为梯形，各第一结构槽211 的槽深方向均相互平行。

请参阅图4，在一个实施例中，第一结构槽211的横截面形状为弧形。具体地，第一结构槽211的横截面形状可以为半圆形或半椭圆形。

横截面为多边形或弧形的第一结构槽211可以在工件表面加工出不同形状的微纳结构，不同形状的微纳结构所具有的物理特性和生物特性不同，从而可以满足不同的应用需求。

在一个实施例中，各第一结构槽211的槽深沿背刀面24指向前刀面23的方向逐渐增大设置。即各第一结构槽211的槽深从位于后刀面21的一端处往另一端逐渐增大设置。面向微纳结构加工的刀具100还包括位于两相邻的第一结构槽211之间的刀齿311。各第一结构槽211的另一端未贯穿至背刀面24，使得刀齿311并未完全独立于后刀面21，即刀齿311的一端与后刀面21保持连接，使刀齿311沿背刀面24指向前刀面23的方向其结构强度逐渐增强，即在刀刃214处刀齿311的结构强度最大，进而在切削过程中刀齿311可以具有足够的结构强度，不容易发生崩齿。

在一个实施例中，第一结构槽211的槽深从背刀面24指向前刀面23的方向，从零逐渐增大。

在一个实施例中，第一结构槽的各内壁与前刀面的夹角大于0且小于或等于90度，从而使各第一结构槽沿前刀面指向背刀面的方向呈外扩状延伸设置。具体地，定义一条直线，该直线垂直于前刀面，该直线上任意一点至第一结构槽某一内壁的距离沿前刀面指向背刀面的方向逐渐增大。可以理解的是，第一结构槽的各内壁与前刀面的夹角小于或等于90度设置。这样，在切削过程中且特别是切削方向垂直于前刀面的切削过程中，工件被第一结构槽位于前刀面处的槽口所切削，并于工件表面上加工出微纳结构。由于第一结构槽的内壁与前刀面之间沿切削方向呈外扩状设置，使得工件上已加工出的微纳结构的表面与第一结构槽的内壁之间不会发生摩擦，或者显著降低第一结构槽内壁与已加工出的微纳结构之间的动摩擦力。

在一个实施例中，各第一结构槽211等间距设置。各第一结构槽211于对应的工件表面加工出等间距设置的微纳结构。

在一个实施例中，各第一结构槽211非等间距设置，各第一结构槽211于对应的工件表面加工出非等间距设置的微纳结构。可选地，各第一结构槽211 之间的距离可以依次呈等差或等比数列设置，从而可以满足不同微纳结构的加工需求，达到不同的生物特征和物理特征。

请参阅图5至图6，在一个实施例中，第一结构槽211的尺寸范围为微米级，面向微纳结构加工的刀具100上开设有尺寸范围为纳米级的第二结构槽 213，第一结构槽211与第二结构槽213于后刀面21上间隔设置，以同时将微米级的第一结构槽211的尺寸和纳米级第二结构槽213的尺寸复制到种植体表面。

在一个实施例中，第一结构槽211的内壁上开设有第二结构槽。第一结构槽211的槽底上间隔设置多个第二结构槽213，从而可以在工件表面加工出更加复杂的微纳结构。

请参阅图7，本实施例还提供了一种刀具的制作方法，该刀具的制作方法包括以下步骤：

S1：准备待加工的刀本体，刀本体具有前刀面23、与前刀面23相对设置的背刀面24，以及位于前刀面23与背刀面24之间且沿刀本体厚度方向布置并呈非平面设置的后刀面21，前刀面23与后刀面21的相交处形成用于切削工件的刀刃214；

S2：通过表面改性的加工方法于后刀面21上加工出多个第一结构槽211，第一结构槽211的尺寸范围为微米级或纳米级；各第一结构槽211均于后刀面 21上间隔分布并沿面向微纳结构加工的刀具100的厚度方向延伸布置且一端均贯穿前刀面23。

可选地，表面改性的加工方法包括电子束表面改性、离子束表面改性或激光束表面改性。具体地，本实施例中采用聚焦离子束表面改性的方法，即在面向微纳结构加工的刀具100的后刀面21上按照设计好的几何特征参数加工出第一结构槽211。面向微纳结构加工的刀具100上第一结构槽211的形状和尺寸参数根据加工工件的应用要求来选定。

通过聚焦离子束表面改性的方法可以在后刀面上加工出深宽比较高的第一结构槽，从而可以使用面向微纳结构加工的刀具在工件表面加工出更复杂的微纳结构。

本发明所提供的面向微纳结构加工的刀具100具有如下特点：

1)提高加工效率，缩短产品周期，从而降低成本；

2)采用本发明所提供的刀具的制作方法所加工的得到的面向微纳结构加工的刀具100以及加工工件表面微纳结构，皆不含有毒有害化学物质，不对人体健康构成威胁；

3)本发明所提供的面向微纳结构加工的刀具100可适用于各种复杂曲面面型上的微纳结构制备，对待加工工件表面面型的适应性强，比如可以适用各种形状的牙齿种植体；

4)该面向微纳结构加工的刀具100适用于包括医用钛合金在内的各种能够采用切削加工方式的工件材料，因此也适用于很多新兴的牙齿种植体材料；

5)该发明得到的微纳结构的形状和参数可以被精确控制，因此可以根据不同应用需求，调控微纳结构的表面形态，应用范围广。

可选地，本发明实施例所提供的面向微纳结构加工的刀具100既可以用于牙齿种植体表面的微纳结构加工，也可以用到光学等其他所有需要实现微纳结构表面加工的场合。因此，本发明所提供的面向微纳结构加工的刀具 100不局限于种植体微纳结构表面加工领域，也包含其他所有需要实现微纳结构表面加工的领域。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向微纳结构加工的刀具，用于对工件表面进行加工，其特征在于，所述面向微纳结构加工的刀具具有朝向所述工件的前刀面、与所述前刀面相对设置的背刀面以及位于所述前刀面与所述背刀面之间的后刀面，所述后刀面沿所述面向微纳结构加工的刀具厚度方向布置并呈非平面设置，所述前刀面与所述后刀面的相交处形成用于切削所述工件的刀刃，所述后刀面上开设有多个间隔设置的第一结构槽，所述第一结构槽的尺寸范围为微米级或纳米级；各所述第一结构槽的一端位于所述后刀面，各所述结构槽的另一端均贯穿至所述前刀面，所述后刀面为弧形面或圆锥面，且所述后刀面上任意一点的曲率中心位于所述后刀面的内侧，所述面向微纳结构加工的刀具还包括位于两相邻的所述第一结构槽之间的刀齿，各所述第一结构槽的另一端未贯穿至所述背刀面，使得所述刀齿并未完全独立于所述后刀面，所述刀齿的一端与所述后刀面保持连接，使所述刀齿沿所述背刀面指向所述前刀面的方向其结构强度逐渐增强。

2.如权利要求1所述的面向微纳结构加工的刀具，其特征在于：各所述第一结构槽的槽深从位于所述后刀面的一端处往另一端逐渐增大设置。

3.如权利要求1所述的面向微纳结构加工的刀具，其特征在于：所述第一结构槽的各内壁与所述前刀面的夹角大于0度且小于或等于90度，各所述第一结构槽沿所述前刀面指向所述背刀面的方向呈外扩状设置。

4.如权利要求1-3任意一项所述的面向微纳结构加工的刀具，其特征在于：各所述第一结构槽等间距设置。

5.如权利要求1-3任意一项所述的面向微纳结构加工的刀具，其特征在于：各所述第一结构槽非等间距设置。

6.如权利要求1-3任意一项所述的面向微纳结构加工的刀具，其特征在于：所述第一结构槽的尺寸范围为微米级，所述面向微纳结构加工的刀具上开设有尺寸范围为纳米级的第二结构槽，所述第一结构槽与所述第二结构槽于所述后刀面上间隔设置。

7.如权利要求6所述的面向微纳结构加工的刀具，其特征在于：所述第一结构槽的内壁上开设有所述第二结构槽。

8.一种刀具的制作方法，用于制备如权利要求1-7任意一项所述的面向微纳结构加工的刀具，其特征在于，所述刀具的制作方法包括以下步骤：

准备待加工的刀本体，所述刀本体具有前刀面、与所述前刀面相对设置的背刀面，以及位于所述前刀面与所述背刀面之间且沿所述刀本体厚度方向布置并呈非平面设置的后刀面，所述前刀面与所述后刀面的相交处形成用于切削工件的刀刃；

通过表面改性的加工方法于所述后刀面上加工出多个第一结构槽，所述第一结构槽的尺寸范围为微米级或纳米级；各所述第一结构槽均于所述后刀面上间隔分布并沿所述刀本体的厚度方向延伸布置且一端均贯穿所述前刀面。

9.如权利要求8所述的刀具的制作方法，其特征在于：所述表面改性的加工方法包括电子束表面改性、离子束表面改性和激光束表面改性。