技术领域
[0001] 本
发明属于刀具表面技术领域，特别涉及一种仿蜣螂鞘翅表面的仿生微结构键槽拉刀及其制备方法。
背景技术
[0002] 拉削加工是
机械加工作业的一种形式，拉刀则是拉削加工的关键部件，拉削时拉刀使被加工表面一次切削成形。拉床只有主运动，没有进给运动。拉削加工因其切削运动平稳和较高的加工
精度，被广泛应用于
汽车、航空航天等关键零部件的加工。但是现阶段，在拉刀进行拉削加工时，普遍存在拉削负载较大，刀齿容易被
工件和切屑碰伤甚至挤坏，刀尖易产生积屑瘤，影响加工精度等问题。如何解决上述存在的问题成为了推动拉削产业转型升级的关键，因此，研制一种能够降低拉削负载、提高使用寿命的新型拉刀，对拉削刀具行业的发展有着十分重要的意义。
[0003] 目前，在相关领域内仿生微结构键槽拉刀及其制备方法的研究十分有限，如
申请号为201610394048.4的
专利公开了一种仿螳螂口器上颚构型的拉刀及其制备方法。在拉刀刀齿的顶面开设凹槽，刀具头刀齿部分的齿升量呈等差数列分布，且刀具头的刀齿表面致
密度和硬度均大于内部。通过模仿螳螂上颚三维曲面模型，得到螳螂上颚的面积梯度，利用激光雕刻和高压电脉冲放电技术加工了优化结构，最终优化了拉刀的切削性能。但是该成型拉刀仅仅从拉刀结构(齿升量和梯度)方面进行优化，忽略了对微结构对拉刀的优化作用，相关技术有待进一步改进。申请号为201610993902.9的专利公开了一种
后刀面具有仿贝壳表面形貌的织构拉刀与制备方法。结合贝壳表面凹凸规律与体表放射肋条特征尺寸参数与拉刀实际尺寸，利用激光打标机在拉刀后刀面开设仿贝壳表面的凹型织构槽和V型槽，降低了切削负载，提高了刀具可靠性和寿命。但是此发明开设微结构的部位在拉刀的后刀面，而拉削过程中影响拉削负载最严重的部位出现在拉刀的前刀面，因此，在拉刀后面开设微结构并非最佳效果，无法发挥微结构对拉削性能起到的最佳有益性。且其它
生物的仿生效果有待进一步开发。
发明内容
[0004] 本发明针对现有拉刀拉削过程中刀齿前刀面与切屑存在严重的
挤压、摩擦和磨损作用，难以实时加以调控的不足，提供了一种前刀面仿蜣螂鞘翅表面的仿生微结构新型键槽拉刀及其制备方法。该发明是一种将蜣螂鞘翅表面微结构具有的润滑减阻、
散热冷却和防粘附特点应用于拉刀的设计与制备方法；是一种在前刀面上开设仿蜣螂鞘翅表面“规律性凹坑状”微结构以实现刀尖-切屑之间润滑减阻的刀具设计；是一种利用微结构调控切屑流向的刀具设计；是一种利用微结构调控刀尖表面散热冷却的刀具设计；是一种利用表面微结构降低微切屑和
切削液混合物对刀尖粘附能
力的刀具设计；是一种集成单点金刚石刀尖、刀尖超声振动驱动，工件微米级精密驱动和仿生微结构拓扑设计于一体的智能制备方法。
[0005] 本发明仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀，采用的材料为高速
钢，在粗拉区和半精拉区内的每一个刀齿前刀面分别开设m排×n列仿生微结构，m≥2，n≥10。所述的仿生微结构由中心倒圆台凹坑和沿中心倒圆台凹坑周向均布的多个边界倒圆台凹坑组成，所有边界倒圆台凹坑的
侧壁均与中心倒圆台凹坑的侧壁连通；所有边界倒圆台凹坑的顶面中心均位于中心倒圆台凹坑的顶面边沿所在圆周上；中心倒圆台凹坑的横截面两条斜边之间的夹
角θmax和边界倒圆台凹坑的横截面两条斜边之间的夹角θmin均为90°，中心倒圆台凹坑的底面直径dmax和边界倒圆台凹坑的底面直径dmin均为0.05mm，中心倒圆台凹坑的高度hmax满足0.05mm≤hmax≤0.1mm，边界倒圆台凹坑的高度hmin满足0.01mm≤hmin≤0.05mm。
[0006] 同一排相邻中心倒圆台凹坑的中心距l1＝1mm，同一列相邻中心倒圆台凹坑的中心距l2＝0.5mm。最靠近刀刃的中心倒圆台凹坑的中心到刀刃的距离lmin2＝0.4mm，最靠近刀齿侧面的中心倒圆台凹坑的中心与刀齿侧面A4的距离lmin1＝0.5mm。
[0007] 该仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀的制备方法，具体如下：
[0008] 步骤一、首先，通过光学
三维扫描系统对蜣螂鞘翅表面进行扫描，得到蜣螂鞘翅表面局部信息图像，进而得到蜣螂鞘翅表面局部区域的三维坐标点集；使光学三维扫描系统的测量头与物体相对移动，拍摄多角度的蜣螂鞘翅表面局部信息图像，将多角度的蜣螂鞘翅表面局部区域的三维坐标点集输入同一
坐标系中，形成完整的蜣螂鞘翅表面局部点
云数据。然后，光学三维扫描系统对蜣螂鞘翅表面局部点云数据进行网格计算，得到蜣螂鞘翅表面的局部网格曲面模型数据，并保存至“.STL”格式文件输出。
[0009] 步骤二、将“.STL”格式文件导入计算机中生成蜣螂鞘翅表面的局部网格曲面模型，并在蜣螂鞘翅表面的局部网格曲面模型中截取蜣螂鞘翅表面微结构分析模型，然后对蜣螂鞘翅表面微结构分析模型进行分析得到蜣螂鞘翅表面微结构排列规律，选取m排×n列蜣螂鞘翅表面微结构形成仿生微结构对照阵列，并测得仿生微结构对照阵列中各中心微结构和边界微结构的顶面直径，m≥2，n≥10。
[0010] 步骤三、通过线锯切割加工拉刀外形，然后进行精磨。
[0011] 步骤四、制作单点金刚石刀具的刀柄，采用天然金刚石制作单点金刚石刀具的刀尖，刀尖纵截面呈底面直径d2为0.05mm、高度为0.5mm的倒圆台形，刀尖纵截面的两斜边夹角θ2呈90°，将单点金刚石刀具的刀柄和单点金刚石刀具的刀尖进行
焊接，制成单点金刚石刀具。
[0012] 步骤五、在拉刀粗拉区和半精拉区的每个刀齿前刀面开设m排×n列仿生微结构，仿生微结构由中心倒圆台凹坑和沿中心倒圆台凹坑周向均布的s个边界倒圆台凹坑组成，s≥10；同个仿生微结构中，各边界倒圆台凹坑的侧壁均与中心倒圆台凹坑的侧壁连通，各边界倒圆台凹坑的顶面中心均位于中心倒圆台凹坑的顶面边沿所在圆周上。其中，各中心倒圆台凹坑的顶面直径Dmax分别取仿生微结构对照阵列中排号和列号相同的那个中心微结构的顶面直径，每个中心倒圆台凹坑外沿的各边界倒圆台凹坑顶面直径Dmin均取仿生微结构对照阵列中排号和列号相同的那个中心微结构外沿的各边界微结构顶面直径的平均值。
[0013] 各中心倒圆台凹坑的开设过程具体如下：
[0014] 首先，三轴运动滑台带动刀齿待加工
位置与单点金刚石刀具的刀尖
接触。
[0015] 然后，根据待加工位置的中心倒圆台凹坑顶面直径Dmax计算单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmax：
[0016]
[0017] 最后，计算机控制
信号发生器
输出电压低于5V的电平
电信号，功率
放大器对电平电信号进行功率放大并作用于激振器，激振器进行往复振动。激振器的振动力通过单点金刚石刀具的刀柄传送至单点金刚石刀具的刀尖，对拉刀前刀面进行往复的振动压印；同时，单点金刚石刀具刀尖上的位移
传感器反馈单点金刚石刀具刀尖的振幅；通过动态信号采集器将采集到的振幅
信号传输至计算机，计算机将振幅信号转换为具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmax比较，并以0.1V为步长逐渐提高信号发生器输出的电平电信号，直到振幅信号转换成的具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmax差值小于0.001mm时，中心倒圆台凹坑加工完成。
[0018] 各边界倒圆台凹坑的开设过程具体如下：
[0019] 首先，三轴运动滑台带动刀齿待加工位置与单点金刚石刀具的刀尖接触。
[0020] 然后，根据待加工位置的边界倒圆台凹坑顶面直径Dmin计算单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmin：
[0021]
[0022] 最后，计算机
控制信号发生器输出电压低于5V的电平电信号，
功率放大器对电平电信号进行功率放大并作用于激振器，激振器进行往复振动。激振器的振动力通过单点金刚石刀具的刀柄传送至单点金刚石刀具的刀尖，对拉刀前刀面进行往复的振动压印；同时，单点金刚石刀具刀尖上的位移传感器反馈单点金刚石刀具刀尖的振幅；通过动态信号采集器将采集到的振幅信号传输至计算机，计算机将振幅信号转换为具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmin比较，并以0.1V为步长逐渐提高信号发生器输出的电平电信号，直到振幅信号转换成的具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmin差值小于0.001mm时，边界倒圆台凹坑加工完成。
[0023] 步骤六、对经过步骤五后的拉刀进行
热处理。
[0024] 所述光学三维扫描系统的型号为ATOS Compact Scan 5M。
[0025] 所述单点金刚石刀具的刀柄采用钨钢材质。
[0026] 本发明的有益效果在于：在拉刀前刀面开设了一定间距、深度、直径的“凹坑状”仿生微结构，可以优化拉刀的切削性能，减小切削负载，达到保护刀具、减小拉刀磨损、提高拉刀使用寿命的目的。
附图说明
[0027] 图1-1为本发明拉刀的立体结构示意图。
[0028] 图1-2为本发明拉刀各个面的标注示意图。
[0029] 图1-3为本发明拉刀切削角的标注示意图。
[0030] 图2-1为蜣螂鞘翅表面形貌示意图。
[0031] 图2-2为图2-1中B2部分的放大图。
[0032] 图2-3为图2-2中B3部分的放大图。
[0033] 图3-1为本发明拉刀的切削力方向示意图。
[0034] 图3-2为拉刀前刀面仿生微结构的布置示意图。
[0035] 图3-3为图3-2中B4部分的放大图。
[0036] 图3-4为图3-3中的E-E剖视图。
[0037] 图4为本发明拉刀前刀面仿生微结构加工示意图。
[0038] 图5-1为本发明拉刀前刀面仿生微结构的减阻耐磨原理示意图。
[0039] 图5-2为本发明拉刀前刀面仿生微结构的切削导向原理示意图。
[0040] 图5-3为本发明拉刀前刀面仿生微结构的散热原理示意图。
[0041] 图6-1为在拉刀前刀面开设“沟槽状”微结构的示意图。
[0042] 图6-2为图6-1中的C-C剖视图。
[0043] 图6-3为本发明拉刀与普通拉刀的拉削负载对比图。
[0044] 图6-4为本发明拉刀与后刀面开设仿生微结构拉刀的拉削负载对比图。
[0045] 图6-5为本发明拉刀与前刀面开设“沟槽状”微结构拉刀的拉削负载对比图。
具体实施方式
[0046] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0047] 如图1-1、1-2和1-3所示，本发明仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀，采用的材料为
高速钢(W6Mo5Cr4V2)，拉刀具体尺寸为：总长度为600mm，齿宽b1为16mm，前刀面宽度b2为2mm，齿数为50。刀齿前角γ0为12°，后角α0为6°，齿距p为6mm。前40个刀齿为粗拉区L1，其齿升量δi为0.04mm，第41～45个刀齿为半精拉区L2，其齿升量δi为0.01mm，第46～50个刀齿为精拉区L3，其齿升量δi为0mm。刀齿包括前刀面A1、后刀面A3和刀刃A2，在粗拉区L1和半精拉区L2内的每一个刀齿前刀面A1分别开设2排×16列仿生微结构。
[0048] 如图3-1、3-2、3-3和3-4所示，仿生微结构由中心倒圆台凹坑和沿中心倒圆台凹坑周向均布的多个边界倒圆台凹坑组成，所有边界倒圆台凹坑的侧壁均与中心倒圆台凹坑的侧壁连通；所有边界倒圆台凹坑的顶面中心均位于中心倒圆台凹坑的顶面边沿所在圆周上；中心倒圆台凹坑的横截面两条斜边之间的夹角θmax和边界倒圆台凹坑的横截面两条斜边之间的夹角θmin均为90°，中心倒圆台凹坑的底面直径dmax和边界倒圆台凹坑的底面直径dmin均为0.05mm，中心倒圆台凹坑的高度hmax满足0.05mm≤hmax≤0.1mm，边界倒圆台凹坑的高度hmin满足0.01mm≤hmin≤0.05mm，中心倒圆台凹坑的顶面直径Dmax＝dmax+2hmax·tan(θmax/2)，边界倒圆台凹坑的顶面直径Dmin＝dmin+2hmin·tan(θmin/2)。本
实施例中，同一排相邻中心倒圆台凹坑的中心距l1＝1mm，同一列相邻中心倒圆台凹坑的中心距l2＝0.5mm，中心倒圆台凹坑的高度hmax为0.1mm，边界倒圆台凹坑的高度hmin为0.01mm。最靠近刀刃的中心倒圆台凹坑的中心到刀刃的距离lmin2＝0.4mm，最靠近刀齿侧面的中心倒圆台凹坑的中心与刀齿侧面A4的距离lmin1＝0.5mm，中心倒圆台凹坑的顶面直径Dmax＝0.25mm。
[0049] 该仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀的制备方法，具体如下：
[0050] 步骤一、首先，通过ATOS Compact Scan 5M光学三维扫描系统对蜣螂鞘翅表面进行扫描，得到蜣螂鞘翅表面局部信息图像，如图2-1、2-2和2-3所示，图2-3中v1为蜣螂前进方向(也是图3-1中拉刀的切削力方向)，进而得到蜣螂鞘翅表面局部区域的三维坐标点集(点云)；使光学三维扫描系统的测量头与物体相对移动，拍摄多角度的蜣螂鞘翅表面局部信息图像，将多角度的蜣螂鞘翅表面局部区域的三维坐标点集输入同一坐标系中，形成完整的蜣螂鞘翅表面局部点云数据。然后，ATOS Compact Scan 5M光学三维扫描系统对蜣螂鞘翅表面局部点云数据进行网格计算，得到蜣螂鞘翅表面的局部网格曲面模型数据，并保存至“.STL”格式文件输出。
[0051] 步骤二、将“.STL”格式文件导入计算机中生成蜣螂鞘翅表面的局部网格曲面模型，并在蜣螂鞘翅表面的局部网格曲面模型中以面积为16mm×2mm的矩形框截取蜣螂鞘翅表面微结构分析模型，然后对蜣螂鞘翅表面微结构分析模型进行分析得到蜣螂鞘翅表面微结构排列规律呈较为规则的类似阵列排布，如图2-2和2-3所示，且每一个蜣螂鞘翅表面微结构为中心微结构周围围绕着若干边界微结构，因此，选取m排×n列蜣螂鞘翅表面微结构形成仿生微结构对照阵列，并测得仿生微结构对照阵列中各中心微结构和边界微结构的顶面直径，本实施例中m＝2，n＝16。
[0052] 步骤三、通过线锯切割加工拉刀外形，然后进行精磨，使刀齿各参数满足设计要求。
[0053] 步骤四、如图4所示，采用钨钢制作单点金刚石刀具的刀柄，采用天然金刚石制作单点金刚石刀具的刀尖，刀尖纵截面呈底面直径d2为0.05mm、高度为0.5mm的倒圆台形，刀尖纵截面的两斜边夹角θ2呈90°，将单点金刚石刀具的刀柄和单点金刚石刀具的刀尖进行焊接，制成单点金刚石刀具。
[0054] 步骤五、如图3-1、3-2、3-3和3-4所示，在拉刀粗拉区和半精拉区的每个刀齿前刀面开设m排×n列仿生微结构，仿生微结构由中心倒圆台凹坑和沿中心倒圆台凹坑周向均布的s个边界倒圆台凹坑组成，本实施例中s＝10；同个仿生微结构中，各边界倒圆台凹坑的侧壁均与中心倒圆台凹坑的侧壁连通，各边界倒圆台凹坑的顶面中心均位于中心倒圆台凹坑的顶面边沿所在圆周上。其中，各中心倒圆台凹坑的顶面直径分别取仿生微结构对照阵列中排号和列号相同的那个中心微结构的顶面直径，每个中心倒圆台凹坑外沿的各边界倒圆台凹坑顶面直径均取仿生微结构对照阵列中排号和列号相同的那个中心微结构外沿的各边界微结构顶面直径的平均值。如图4所示，各中心倒圆台凹坑的开设过程具体如下：
[0055] 首先，三轴运动滑台带动刀齿待加工位置与单点金刚石刀具的刀尖接触。
[0056] 然后，根据待加工位置的中心倒圆台凹坑顶面直径Dmax计算单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmax：
[0057]
[0058] 最后，计算机控制信号发生器输出电压低于5V的电平电信号，功率放大器对电平电信号进行功率放大并作用于激振器，激振器进行往复振动。激振器的振动力通过单点金刚石刀具的刀柄传送至单点金刚石刀具的刀尖，对拉刀前刀面进行往复的振动压印；同时，单点金刚石刀具刀尖上的位移传感器反馈单点金刚石刀具刀尖的振幅；通过动态信号采集器将采集到的振幅信号传输至计算机，计算机将振幅信号转换为具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmax比较，并以0.1V为步长逐渐提高信号发生器输出的电平电信号，直到振幅信号转换成的具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmax差值小于0.001mm时，中心倒圆台凹坑加工完成。
[0059] 各边界倒圆台凹坑的开设过程具体如下：
[0060] 首先，三轴运动滑台带动刀齿待加工位置与单点金刚石刀具的刀尖接触。
[0061] 然后，根据待加工位置的边界倒圆台凹坑顶面直径Dmin计算单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmin：
[0062]
[0063] 最后，计算机控制信号发生器输出电压低于5V的电平电信号，功率放大器对电平电信号进行功率放大并作用于激振器，激振器进行往复振动。激振器的振动力通过单点金刚石刀具的刀柄传送至单点金刚石刀具的刀尖，对拉刀前刀面进行往复的振动压印；同时，单点金刚石刀具刀尖上的位移传感器反馈单点金刚石刀具刀尖的振幅；通过动态信号采集器将采集到的振幅信号传输至计算机，计算机将振幅信号转换为具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmin比较，并以0.1V为步长逐渐提高信号发生器输出的电平电信号，直到振幅信号转换成的具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmin差值小于0.001mm时，边界倒圆台凹坑加工完成。
[0064] 步骤六、对经过步骤五后的拉刀进行热处理，提高拉刀的硬度和
耐磨性。
[0065] 如图5-1所示，为本发明拉刀前刀面开设的由中心倒圆台凹坑和边界倒圆台凹坑组成的仿生微结构减阻耐磨原理示意图。本发明在拉刀前刀面开设了仿生微结构后，在润滑切削时，仿生微结构可以存储碎屑，减少了碎屑与拉刀前刀面之间的刮擦，减少了拉刀的磨损，同时增加了润滑液与前刀面之间的接触角θ3，使润滑液更易包覆碎屑，从而减少了两者之间的接触摩擦。
[0066] 如图5-2所示，为本发明拉刀前刀面的仿生微结构切屑导向原理示意图。本发明在拉刀前刀面开设仿生微结构后，减少了切屑与拉刀前刀面之间的接触面积以及接触长度，使切屑更加容易产生卷曲，便于排屑。并且在更短的接触接触内产生的接触压力F’更小。
[0067] 如图5-3所示，为本发明拉刀前刀面的仿生微结构散热原理示意图。本发明在拉刀前刀面开设仿生微结构后，增加了拉刀前刀面的散热面积，并且空气在仿生微结构中容易形成气旋，加快热量的散发，使拉削过程中产生的切削热更加容易散出，改善了拉刀的散热情况。
[0068] 如图6-3、6-4和6-5所示，在相同工况下，本发明拉刀与普通拉刀、后刀面开设和本发明相同规格仿生微结构的拉刀、前刀面开设“沟槽状”微结构的拉刀的拉削负载F随时间变化的对比图。可以明显看出，本发明拉刀相较于普通拉刀具有明显的降载效果，并且降载效果优于在后刀面开设仿生微结构及在前刀面开设“沟槽状”微结构。图6-1和6-2所示为在拉刀前刀面上开设的“沟槽状”微结构示意图，共2排×16列“沟槽状”微结构，每排“沟槽状”微结构的中心距l’2＝1mm，每列“沟槽状”微结构的中心距l’1＝1mm，每个“沟槽状”微结构的宽度b’＝0.1mm，长度l’＝0.4mm，深度h’＝0.1mm。最靠近刀刃的“沟槽状”微结构中心与刀刃之间的距离l’min2＝0.4mm，最靠近刀齿侧面的“沟槽状”微结构中心与刀齿侧面A4之间的距离l’min1＝0.5mm。
