CN112719320B - 一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有凹‑凸结合型微结构的机加工刀具及其加工方法。该机加工刀具包括刀具主体和开设在前刀面上的微结构阵列。微结构阵列内的单个微结构单元包括同心且由外至内依次排列的外环槽、内环槽和中心锥凸起。中心锥凸起的尖端高于前刀面。本发明通过在刀具表面加工凹‑凸结合型微结构，功能相对稳定，凹坑结构尺寸相对较大，可储存部分刀具润滑液，还可以降低碎屑填充影响，能够有效减小工件接触面之间的摩擦。表面微织构的面密度是影响水润滑零件摩擦因数的一个重要参数，面密度在一定范围内能够有效降低摩擦因数。此外，本发明可以改变加工刀具刀尖的不规则结构半径来满足加工不同面密度微织构的要求。

Description

一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具及其加工方法
技术领域
本发明属于刀具表面处理技术领域，具体涉及一种刀具表面凹-凸结合型微结构设计与加工方法。
背景技术
摩擦磨损普遍存在于我们生活当中，大部分器械的失效原因是由于摩擦副的损坏。随着科技的发展，人们涉及纳米级操作领域的仪器有所增加，这使得即便是轻微的表面摩擦也可能影响仪器的正常使用，解决摩擦问题将使许多高端技术得到质的飞跃。工件表面形成微凸起及微坑结构在摩擦学、仿生制造等领域具有重要意义。徐飞英，闫小青，扶名福在论文“在金属塑性成形中表面微凸对接触力及摩擦系数的影响”中提到：传统的库仑摩擦定律接触面的摩擦应力τ＝μσn；Oden提出τ＝μ0Sρ；假设库仑摩擦定律中的摩擦系数
Figure BDA0002874284450000011
Figure BDA0002874284450000012
那么库仑摩擦定律可写为
Figure BDA0002874284450000013
这与Oden提出摩擦模型是一致的。这说明库仑摩擦定律中的摩擦系数不是常数，而是法向应力的函数。考虑表面微凸结构时，摩擦系数并不是一个固定的值，而是不断变化的，随着变形量的增加，法向压力的增加，摩擦系数呈现下降的趋势。专利号为CN201810031874.1的发明专利提供了一种超亲水金属表面微纳结构，即在金属基板基体上形成由沟槽组成的三组互成角度的平行沟槽阵列和棱柱状突起，但没有考虑其表面能。
目前，对于直接在工件表面加工微凹槽从而产生微凸结构的制造方法技术研究较少。申请专利号为CN201910634615.2的发明专利设计了一种能够有效减小摩擦力的硅基石墨烯结构和该结构的加工方法，首先降低石墨烯与二氧化硅或者硅基底的粘着，当外力摩擦石墨烯时，原子力显微镜探针将带动石墨烯与二氧化硅或者硅基底产生摩擦，从而探针，石墨烯和基底构成三层摩擦结构；在三层摩擦结构下，二氧化硅或者硅基底会产生纳米凸结构。这种加工微凸结构的方法对加工环境的要求较高，加工工艺复杂，加工出的微凸结构不规则。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刀具表面凹-凸结合型微结构设计与加工方法。
本发明一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具，包括刀具主体和开设在前刀面上的微结构阵列。微结构阵列内的单个微结构单元包括同心且由外至内依次排列的外环槽、内环槽和中心锥凸起。中心锥凸起的尖端高于前刀面。
作为优选，所述的刀具主体为车刀或拉刀。
作为优选，所述的外环槽和内环槽的纵截面均呈等腰梯形。
作为优选，所述内环槽和外环槽的深度均为39～40μm。
作为优选，所述内环槽的大径为250μm；外环槽的大径为500μm。相邻两个单个微结构单元的中心为L，取值为600μm。
该机加工刀具的加工方法如下：
步骤一、将被加工刀具安装到制备刀具的下方，并使得前刀面朝上设置；制备刀具的刀尖形状与微结构单元轴截面的一般对应。
步骤二、制备刀具在被加工刀具上依次旋转压印出微结构阵列。
步骤三、对微结构阵列进行尺寸检验。
作为优选，在步骤二中，制备刀具以S形轨迹依序旋转压印出各微结构单元。
作为优选，制备刀具的刀尖采用金刚石。
作为优选，该加工方法采用的加工装置包括三轴运动滑台装置、定点回转装置、制备刀具和加工载物台。加工载物台上安装有夹具。三轴运动滑台装置包括X轴电动滑台、Y轴电动滑台和Z轴电动滑台。Z轴电动滑台上的滑移块能够沿三个方向移动。定点回转装置安装在Z轴电动滑台的滑移块上，位于加工载物台的上方。定点回转装置的主轴朝下设置，且安装有制备刀具。制备刀具的形状与微结构单元轴截面的一半的形状相对应，且位于刀具回转轴线的一侧。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明通过在刀具表面加工凹-凸结合型微结构，功能相对稳定，凹坑结构尺寸相对较大，可储存部分刀具润滑液，还可以降低碎屑填充影响，能够有效减小工件接触面之间的摩擦。表面微织构的面密度是影响水润滑零件摩擦因数的一个重要参数，面密度在一定范围内能够有效降低摩擦因数。
2、本发明可以改变加工刀具刀尖的不规则结构半径来满足加工不同面密度微织构的要求。经试验证明，本发明中凹凸结合型微结构可以适当增大水、油等液体在刀具表面的润湿角，能够有效降低刀具表面能，提高刀具表面自清洁、减阻等性能，通过减少吸附在刀具表面的碎屑间接达到减小摩擦的目的。将这种微结构应用在机器摩擦副中，可以减小零件的摩擦磨损，延长零件使用寿命。
附图说明
图1为本发明提供的机加工刀具的结构示意图；
图2为本发明机提供的加工刀具中微结构单元的结构示意图；
图3为本发明提供的加工刀具中微结构单元的显微放大图；
图4为水和油在本发明提供的加工刀具与无微结构刀具前刀面上的润湿角对比曲线图。
图5为本发明提供的加工设备的结构示意图；
图6为本发明提供的加工设备中三轴运动滑台装置与定点回转装置的组合示意图；
图7为本发明提供的加工设备中制备刀具的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1、2和3所示，一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具，包括刀具主体1和开设在前刀面上的微结构阵列2。微结构阵列2内的单个微结构单元包括同心且由外至内依次排列的外环槽2-1、内环槽2-2和中心锥凸起2-3。中心锥凸起2-3的尖端高于前刀面，由此形成了外凸与内凹并存的刀具微结构。外环槽2-1和内环槽2-2的纵截面均呈等腰梯形；内环槽2-2的大径为D1，取值为250μm；外环槽2-1的大径为D2，取值为500μm。内环槽2-2和外环槽2-1的深度均为H0，取值为39～40μm。
相邻两个单个微结构单元的中心距为L，取值为600μm。其中凹-凸结合型微结构的两个圆环状凹坑的半径和圆锥的尺寸可由刀具的金刚石刀尖尺寸决定。
这种凹-凸结合型的微结构阵列2既能发挥微凸结构的优势：通过控制表面微织构的面密度来降低摩擦因数；又可表现出微凹结构的部分功能：储存部分刀具润滑液，还可以降低碎屑填充影响。
用水和油分别对本发明提供的机加工刀具和同材料的现有刀具前刀面进行润湿角测试；结果如图4所示，本发明所测得的水、油润湿角都比光滑平面大，而适当增大水、油等液体在刀具表面的润湿角，能够有效降低刀具表面能，提高刀具表面自清洁、减阻等性能，可通过减少吸附在刀具表面的碎屑间接达到减小摩擦的目的。
实施例2
如图5、6和7所示，加工如实施例1所述的刀具的加工设备，包括三轴运动滑台装置3、定点回转装置4、制备刀具5和加工载物台6。加工载物台6上安装有夹具7。三轴运动滑台装置3包括X轴电动滑台3-1、Y轴电动滑台3-2和Z轴电动滑台3-3。Z轴电动滑台3-3上的滑移块能够沿三个方向移动。定点回转装置4安装在Z轴电动滑台3-3的滑移块上，位于加工载物台6的上方。
定点回转装置4的主轴朝下设置，且安装有制备刀具5。制备刀具5的刀尖的材质为金刚石，且位于刀具回转轴线的一侧，形状与微结构单元轴截面的一半的形状相对应。通过将制备刀具5压入刀具主体1的前刀面；再将制备刀具5绕刀具回转轴线旋转，即可压印出一个微结构单元。制备刀具5的刀尖经毫米级观察后呈一高一低的结构，其中高点回转形成中间的圆锥，同时低点回转形成了圆环，由于高点不一定在中心点，所以回转时会形成中心圆锥。
实施例3
一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具的加工方法，具体如下：
步骤一、清除载物台上的杂物，将被加工刀具8平行放置于加工载物台6的夹具7上，并使得被加工刀具8的前刀面水平朝上设置。用扳手拧紧被加工刀具8两侧夹具7的拧紧螺栓，使被加工刀具8紧固在载物台上，两侧拧紧螺栓的拧紧程度相近，将被加工刀具8需要开设凹-凸结合型微结构的表面朝上放置。
步骤二、用高压气流冲净制备刀具5的刀尖，清除制备刀具5刀尖的附着物。
步骤三、将制备刀具5安装在三轴运动滑台上，启动X向、Y轴电动滑台3-2，带动制备刀具5在水平方向上移动，将制备刀具5调整到被加工刀具8的起始加工位置，即被加工刀具8前刀面的边缘处；启动Z轴电动滑台3-3，将制备刀具5向靠近被加工刀具8的方向移动，并保持加工刀具与被加工刀具8表面处在安全距离，盖上保护罩。
步骤四、按下装置开关，加工刀具读取程序后Z轴电动滑台3-3开始运动并在被加工刀具8表面进行进给，在压印加工出一个微结构单元后，刀工刀具通过Z轴电动滑台3-3升起，此时X轴电动滑台3-1开始移动，并且在X方向上移动的距离为L。当X轴电动滑台3-1移动到被加工刀具8的前刀面边缘处时，Y轴电动滑台3-2开始移动L距离，并进行一次压印加工出一个微结构单元后，X轴电动滑台3-1开始反向移动。如此反复，在被加工刀具8的前刀面上以S形轨迹加工出微结构阵列2。
步骤五、用高速显微摄像仪对步骤四中加工出的微结构阵列2进行表面观察，测量开设出的凹-凸结合型微结构是否满足设计尺寸要求。若符合要求则直接进行步骤六，若不符合则重新根据步骤四中的方法重新加工微结构阵列2，直至微结构尺寸符合设计要求，再进行步骤六。
步骤六、用扳手松开拧紧螺栓，将初加工完成的被加工刀具8取下，再移至研磨台，将初加工完成的刀具通过夹具7固定在研磨台的载物台上，用研磨液将刀具表面微结构中的中心锥凸起2-3以外的部分进行微打磨，使中心锥凸起2-3略高于周围表面。
步骤七、松开研磨台的夹具7，将研磨完成后的被加工刀具8取下并进行吹屑、清洗、干燥，完成加工。

Claims (5)

1.一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具，包括刀具主体（1）和开设在前刀面上的微结构阵列（2）；其特征在于：所述的微结构阵列（2）内的单个微结构单元包括同心且由外至内依次排列的外环槽（2-1）、内环槽（2-2）和中心锥凸起（2-3）；中心锥凸起（2-3）的尖端高于前刀面；所述的外环槽（2-1）和内环槽（2-2）的纵截面均呈等腰梯形；所述内环槽（2-2）和外环槽（2-1）的深度均为39~40μm；
该机加工刀具的制备过程如下：
步骤一、将被加工刀具（8）安装到制备刀具（5）的下方，并使得前刀面朝上设置；制备刀具（5）的刀尖形状与微结构单元轴截面的一半对应；制备刀具（5）的刀尖经毫米级观察后呈一高一低的结构，其中高点回转形成中间的圆锥，同时低点回转形成了圆环，由于高点不在中心点，所以回转时会形成中心圆锥；
步骤二、制备刀具（5）在被加工刀具（8）上依次旋转压印出微结构阵列（2）；制备刀具（5）以S形轨迹依序旋转压印出各微结构单元；
步骤三、对被加工刀具（8）进行研磨，使得中心锥凸起（2-3）高于周围表面；对微结构阵列（2）进行尺寸检验。
2.根据权利要求1所述的一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具，其特征在于：所述的刀具主体（1）为车刀或拉刀。
3.根据权利要求1所述的一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具，其特征在于：所述内环槽（2-2）的大径为250μm；外环槽（2-1）的大径为500μm；相邻两个单个微结构单元的中心为L，取值为600μm。
4.根据权利要求1所述的一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具，其特征在于：所述制备刀具（5）的刀尖采用金刚石。
5.根据权利要求1所述的一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具，其特征在于：采用的加工装置包括三轴运动滑台装置（3）、定点回转装置（4）、制备刀具（5）和加工载物台（6）；加工载物台（6）上安装有夹具（7）；三轴运动滑台装置（3）包括X轴电动滑台（3-1）、Y轴电动滑台（3-2）和Z轴电动滑台（3-3）；Z轴电动滑台（3-3）上的滑移块能够沿三个方向移动；定点回转装置（4）安装在Z轴电动滑台（3-3）的滑移块上，位于加工载物台（6）的上方；定点回转装置（4）的主轴朝下设置，且安装有制备刀具（5）；制备刀具（5）的形状与微结构单元轴截面的一半的形状相对应，且位于刀具回转轴线的一侧。
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