一种增强润滑和冷却的刀具及其用途、加工方法技术

本发明专利技术公开了一种增强润滑和冷却的刀具及其用途、加工方法，涉及的是刀具表面微造型处理，属于机械制造领域。在切削刀具表面加工有织构形貌阵列，所述表面织构形貌阵列由3‑8组凹凸复合形貌阵列等间距组成；所述凹凸复合形貌中心为凹坑，围绕所述凹坑具有环状凸台的阵列；所述环状凸台为一侧高另一侧低，靠近刀刃处高度高于为环状凸台的最高点。本发明专利技术采用激光加工技术加工出凹凸复合织构阵列，在切削过程中形成稳定、大小可控的“毛细管”，湿切削工况下，冷却的润滑液沿着毛细管到达粘结区和滑移区并储存在凹坑中，形成均匀、稳定的润滑剂膜，降低切削力和切削热，延长刀具寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种增强润滑和冷却的刀具，具体涉及的是刀具表面微造型处理，属于机械制造领域。
技术介绍
金属切削加工时，切屑与前刀面产生剧烈摩擦，切削热在刀尖附近累积，导致刀具局部温度急剧上升，且冷却润滑液很难形成流体润滑，到达前刀面或刀尖附近，从而导致切削刃强度降低，造成崩刃；同时，在高塑性金属材料切削过程中，“粘刀”形成积屑瘤，影响工件表面质量和尺寸精度。因此，刀具表面磨损与粘着关乎切削质量与刀具寿命。1958年Merchant等人（Thephysicalchemistryofcuttingfluidaction）用显微镜发现了刀-屑接触区存在直径约为0.2mm的毛细管，为毛细管理论的提出提供了实验依据；1977年，Williams等人（TheActionofLubricantsinMetalCutting）提出了长×宽×高=l×ma×a的长方体毛细管模型，并认为液体进入毛细管后先是液相渗入，而后是气相渗入或形成努森流；在国内，韩荣第等人（刀-屑接触区摩擦润滑的毛细管模型研究）提出一种新的毛细管模型，并对其进行了动力学分析，研究冷却润滑剂进入刀-屑接触区的过程与作用机制，实验结果表明，在刀-屑接触的滑移区是“毛细管”存在区域，该区域刀-屑的相对运动产生泵吸作用，从而使冷却润滑剂沿着毛细管渗入。上述“毛细管”的形成是由于刀具接触面粗糙导致的，这种形成的“毛细管”杂乱，其宽度深度不能很好的控制，冷却润滑液不能最大限度的渗入到刀-屑粘结区和滑移区或刀刃附近，形成润滑剂膜。针对上述问题，本专利技术采用激光加工技术，在刀具前刀面粘结区和滑移区加工出凹凸复合织构阵列，在切削过程中形成稳定、大小可控的“毛细管”，湿切削工况下，冷却的润滑液沿着毛细管到达粘结区和滑移区并储存在凹坑中，形成均匀、稳定的润滑剂膜，降低切削力和切削热，延长刀具寿命。
技术实现思路
本专利技术为一种增强润滑和冷却的刀具，所要解决的技术问题为，在传统湿切削过程，切削液无法形成流体进入刀-屑接触界面，导致刀-屑接触界面润滑不充分、易于粘刀，影响工件表面质量和尺寸精度。本专利技术的技术方案为，一种增强润滑和冷却的刀具，在切削刀具表面加工有织构形貌阵列，所述表面织构形貌阵列由3-8组凹凸复合形貌阵列等间距组成；所述凹凸复合形貌中心为凹坑，围绕所述凹坑具有环状凸台的阵列；所述环状凸台为一侧高另一侧低，靠近刀刃处高度高于为环状凸台的最高点。每组凹凸复合形貌阵列为300-1000微米；每组凹凸复合形貌阵列由1-4列凹凸复合形貌构成；相临两列凹凸复合形貌间距小于或等于该两列形貌半径之和，所述凹凸复合形貌间距为凹凸复合形貌中心位置距离；每列凹凸复合形貌由6-12个凹凸复合形貌等间距分布构成，相邻凹凸复合形貌间距为100-200微米。所述凹坑直径为50-300微米，凹坑深度为10-150微米；所述凸台最大高度为10-200微米，环状凸台宽度为10-100微米。所述相邻凹凸复合形貌列方向与主切削刃垂直或成一定角度。本专利技术刀具的用途，其特征在于，采用湿切削加工方式时，所述湿切削加工方式为浇注式或喷雾式；浇注或喷雾的方向对准毛细管方向，使更多的冷却润滑液渗入到刀具切削刃附近，并填充到凹坑中，储存冷却的润滑液，在刀具表面（1）形成均匀、稳定的润滑剂膜。所述湿切削方式采用喷雾式时，雾化后的冷却润滑剂颗粒尺寸≤2微米。所述湿切削方式采用浇注式时，由于进给量较大，所述凹凸复合形貌阵列由2-4列紧密相连构成并提高凸台高度扩大毛细管的深度可宽度，使其形成可控毛细管的宽度为600-1200微米，深度为100-200微米。本专利技术刀具的加工方法，其特征在于，所述凹凸复合形貌通过激光加工获得；激光器为CO2激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器或光纤激光器，激光参数为：功率密度104-107W/cm²，离焦量±2mm，脉冲宽度0.01-500ms，脉冲频率1-50kHz，脉冲次数1-7次，辅助气体为氮气、氩气、氧气、空气，气压0.05-1.00MPa，辅助气体吹气角度与工件法向呈0-90°。所述凹坑直径为凹坑边界所围成图形与刀具表面相交形成的圆的直径。所述凹坑深度为凹坑形貌最深处到刀具表面的距离。所述环状凸台高度为环状凸台最高点到刀具表面的距离。所述环状凸台宽度为环状凸台径向厚度的平均值。所述槽状毛细管在不同的切削工况下具有不同的最佳尺寸，可通过刀具表面织构阵列形貌排列和尺寸实现控制。所述刀具在切削过程中，形成切屑，切屑经过凹凸复合形貌阵列中的凸台，并与凸台高处接触，发生塑形变形，在切屑底部主动形成微沟槽状可控毛细管，与刀具表面所构成的腔体结合形成真空状态，产生泵吸力，将冷却润滑液沿着上述毛细管吸入刀具与切屑接触界面并储存在凹坑中。所述毛细管不与低处凸台粘着，形成间隙，不阻碍毛细管导流作用，冷却液沿着毛细管最大限度顺利进入刀具与切屑接触界面并储存在凹坑中，起到冷却润滑作用，降低切削力和切削热，改善工件质量，延长刀具寿命。所述凹坑具有储存冷却切削液或切削颗粒的作用；切屑底部形成毛细管与刀具表面产生泵吸力使储存在凹坑中切削液或切削液颗粒持续不断的沿着毛细管到达主切削刃附近或滑动区和粘结区，形成稳定、均匀的润滑剂膜。所述刀具在切削软质材料时，切屑底部能完全复印织构阵列尺寸，形成最佳的毛细管，从而实现毛细管尺寸的可控；在切削硬质材料时，切屑经过织构阵列不易发生塑性形变，需改变织构阵列排布和尺寸使得切屑底部形成最佳毛细管。所述织构刀具在切削工件时形成切屑，在切屑底部形成毛细管，改变凹凸复合形貌阵列的排布以及形貌阵列中的微凸体高度和宽度，使切屑底部主动形成可控导流毛细管，切削液通过刀-屑间的泵吸作用，沿着导流毛细管进入刀-屑接触面；与传统湿切削过程相比，冷却润滑剂能最大限度顺利到达刀-屑粘结区和滑动区或刀刃附近，储存在刀具表面织构阵列中，形成均匀、稳定的润滑剂膜，降低切削力和切削热，延长刀具寿命。本专利技术针对湿切削工况，采用激光加工的方法，在刀具表面设置凹凸复合形貌织构阵列，改变阵列个数排布以及形貌中凸台的高度、宽度和凹坑直径主动使切屑底部毛细管深度、宽度的可控；与传统湿切削过程相比，冷却润滑剂能到达粘结区和滑移区或切削刃附近并能被储存在织构形貌阵列的凹坑中，形成均匀、稳定的润滑剂膜，降低切削力和切削热，延长刀具寿命。本专利技术的有益效果在于：1、通过对刀具工作表面织构处理，形成表面凹凸复合织构阵列，微沟槽状可控毛细管是通过改变凹凸复合形貌中的环状凸台高度和宽度以及凹凸复合形貌阵列排布主动形成，实现毛细管宽度和深度的可控；2、本专利技术所设计的凹凸复合形貌，在切削时，形成的切屑与高处环状凸台接触并发生塑性形变形成毛细管，与低处环状凸台不发生粘着，形成间隙，从而不阻碍毛细管导流作用，能够切削液最大限度的到达主切削刃附近或滑动区和粘结区，形成稳定、均匀的润滑剂膜，降低切削力和切削热；3、凹凸复合形貌通过脉冲激光和辅助气体吹气一次成形，兼顾脱粘功效，与现有技术相比，简化了工艺流程，改善刀具摩擦特性，提升刀具性能。4、本专利技术适用于不同刀具材料：如高速钢、硬质合金、陶瓷刀具以及涂层刀具。附图说明图1是刀具表面凹凸复合形貌阵列示意图。图2是凹凸复合形貌横截面示意图。图3是本专利技术主动形成毛细管的工作原理示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强润滑和冷却的刀具，其特征在于，在切削刀具表面（1）加工有织构形貌阵列，所述表面织构形貌阵列由3‑8组凹凸复合形貌（2）阵列等间距组成；所述凹凸复合形貌（2）中心为凹坑（7），围绕所述凹坑（7）具有环状凸台（10）的阵列；所述环状凸台（10）为一侧高另一侧低，靠近刀刃处高度高于为环状凸台（10）的最高点。

【技术特征摘要】
1.一种增强润滑和冷却的刀具，其特征在于，在切削刀具表面（1）加工有织构形貌阵列，所述表面织构形貌阵列由3-8组凹凸复合形貌（2）阵列等间距组成；所述凹凸复合形貌（2）中心为凹坑（7），围绕所述凹坑（7）具有环状凸台（10）的阵列；所述环状凸台（10）为一侧高另一侧低，靠近刀刃处高度高于为环状凸台（10）的最高点。2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，每组凹凸复合形貌（2）阵列为300-1000微米；每组凹凸复合形貌（2）阵列由1-4列凹凸复合形貌（2）构成；相邻两列凹凸复合形貌间距小于或等于该两列形貌半径之和，所述凹凸复合形貌（2）间距为凹凸复合形貌（2）中心位置距离；每列凹凸复合形貌（2）由6-12个凹凸复合形貌（2）等间距分布构成，相邻凹凸复合形貌（2）间距为100-200微米。3.根据权利要求1和2所述的刀具，其特征在于，所述凹坑直径（6）为50-300微米，凹坑深度（8）为10-150微米；所述凸台最大高度（9）为10-200微米，环状凸台宽度（11）为10-100微米。4.根据权利要求3所述的刀具，其特征在于，所述相邻凹凸复合形貌（2）列方向与主切削刃（3）垂直。5.根据权利要求1、2、3或4所述刀具的用...

【专利技术属性】
技术研发人员：符永宏，邹国文，康正阳，郑峰，王浩，华希俊，纪敬虎，符昊，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32