本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)潤(rùn)滑和冷卻的刀具，具體涉及的是刀具表面微造型處理，屬于機(jī)械制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

金屬切削加工時(shí)，切屑與前刀面產(chǎn)生劇烈摩擦，切削熱在刀尖附近累積，導(dǎo)致刀具局部溫度急劇上升，且冷卻潤(rùn)滑液很難形成流體潤(rùn)滑，到達(dá)前刀面或刀尖附近，從而導(dǎo)致切削刃強(qiáng)度降低，造成崩刃；同時(shí)，在高塑性金屬材料切削過(guò)程中，“粘刀”形成積屑瘤，影響工件表面質(zhì)量和尺寸精度。因此，刀具表面磨損與粘著關(guān)乎切削質(zhì)量與刀具壽命。

1958年Merchant等人（The physical chemistry of cutting fluid action）用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了刀-屑接觸區(qū)存在直徑約為0.2mm的毛細(xì)管，為毛細(xì)管理論的提出提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)；1977年，Williams等人（The Action of Lubricants in Metal Cutting）提出了長(zhǎng)×寬×高 =l×m a×a的長(zhǎng)方體毛細(xì)管模型，并認(rèn)為液體進(jìn)入毛細(xì)管后先是液相滲入，而后是氣相滲入或形成努森流；在國(guó)內(nèi)，韓榮第等人（刀-屑接觸區(qū)摩擦潤(rùn)滑的毛細(xì)管模型研究）提出一種新的毛細(xì)管模型，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，研究冷卻潤(rùn)滑劑進(jìn)入刀-屑接觸區(qū)的過(guò)程與作用機(jī)制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在刀-屑接觸的滑移區(qū)是“毛細(xì)管”存在區(qū)域，該區(qū)域刀-屑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生泵吸作用，從而使冷卻潤(rùn)滑劑沿著毛細(xì)管滲入。上述“毛細(xì)管”的形成是由于刀具接觸面粗糙導(dǎo)致的，這種形成的“毛細(xì)管”雜亂，其寬度深度不能很好的控制，冷卻潤(rùn)滑液不能最大限度的滲入到刀-屑粘結(jié)區(qū)和滑移區(qū)或刀刃附近，形成潤(rùn)滑劑膜。

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明采用激光加工技術(shù)，在刀具前刀面粘結(jié)區(qū)和滑移區(qū)加工出凹凸復(fù)合織構(gòu)陣列，在切削過(guò)程中形成穩(wěn)定、大小可控的“毛細(xì)管”，濕切削工況下，冷卻的潤(rùn)滑液沿著毛細(xì)管到達(dá)粘結(jié)區(qū)和滑移區(qū)并儲(chǔ)存在凹坑中，形成均勻、穩(wěn)定的潤(rùn)滑劑膜，降低切削力和切削熱，延長(zhǎng)刀具壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為一種增強(qiáng)潤(rùn)滑和冷卻的刀具，所要解決的技術(shù)問(wèn)題為，在傳統(tǒng)濕切削過(guò)程，切削液無(wú)法形成流體進(jìn)入刀-屑接觸界面，導(dǎo)致刀-屑接觸界面潤(rùn)滑不充分、易于粘刀，影響工件表面質(zhì)量和尺寸精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案為，一種增強(qiáng)潤(rùn)滑和冷卻的刀具，在切削刀具表面加工有織構(gòu)形貌陣列，所述表面織構(gòu)形貌陣列由3-8組凹凸復(fù)合形貌陣列等間距組成；所述凹凸復(fù)合形貌中心為凹坑，圍繞所述凹坑具有環(huán)狀凸臺(tái)的陣列；所述環(huán)狀凸臺(tái)為一側(cè)高另一側(cè)低，靠近刀刃處高度高于為環(huán)狀凸臺(tái)的最高點(diǎn)。每組凹凸復(fù)合形貌陣列為300-1000微米；每組凹凸復(fù)合形貌陣列由1-4列凹凸復(fù)合形貌構(gòu)成；相臨兩列凹凸復(fù)合形貌間距小于或等于該兩列形貌半徑之和，所述凹凸復(fù)合形貌間距為凹凸復(fù)合形貌中心位置距離；每列凹凸復(fù)合形貌由6-12個(gè)凹凸復(fù)合形貌等間距分布構(gòu)成，相鄰凹凸復(fù)合形貌間距為100-200微米。所述凹坑直徑為50-300微米，凹坑深度為10-150微米；所述凸臺(tái)最大高度為10-200微米，環(huán)狀凸臺(tái)寬度為10-100微米。所述相鄰凹凸復(fù)合形貌列方向與主切削刃垂直或成一定角度。

本發(fā)明刀具的用途，其特征在于，采用濕切削加工方式時(shí)，所述濕切削加工方式為澆注式或噴霧式；澆注或噴霧的方向?qū)?zhǔn)毛細(xì)管方向，使更多的冷卻潤(rùn)滑液滲入到刀具切削刃附近，并填充到凹坑中，儲(chǔ)存冷卻的潤(rùn)滑液，在刀具表面（1）形成均勻、穩(wěn)定的潤(rùn)滑劑膜。所述濕切削方式采用噴霧式時(shí)，霧化后的冷卻潤(rùn)滑劑顆粒尺寸≤2微米。所述濕切削方式采用澆注式時(shí)，由于進(jìn)給量較大，所述凹凸復(fù)合形貌陣列由2-4列緊密相連構(gòu)成并提高凸臺(tái)高度擴(kuò)大毛細(xì)管的深度可寬度，使其形成可控毛細(xì)管的寬度為600-1200微米，深度為100-200微米。

本發(fā)明刀具的加工方法，其特征在于，所述凹凸復(fù)合形貌通過(guò)激光加工獲得；激光器為CO₂激光器、燈泵浦YAG激光器、二極管泵浦YAG激光器或光纖激光器，激光參數(shù)為：功率密度10⁴-10⁷W/cm2，離焦量±2mm，脈沖寬度0.01-500ms，脈沖頻率1-50kHz，脈沖次數(shù)1-7次，輔助氣體為氮?dú)狻鍤?、氧氣、空氣，氣?.05-1.00MPa，輔助氣體吹氣角度與工件法向呈0-90°。

所述凹坑直徑為凹坑邊界所圍成圖形與刀具表面相交形成的圓的直徑。

所述凹坑深度為凹坑形貌最深處到刀具表面的距離。

所述環(huán)狀凸臺(tái)高度為環(huán)狀凸臺(tái)最高點(diǎn)到刀具表面的距離。

所述環(huán)狀凸臺(tái)寬度為環(huán)狀凸臺(tái)徑向厚度的平均值。

所述槽狀毛細(xì)管在不同的切削工況下具有不同的最佳尺寸，可通過(guò)刀具表面織構(gòu)陣列形貌排列和尺寸實(shí)現(xiàn)控制。

所述刀具在切削過(guò)程中，形成切屑，切屑經(jīng)過(guò)凹凸復(fù)合形貌陣列中的凸臺(tái)，并與凸臺(tái)高處接觸，發(fā)生塑形變形，在切屑底部主動(dòng)形成微溝槽狀可控毛細(xì)管，與刀具表面所構(gòu)成的腔體結(jié)合形成真空狀態(tài)，產(chǎn)生泵吸力，將冷卻潤(rùn)滑液沿著上述毛細(xì)管吸入刀具與切屑接觸界面并儲(chǔ)存在凹坑中。

所述毛細(xì)管不與低處凸臺(tái)粘著，形成間隙，不阻礙毛細(xì)管導(dǎo)流作用，冷卻液沿著毛細(xì)管最大限度順利進(jìn)入刀具與切屑接觸界面并儲(chǔ)存在凹坑中，起到冷卻潤(rùn)滑作用，降低切削力和切削熱，改善工件質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命。

所述凹坑具有儲(chǔ)存冷卻切削液或切削顆粒的作用；切屑底部形成毛細(xì)管與刀具表面產(chǎn)生泵吸力使儲(chǔ)存在凹坑中切削液或切削液顆粒持續(xù)不斷的沿著毛細(xì)管到達(dá)主切削刃附近或滑動(dòng)區(qū)和粘結(jié)區(qū)，形成穩(wěn)定、均勻的潤(rùn)滑劑膜。

所述刀具在切削軟質(zhì)材料時(shí)，切屑底部能完全復(fù)印織構(gòu)陣列尺寸，形成最佳的毛細(xì)管，從而實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管尺寸的可控；在切削硬質(zhì)材料時(shí)，切屑經(jīng)過(guò)織構(gòu)陣列不易發(fā)生塑性形變，需改變織構(gòu)陣列排布和尺寸使得切屑底部形成最佳毛細(xì)管。

所述織構(gòu)刀具在切削工件時(shí)形成切屑，在切屑底部形成毛細(xì)管，改變凹凸復(fù)合形貌陣列的排布以及形貌陣列中的微凸體高度和寬度，使切屑底部主動(dòng)形成可控導(dǎo)流毛細(xì)管，切削液通過(guò)刀-屑間的泵吸作用，沿著導(dǎo)流毛細(xì)管進(jìn)入刀-屑接觸面；與傳統(tǒng)濕切削過(guò)程相比，冷卻潤(rùn)滑劑能最大限度順利到達(dá)刀-屑粘結(jié)區(qū)和滑動(dòng)區(qū)或刀刃附近，儲(chǔ)存在刀具表面織構(gòu)陣列中，形成均勻、穩(wěn)定的潤(rùn)滑劑膜，降低切削力和切削熱，延長(zhǎng)刀具壽命。

本發(fā)明針對(duì)濕切削工況，采用激光加工的方法，在刀具表面設(shè)置凹凸復(fù)合形貌織構(gòu)陣列，改變陣列個(gè)數(shù)排布以及形貌中凸臺(tái)的高度、寬度和凹坑直徑主動(dòng)使切屑底部毛細(xì)管深度、寬度的可控；與傳統(tǒng)濕切削過(guò)程相比，冷卻潤(rùn)滑劑能到達(dá)粘結(jié)區(qū)和滑移區(qū)或切削刃附近并能被儲(chǔ)存在織構(gòu)形貌陣列的凹坑中，形成均勻、穩(wěn)定的潤(rùn)滑劑膜，降低切削力和切削熱，延長(zhǎng)刀具壽命。

本發(fā)明的有益效果在于：1、通過(guò)對(duì)刀具工作表面織構(gòu)處理，形成表面凹凸復(fù)合織構(gòu)陣列，微溝槽狀可控毛細(xì)管是通過(guò)改變凹凸復(fù)合形貌中的環(huán)狀凸臺(tái)高度和寬度以及凹凸復(fù)合形貌陣列排布主動(dòng)形成，實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管寬度和深度的可控；2、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的凹凸復(fù)合形貌，在切削時(shí)，形成的切屑與高處環(huán)狀凸臺(tái)接觸并發(fā)生塑性形變形成毛細(xì)管，與低處環(huán)狀凸臺(tái)不發(fā)生粘著，形成間隙，從而不阻礙毛細(xì)管導(dǎo)流作用，能夠切削液最大限度的到達(dá)主切削刃附近或滑動(dòng)區(qū)和粘結(jié)區(qū)，形成穩(wěn)定、均勻的潤(rùn)滑劑膜，降低切削力和切削熱；3、凹凸復(fù)合形貌通過(guò)脈沖激光和輔助氣體吹氣一次成形，兼顧脫粘功效，與現(xiàn)有技術(shù)相比，簡(jiǎn)化了工藝流程，改善刀具摩擦特性，提升刀具性能。4、本發(fā)明適用于不同刀具材料：如高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷刀具以及涂層刀具。

附圖說(shuō)明

圖1是刀具表面凹凸復(fù)合形貌陣列示意圖。

圖2是凹凸復(fù)合形貌橫截面示意圖。

圖3是本發(fā)明主動(dòng)形成毛細(xì)管的工作原理示意圖。

圖中：1，刀具表面；2，凹凸復(fù)合形貌；3，切削刃；4，每列凹凸復(fù)合形貌的相鄰形貌間距；5，每組形貌陣列間距；6，凹腔寬度；7，凹坑；8，凹腔深度；9，凸臺(tái)最大高度；10，環(huán)狀凸臺(tái)；11，凸臺(tái)寬度；12，切屑；13，工件；14，毛細(xì)管；15，刀具。

具體實(shí)施方式

面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

本實(shí)施例選用光纖激光器，刀具為硬質(zhì)合金外圓車刀。需特別說(shuō)明：金屬切削刀具具有相似工作原理，因此本發(fā)明適用于各類金屬切削刀具種類，即不局限于外圓車刀。

實(shí)施列一

本實(shí)施例中，刀具選用高速鋼刀具，切削材料為鋁合金，切削方式為噴霧式。

本實(shí)施方式首選二極管泵浦YAG激光器，通過(guò)對(duì)硬質(zhì)合金刀具材料工作面進(jìn)行激光加工處理；由于切削軟質(zhì)鋁合金材料，織構(gòu)陣列尺寸能完全復(fù)印到切屑底部，形成最佳毛細(xì)管。本發(fā)明技術(shù)特征的實(shí)施包括以下步驟。

步驟A，刀具表面預(yù)處理；對(duì)刀具工作面進(jìn)行拋光處理，使其表面測(cè)粗糙度Ra小于0.3微米。

步驟B，確定金屬切削刀具的工作表面區(qū)域。本實(shí)施例中，刀具工作表面區(qū)域?yàn)榈毒弑砻媾c切屑接觸區(qū)，距離刀刃300um處。

步驟C，對(duì)金屬切削刀具工作表面進(jìn)行織構(gòu)形貌加工形成織構(gòu)形貌陣列；激光參數(shù)為：功率密度10⁵w/cm²，離焦量1mm，脈沖寬度1.2ms，脈沖頻率1.5kHz，重復(fù)3次，光斑能量為高斯分布，輔助氣體為氮?dú)?，氣壓?.7MPa，輔助氣體吹氣角度與工件法向呈60°，吹氣方向指向刀刃方向。

除去熔渣，經(jīng)超聲波清洗后，利用VYKO形貌儀觀察到表面織構(gòu)形貌陣列；所述表面織構(gòu)陣列由8組凹凸復(fù)合形貌陣列等間距組成，每組凹凸復(fù)合形貌陣列間距600微米。

所述每組凹凸復(fù)合形貌陣列由1列凹凸復(fù)合形貌等間距構(gòu)成，列間距70微米；每列由10個(gè)凹凸復(fù)合形貌等間距分布構(gòu)成，列方向與主切削刃垂直，每列相鄰凹凸復(fù)合形貌間距為150微米。

所述凹凸復(fù)合形貌特征在于形貌中心為凹坑，圍繞凹坑具有環(huán)狀凸臺(tái)，距離刀刃近的凸臺(tái)高度高于其他部分凸臺(tái)。

所述凹坑直徑為70微米，凹坑深度為80微米；所述環(huán)狀凸臺(tái)高度為30微米。

上述所有形貌尺寸誤差控制在5微米范圍內(nèi)。

步驟D，在切削加工時(shí)，采用噴霧式濕切削；加工前對(duì)切削液進(jìn)行霧化處理，，霧化后冷卻的潤(rùn)滑液顆粒尺寸約為1微米，流量為5L/min，壓強(qiáng)為0.4MPa，噴嘴直徑為1mm，冷卻距離為20mm，噴霧的方向?qū)?zhǔn)毛細(xì)管的方向。

實(shí)施列二

本實(shí)施例中，刀具選用硬質(zhì)合金刀具，切削材料為鈦合金，切削方式為澆注式。

本實(shí)施方式首選二極管泵浦YAG激光器，通過(guò)對(duì)硬質(zhì)合金刀具材料工作面進(jìn)行激光加工處理，采用澆注式切削方式，由于澆注式切削方式進(jìn)給量比較大，需要在切屑底部主動(dòng)形成更寬更深的毛細(xì)管；由于切削硬質(zhì)鈦合金材料，織構(gòu)陣列尺寸不能完全復(fù)印到切屑底部，形成最佳毛細(xì)管。本發(fā)明技術(shù)特征的實(shí)施包括以下步驟。

本發(fā)明技術(shù)特征的實(shí)施包括以下步驟。

步驟A，刀具表面預(yù)處理；對(duì)刀具工作面進(jìn)行拋光處理，使其表面測(cè)粗糙度Ra小于0.3微米。

步驟B，確定金屬切削刀具的工作表面區(qū)域。本實(shí)施例中，刀具工作表面區(qū)域?yàn)榈毒弑砻媾c切屑接觸區(qū)，距離主切削刃400um處。

步驟C，對(duì)金屬切削刀具粘結(jié)區(qū)和滑移區(qū)進(jìn)行織構(gòu)形貌加工形成織構(gòu)形貌陣列；激光參數(shù)為：功率密度10⁵w/cm²，離焦量1mm，脈沖寬度1.0ms，脈沖頻率2.0kHz，重復(fù)5次，光斑能量為高斯分布，輔助氣體為氮?dú)猓瑲鈮簽?.0MPa，輔助氣體吹氣角度與工件法向呈60°，吹氣方向指向刀刃方向。

除去熔渣，經(jīng)超聲波清洗后，利用VYKO形貌儀觀察到表面織構(gòu)形貌陣列；所述表面織構(gòu)陣列由6組凹凸復(fù)合形貌陣列等間距組成，每組凹凸復(fù)合形貌陣列間距800微米。

所述每組凹凸復(fù)合形貌陣列由3列凹凸復(fù)合形貌緊密相連構(gòu)成；每列由10個(gè)凹凸復(fù)合形貌等間距分布構(gòu)成，列方向與主切削刃垂直，每列相鄰凹凸復(fù)合形貌間距為100微米。

所述凹凸復(fù)合形貌特征在于形貌中心為凹坑，圍繞凹坑具有環(huán)狀凸臺(tái)，距離刀刃近的凸臺(tái)高度高于其他部分凸臺(tái)。

所述凹坑直徑為100微米，凹坑深度為90微米；所述環(huán)狀凸臺(tái)高度為60微米。

上述所有形貌尺寸誤差控制在5微米范圍內(nèi)。

步驟D，在切削加工時(shí)，采用澆注式濕切削；澆注的方向?qū)?zhǔn)毛細(xì)管的方向。