CN117505905A - 一种自输送内冷微纳织构刀具 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种自输送内冷微纳织构刀具，该刀具无需泵液装置，通过储液腔、微流道和出液孔的结构、尺寸设计以及微纳织构的定向输送作用，将切削液定位定量输送至前、后刀面，减少切削液的使用及雾化，降低切削温度。同时，利用微纳织构的定向输送作用，将切削液引导至前、后刀面加工区域，在仿生微纳织构和润滑流体的协同作用下进一步降低刀具磨损，延长刀具使用寿命。

Description

一种自输送内冷微纳织构刀具

技术领域

本发明属于微纳复合织构刀具，具体涉及一种自输送内冷微纳织构刀具。

背景技术

切削刀具或刀具通过剪切变形从工件上去除某些材料，从而对材料进行成形加工，在机械制造、汽车制造和航空航天等领域具有重要应用。在机械制造中，切削刀具的应用需求非常广泛，包括剪切、镗孔、刨削、铣削、钻孔等加工工序。随着机械制造工艺的进一步发展，对切削刀具的要求也越来越高，例如更高的加工精度和更长的刀具寿命等。

在切削加工过程中，刀具常出现高温粘接失效、磨损等问题，使用润滑剂(切削液)是一种解决方案，在强热机械耦合界面下起到冷却、润滑和切屑去除作用。然而，切削液的使用已成为当今可持续制造的障碍。高速旋转刀具和高温切割区周围的切削液会产生大量油雾和PM 2.5，从而导致肺部疾病，如轻度呼吸系统疾病、哮喘和癌症。同时，切削液在排放过程中也会造成一系列环境污染问题。因此，如何在降低切削液的使用以及减少环境污染同时，继续保证甚至提升切削加工质量，已成为当今急需解决的难题。

此外，在切削加工过程中，由于刀具切削区剧烈摩擦和高温高压的共同作用，刀具表面逐渐被磨耗或者出现破损，严重缩短了刀具寿命，降低了加工质量、加工精度及切削效率，同时也增加了生产成本。因此，改善切削加工过程中摩擦副表面摩擦状态，抑制刀具磨损、提高切削效率和加工质量成为切削加工领域亟需解决的重要问题。

现有的内冷刀具，例如CN209867392U和CN216882974U，其储液腔均需要外接泵液装置，实现切削液的输送，这种方式能够提高冷却效率，但使得刀具整体结构更加复杂且依旧存在切削液过量使用的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种自输送内冷微纳织构刀具，通过在刀具内部加工微流道，将切削液定位定量输送至前、后刀面，减少切削液的使用及雾化，降低切削温度。同时，该刀具无需外接泵液装置，利用储液腔、微流道和出液孔的结构设计以及微纳织构的定向输送作用，将切削液引导前、后刀面加工区域，在微纳织构和润滑流体的协同作用下进一步降低刀具磨损，延长刀具使用寿命。

为了达到上述目的，本发明公开了一种自输送内冷微纳织构刀具，具体如下：

一种自输送内冷微纳织构刀具，包括前刀面和后刀面，在所述的前刀面制备有储液腔和前刀面出液口，在后刀面设置后刀面出液口，所述的储液腔、前刀面出液口、后刀面出液口之间通过微流道连通，在前刀面出液口靠近切削刃的方向依次设置有输液织构和减磨织构，在后刀面设置有减磨织构；本发明无需外接泵液装置，将适量切削液放置在储液腔后，利用储液腔、微流道和出液口结构产生的压力差以及输液织构和减磨织构的定向输送作用，便可将切削液输送至刀具前、后刀面指定位置，且刀具前、后刀面制备有微纳织构，可有效降低刀具磨损。

作为进一步的技术方案，所述的储液腔为圆柱形孔。

作为进一步的技术方案，储液腔上下表面直径为≥200μm，深度≥50μm。

作为进一步的技术方案，所述的前刀面出液口为圆柱形孔，其上表面直径≥150μm，该直径需要小于储液腔直径，深度≥50μm。

作为进一步的技术方案，所述的输液织构为沟槽结构，沟槽的宽度≥1μm。

作为进一步的技术方案，所述的输液织构的侧壁以及底部分布有微纳米结构。

作为进一步的技术方案，所述的减磨织构区域加工有仿生和普通微纳织构，微纳织构的沟槽宽度≥1μm。

作为进一步的技术方案，所述的微纳织构的沟槽内部分布有微纳米结构。

作为进一步的技术方案，所述的储液腔至前刀面出液口段的微流道直径≥30μm。

作为进一步的技术方案，前刀面出液口至后刀面出液口段的微流道数量≥1个，微流道的直径≥5μm，且总体输送量需要小于储液腔至前刀面出液口段微流道的输送量。

本发明的有益效果如下：

1.本发明提出一种自输送内冷微纳织构刀具，与传统切削液在刀具外部输送方式不同，本刀具的切削液在刀具内部输送，进而实现刀具的整体冷却。本刀具的切削液通过微流道沿刀具内部输送，并精准输送至前、后刀面，一方面可以减少切削液使用以及避免切削液雾化，有利于降低对人体的危害和环境污染；另一方面，切削过程会产生大量的切削热并向刀具内部传递，切削液沿微流道流动可以带走刀具整体的切削热，循环冷却刀具，有利于改善切削条件，提高加工质量，同时，该刀具能够精准定位定量输送切削液，刀具前刀面设置有输液织构，通过调整输液织构的位置和方向可以将切削液输送至前刀面上的任意位置，同时后刀面的输液口位置也可以根据需要调整。该刀具可以根据切削加工要求将定量切削液输送至指定位置，精准输送切削液，润滑切削加工区域，避免切削液浪费，减少环境污染。

进一步的，同时该刀具的减磨织构为仿生微纳复合织构，其形状类似于蜂巢和石墨烯。蜂巢的正六边形结构具备优异的承载能力，通过结构设计以及调整微沟槽宽度，可以制备出不同的仿生减磨织构。不同织构均具有微纳米结构，通过其毛细作用可以使得切削液分布更加均匀，进而形成良好的润滑油膜，降低刀具磨损，延长使用寿命。

2.传统切削液的输送方式需要外接泵送装置，本发明的刀具不需要外部装置，仅靠自身结构可以实现切削液的输送。通过设计储液腔、微流道和前、后刀面出液口的尺寸和结构，调整其压力差，利用微纳米结构的毛细作用，可以实现切削液自输送至刀具的前、后刀面。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1本发明提出的自输送内冷仿生微纳织构刀具示意图；

图2是本发明提出的刀具前刀面微孔及微纳织构示意图；

图3是本发明提出的刀具微流道及后刀面出液口示意图；

图4是飞秒激光制备微孔及微沟槽结构示意图；

图5实施例中公开的减磨织构一示意图；

图6实施例中公开的减磨织构二示意图；

图7实施例中公开的减磨织构三示意图；

图中：1前刀面，2储液腔，3微流道，4前刀面出液口，5输液织构，6前刀面减磨织构，7后刀面减磨织构，8后刀面出液口，9后刀面。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种自输送内冷微纳织构刀具，与传统切削液在刀具外部输送方式不同，本刀具的切削液在刀具内部输送，进而实现刀具的整体冷却。本刀具的切削液通过微流道沿刀具内部输送，并精准输送至前、后刀面，一方面可以减少切削液使用以及避免切削液雾化，有利于降低对人体的危害和环境污染；另一方面，切削过程会产生大量的切削热并向刀具内部传递，切削液沿微流道流动可以带走刀具整体的切削热，循环冷却刀具，有利于改善切削条件，提高加工质量。

具体的，本实施例提出的自输送内冷微纳织构刀具，如图1所示，包括前刀面1和后刀面9，在所述的前刀面1制备有储液腔2和前刀面出液口4，在后刀面9设置后刀面出液口8，储液腔2、前刀面出液口4、后刀面出液口8之间通过微流道3连通，在前刀面出液口4靠近切削刃的方向依次设置有输液织构5和前刀面减磨织构6，在后刀面出液口8靠近切削刃的方向设置有后刀面减磨织构7；传统切削液的输送方式需要外接泵送装置，本发明的刀具不需要外部泵液装置，仅靠自身结构可以实现切削液的输送。通过设计储液腔、微流道和前刀面出液口的尺寸和结构，调整其压力差，利用微纳米结构的毛细作用，可以实现切削液自输送至刀具的前、后刀面。

具体的，刀具的储液腔2、微流道3、输液织构5、前刀面减磨织构6和后刀面减磨织构7均由飞秒激光制备，首先，采用飞秒激光依次在刀具前刀面1制备储液腔2和前刀面出液口4，在刀具后刀面9制备后刀面出液口8，其次在刀具内部制备微流道3，依次连通储液腔1、前刀面出液口4和后刀面出液口8，在前刀面出液口4靠近切削刃的方向依次制备输液织构5和前刀面减磨织构6，在后刀面出液口8靠近切削刃的方向制备有后刀面减磨织构7。采用该刀具在切削加工过程中，将切削液注入储液腔后，切削液会顺着微流道3到达前、后刀面出液口，前刀面出液口4处的切削液在输液织构5的定向输送作用下，到达前刀面减磨织构6区域，后刀面出液口8处的切削液在微纳米结构的毛细作用下到达后刀面减磨织构7区域。此设计使得切削液在刀具内部和刀具前、后刀面均有分布，降低切削液使用以及雾化扩散的同时，能够在刀具内部以及表面同时起到降温的作用，可以进一步降低切削热，提高加工质量。

刀具前刀面1上制备有储液腔2，其为圆柱形孔，如图2所示，储液腔2上下表面直径为≥200μm，深度≥50μm，用于储存切削液。前刀面出液口4同样为圆柱形孔，其上表面直径≥150μm，该直径需要小于储液腔2直径，深度≥50μm。输液织构5为沟槽结构，其截面形貌如图4所示，沟槽的宽度≥1μm。前刀面减磨织构6区域加工有仿蜂巢结构，其结构如图5,、图6和图7所示，沟槽的宽度≥1μm，后刀面减磨织构7为沟槽结构，其截面形貌如图4所示。

该刀具内部制备有微流道3，用于输送切削液至刀具的不同位置。储液腔2至前刀面出液口4段的微通道直径≥30μm；前刀面出液口4至后刀面出液口段的微流道3数量≥1个，微流道3可以为刀具降温，并且将切削液输送至后刀面，因此微流道3分散分布会有更好的降温效果，该段微流道3的直径≥5μm，且总体输送量需要小于储液腔2至前刀面出液口4段微流道3的输送量。在切削加工中，根据加工对象以及加工条件计算切削液用量并加至储液腔2，随后切削液流经微流道3到达前刀面出液口4，由于前刀面出液口4的直径小于储液腔2且该处至后刀面微流道3的输送量小于该处至储液腔2微流道3的输送量，因此该处的切削液在压力差的作用下会到达前刀面1。同时，输液织构5由飞秒激光制备，织构的侧壁以及底部分布有微纳米结构，通过其自身的毛细作用会产生一定的吸力，将前刀面出液口4处的切削液引导至前刀面减磨织构6区域。此外，前、刀面出液口之间的切削液在刀具内部经过微流道3会继续流动，最终由后刀面9流出。后刀面9流出的切削液一部分沿切削方向的反方向流失，另一部分在后刀面减磨织构7的定向输送作用下作用到整个减磨织构区域，形成稳定的润滑油膜，进而降低刀具后刀面的磨损。

本实施例中的储液腔2、微流道3、前刀面出液口4、输液织构5、前刀面减磨织构6、后刀面减磨织构7以及后刀面出液口8均由飞秒激光制备。其中，储液腔2、微流道3和前、后刀面出液口8具有一定的深度，飞秒激光采用逐层去除的方式进行加工，直至到达设定的深度；输液织构5、前刀面减磨织构6和后刀面减磨织构7采用飞秒激光单层去除的方式进行加工，织构以沟槽为主，如图4所示。

在前刀面1靠近切削刃的区域制备前刀面减磨织构6，该区域织构为仿生织构，灵感来源于自然界中的蜂巢，同时与石墨烯的结构相类似。蜂巢与石墨烯的整体结构类似于由一个个正六边形单元结构拼接而成，因此在飞秒激光加工系统中设定加工方式为一次成形一个正六边形结构，通过调整正六边形的排布以及微沟槽的宽度，可制备出不同的仿生微纳减磨织构6，如图5、图6和图7所示。该减磨织构6同样的由飞秒激光制备，其沟槽内部分布有微纳米结构，通过毛细作用使得切削液分布更加均匀，有利于切削液的扩散和存储，在整个减磨织构6区域形成稳定的润滑油膜。同时，仿蜂巢结构具备更优异的承载能力，在切削加工过程中，微沟槽内的切削液扩散至织构区域的前刀面1，将会进一步增加刀具的抗压能力，降低刀具磨损，延长使用寿命。

不同减磨织构6内部的微沟槽排列方式不同，进而影响切削的流动方式。本实施例公开的切削液由输液织构5引导至减磨织构6后，可以包括但不限于沿垂直方向(图5)、垂直和水平方向(图6)以及水平方向(图7)流动。

本实施例中的刀具包括但不限于单晶金刚石、多晶金刚石、硬质合金和陶瓷等机械加工常用单点和多点切削刀具。

本实施例中的刀具主要用于材料的超精密加工，也可以用于切削液需求量少的精密加工。

进一步的需要说明的是，本实施例中的润滑剂以及切削液意思相同，均为切削过程中降温、润滑的一种液体。

本实施例中的刀具能够精准定位定量输送切削液，刀具前刀面设置有输液织构，通过调整输液织构的位置和方向可以将切削液输送至前刀面上的任意位置，同时后刀面的输液口位置也可以根据需要调整。该刀具可以根据切削加工要求将定量切削液输送至指定位置，精准输送切削液，润滑切削加工区域，避免切削液浪费，减少环境污染。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自输送内冷微纳织构刀具，包括前刀面和后刀面，其特征在于，在刀具内部制备有微流道，在所述的前刀面制备有储液腔和前刀面出液口，在后刀面设置后刀面出液口，所述的储液腔、前刀面出液口、后刀面出液口之间通过微流道连通，在前刀面出液口靠近切削刃的方向依次设置有输液织构和减磨织构，在后刀面设置有减磨织构。

2.如权利要求1所述的自输送内冷微纳织构刀具，其特征在于，所述的储液腔为圆柱形孔。

3.如权利要求2所述的自输送内冷微纳织构刀具，其特征在于，储液腔上下表面直径为≥200μm，深度≥50μm。

4.如权利要求1所述的自输送内冷微纳织构刀具，其特征在于，所述的前刀面出液口为圆柱形孔，其上表面直径≥150μm，该直径需要小于储液腔直径，深度≥50μm。

5.如权利要求1所述的自输送内冷微纳织构刀具，其特征在于，所述的输液织构为沟槽结构，沟槽的宽度≥1μm。

6.如权利要求5所述的自输送内冷微纳织构刀具，其特征在于，所述的输液织构的侧壁以及底部分布有微纳米结构。

7.如权利要求1所述的自输送内冷微纳织构刀具，其特征在于，所述的减磨织构区域加工有仿生和普通微纳织构，微纳织构的沟槽宽度≥1μm。

8.如权利要求7所述的自输送内冷微纳织构刀具，其特征在于，所述的微纳织构的沟槽内部分布有微纳米结构。

9.如权利要求1所述的自输送内冷微纳织构刀具，其特征在于，所述的储液腔至前刀面出液口段的微流道直径≥30μm。

10.如权利要求1所述的自输送内冷微纳织构刀具，其特征在于，前刀面出液口至后刀面出液口段的微流道数量≥1个，微流道的直径≥5μm，且总体输送量需要小于储液腔至前刀面出液口段微流道的输送量。