CN110052626A - 一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具及其制备方法。在刀屑接触区加工出类似血蚶表面微结构的织构阵列。能够使刀具本体在切削过程中降低其切削力与切削热，并使切削过程更加稳定，从而提高工件表面加工质量。并且此切削刀具结合了贝壳表面微结构，使得刀具既能拥有高的耐磨性又具有极低的摩擦系数，延长了刀具的寿命。该仿生刀具可以广泛应用于干切削加工，不仅能够提高刀具的耐用度、改善工件表面加工质量和加工精度，还能降低生产成本并提高生产效率，减少切削液带来的环境污染。

Description

一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及机械切削刀具领域，特别是一种基于血蚶表面微结构的仿生切 削刀具及其制备方法。

背景技术

目前，为了提高刀具的耐磨性和使用寿命，采取的方法主要包括两个方面： 在刀具表面制备硬涂层和在刀具表面制备微结构。近些年来，表面微结构由于 在减摩耐磨等方面的作用引起了国内外学术界和产业界的极大关注，为刀具的 减摩耐磨技术的研究提供了新的方向。

表面微结构效应是通过在摩擦副表面加工出具有不同形状几何参数和分布 特征的微凹坑、微沟槽等阵列结构时，表面的摩擦磨损和润滑特性随之改变的 热动力学效应。而在自然界，生物的非光滑表面广泛存在，无论是海洋、陆地 或者是天空中飞行的动物，它们不同的表面形貌的形成往往是由于适应不同的 生活环境需要而进化形成的。

血蚶主要生长在沿海或者靠近陆地的浅海泥沙中，呈现出纵向沟槽与横向 沟槽交错变化的几何网状结构。由于血蚶生活在浅海区域，周围的泥沙在水流 携带下会冲击到其表面，但是表面并未出现明显的磨损痕迹。可见，血蚶表面 形态结构使其具有抵抗泥沙冲蚀磨损的能力。

中国专利“申请号：201520073383.5”报道了一种仿生耦合刀具，主要包 括刀具主体，还包括增压泵，所述刀具主体的后端面设有深细盲孔，所述增压 泵通过深细盲孔与刀具主体连接，所述刀具主体的前刀面和主后刀面阵列设有 凹坑状微结构，所述刀具主体内设有至少三个微细通道，所述微细通道的一端 均与深细盲孔连接，另一端贯穿所述前刀面的凹坑状微结构。该实用新型提高 刀具的耐磨性。模仿蚯蚓前进过程中体腔内喷射出液体物质以减少泥土对其体 表的阻力，在刀具内部设置深细盲孔和微细通道，从刀具内部喷射出微量切削 液，以减少切屑对刀具的附着力，减少积屑瘤的产生，提高刀具寿命和加工质量，也减少了切削液的用量，实现了绿色切削。

中国专利“申请号：201310488882.6”报道了一种一种车外圆仿生刀具及 其设计方法，其特征是仿生刀具的刀头部分为河狸门牙的仿生形状。该发明仿 生刀具改变了传统刀具的切削刃直线和后刀面平面型设计，使其在使用过程中 能够获得最低的切削阻力及较高的使用寿命。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种新型的基于 血蚶表面微结构的仿生切削刀具及其制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具，包括刀具本体，该刀具本体设 有刀屑接触区，其特征在于：该刀屑接触区设有网状结构，其包括若干横向沟 槽、若干纵向沟槽和若干结节，该若干横向沟槽截面为圆弧且与若干结节交替 呈波浪形，该纵向沟槽截面为椭圆弧。

所述刀具本体为仿生车刀或仿生铣刀或仿生钻头。

所述纵向沟槽的槽深为椭圆弧长轴的一半，上槽宽与椭圆弧短轴相同。

所述横向沟槽的半径为36.7-91.7μm，所述结节的半径为30-75μm。

一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具的制备方法，其特征在于，包括 如下步骤：

1)去除刀具本体表面的氧化层，再进行超声波清洗、氮气吹干、真空烘干；

2)在刀屑接触区加工若干纵向沟槽，其截面为弧形，相邻纵向沟槽间距为 41-102.5μm；

3)在刀屑接触区加工若干横向沟槽，该若干横向沟槽截面为圆弧且与若干 结节交替呈波浪形，相邻横向沟槽间距为60-150μm。

在步骤1)中，所述去除刀具本体表面的氧化层，具体为采用手动研磨后， 进行机械抛光，抛光时间约为10-15min。

在步骤1)中，所述去除刀具本体表面的氧化层为通过微喷砂处理。

在步骤1)中，所述超声波清洗结束后，再用去离子水冲洗刀具本体，之后 用氮气吹干。

在步骤1)中，所述真空烘干为采用真空烘箱进行烘干。

所述步骤2)和步骤3)中，分别采用激光打标机在刀屑接触区加工所述若 干纵向沟槽和所述若干横向沟槽。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所研究的仿血蚶表面的仿生切削刀具即是一种新型的、仿生的切削 刀具。通过在刀具本体刀尖即刀屑接触区处加工出微结构，能够使刀具本体在 切削过程中降低其切削力与切削热，并使切削过程更加稳定，从而提高工件表 面加工质量。并且此切削刀具结合了贝壳表面微结构，使得刀具既能拥有高的 耐磨性又具有极低的摩擦系数，延长了刀具的寿命。该仿生刀具可以广泛应用 于干切削加工，不仅能够提高刀具的耐用度、改善工件表面加工质量和加工精 度，还能降低生产成本并提高生产效率，减少切削液带来的环境污染。

附图说明

图1为本发明的仿生对象血蚶的表面结构图；

图2为本发明的仿生刀具的示意图；

图3为纵向沟槽截面图；

图4为横向沟槽截面图；

图中：1为结节；2为横向沟槽；3为纵向沟槽；4为仿生微结构加工区域 即刀屑接触区。

L1为间距；L2为纵向沟槽的槽深；L3为上槽宽,R1为结节截面半径；R2为 沟槽半径；L4为横向沟槽的槽深。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。本发明的各附图仅为示 意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的 图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置 而言，对应的，以元件在上一面为正面、在下一面为背面以便于理解，因此皆 可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

参见图2至图4，一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具，包括刀具本体， 该刀具本体设有刀屑接触区4，该刀屑接触区4设有网状结构，其包括若干横向 沟槽2、若干纵向沟槽3和若干结节1等。

该若干横向沟槽2截面为圆弧且与若干结节1交替呈波浪形。横向沟槽2 的沟槽半径R2为36.7-91.7μm，优选为55μm，结节1截面半径的半径R1为 30-75μm，优选为45μm，横向沟槽的槽深L4为R1+R2，优选为100μm。该纵向 沟槽3截面为椭圆弧，纵向沟槽的槽深L2为椭圆弧长轴的一半，上槽宽L3与 椭圆弧短轴相同。

本发明还提出一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具的制备方法，其包 括如下步骤：

1)去除刀具本体表面的氧化层，再进行超声波清洗、氮气吹干、真空烘干。

2)在刀屑接触区4加工若干纵向沟槽3，其截面为椭圆弧形，相邻纵向沟槽 3的间距L1为41-102.5μm，优选为50μm。

3)在刀屑接触区4加工若干横向沟槽2，该若干横向沟槽2截面为圆弧且 与若干结节1交替呈波浪形，相邻横向沟槽2间距即节点截面直径为60-150μm， 优选为90μm。

实施例一

一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具，该刀具本体为军刀，其材料为 硬质合金，采用激光加工技术在刀具前刀面的刀屑接触区1.5mm×1.5mm的方 形区域内加工出前文所述的结构，其制备方法步骤如下：

1)进行前处理：将刀具本体经过手动研磨后，进行机械抛光，抛光时间约 为10-15min。抛光结束后接着进行有机超声清洗，将一定量的有机溶液倒入烧 杯中，后将烧杯放入超声清洗机内，再将研磨抛光后的刀具本体放入烧杯中， 有机溶液依次使用无水乙醇和丙酮，分别对刀具本体进行20min的超声波清洗。 清洗结束后，用去离子水冲洗刀具本体，清洗后用氮气吹干。最后将吹干后的 刀具本体放到真空烘箱中进行脱水烘焙，保证充分干燥。

2)激光加工纵向沟槽：采用激光打标机在刀具本体的刀屑接触区内加工出 纵向沟槽3，沟槽截面呈半椭圆形，纵向沟槽的槽深L2即为椭圆长轴的一半， 为120μm；上槽宽L3为椭圆短轴长，为120μm；沟槽的间距L1为50μm。

3)激光加工横向沟槽：采用激光打标机在刀具本体的刀屑接触区内加工出 横向沟槽2，结节截面和横向沟槽截面均为半圆，二者交替呈现波浪形，沟槽半 径R2为55μm；结节截面半径R1为45μm。因此横向沟槽的槽深L4为100μm； 沟槽间距等于为90μm，即结节截面半圆的直径。

经过上述步骤，刀具加工区域呈现出纵向凹槽与横向凹槽交错变化的非等 格几何网状结构。

实施例二

一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具及其制备方法，其结构与实施例 一相同，区别在于：刀具本体为铣刀，其制备方法步骤如下：

1)进行前处理：通过微喷砂处理，去除刀具本体表面的氧化层。微喷砂处 理后，进行超声波清洗。清洗结束后，用去离子水冲洗刀具本体，清洗后用氮 气吹干。最后将吹干后的刀具本体放到真空烘箱中进行脱水烘焙，保证充分干 燥。

2)激光加工纵向沟槽：采用激光打标机在刀具本体的刀屑接触区内加工出纵 向沟槽3，沟槽截面呈半椭圆形，纵向沟槽的槽深L2即为椭圆长轴的一半，为 120μm；上槽宽L3为椭圆短轴长，为120μm；沟槽的间距L1为50μm。

3)激光加工横向沟槽：采用激光打标机在刀具本体的刀屑接触区内加工出 横向沟槽2，结节截面和横向沟槽截面均为半圆，二者交替呈现波浪形，沟槽半 径R2为55μm；结节截面半径R1为45μm。因此横向沟槽的槽深L4为100μm； 沟槽间距等于为90μm，即结节截面半圆的直径。

经过上述步骤，刀具加工区域呈现出纵向凹槽与横向凹槽交错变化的非等 格几何网状结构。

实施例三

一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具及其制备方法，其结构和制备方 法与实施例二相同，区别在于，刀具本体为仿生钻头。

本发明所研究的仿血蚶表面的仿生切削刀具即是一种新型的、仿生的切削 刀具。所谓仿生切削刀具，是指特定加工技术在刀具前刀面的刀屑接触区加工 出仿生物表面结构的微纳米尺度的织构阵列。在进行干切削时，由于刀具前刀 面上微纳米尺度织构阵列的存在，减小了切削过程中的刀-屑接触长度，进而降 低了切削力和切削温度。此外，该刀具还能减少切屑的粘结，提高刀具的抗粘 结性能，延长刀具的使用寿命。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡 利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行 为。

Claims (10)

1.一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具，包括刀具本体，该刀具本体设有刀屑接触区，其特征在于：该刀屑接触区设有网状结构，其包括若干横向沟槽、若干纵向沟槽和若干结节，该若干横向沟槽截面为圆弧且与若干结节交替呈波浪形，该纵向沟槽截面为椭圆弧。

2.如权利要求1所述的一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具，其特征在于，所述刀具本体为仿生车刀或仿生铣刀或仿生钻头。

3.如权利要求1所述的一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具，其特征在于，所述纵向沟槽的槽深为椭圆弧长轴的一半，上槽宽与椭圆弧短轴相同。

4.如权利要求1所述的一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具，其特征在于，所述横向沟槽的半径为36.7-91.7μm，所述结节的半径为30-75μm。

5.一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)去除刀具本体表面的氧化层，再进行超声波清洗、氮气吹干、真空烘干；

2)在刀屑接触区加工若干纵向沟槽，其截面为弧形，相邻纵向沟槽间距为41-102.5μm；

3)在刀屑接触区加工若干横向沟槽，该若干横向沟槽截面为圆弧且与若干结节交替呈波浪形，相邻横向沟槽间距为60-150μm。

6.如权利要求5所述的一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述去除刀具本体表面的氧化层，具体为采用手动研磨后，进行机械抛光，抛光时间约为10-15min。

7.如权利要求5所述的一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述去除刀具本体表面的氧化层为通过微喷砂处理。

8.如权利要求5所述的一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述超声波清洗结束后，再用去离子水冲洗刀具本体，之后用氮气吹干。

9.如权利要求5所述的一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述真空烘干为采用真空烘箱进行烘干。

10.如权利要求5所述的一种基于血蚶表面微结构的仿生切削刀具的制备方法，其特征在于：所述步骤2)和步骤3)中，分别采用激光打标机在刀屑接触区加工所述若干纵向沟槽和所述若干横向沟槽。