CN110614388A - 一种梯度润湿刀具及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种梯度润湿刀具及其制备方法和应用，属于机械切削刀具技术领域。本发明的梯度润湿刀具上设置有亲液微织构，亲液微织构包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽，向内辐射梯形微沟槽的宽端与主体梯形沟槽的窄端区域连接，主体梯形沟槽的宽端设置在梯度润湿刀具的刀屑接触区域，且主体梯形沟槽的宽端中点与梯度润湿刀具的切削刃之间的距离为1～200μm。使用梯度润湿刀具时，切削液会在向内辐射梯形微沟槽和切削液液滴的表面张力共同作用下迅速自动地汇集至主体梯形沟槽，在主体梯形沟槽和切削液液滴的表面张力共同作用下，切削液被定向输送至刀屑接触区域，从而能够减小刀‑工界面及刀‑屑界面的摩擦力，为刀具减摩降磨提供保障。

Description

一种梯度润湿刀具及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及机械切削刀具技术领域，尤其涉及一种梯度润湿刀具及其制备方法和应用。
背景技术
随着各行各业对材料强度、耐蚀性及硬度的要求越来越高，如今，难加工材料已占到工件材料总量的40％以上。在难加工材料的切削加工过程中，刀-屑界面多处于紧密接触状态，外部的切削液只能依靠毛细渗透等方式进入摩擦副接触界面的边缘区域，无法发挥其润滑效果，导致刀具磨损快、表面质量差、加工精度及加工效率低等问题极易出现，这极大地制约了难加工材料的应用范围。因此，发展针对难加工材料的高性能切削刀具是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯度润湿刀具及其制备方法和应用。本发明提供的梯度润湿刀具能够实现切削液的定向输送，有利于减小刀-工界面及刀-屑界面的摩擦力，为刀具减摩降磨提供保障。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种梯度润湿刀具，包括刀具基体和设置在所述刀具基体表面的疏液层，所述疏液层的部分表面上设置有亲液微织构，所述亲液微织构包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽，其中，所述向内辐射梯形微沟槽的宽端与主体梯形沟槽的窄端区域连接，所述主体梯形沟槽的宽端设置在梯度润湿刀具的刀屑接触区域，所述主体梯形沟槽的宽端中点与梯度润湿刀具的切削刃之间的距离为1～200μm。
优选地，所述亲液微织构的面积占疏液层总面积的5～50％。
优选地，所述向内辐射梯形微沟槽与主体梯形沟槽形成的夹角≤90°。
优选地，所述主体梯形沟槽呈阵列分布，阵列周期为2μm～6mm。
优选地，单个所述主体梯形沟槽的楔角为1°～10°，深度为1～100μm，长度为0.1～10mm，沟槽宽度为1μm～3mm；所述主体梯形沟槽与切屑流出方向夹角为5°～175°。
优选地，所述向内辐射梯形微沟槽的楔角为1°～10°，深度为1～100μm，长度为0.1～5mm，沟槽宽度为1μm～3mm。
本发明提供了上述技术方案所述梯度润湿刀具的制备方法，包括以下步骤：
在刀具基体的表面制备疏液层，在所述疏液层的部分表面加工包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽的亲液微织构，得到梯度润湿刀具。
优选地，加工所述亲液微织构的方法包括激光加工法，操作条件包括：激光波长为1060nm，激光功率为5～30W。
本发明提供了上述技术方案所述梯度润湿刀具或上述技术方案所述制备方法制备得到的梯度润湿刀具在高速切削加工或难加工材料切削加工中的应用。
本发明提供了一种梯度润湿刀具，包括刀具基体和设置在所述刀具基体表面的疏液层，所述疏液层的部分表面上设置有亲液微织构，所述亲液微织构包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽，其中，所述向内辐射梯形微沟槽的宽端与主体梯形沟槽的窄端区域连接，所述主体梯形沟槽的宽端设置在梯度润湿刀具的刀屑接触区域，所述主体梯形沟槽的宽端中点与梯度润湿刀具的切削刃之间的距离为1～200μm。在本发明中，所述疏液层处于超疏水状态，主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽形成的亲液微织构处于超亲液状态，其中，向内辐射梯形微沟槽的宽端与主体梯形沟槽的窄端区域连接，使用时切削液会在向内辐射梯形微沟槽和切削液液滴的表面张力共同作用下迅速自动地汇集至主体梯形沟槽，在主体梯形沟槽和切削液液滴的表面张力共同作用下，切削液被定向输送至刀屑接触区域，从而能够减小刀-工界面及刀-屑界面的摩擦力，为刀具减摩降磨提供保障。本发明提供的梯度润湿刀具可广泛应用于高速切削加工和难切削材料切削加工，能够提高刀具耐用度、加工质量和精度。
进一步地，本发明通过调节向内辐射梯形微沟槽和主体梯形沟槽的尺寸参数，有利于促进切削液在切削液滴加区域与切削刃之间的输送，可主动调控并改善切削区域的润滑状态。
附图说明
图1为本发明中梯度润湿刀具表面主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽的宏观形貌示意图；
图2为本发明中梯度润湿刀具表面主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽的位置关系图；
图3为本发明中梯度润湿刀具表面改善润滑状态的原理图；
图4为本发明中梯度润湿刀具的制备流程图；
图5为本发明中梯度润湿刀具上切削液的动态过程图。
具体实施方式
本发明提供了一种梯度润湿刀具，包括刀具基体和设置在所述刀具基体表面的疏液层，所述疏液层的部分表面上设置有亲液微织构，所述亲液微织构包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽，其中，所述向内辐射梯形微沟槽的宽端与主体梯形沟槽的窄端区域连接，所述主体梯形沟槽的宽端设置在梯度润湿刀具的刀屑接触区域，所述主体梯形沟槽的宽端中点与梯度润湿刀具的切削刃之间的距离为1～200μm。
本发明提供的梯度润湿刀具包括刀具基体。本发明对于所述刀具基体的具体形状及材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的刀具作为基体即可；在本发明的实施例中，具体是采用硬质合金刀具YT15或硬质合金刀具YG8作为刀具基体。
本发明提供的梯度润湿刀具包括设置在所述刀具基体表面的疏液层。在本发明中，所述疏液层优选由微观结构阵列形成，所述微观结构阵列中微观结构的形状优选包括沟槽状、方坑状、三角形状和椭圆状中的一种或几种，更优选为沟槽状。本发明对于所述微观结构的尺寸、阵列间距以及阵列组数没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的技术方案即可；在本发明的实施例中，具体可以参照专利CN107283062(一种在液相中激光制备疏液表面的方法)设计微观结构阵列。
本发明提供的梯度润湿刀具包括亲液微织构，所述亲液微织构设置在所述疏液层的部分表面上；在本发明中，所述亲液微织构的面积优选占疏液层总面积的5～50％，更优选为10～50％，进一步优选为20～50％。在本发明中，所述亲液微织构包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽，其中，所述向内辐射梯形微沟槽的宽端与主体梯形沟槽的窄端区域连接，所述主体梯形沟槽的宽端设置在梯度润湿刀具的刀屑接触区域；所述主体梯形沟槽的宽端中点与梯度润湿刀具的切削刃之间的距离为1～200μm，优选为1～100μm，进一步优选为20～50μm。在本发明中，所述向内辐射梯形微沟槽具体是设置在切削液喷射区域，通过主体梯形沟槽连接切削液喷射区域和刀屑接触区域，保证切削液被定向输送至刀屑接触区域，从而能够减小刀-工界面及刀-屑界面的摩擦力，为刀具减摩降磨提供保障。
在本发明中，所述主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽对应的形状均为梯形，具体如图1所示(图1仅体现主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽对应的形状，并不限定尺寸大小)。在本发明中，所述向内辐射梯形微沟槽中“向内辐射”的含义具体是指该微沟槽的宽端与主体梯形沟槽的窄端区域连接，在使用梯度润湿刀具时，切削液会在该沟槽和切削液液滴表面张力共同作用下迅速自动地汇集至主体梯形沟槽中。
在本发明中，所述向内辐射梯形微沟槽与主体梯形沟槽形成的夹角优选≤90°，更优选为20°～60°；在本发明中，所述向内辐射梯形微沟槽与主体梯形沟槽形成的夹角具体是指上述两个沟槽中心线的夹角，如图2所示。
在本发明中，所述主体梯形沟槽优选呈阵列分布，阵列周期优选为2μm～6mm；在本发明中，单个所述主体梯形沟槽的楔角优选为1°～10°，更优选为4°～8°，所述主体梯形沟槽的楔角具体是指主体梯形沟槽对应梯形的两个腰形成的夹角，如图2所示；所述主体梯形沟槽的深度优选为1～100μm，更优选为10～50μm；长度优选为0.2～9mm，更优选为1～8mm；沟槽宽度优选为1μm～3mm，更优选为0.1～1mm，所述沟槽宽度具体是指主体梯形沟槽的窄端的长度；主体梯形沟槽与切屑流出方向夹角优选为5°～175°，更优选为30°～60°或120°～150°。在本发明中，沿主体梯形沟槽的长度方向，窄端区域的长度优选不超过主体梯形沟槽总长度的1/3，以便促进切削液在切削液滴加区域与切削刃之间的输送。
在本发明中，所述向内辐射梯形微沟槽的楔角优选为1°～10°，更优选为4°～8°，所述向内辐射梯形微沟槽的楔角具体是指向内辐射梯形微沟槽对应梯形的两个腰形成的夹角；所述向内辐射梯形微沟槽的深度优选为1～100μm，更优选为10～50μm；长度优选为0.2～5mm，更优选为0.5～3mm；沟槽宽度优选为1μm～0.5mm，更优选为0.1～0.5mm，所述沟槽宽度具体是指向内辐射梯形微沟槽的窄端的长度。在本发明中，单个所述主体梯形沟槽连接的向内辐射梯形微沟槽的个数优选为5～30个，更优选为15～30个。
在本发明中，所述向内辐射梯形微沟槽的尺寸(具体指长和宽)优选小于等于主体梯形沟槽的尺寸，向内辐射梯形微沟槽的尺寸更优选小于主体梯形沟槽的尺寸；在本发明的实施例中，如主体梯形沟槽的长为9mm、宽为1mm时，向内辐射梯形微沟槽的长为3mm、宽为0.5mm；如主体梯形沟槽的长为8mm、宽为0.5mm时，向内辐射梯形微沟槽的长为2mm、宽为0.2mm。
图3为本发明提供的梯度润湿刀具表面改善润滑状态的原理图，向内辐射梯形微结构和主体梯形沟槽均为梯形沟槽，使用梯度润湿刀具时，在该梯形沟槽内切削液会在表面张力的作用下产生拉普拉斯压差，主动从梯形沟槽的窄端向宽端移动，因此众多的向内辐射梯形微结构就像树根一样收集切削液，然后汇集到主体梯形沟槽的窄端，主体梯形沟槽中被汇集的切削液同样在拉普拉斯压差和毛细力的作用下从窄端运输到宽端，宽端所在区域正好为刀屑接触区域，从而使大量的切削液主动定向输送至刀屑接触区域，形成润滑油膜，从而改善刀-工及刀-屑界面的润滑状态，减小界面摩擦力。因此，本发明提供的梯度润湿刀具中，亲液微织构收集切削液的效率高，且能够实现切削液的定向运输。
本发明提供了上述技术方案梯度润湿刀具的制备方法，包括以下步骤：
在刀具基体的表面制备疏液层，在所述疏液层的部分表面加工包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽的亲液微织构，得到梯度润湿刀具。
图4为本发明提供的梯度润湿刀具的制备流程图，其中，疏液层上的微观结构阵列并未体现在图中。
本发明在刀具基体的表面制备疏液层。本发明对于制备疏液层的方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可，具体的，可以采用专利CN107283062(一种在液相中激光制备疏液表面的方法)或专利CN105234645(一种亲疏复合织构化刀具表面的制备方法)中记载的方法在刀具基体的表面制备疏液层，优选采用专利CN107283062中记载的激光液相加工法制备疏液层，以使疏液层稳固、耐磨，在刀具切削过程中不容易因为磨损而失效。在本发明中，所述激光液相加工法的操作条件优选包括：激光脉冲能量为2～1000mJ，脉宽为50fs～24ps，重复频率为10～2000Hz；更优选包括：激光脉冲能量为20～300mJ，脉宽为75fs～15ps，重复频率为100～1000Hz。在本发明的实施例中，利用激光液相加工法制备疏液层的方法优选包括以下步骤：
将刀具基体浸入氟化液中，使刀具基体的表面距离氟化液液面1～2mm，采用激光在所述刀具基体的表面加工得到微观结构阵列，利用高纯氮气吹干并在140～160℃的保温炉中保温加热30～90min，以充分去除刀具表面的溶剂，然后自然降至室温，在刀具基体的表面得到疏液层。
在本发明中，所述氟化液中溶质优选包括氟硅烷F1060(CFH2CH2-Si(OC2H5)3)、三氟甲基硅烷或含氟丙烯酸酯共聚物，更优选为氟硅烷F1060；溶剂优选包括醇类溶剂或甲苯，所述醇类溶剂优选包括无水乙醇或乙二醇；所述氟化液的质量浓度优选为0.4～2％，更优选为0.8～1.5％。
制备得到疏液层后，本发明在所述疏液层的部分表面加工包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽的亲液微织构，得到梯度润湿刀具。本发明对于加工所述亲液微织构的方法没有特殊的限定，能够得到所需亲液微织构即可。在本发明中，加工所述亲液微织构的方法优选包括激光加工法，其中，所述激光加工法的操作条件优选包括：激光波长为1060nm，激光功率为5W。
加工得到亲液微织构后，本发明优选将所得刀具进行超声清洗，得到梯度润湿刀具。在本发明中，所述超声清洗的时间优选为10～20min，采用的清洗液优选为丙酮，采用的设备优选为KQ2200B型超声波清洗器。
本发明提供了上述技术方案所述梯度润湿刀具或上述技术方案所述制备方法制备得到的梯度润湿刀具在高速切削加工或难加工材料切削加工中的应用。本发明对于所述高速切削加工和难加工材料切削加工没有特殊的限定，为本领域技术人员熟知的切削加工方式。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
以氟硅烷F1060(CFH2CH2-Si(OC2H5)3)为溶质、甲苯为溶剂，配制质量分数为1.5％的氟化液；
以硬质合金刀具YT15为刀具基体，将所述氟化液没过刀具基体表面1mm，采用激光液相加工法在刀具基体表面扫描加工，扫描间距为0.01mm，利用高纯氮气吹干并在150℃的保温炉中保温加热45min，以充分去除刀具表面的甲苯，然后自然降至室温，在刀具基体的表面得到疏液层；其中，所述激光液相加工法的操作条件包括：飞秒激光脉冲能量为20mJ，脉宽为75fs，重复频率为1000Hz；
利用光纤激光打标机在所述疏液层的部分表面上加工得到亲液微织构，然后置于KQ2200B型超声波清洗器中清洗15min(清洗液为丙酮)，得到梯度润湿刀具；其中，所述光纤激光打标机的操作参数包括：激光波长为1060nm，激光功率为5W；所述亲液微织构的面积占疏液层总面积的50％；所述亲液微织构包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽，其中，所述向内辐射梯形微沟槽的宽端与主体梯形沟槽的窄端区域连接，所述主体梯形沟槽的宽端设置在梯度润湿刀具的刀屑接触区域，所述主体梯形沟槽的宽端中点与梯度润湿刀具的切削刃之间的距离为20μm；所述主体梯形沟槽呈阵列分布，阵列周期为1mm，单个主体梯形沟槽的楔角为4°，深度为20μm，长度为9mm(窄端区域的长度为3mm)，沟槽宽度为1mm，与切屑流出方向夹角为45°；所述向内辐射梯形微沟槽的楔角为4°，深度为20μm，长度为3mm，沟槽宽度为0.5mm，与所述主体梯形沟槽形成的夹角为20°；单个所述主体梯形沟槽连接的向内辐射梯形微沟槽的个数为20个。
实施例2
以氟硅烷F1060(CFH2CH2-Si(OC2H5)3)为溶质、甲苯为溶剂，配制质量分数为0.8％的氟化液；
以硬质合金刀具YG8为刀具基体，将所述氟化液没过刀具基体表面1mm，采用激光液相加工法在刀具基体表面扫描加工，扫描间距为0.02mm，利用高纯氮气吹干并在150℃的保温炉中保温加热60min，以充分去除刀具表面的甲苯，然后自然降至室温，在刀具基体的表面得到疏液层；其中，所述激光液相加工法的操作条件包括：飞秒激光脉冲能量为20mJ，脉宽为75fs，重复频率为1000Hz；
利用光纤激光打标机在所述疏液层的部分表面上加工得到亲液微织构，然后置于KQ2200B型超声波清洗器中清洗15min(清洗液为丙酮)，得到梯度润湿刀具；其中，所述光纤激光打标机的操作参数包括：激光波长为1060nm，激光功率为5W；所述亲液微织构的面积占疏液层总面积的15％；所述亲液微织构包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽，其中，所述向内辐射梯形微沟槽的宽端与主体梯形沟槽的窄端区域连接，所述主体梯形沟槽的宽端设置在梯度润湿刀具的刀屑接触区域，所述主体梯形沟槽的宽端中点与梯度润湿刀具的切削刃之间的距离为50μm；所述主体梯形沟槽呈阵列分布，阵列周期为2mm，单个主体梯形沟槽的楔角为5°，深度为30μm，长度为8mm(窄端区域的长度为2mm)，沟槽宽度为0.5mm，与切屑流出方向夹角为30°；所述向内辐射梯形微沟槽的楔角为5°，深度为30μm，长度为2mm，沟槽宽度为0.2mm，与所述主体梯形沟槽形成的夹角为60°；单个所述主体梯形沟槽连接的向内辐射梯形微沟槽的个数为25个。
对实施例1制备的梯度润湿刀具进行性能测试，具体如下：
在刀具表面切削液滴加区域用垂直于刀具表面的注射器滴加切削液，如图5中(a)所示；5ms后，切削液在向内辐射梯形微沟槽的作用下，迅速汇集至主体梯形沟槽的窄端，如图5中(b)所示；8ms后，切削液在主体梯形沟槽的作用下，迅速运输至距离主体梯形沟槽窄端2mm处，如图5中(c)所示；10ms后，切削液被输运至距离主体梯形沟槽窄端6mm处，如图5中(d)所示；13ms后，切削液被输运至主体梯形沟槽窄端处，即刀屑接触区域，如图5中(e)所示。因此，由图5可知，在13ms内，切削液在向内辐射梯形微沟槽和主体梯形沟槽作用下，被定向地从切削液滴加区域输运到刀屑接触区域，说明梯度润湿刀具具有出色的切削液输运能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种梯度润湿刀具，其特征在于，包括刀具基体和设置在所述刀具基体表面的疏液层，所述疏液层的部分表面上设置有亲液微织构，所述亲液微织构包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽，其中，所述向内辐射梯形微沟槽的宽端与主体梯形沟槽的窄端区域连接，所述主体梯形沟槽的宽端设置在梯度润湿刀具的刀屑接触区域，所述主体梯形沟槽的宽端中点与梯度润湿刀具的切削刃之间的距离为1～200μm。
2.根据权利要求1所述的梯度润湿刀具，其特征在于，所述亲液微织构的面积占疏液层总面积的5～50％。
3.根据权利要求1所述的梯度润湿刀具，其特征在于，所述向内辐射梯形微沟槽与主体梯形沟槽形成的夹角≤90°。
4.根据权利要求1～3任一项所述的梯度润湿刀具，其特征在于，所述主体梯形沟槽呈阵列分布，阵列周期为2μm～6mm。
5.根据权利要求4所述的梯度润湿刀具，其特征在于，单个所述主体梯形沟槽的楔角为1°～10°，深度为1～100μm，长度为0.1～10mm，沟槽宽度为1μm～3mm；所述主体梯形沟槽与切屑流出方向夹角为5°～175°。
6.根据权利要求1～3和5任一项所述的梯度润湿刀具，其特征在于，所述向内辐射梯形微沟槽的楔角为1°～10°，深度为1～100μm，长度为0.1～5mm，沟槽宽度为1μm～3mm。
7.权利要求1～6任一项所述梯度润湿刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在刀具基体的表面制备疏液层，在所述疏液层的部分表面加工包括主体梯形沟槽和向内辐射梯形微沟槽的亲液微织构，得到梯度润湿刀具。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，加工所述亲液微织构的方法包括激光加工法，操作条件包括：激光波长为1060nm，激光功率为5～30W。
9.权利要求1～6任一项所述梯度润湿刀具或权利要求7或8所述制备方法制备得到的梯度润湿刀具在高速切削加工或难加工材料切削加工中的应用。
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