CN110181078B - 一种仿生织构与涂层协同作用减摩刀具及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生织构与涂层协同作用减摩刀具及其设计方法，该刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，刀具基体前刀面刀‑屑接触区具有仿生微凹坑和微凸起复合织构，织构及基体表面有AlZrTaC+TiVBN交替分布纳米叠层涂层，交替叠层涂层至少含有10层AlZrTaC和10层TiVBN单个层，且AlZrTaC与TiVBN单个层厚度小于等于100nm。该刀具设计方法包括以下步骤：构建刀具前刀面刀‑屑接触区表面微织构的设计模型；基于Reynolds方程分析刀‑屑接触界面油膜压力和摩擦系数，优化出微织构几何尺寸及织构深度或高度渐变倾角θ1和θ2；通过物理相容性及化学相容性分析，建立AlZrTaC+TiVBN涂层的叠层结构形式。该刀具综合了微织构及纳米叠层涂层特点，能够减小润滑液切削过程中刀具摩擦与磨损，可广泛应用于切削液方式下切削加工。
Description
技术领域
本发明属于机械切削刀具技术领域，涉及了一种仿生织构与涂层协同作用减摩刀具及其设计方法。
背景技术
金属切削过程中，刀具与工件间存在较大的摩擦，导致刀具磨损严重，合理的使用切削液能够改善金属切削过程中接触界面摩擦情况，减少刀具与切屑的粘结，从而提高刀具寿命。但切削过程中，传统刀-屑接触界面处于紧密咬合状态，外部供给的润滑介质很难进入到刀-屑界面发挥作用，从而大大削弱了冷却润滑效果。近年来，摩擦学与仿生学研究结果表明，功能织构的置入能够使得切削液渗透到刀-屑界面，从而改善摩擦润滑状态，提高刀具寿命。将功能织构与表面涂层结合，能够进一步提高刀具切削性能。
中国发明专利“申请号：201810660839.2”公开了一种亲属复合织构化刀具表面的制备方法，该方法通过在刀具表面制备疏液层结合激光加工技术，制备出亲疏复合织构化刀具，从而调控改善切削区域的润滑状态。中国发明专利“申请号：201510127334.X”公开了一种金属切削刀具织构结构，所述织构的方向与刀具切屑的流出方向夹角为-25～25°，该织构刀具可以显著降低切削力和切削温度。中国发明专利“申请号：201410263779.6”公开了一种WS2/Zr软涂层微纳复合织构陶瓷刀具及其制备方法，该刀具将微纳织构与软涂层结合，能够有效减小刀屑之间的摩擦，可广泛应用于干切削。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种仿生织构与涂层协同作用减摩刀具及其设计方法。该刀具在液体切削过程中，能够增强刀-屑接触界面润滑性能，减小摩擦，同时表面涂层具有较高的硬度和耐磨性能，能够显著提高液体切削过程中刀具寿命。
技术方案：本发明的一种仿生织构与涂层协同作用减摩刀具通过以下方式实现：
刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，刀具基体前刀面刀-屑接触区具有仿生微凹坑和微凸起复合织构，织构及基体表面有AlZrTaC+TiVBN交替分布纳米叠层涂层，交替叠层涂层至少含有10层AlZrTaC和10层TiVBN单个层，且AlZrTaC与TiVBN单个层厚度小于等于100nm。
所述的仿生织构与涂层协同作用减摩刀具，其设计方法如下：
(1)不同润滑条件下(水基或油基润滑)，根据切削过程中刀-屑接触界面的接触状态和刀具摩擦磨损的特点，构建刀具前刀面刀-屑接触区表面微织构的设计模型，其中靠近刀尖处设计出微凹坑织构，远离刀尖处设计出微凸起织构；微凹坑织构深度向远离刀尖处逐渐递减，微凸起织构高度向远离刀尖处逐渐递增；
(2)建立织构刀具表面润滑模型，基于Reynolds方程分析刀-屑接触界面油膜压力和摩擦系数，以平均无量纲润滑膜压力和摩擦系数作为微织构刀具表面润滑性能和摩擦性能的衡量指标，对微织构进行多目标优化设计，从而优化出微织构几何尺寸、微凹坑织构渐变深度与刀具基体表面倾角θ1、微凸起织构渐变高度与刀具基体表面倾角θ2；
(3)根据膜-基界面结合理论及涂层附着机理，运用材料学及热力学等对刀具基体材料与AlZrTaC+TiVBN纳米涂层化学相容性进行分析，通过有限元仿真软件，对不同结构形式的AlZrTaC+TiVBN纳米叠层涂层刀具进行物理相容性分析，确定刀具基体与涂层匹配关系及AlZrTaC+TiVBN纳米涂层的叠层结构形式。
所述微凹坑形状为沟槽状、圆孔状、网格状、三角形、四边形中一种或几种组合，微凸起形状为直线状、圆柱状、网格状、三角形、四边形中一种或几种组合。
有益效果：1.本发明所提供的刀具兼顾微织构与纳米叠层涂层的优点，液体切削过程中，能够使得刀-屑接触界面润滑性能和摩擦性能达到最优，表面纳米叠层涂层内应力较小，应力分布均匀，且具有较高的硬度和耐磨性能；2.本发明提供的设计方法从理论上对刀具织构及涂层结构进行优化，为刀具制备提供了重要的理论指导；3.该刀具以提高液体切削过程中润滑性能和摩擦性能为目标，可广泛应用于润滑液条件下切削加工。
附图说明
图1为本发明的一种仿生织构与涂层协同作用减摩刀具结构示意图，其中，1为刀具基体，2为TiVBN纳米涂层，3为AlZrTaC纳米涂层，4为AlZrTaC+TiVBN纳米叠层涂层，5为微凹坑织构，6为微凸起织构，7为微凹坑织构渐变深度与基体表面倾角θ1，8为微凸起织构渐变高度与基体表面倾角θ2，9为刀尖。
图2为本发明刀具设计方法。
具体实施方式
实例1：
一种仿生织构与涂层协同作用减摩刀具，刀具基体材料为硬质合金，刀具基体材料前刀面刀-屑接触区具有仿生圆孔状微凹坑和圆柱状微凸起复合织构，微凹坑织构深度向远离刀尖处逐渐递减，微凸起织构高度向远离刀尖处逐渐递增；织构及基体表面有AlZrTaC+TiVBN交替分布纳米叠层涂层，交替叠层涂层含有20层AlZrTaC和20层TiVBN单个层，且AlZrTaC与TiVBN单个层厚度为50nm。
所述仿生织构与涂层协同作用减摩刀具，其设计方法如下：
(1)水基切削液润滑条件下，根据切削过程中刀-屑接触界面的接触状态和刀具摩擦磨损的特点，构建刀具前刀面刀-屑接触区表面微织构的设计模型，其中靠近刀尖出设计出圆孔状微凹坑织构，远离刀尖处设计出圆柱状微凸起织构；微凹坑织构深度向远离刀尖处逐渐递减，微凸起织构高度向远离刀尖处逐渐递增；
(2)建立织构刀具表面润滑模型，基于Reynolds方程分析刀-屑接触界面油膜压力和摩擦系数，以平均无量纲润滑膜压力和摩擦系数作为微织构刀具表面润滑性能和摩擦性能的衡量指标，对微织构进行多目标优化设计，优选出圆孔凹坑织构直径为30μm、中心间距为38μm、深度从12μm递减、微凹坑织构渐变深度与刀具基体表面倾角θ1＝2°，圆柱织构直径为35μm、中心间距为40μm、高度从2μm递增、微凸起织构渐变高度与刀具基体表面倾角θ2＝4°；
(3)根据膜-基界面结合理论及涂层附着机理，运用材料学及热力学等对刀具基体材料与AlZrTaC+TiVBN纳米涂层化学相容性进行分析，通过有限元仿真软件，对不同结构形式的AlZrTaC+TiVBN纳米叠层涂层刀具进行物理相容性分析，选择刀具基体材料为YT15，基体表面首先沉积TiVBN纳米涂层，然后沉积AlZrTaC纳米涂层，TiVBN和AlZrTaC纳米涂层单层厚度为50nm，基体表面交替叠层涂层共含有20层AlZrTaC和20层TiVBN单个层。
实例2：
一种仿生织构与涂层协同作用减摩刀具，刀具基体材料为硬质合金，刀具基体材料前刀面刀-屑接触区具有仿生三角形微凹坑和四边形微凸起复合织构，微凹坑织构深度向远离刀尖处逐渐递减，微凸起织构高度向远离刀尖处逐渐递增；织构及基体表面有AlZrTaC+TiVBN交替分布纳米叠层涂层，交替叠层涂层含有10层AlZrTaC和10层TiVBN单个层，且AlZrTaC与TiVBN单个层厚度从基体向外依次增加。
所述仿生织构与涂层协同作用减摩刀具，其设计方法如下：
(1)油基切削液润滑条件下，根据切削过程中刀-屑接触界面的接触状态和刀具摩擦磨损的特点，构建刀具前刀面刀-屑接触区表面微织构的设计模型，其中靠近刀尖出设计出圆孔状微凹坑织构，远离刀尖处设计出圆柱状微凸起织构；微凹坑织构深度向远离刀尖处逐渐递减，微凸起织构高度向远离刀尖处逐渐递增；
(2)建立织构刀具表面润滑模型，基于Reynolds方程分析刀-屑接触界面油膜压力和摩擦系数，以平均无量纲润滑膜压力和摩擦系数作为微织构刀具表面润滑性能和摩擦性能的衡量指标，对微织构进行多目标优化设计，优选出圆孔凹坑织构直径为50μm、中心间距为60μm、深度从18μm递减、微凹坑织构渐变深度与刀具基体表面倾角θ1＝4°，圆柱织构直径为38μm、中心间距为47μm、高度从2μm递增、微凸起织构渐变高度与刀具基体表面倾角θ2＝5°；
(3)根据膜-基界面结合理论及涂层附着机理，运用材料学及热力学等对刀具基体材料与AlZrTaC+TiVBN纳米涂层化学相容性进行分析，通过有限元仿真软件，对不同结构形式的AlZrTaC+TiVBN纳米叠层涂层刀具进行物理相容性分析，选择刀具基体材料为YG6，基体表面首先沉积TiVBN纳米涂层，然后沉积AlZrTaC纳米涂层，基体表面交替叠层涂层共含有10层AlZrTaC和10层TiVBN单个层，TiVBN和AlZrTaC纳米涂层单层厚度相同，且从基体向外厚度依次增加，TiVBN和AlZrTaC纳米涂层单层厚度分别为8nm，13nm，18nm，26nm，34nm，44nm，55nm，65nm，75nm，85nm。
Claims (3)
1.一种仿生织构与涂层协同作用减摩刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，其特征在于：所述刀具基体前刀面刀-屑接触区具有仿生微凹坑和微凸起复合织构，微凹坑织构深度向远离刀尖处逐渐递减，微凸起织构高度向远离刀尖处逐渐递增；织构及基体表面有AlZrTaC+TiVBN交替分布纳米叠层涂层，交替叠层涂层至少含有10层AlZrTaC和10层TiVBN单个层，且AlZrTaC与TiVBN单个层厚度小于等于100nm。
2.一种如权利要求1所述的仿生织构与涂层协同作用减摩刀具的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)不同润滑条件下，根据切削过程中刀-屑接触界面的接触状态和刀具摩擦磨损的特点，构建刀具前刀面刀-屑接触区表面微织构的设计模型，其中靠近刀尖处设计出微凹坑织构，远离刀尖处设计出微凸起织构；微凹坑织构深度向远离刀尖处逐渐递减，微凸起织构高度向远离刀尖处逐渐递增；
(2)建立织构刀具表面润滑模型，基于Reynolds方程分析刀-屑接触界面油膜压力和摩擦系数，以平均无量纲润滑膜压力和摩擦系数作为微织构刀具表面润滑性能和摩擦性能的衡量指标，对微织构进行多目标优化设计，从而优化出微织构几何尺寸、微凹坑织构渐变深度与刀具基体表面倾角θ1、微凸起织构渐变高度与刀具基体表面倾角θ2；
(3)根据膜-基界面结合理论及涂层附着机理，运用材料学及热力学等对刀具基体材料与AlZrTaC+TiVBN纳米涂层化学相容性进行分析，通过有限元仿真软件，对不同结构形式的AlZrTaC+TiVBN纳米叠层涂层刀具进行物理相容性分析，确定刀具基体与涂层匹配关系及AlZrTaC+TiVBN纳米涂层的叠层结构形式。
3.根据权利要求1或2所述的仿生织构与涂层协同作用减摩刀具的设计方法，其特征在于：所述微凹坑形状为沟槽状、圆孔状、网格状、三角形、四边形中一种或几种组合，微凸起形状为直线状、圆柱状、网格状、三角形、四边形中一种或几种组合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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