CN111230213B - 一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀及其制备方法。研究表明在材料表面开设一些特定形状的微结构可以起到增加材料疏水性或是亲水性的作用。本发明一种润湿性能强的仿蛛网微结构拉刀，包括刀具基体和刀齿块。刀具基体上安装有一个或多个刀齿块。刀齿块上设置有拉刀刀齿。拉刀刀齿的前刀面上开设有仿蛛网微结构；仿蛛网微结构包括m条横向沟槽和n条纵向沟槽。m条横向沟槽与n条纵向沟槽交错呈网格状。各交点处均开设有节点凹坑。m条横向沟槽和n条纵向沟槽内均设置有亲水性纤维条。本发明在拉刀前刀面开设了仿蛛网微结构并结合碳纤维，改善了刀齿表面的润湿性，减小了切削负载，达到了减小拉刀磨损、提高拉刀使用寿命的效果。

Description

一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀及其制备方法

技术领域

本发明属于刀具表面技术领域，特别涉及一种能够定向输送液滴的仿蛛网微结构拉刀及制备方法。

背景技术

拉刀是一种广泛应用在航空航天领域涡轮榫槽盘加工的成型刀具，具有效率快、精度高等优势。在拉削过程中，拉刀往往需要配合大量的切削液使用，以降低拉削负载和产生的切削热量。但是，由于拉刀的形状特殊性，在喷射切削液的过程中，切削液会沿着倾斜的前刀面滑入存屑槽中，这不仅造成了切削液的浪费，严重的还会造成拉削精度的降低，从而导致涡轮榫槽盘加工失败。研究表明在材料表面开设一些特定形状的微结构可以起到增加材料疏水性或是亲水性的作用。同时在刀齿的前刀面上开设微结构还能够起到存储切削液的作用，从而提高刀齿的切削性能。因此针对拉削加工，研制一种具备定向输送液滴功能的微拉刀以及制备方法十分的必要。

目前针对微结构拉刀研制和制备方法设计的研究较少，并且尚未发现具备定向输送液滴功能的微结构拉刀及相应的制备方法。如申请号为201610394048.4的专利公开了一种仿螳螂口器上颚构型的拉刀及其制备方法。该发明在拉刀刀齿的后刀面开设凹槽，通过模仿螳螂上颚三维曲面模型，得到螳螂上颚的面积梯度，利用激光雕刻和高压电脉冲放电技术加工了优化结构，最终优化了拉刀的切削性能。但是此发明开设微结构的部位在拉刀的后刀面，而拉削过程中影响拉削负载最严重的部位出现在拉刀的前刀面，因此，在拉刀后面开设微结构并非最佳效果，无法发挥微结构对拉削性能起到的最佳有益性。专利申请号为201910355130.X的专利公开了一种仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀及其制备方法。该发明结合蜣螂鞘翅表面的微结构，利用单点金刚石刀具在拉刀的前刀面上开设了凹坑状的仿生微结构，优化了拉刀的切削性能，减小了切削负载，达到保护刀具、减小拉刀磨损、提高拉刀使用寿命的目的。但是此发明并没有考虑微结构的润湿性，无法验证其在切削液介入切削后的有益性。

发明内容

本发明针对现有拉刀拉削过程中刀齿前刀面与切屑存在严重的挤压、摩擦和磨损作用，切削液润湿性能差，浪费严重等问题，受自然界中的蛛网易于粘附液滴的启发，提供了一种具备定向输送液滴功能的前刀面仿蛛网微结构拉刀及其制备方法。该发明是一种将蛛网具有的定向调控液滴特点应用于拉刀的设计与制备方法；是一种在前刀面上开设仿蛛网“纵横交错状”微结构以实现刀尖-切屑之间润滑液定向调控的刀具设计；是一种集成激光打标、碳纤维复合和仿生微结构拓扑设计于一体的智能制备方法。

本发明一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀，拉刀刀齿的前刀面上开设有仿蛛网微结构；所述的仿蛛网微结构包括m条横向沟槽和n条纵向沟槽。m≥1，n≥10。m条横向沟槽相互平行且依次等间距排列；横向沟槽平行于拉刀刀齿的刀刃。n条纵向沟槽相互平行且依次等间距排列。m条横向沟槽与n条纵向沟槽交错呈网格状，形成m×n个交点。m×n个交点处均开设有节点凹坑；横向沟槽与纵向沟槽所成夹角为θ；0°<θ≤90°。m条横向沟槽和n条纵向沟槽内均设置有亲水性纤维条。

作为优选，所述的横向沟槽与纵向沟槽所成夹角θ在30°～40°范围内选取。

作为优选，所述的亲水性纤维条采用碳纤维条。

作为优选，本发明一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀包括刀具基体和刀齿块。所述的刀具基体上安装有一个或多个刀齿块。刀齿块上设置有一个拉刀刀齿。

作为优选，所述刀具基体的刀身上开设有一个或多个刀齿安装槽。刀齿块通过两个螺栓固定在对应的刀齿安装槽内。刀具基体的总长度为400mm，宽度为16mm；拉刀刀齿位于两个螺栓之间。拉刀刀齿的齿宽b₁为16mm，前刀面宽度b₂为2mm，刀齿前角γ₀为12°，后角α₀为6°。

作为优选，所述的节点凹坑呈圆台形，顶部直径为D，深度为H₂。横向沟槽及纵向沟槽的宽度均为L₁，深度均为H₁。50μm≤L₁≤100μm，50μm≤H₁≤150μm，70μm≤D≤150μm，10μm≤H₂≤50μm。所述亲水性纤维条的直径为10～100μm。亲水性纤维条的直径小于横向沟槽、纵向沟槽的宽度L₁。各纵向沟槽中最外侧的纵向沟槽与刀齿侧面的距离为l_min1。各纵向沟槽靠近刀刃的那端均在最靠近刀刃的那条横向沟槽上。最靠近刀刃的那条横向沟槽与刀刃之间的间距为l_min2，l_min1≤3mm，l_min2≤3mm。

该表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀的制备方法具体如下：

步骤一、加工出刀具基体和不带仿蛛网微结构的刀齿块。

步骤二、用激光打标机在刀齿块的前刀面上加工出呈网格状的m条横向沟槽和n条纵向沟槽。对刀齿块的前刀面进行表面观察和测量，若不符合条件，则重新加工。

步骤三、对刀齿块进行清洗。之后，将刀齿块装夹在压印装置上，并通过压印装置上的金刚石刀尖在刀齿块的仿蛛网微结构的各个网格交点上进行压印，加工出仿蛛网微结构上的各个节点凹坑。对刀齿块的前刀面进行表面观察和测量，若不符合条件，则重新加工。

步骤四、对刀齿块进行清洗。之后，对刀齿块进行表面处理。

步骤五、对刀齿块进行碳纤维的植入，在仿蛛网微结构的各条横向沟槽及纵向沟槽中均放入亲水性纤维条，，并将亲水性纤维条与对应的横向沟槽或纵向沟槽粘结在一起。

步骤六、对刀齿块的前刀面进行表面观察和测量，若不符合条件，则去除不符合条件的亲水性纤维条，并在对应的沟槽中重新添加亲水性纤维条。

步骤七、将刀齿块安装到刀具基体上。

作为优选，步骤三、四中清洗的的方式为：将刀齿块放入超声清洗机中进行超声清洗，清洗时间大于1min，清洗后进行烘干。

作为优选，步骤三所述的压印装置包括机架、载物台和超声压印组件。载物台安装在三轴运动滑台上。超声压印组件包括激振器、悬臂振杆和金刚石刀具。悬臂振杆水平设置，且内端与机架固定。金刚石刀具安装在悬臂振杆的外端。金刚石刀具呈圆台状。悬臂振杆由激振器驱动进行上下摆动。载物台在三轴运动滑台的驱动下，能够将刀齿块的前刀面运送到金刚石刀具的正下方。

作为优选，步骤四中表面处理的过程如下：对刀齿块进行铬化处理后，进行氟碳漆静电喷涂，再经过230℃以上的烘烤，在刀齿表面上生成有一层氟碳涂层。然后在刀齿块的前刀面、后刀面及刀刃上喷涂固体润滑剂。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过对仿蛛网微结构横纵沟槽夹角θ的实验分析和比较，得到了刀齿前刀面润湿性能达到最佳效果时的夹角取值，并以此基础在拉刀前刀面开设了一定间距、深度、直径的仿蛛网微结构。

2、本发明通过将亲水性纤维条结合到微结构沟槽中，可以改善刀齿表面的润湿性，减小切削负载，达到保护刀具、减小拉刀磨损、提高拉刀使用寿命的目的。

3、本发明的前刀面具有疏水性而仿蛛网微结构具有较强的亲水性，可使切削液液滴快速滚动至仿蛛网微结构区域，增强了切削加工中的润湿、铺展效率。

附图说明

图1为本发明拉刀的立体结构示意图；

图2为本发明中刀齿块的立体结构示意图；

图3为本发明中刀齿块的侧面示意图；

图4为本发明中刀齿块前刀面仿蛛网微结构的布置示意图；

图5为图4中B1部分的放大图；

图6为仿蛛网微结构定向输送液滴的示意图；

图7为在沟槽夹角θ取不同值时切削液接触角的变化曲线图；

图8为本发明拉刀的制备流程图；

图9为本发明中仿蛛网微结构中横向沟槽及纵向沟槽的加工示意图；

图10为本发明中刀仿蛛网微结构中节点凹坑的加工示意图。

附图标记说明：

1、刀具基体，2、刀齿，3、螺栓，4、亲水性纤维条，5、切削液滴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图1、2和3所示，一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀，包括刀具基体1和刀齿块2。刀具基体1的刀身上开设有刀齿安装槽。刀齿块2通过两个螺栓3固定在刀具基体1上的刀齿安装槽内。刀具基体1的总长度为400mm，宽度为16mm；刀齿块2上设置有拉刀刀齿。拉刀刀齿位于两个螺栓3之间。拉刀刀齿的齿宽b1为16mm，前刀面宽度b2为2mm，刀齿前角γ0为12°，后角α0为6°。拉刀刀齿上设有前刀面A1、刀刃A2和后刀面A3。

如图2、4和5所示；拉刀刀齿的前刀面A₁上开设有仿蛛网微结构；仿蛛网微结构包括m条横向沟槽和n条纵向沟槽。m条横向沟槽相互平行且依次等间距排列；横向沟槽平行于刀刃A₂。n条纵向沟槽相互平行且依次等间距排列。m条横向沟槽与n条纵向沟槽交错呈网格状，形成m×n个交点，m≥1，n≥10。m×n个交点处均开设顶部直径为D，深度为H₂的节点凹坑；节点凹坑呈圆台形；横向沟槽与纵向沟槽所成夹角为θ；横向沟槽及纵向沟槽的宽度均为L₁，深度均为H₁。50μm≤L₁≤100μm，50μm≤H₁≤150μm，70μm≤D≤150μm，10μm≤H₂≤50μm，0°<θ≤90°。仿蛛网微结构的m条横向沟槽和n条纵向沟槽内均设置有亲水性纤维条4。亲水性纤维条4采用碳纤维条。m×n条亲水性纤维条4形成网格状。亲水性纤维条4的直径为10～100μm。亲水性纤维条4的直径小于横向沟槽、纵向沟槽的宽度L₁。各纵向沟槽中最外侧的纵向沟槽与刀齿侧面的距离为l_min1。各纵向沟槽靠近刀刃A₂的那端均在最靠近刀刃A₂的那条横向沟槽上。最靠近刀刃A₂的那条横向沟槽与刀刃A₂之间的间距；l_min1≤3mm；l_min2≤3mm。

作为一种优选的技术方案；仿蛛网微结构为3排×30列纵横交错的网格沟槽，即m＝3，n＝30；横向沟槽及纵向沟槽的宽度L₁为100μm，深度H₁为100μm；横向沟槽与纵向沟槽交错处的圆形凹坑顶部直径D为200μm，深度H₂为100μm，每根碳纤维的直径为50μm。相邻两条横向沟槽的间距l₂＝500μm；相邻两条纵向沟槽沿着横向沟槽长度方向的距离l₁＝500μm。最靠近刀刃A₂的横向沟槽与刀刃A2的距离l_min2＝500μm，最靠近刀齿侧面A₄的纵向沟槽与刀齿侧面A₄的最短距离l_min1＝500μm。

如图6所示，本发明涉及的仿蛛网微结构拉刀在拉削过程中，喷洒在前刀面上的切削液滴5将被亲水性纤维条4吸收，并沿着横向沟槽或纵向沟槽汇聚到各个节点凹坑中，从而达到存储切削液，增加拉刀在拉削时的润湿性，通过减少刀刃与刀屑之间的直接接触从而减小了刀齿前刀面与刀屑之间的摩擦系数，提高了加工工件表面质量，进而提高拉削性能。

对本发明的前刀面润湿性能进行测试如下：

通过实验测得在光滑刀齿前刀面上滴加切削液0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、1s后，切削液前刀面上的接触角分别为：47.89°、38.46°、33.44°、30.98°、29.73°。本发明以前述优选方案中的仿蛛网微结构为对象，在夹角θ取不同数值的情况下，在刀齿前刀面上滴加切削液0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、1s后，切削液前刀面上的接触角变化情况如图7所示。

可以看出，除切削液滴加0.1s后之外，切削液接触角在夹角θ为30°～40°时切削液的接触角明显小于夹角θ处于其他范围时切削液的接触角；由于切削液的接触角越小，则在切削过程中的润湿性能越优良；故夹角θ在30°～40°范围内达到了超过预期的润湿性能，具有意想不到的优益技术效果。

如图8所示，该表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀的制备方法，具体如下：

步骤一、通过线切割加工出刀具基体1和刀齿块2，并对刀具基体1和刀齿块2进行精磨。

步骤二、如图9所示，在皮秒激光打标机的打标软件中输入仿蛛网微结构中沟槽的尺寸参数，将刀齿块2装夹在皮秒激光打标机的载物台上，并使刀齿块2的前刀面正对皮秒激光打标机的激光发生器，进行皮秒激光打标，在刀齿块2的前刀面上加工出呈网格状的仿蛛网微结构。

步骤三、用高速显微摄像仪对步骤二开设了仿蛛网微结构的刀齿块2进行表面观察，测量开设出的仿蛛网微结构是否满足设计尺寸要求。若不符合则重新根据步骤二中的方法重新加工新的刀齿块2，直至微结构尺寸符合设计要求。

步骤四、将符合设计要求的刀齿块2放入超声清洗机中进行超声清洗，清洗时间大于1min，清洗后进行烘干。

步骤五、如图10所示，将清洗后的刀齿块2装夹在压印装置的载物台上，通过压印装置上的金刚石刀尖在刀齿块2的仿蛛网微结构的各个网格交点上进行压印，加工出仿蛛网微结构上的各个节点凹坑。

压印装置包括机架、载物台和超声压印组件。载物台安装在三轴运动滑台上，能够进行三自由度的移动。超声压印组件包括激振器、悬臂振杆和金刚石刀具。悬臂振杆水平设置，且内端与机架固定。金刚石刀具安装在悬臂振杆的外端。金刚石刀具呈圆台状。激振器安装在机架上，且振幅杆与悬臂振杆的中部固定。激振器能够驱动悬臂振杆上下摆动，从而使得金刚石刀具在刀齿块2上加工出节点凹坑。载物台在三轴运动滑台的驱动下，能够将刀齿块的前刀面运送到金刚石刀具的正下方。

步骤六、用高速显微摄像仪对步骤五开设了节点凹坑的刀齿块2进行表面观察，测量开设的各个节点凹坑是否满足设计尺寸要求。若不符合则根据步骤二至五中的方法重新加工新的刀齿块2，直至微结构尺寸符合设计要求。

步骤七、将符合设计要求的刀齿块2放入超声清洗机中进行超声清洗，清洗时间大于1min，清洗后进行烘干。

步骤八、对清洗后的刀齿块2进行严格的铬化处理后，进行氟碳漆静电喷涂，再经过230℃以上的高温烘烤，在刀齿表面上生成有一层均匀的氟碳涂层，使刀齿块2表面平整光滑，色泽均匀，增加刀齿的防腐能力。之后，在刀齿块2的前刀面、后刀面及刀刃上喷涂固体润滑剂，增加刀齿表面的润滑性。

步骤九、如图3-2所示，将刀齿块2放置到真空箱中进行碳纤维4的植入，在仿蛛网微结构的各条横向沟槽及纵向沟槽中均放入亲水性纤维条4；横向沟槽与纵向沟槽中的亲水性纤维条4存在交叉。之后，用偶联剂将亲水性纤维条4与对应的横向沟槽或纵向沟槽粘结在一起。

步骤十、将步骤九植入了亲水性纤维条4的刀齿块2用高速显微摄像仪进行表面观察，测量植入的亲水性纤维条4是否位于沟槽内。若有亲水性纤维条4不在对应的横向沟槽或纵向沟槽中，则去除该亲水性纤维条4，并在对应的沟槽中重新添加亲水性纤维条4，直至所有的沟槽内均植入碳纤维4。

步骤十一、将刀齿块2安装到刀具基体1的刀齿安装槽中，并通过螺栓固定；之后，将安装有刀齿块2的刀具基体1安装到拉床上，进行拉削性能和润湿性能测试。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：刀具基体上开设有多个刀齿安装槽，安装有多个刀齿块。

Claims (10)

1.一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀，其特征在于：拉刀刀齿的前刀面上开设有仿蛛网微结构；所述的仿蛛网微结构包括m条横向沟槽和n条纵向沟槽；m≥1，n≥10；m条横向沟槽相互平行且依次等间距排列；横向沟槽平行于拉刀刀齿的刀刃；n条纵向沟槽相互平行且依次等间距排列；m条横向沟槽与n条纵向沟槽交错呈网格状，形成m×n个交点；m×n个交点处均开设有节点凹坑；横向沟槽与纵向沟槽所成夹角为θ；0°<θ≤90°；m条横向沟槽和n条纵向沟槽内均设置有亲水性纤维条。

2.根据权利要求1所述的一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀，其特征在于：所述的横向沟槽与纵向沟槽所成夹角θ在30°～40°范围内选取。

3.根据权利要求1所述的一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀，其特征在于：所述的亲水性纤维条采用碳纤维条。

4.根据权利要求1所述的一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀，其特征在于：还包括刀具基体和刀齿块；所述的刀具基体上安装有一个或多个刀齿块；刀齿块上设置有一个拉刀刀齿。

5.根据权利要求4所述的一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀，其特征在于：所述刀具基体的刀身上开设有一个或多个刀齿安装槽；刀齿块通过两个螺栓固定在对应的刀齿安装槽内；刀具基体的总长度为400mm，宽度为16mm；拉刀刀齿位于两个螺栓之间；拉刀刀齿的齿宽b1为16mm，前刀面宽度b2为2mm，刀齿前角γ0为12°，后角α0为6°。

6.根据权利要求1所述的一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀，其特征在于：所述的节点凹坑呈圆台形，顶部直径为D，深度为H2；横向沟槽及纵向沟槽的宽度均为L₁，深度均为H1；50μm≤L1≤100μm，50μm≤H1≤150μm，70μm≤D≤150μm，10μm≤H2≤50μm；所述亲水性纤维条的直径为10～100μm；亲水性纤维条的直径小于横向沟槽、纵向沟槽的宽度为L₁；各纵向沟槽中最外侧的纵向沟槽与刀齿侧面的距离为l_min1；各纵向沟槽靠近刀刃的那端均在最靠近刀刃的那条横向沟槽上；最靠近刀刃的那条横向沟槽与刀刃之间的间距为l_min2，l_min1≤3mm，l_min2≤3mm。

7.如权利要求1所述的一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀的制备方法，其特征在于：步骤一、加工出刀具基体和不带仿蛛网微结构的刀齿块；

步骤二、用激光打标机在刀齿块的前刀面上加工出呈网格状的m条横向沟槽和n条纵向沟槽；对刀齿块的前刀面进行表面观察和测量，若不符合条件，则重新加工；

步骤三、对刀齿块进行清洗；之后，将刀齿块装夹在压印装置上，并通过压印装置上的金刚石刀尖在刀齿块的仿蛛网微结构的各个网格交点上进行压印，加工出仿蛛网微结构上的各个节点凹坑；对刀齿块的前刀面进行表面观察和测量，若不符合条件，则重新加工；

步骤四、对刀齿块进行清洗；之后，对刀齿块进行表面处理；

步骤五、对刀齿块进行碳纤维的植入，在仿蛛网微结构的各条横向沟槽及纵向沟槽中均放入亲水性纤维条，并将亲水性纤维条与对应的横向沟槽或纵向沟槽粘结在一起；

步骤六、对刀齿块的前刀面进行表面观察和测量，若不符合条件，则去除不符合条件的亲水性纤维条，并在对应的沟槽中重新添加亲水性纤维条；

步骤七、将刀齿块安装到刀具基体上。

8.根据权利要求7所述的一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀的制备方法，其特征在于：步骤三、四中清洗的的方式为：将刀齿块放入超声清洗机中进行超声清洗，清洗时间大于1min，清洗后进行烘干。

9.根据权利要求7所述的一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀的制备方法，其特征在于：步骤三所述的压印装置包括机架、载物台和超声压印组件；载物台安装在三轴运动滑台上；超声压印组件包括激振器、悬臂振杆和金刚石刀具；悬臂振杆水平设置，且内端与机架固定；金刚石刀具安装在悬臂振杆的外端；金刚石刀具呈圆台状；悬臂振杆由激振器驱动进行上下摆动；载物台在三轴运动滑台的驱动下，能够将刀齿块的前刀面运送到金刚石刀具的正下方。

10.根据权利要求7所述的一种表面梯度润湿的仿蛛网微结构拉刀的制备方法，其特征在于：步骤四中表面处理的过程如下：对刀齿块进行铬化处理后，进行氟碳漆静电喷涂，再经过230℃以上的烘烤，在刀齿表面上生成有一层氟碳涂层；然后在刀齿块的前刀面、后刀面及刀刃上喷涂固体润滑剂。

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