CN113305353A - 基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械金属切削领域，具体涉及基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀及其制备方法，本发明为解决拉刀负载较大，拉刀的刀齿容易产生崩刃被破坏影响加工精度的问题，本发明拉刀包括刀头部和刀尾部，刀头部包括平整区、精拉区、半精拉区和粗拉区，刀尾部用于将拉刀安装在驱动设备上；平整区、精拉区、半精拉区和粗拉区由刀头部至刀尾部依次设置，本发明从仿生学的角度出发，通过对帽贝的生活习性以及对帽贝牙齿的研究，发现了其具有良好的切削性能，通过模仿帽贝牙齿的形状及其排列方式，可以减小拉刀在工作过程中的负载，减少了拉刀崩刃的现象，可以达到提高拉刀的使用寿命的目的，该种形状刀齿有利于拉刀的修磨，保证拉刀刀齿的前角和后角。

Description

基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀及其制备方法

技术领域

本发明涉及机械金属切削领域，具体涉及基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀及其制备方法。

背景技术

拉削加工是机械领域的一种加工方式，拉刀是拉削加工所使用的刀具。拉削因其独特的加工方式，具有平稳的切削运动和较高的加工精度，被广泛应用到汽车、航天等领域关键零部件的加工。但是，在拉刀进行加工过程中，单个拉刀刀齿的负载较大，刀齿容易产生崩刃，从而影响加工精度，崩刃严重时甚至导致被加工零件的报废。如何降低单个拉刀刀齿切削力，是拉刀设计的关键问题之一。因此，设计一种能够降低单个拉刀刀齿拉削负载的拉刀，从而提高拉刀的加工精度及使用寿命，对拉刀行业具有重要意义。

随着仿生学的出现，学者们发现在自然界中生物的牙齿或爪趾具有优良的生物学形态，它们具有锋利的外部结构，能够切割硬度较大的物体，生物牙齿的外部形态为拉刀刀齿几何参数及排布的设计提供了参考结构。目前仿生拉刀的设计及其制备方法十分有限。如申请专利号为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。采用光学三维扫描系统对蜣螂鞘翅表面进行扫描，得到蜣螂鞘翅表面凹坑状微织构，采用激振器使金刚石刀尖在拉刀前刀面进行往复振动压印，制备凹坑状微织构。该专利在拉刀的前刀面上打孔，破环了拉刀前刀面的结构。申请专利号为201610394048.4的专利公开了一种仿螳螂口器上颚构形的拉刀及其制备方法，在拉刀刀齿的顶面开设凹槽，刀齿的齿升量呈等差数列分布，且刀齿表面致密度和硬度均大于内部。该专利对拉刀的结构进行了改进，没有考虑到刀齿修磨的问题。

帽贝属于软体动物，腹足纲，体扁平，平时帽贝吸附在岩石上，以海草和海藻为食，并通过牙齿在坚硬的岩石上凿出一个环形低洼地带作为栖息场所。由此可见，帽贝牙齿具有很好的切削性能，这与其牙齿的构形及排列方式具有密切相关。

发明内容

本发明是针对拉刀单个刀齿负载较大，刀齿容易产生崩刃被破坏从而影响加工精度的问题，提出了基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀及其制备方法。

为实现上述目的，基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀，所述拉刀包括刀头部和刀尾部，所述刀头部包括平整区、精拉区、半精拉区和粗拉区，所述刀尾部用于将所述拉刀安装在驱动设备上；

所述平整区、精拉区、半精拉区和粗拉区由所述刀头部至所述刀尾部依次设置，所述平整区、精拉区、半精拉区和粗拉区均设有刀齿段；

所述刀齿段包括中间刀齿段、左侧刀齿段和右侧刀齿段；

所述中间刀齿段在所述拉刀中部成列排布多个刀齿，所述左侧刀齿段在所述中间刀齿段左侧成列排布多个刀齿，所述右侧刀齿段在所述中间刀齿段右侧成列排布多个刀齿，所述左侧刀齿与所述右侧刀齿并列排列，所述中间刀齿段的刀齿与所述左侧刀齿段和右侧刀齿段的刀齿沿所述拉刀长度方向交错排列；

所述平整区上设有平整刀齿段，所述平整刀齿段由所述刀头部向所述刀尾部方向依次布置多个刀齿；

所述刀齿包括切削刃、前刀面、主后刀面和副后刀面；

所述前刀面和所述副后刀面均呈弧状，所述主后刀面为平面，所述主后刀面与所述副后刀面相连接，所述主后刀面和所述前刀面的交界处为所述切削刃。

进一步地，所述左侧刀齿段的刀齿齿宽与所述右侧刀齿段的刀齿齿宽相同；所述中间刀齿段的刀齿齿宽大于所述左侧刀齿段的刀齿齿宽；所述平整刀齿段的刀齿齿宽与所述拉刀的宽度相同。

再进一步地，所述拉刀由高速钢制成。

进一步地，所述平整区的中间刀齿段的刀齿齿升量、左侧刀齿段的刀齿齿升量和右侧刀齿段的刀齿齿升量相同；所述精拉区的中间刀齿段的刀齿齿升量、左侧刀齿段的刀齿齿升量和右侧刀齿段的刀齿齿升量相同；所述半精拉区的中间刀齿段的刀齿齿升量、左侧刀齿段的刀齿齿升量和右侧刀齿段的刀齿齿升量相同；所述粗拉区的中间刀齿段的刀齿齿升量、左侧刀齿段的刀齿齿升量和右侧刀齿段的刀齿齿升量相同；

所述刀齿的齿升量由平整区至粗拉区方向呈上升分布，且齿升量介于0-0.1范围内变化。

再进一步地，所述平整区内的刀齿齿升量为0mm，所述精拉区内的刀齿齿升量为0.005mm，所述半精拉区内的刀齿齿升量为0.01mm，所述粗拉区内的刀齿齿升量为0.1mm。

进一步地，所述平整刀齿段的刀齿两端由上至下向内侧设有缺口。

基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀的制备方法，它包括以下步骤：

步骤一、通过扫描电镜测量帽贝牙齿的形状和排列方式；

步骤二、运用图像处理技术，获得帽贝牙齿的轮廓数据，并对获得的轮廓数据进行拟合，从而获得帽贝牙齿的轮廓形状，根据帽贝牙齿轮廓形状特点对拉刀刀齿轮廓进行设计，将所述拉刀刀齿前刀面和副后刀面设计为弧状，将主后刀面设计为平面；

步骤三、采用线切割技术将所设计的拉刀刀齿轮廓进行加工，然后进行精磨；

步骤四、采用高压电脉冲放电技术，对所述刀齿的刀刃进行热处理，使所述刀刃的金相组织重新排列，提高所述刀刃的强度。

进一步地，所述步骤二中运用图像处理技术为使用matlab软件对得到的图像进行处理。

再进一步地，所述步骤四中采用高压电脉冲放电技术，对所述刀齿的切削刃进行热处理的具体过程为：

工序一、将所述拉刀刀头部放置在两电极板之间，两电极板与脉冲电场发生器的正负极相连接；

工序二、在所述拉刀刀头部上方固定火焰喷嘴和冷却喷嘴，打开脉冲电场发生器、火焰喷嘴和冷却喷嘴开关，移动所述拉刀；

工序三、在火焰喷嘴对所述拉刀加热的同时，通入高压脉冲电场，冷却喷嘴再对其进行降温，实现淬火。

有益效果：

本发明从仿生学的角度出发，发现帽贝牙齿具有良好的切削性能。通过模仿帽贝牙齿的构形及其排列方式，可减小拉刀在工作过程中的负载，降低拉刀崩刃现象的发生，达到提高拉刀使用寿命的目的，并且该种形状的刀齿便于刀齿的修磨。

附图说明

图1为帽贝牙齿微观结构图；

图2为帽贝牙齿排列方式图；

图3为帽贝牙齿轮廓提取图；

图4为所述拉刀单个刀齿的外形图；

图5为所述拉刀三维模型示意图；

图6为所述拉刀刀齿排布示意图；

图7为所述拉刀粗拉区刀齿的形状及尺寸示意图；

图8为所述拉刀凹槽的示意图；

图9为所述拉刀与普通拉刀切削力对比图。

图中：1-帽贝中间牙齿，2-帽贝左侧牙齿，3-帽贝右侧牙齿，4-帽贝牙齿前面轮廓形状，5-帽贝牙齿后面轮廓形状，6-切削刃，7-前刀面，8-主后刀面，9-副后刀面，10-左侧刀齿，11-中间刀齿，12-右侧刀齿，13-平整刀齿，14-凹槽，L1-平整区，L2-精拉区，L3-半精拉区，L4-粗拉区。

具体实施方式

具体实施方式一：所述拉刀包括刀头部和刀尾部，所述刀头部包括平整区L1、精拉区L2、半精拉区L3和粗拉区L4，所述刀尾部用于将所述拉刀安装在驱动设备上；

所述平整区L1、精拉区L2、半精拉区L3和粗拉区L4由所述刀头部至所述刀尾部依次设置，所述平整区L1、精拉区L2、半精拉区L3和粗拉区L4均设有刀齿段；

所述刀齿段包括中间刀齿段11、左侧刀齿段10和右侧刀齿段12；

所述中间刀齿段11在所述拉刀中部成列排布多个刀齿，所述左侧刀齿段10在所述中间刀齿11段左侧成列排布多个刀齿，所述右侧刀齿段12在所述中间刀齿段11右侧成列排布多个刀齿，所述左侧刀齿10与所述右侧刀齿12并列排列，所述中间刀齿段11的刀齿与所述左侧刀齿段10和右侧刀齿段12的刀齿沿所述拉刀长度方向交错排列；

所述平整区上设有平整刀齿段13，所述平整刀齿段13由所述刀头部向所述刀尾部方向依次布置多个刀齿；

所述刀齿包括切削刃6、前刀面7、主后刀面8和副后刀面9；

所述前刀面7和所述副后刀面9均呈弧状，所述主后刀面8为平面，所述主后刀面8与所述副后刀面9相连接，所述主后刀面8和所述前刀面7的交界处为所述切削刃6。

具体实施方式二：所述左侧刀齿段10的刀齿齿宽与所述右侧刀齿段12的刀齿齿宽相同；所述中间刀齿段11的刀齿齿宽大于所述左侧刀齿段10的刀齿齿宽；所述平整刀齿段13的刀齿齿宽与所述拉刀的宽度相同。

具体实施方式三：所述拉刀由高速钢制成。

具体实施方式四：所述平整区L1的中间刀齿段11的刀齿齿升量、左侧刀齿段10的刀齿齿升量和右侧刀齿段12的刀齿齿升量相同；所述精拉区L2的中间刀齿段11的刀齿齿升量、左侧刀齿段10的刀齿齿升量和右侧刀齿段12的刀齿齿升量相同；所述半精拉区L3的中间刀齿段11的刀齿齿升量、左侧刀齿段10的刀齿齿升量和右侧刀齿段12的刀齿齿升量相同；所述粗拉区L4的中间刀齿段11的刀齿齿升量、左侧刀齿段10的刀齿齿升量和右侧刀齿段12的刀齿齿升量相同；

所述刀齿的齿升量由平整区L1至粗拉区L4方向呈上升分布，且齿升量介于0-0.1范围内变化。

其他实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：所述平整区L1内的刀齿齿升量为0mm，所述精拉区L2内的刀齿齿升量为0.005mm，所述半精拉区L3内的刀齿齿升量为0.01mm，所述粗拉区L4内的刀齿齿升量为0.1mm。

其他实施方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：所述平整刀齿段13的刀齿两端由上至下向内侧设有缺口14。

其他实施方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀的制备方法，它包括以下步骤：

步骤一、通过扫描电镜测量帽贝牙齿的形状和排列方式；

步骤二、运用图像处理技术，获得帽贝牙齿的轮廓数据，并对获得的轮廓数据进行拟合，从而获得帽贝牙齿的轮廓形状，根据帽贝牙齿轮廓形状特点对拉刀刀齿轮廓进行设计，将所述拉刀刀齿前刀面7和副后刀面9设计为弧状，将主后刀面8设计为平面；

步骤三、采用线切割技术将所设计的拉刀刀齿轮廓进行加工，然后进行精磨；

步骤四、采用高压电脉冲放电技术，对所述刀齿的刀刃进行热处理，使所述刀刃的金相组织重新排列，提高所述刀刃的强度。

具体实施方式八：所述步骤二中运用图像处理技术为使用matlab软件对得到的图像进行处理。

具体实施方式九：所述步骤四中采用高压电脉冲放电技术，对所述刀齿的切削刃进行热处理的具体过程为：

工序一、将所述拉刀刀头部放置在两电极板之间，两电极板与脉冲电场发生器的正负极相连接；

工序二、在所述拉刀刀头部上方固定火焰喷嘴和冷却喷嘴，打开脉冲电场发生器、火焰喷嘴和冷却喷嘴开关，移动所述拉刀；

工序三、在火焰喷嘴对所述拉刀加热的同时，通入高压脉冲电场，冷却喷嘴再对其进行降温，实现淬火。

其他实施方式与具体实施方式七相同。

实施例1：根据图1帽贝牙齿微观结构图得到图3的帽贝牙齿轮廓提取图；得到帽贝牙齿前面轮廓形状4和帽贝牙齿后面轮廓形状5。

根据图2的帽贝牙齿排列方式图，观察帽贝牙齿排列方式，帽贝牙齿具有中间牙齿1、左侧牙齿2和右侧牙齿3，所述左侧牙齿2在所述中间牙齿1左侧排列为一列，所述右侧牙齿3在所述中间牙齿1右侧排列为一列，所述中间牙齿1与所述左侧牙齿2沿长度方向上呈交错排布，所述中间牙齿1与所述右侧牙齿3沿长度方向上呈交错排布。

由图3所示帽贝牙齿轮廓提取图，得到图4的所述拉刀单个刀齿的外形图。所述拉刀继承了帽贝牙齿的优良切削特性，并将主后刀面8设计成平面结构，利于所述拉刀的修磨，保证所述拉刀刀齿的前角和后角，所述拉刀包括切削刃6、前刀面7、主后刀面8和副后刀面9。

由图2的帽贝牙齿排列方式图和图4的所述拉刀单个刀齿的外形图得到图5的所述拉刀三维模型示意图；所述拉刀主要包括平整区L1，精拉区L2，半精拉区L3，粗拉区L4。所述平整区L1内的所述平整刀齿13的齿升量为0mm，所述精拉区L2内的所述中间刀齿11、所述右侧刀齿12和所述左侧刀齿10的齿升量为0.005mm，所述半精拉区L3内的所述中间刀齿11、所述右侧刀齿12和所述左侧刀齿10的齿升量为0.01mm，所述粗拉区L4内的所述中间刀齿11、所述右侧刀齿12和所述左侧刀齿10的齿升量为0.1mm。

由图5的所述拉刀三维模型示意图观察所述拉刀俯视图得到图6的所述拉刀刀齿排布示意图。所述拉刀如图2的帽贝牙齿排列方式图一样，分为左侧刀齿10、中间刀齿11和右侧刀齿12，所述中间刀齿11在所述拉刀中部排列为一列，所述左侧刀齿10在所述中间刀齿11左侧排列为一列，所述右侧刀齿12在所述中间刀齿11右侧排列为一列，所述左侧刀齿10与所述右侧刀齿12排列方式相同，所述中间刀齿11与所述左侧刀齿10沿所述拉刀长度方向交错排列，所述中间刀齿11与所述右侧刀齿12沿所述拉刀长度方向交错排列。

由图5的所述拉刀三维模型示意图、图6的所述拉刀刀齿排布示意图得到图7的所述拉刀粗拉区L4刀齿形状及尺寸示意图，所述拉刀中间刀齿11与左侧刀齿10、右侧刀齿12的间距为7.5mm。同时，所述拉刀的中间刀齿11、左侧刀齿10、右侧刀齿12的排列间距均为7.5mm。

由图5的所述拉刀三维模型示意图观察所述拉刀的右视图得到图8所述拉刀凹槽的示意图，所述平整刀齿段13的刀齿两端由上至下向内侧设有缺口14。

由图5的所述拉刀进行拉削仿真实验，与普通拉刀对比，得到图9的所述拉刀与普通拉刀切削力对比图；由图9所示，本发明所述拉刀可以降低切削力，减小工作负载。根据金属切削原理，在刀具几何参数中，前角对切削力影响最大，且加工塑性材料时，前角越大，变形系数减小，切削力减小，本发明设计的所述拉刀与普通拉刀相比具有较大的前角，可以减小切削力，进而减小工作负载。

Claims (9)

1.基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀，其特征在于：所述拉刀包括刀头部和刀尾部，所述刀头部包括平整区(L1)、精拉区(L2)、半精拉区(L3)和粗拉区(L4)，所述刀尾部用于将所述拉刀安装在驱动设备上；

所述平整区(L1)、精拉区(L2)、半精拉区(L3)和粗拉区(L4)由所述刀头部至所述刀尾部依次设置，所述平整区(L1)、精拉区(L2)、半精拉区(L3)和粗拉区(L4)均设有刀齿段；

所述刀齿段包括中间刀齿段(11)、左侧刀齿段(10)和右侧刀齿段(12)；

所述中间刀齿段(11)在所述拉刀中部成列排布多个刀齿，所述左侧刀齿段(10)在所述中间刀齿(11)段左侧成列排布多个刀齿，所述右侧刀齿段(12)在所述中间刀齿段(11)右侧成列排布多个刀齿，所述左侧刀齿(10)与所述右侧刀齿(12)并列排列，所述中间刀齿段(11)的刀齿与所述左侧刀齿段(10)和右侧刀齿段(12)的刀齿沿所述拉刀长度方向交错排列；

所述平整区上设有平整刀齿段(13)，所述平整刀齿段(13)由所述刀头部向所述刀尾部方向依次布置多个刀齿；

所述刀齿包括切削刃(6)、前刀面(7)、主后刀面(8)和副后刀面(9)；

所述前刀面(7)和所述副后刀面(9)均呈弧状，所述主后刀面(8)为平面，所述主后刀面(8)与所述副后刀面(9)相连接，所述主后刀面(8)和所述前刀面(7)的交界处为所述切削刃(6)。

2.根据权利要求1所述的基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀，其特征在于：所述左侧刀齿段(10)的刀齿齿宽与所述右侧刀齿段(12)的刀齿齿宽相同；所述中间刀齿段(11)的刀齿齿宽大于所述左侧刀齿段(10)的刀齿齿宽；所述平整刀齿段(13)的刀齿齿宽与所述拉刀的宽度相同。

3.根据权利要求1所述的基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀，其特征在于：所述拉刀由高速钢制成。

4.根据权利要求1所述的基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀，其特征在于：所述平整区(L1)的中间刀齿段(11)的刀齿齿升量、左侧刀齿段(10)的刀齿齿升量和右侧刀齿段(12)的刀齿齿升量相同；所述精拉区(L2)的中间刀齿段(11)的刀齿齿升量、左侧刀齿段(10)的刀齿齿升量和右侧刀齿段(12)的刀齿齿升量相同；所述半精拉区(L3)的中间刀齿段(11)的刀齿齿升量、左侧刀齿段(10)的刀齿齿升量和右侧刀齿段(12)的刀齿齿升量相同；所述粗拉区(L4)的中间刀齿段(11)的刀齿齿升量、左侧刀齿段(10)的刀齿齿升量和右侧刀齿段(12)的刀齿齿升量相同；

所述刀齿的齿升量由平整区(L1)至粗拉区(L4)方向呈上升分布，且齿升量介于0-0.1范围内变化。

5.根据权利要求4所述的基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀，其特征在于：所述平整区(L1)内的刀齿齿升量为0mm，所述精拉区(L2)内的刀齿齿升量为0.005mm，所述半精拉区(L3)内的刀齿齿升量为0.01mm，所述粗拉区(L4)内的刀齿齿升量为0.1mm。

6.根据权利要求4所述的基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀，其特征在于：所述平整刀齿段(13)的刀齿两端由上至下向内侧设有缺口(14)。

7.基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一、通过扫描电镜测量帽贝牙齿的形状和排列方式；

步骤二、运用图像处理技术，获得帽贝牙齿的轮廓数据，并对获得的轮廓数据进行拟合，从而获得帽贝牙齿的轮廓形状，根据帽贝牙齿轮廓形状特点对拉刀刀齿轮廓进行设计，将所述拉刀刀齿前刀面(7)和副后刀面(9)设计为弧状，将主后刀面(8)设计为平面；

步骤三、采用线切割技术将所设计的拉刀刀齿轮廓进行加工，然后进行精磨；

步骤四、采用高压电脉冲放电技术，对所述刀齿的刀刃进行热处理，使所述刀刃的金相组织重新排列，提高所述刀刃的强度。

8.根据权利要求7所述的基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀的制备方法，其特征在于：所述步骤二中运用图像处理技术为使用matlab软件对得到的图像进行处理。

9.根据权利要求7所述的基于帽贝牙齿构形及其排列方式的拉刀的制备方法，其特征在于：所述步骤四中采用高压电脉冲放电技术，对所述刀齿的切削刃进行热处理的具体过程为：

工序一、将所述拉刀刀头部放置在两电极板之间，两电极板与脉冲电场发生器的正负极相连接；

工序二、在所述拉刀刀头部上方固定火焰喷嘴和冷却喷嘴，打开脉冲电场发生器、火焰喷嘴和冷却喷嘴开关，移动所述拉刀；

工序三、在火焰喷嘴对所述拉刀加热的同时，通入高压脉冲电场，冷却喷嘴再对其进行降温，实现淬火。

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