一种易导入仿生构形织构及刀具和设计方法与流程

本发明涉及一种织构构形及刀具和设计方法，更具体地说是仿穿山甲鳞片横向棱纹的剖面形状的织构及刀具和设计方法。

背景技术：

在对各种工件材料进行切削加工过程中，优化刀具几何形状，减少被切削材料对刀具的摩擦，降低切削阻力，提高切削效率，降低生产成本，是人们十分关注的问题。

现代仿生摩擦学的减阻结构研究和实践发现：一些动物，如昆虫、蛇、穿山甲、鲨鱼等动物体表并非是完全光滑的，存在着一种几何非光滑特征，其特点是一定几何形状的微小结构单元随机地或规律地分布于体表某些部位，结构单元形状有沟槽形、凹坑形、凸包形和鳞片形等。摩擦表面并非越光滑则摩擦力越小，这些具有一定非光滑形态的微观表面形貌(表面织构)的表面往往具有更小的摩擦阻力及较强的抗破损能力，而且不同非光滑表面的形态对减摩性能有不同程度的影响。

目前人们所设计的刀具表面织构的形状大多数为三角形，当三角形沟槽的宽度较大时，在刀具前刀面上会产生“二次切削”的现象，反而会使切削阻力增加，达不到降低切削阻力的目的，因此，通过本发明的设计，可以解决三角形织构沟槽当宽度较大时，在刀具前刀面上产生“二次切削”的现象。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种易导入仿生构形织构及刀具和设计方法，以减少刀具前刀面的摩擦、减少了刀-屑之间的摩擦，提高刀具的切削效率，并应用在刀具前刀面表面织构构形的设计中。

通过对仿生对象穿山甲鳞片横向棱纹的剖面形状进行提取，拟合得到其剖面曲线的拟合方程，将拟合方程应用于刀具前刀面表面织构构形的设计；并确定了决定刀具前刀面表面织构构形的主要参数。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

一种易导入仿生构形织构，所述织构的剖面形状为穿山甲鳞片横向棱纹的剖面形状；所述剖面形状由两段线段组成，当x在(0，a)区间，剖面线为抛物线；当x在(0，-b)区间，剖面线为斜线，所述剖面线的方程如下：

上述方程所描述的剖面线如图3所示，图中：

x—为仿生构形织构剖面线的横向坐标；

y—为仿生构形织构剖面线的纵向坐标；

a—为仿生构形织构剖面线中抛物线部分的横向长度；

b—为仿生构形织构剖面线中斜线部分的横向长度；

h—为仿生构形织构剖面线的高度。

所述的易导入仿生构形织构应用在刀具上，构成易导入仿生构形织构刀具。

所述易导入仿生构形织构进行刀具的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、确定好刀具的前角和后角，画出刀具在垂直于主切削刃的正交剖面内的二维剖面图，刀具在正交平面内的剖面由前刀面(切屑流出的面)、后刀面及刀具刀尖组成；

步骤二、在刀具的前刀面1上离刀尖距离c处开始权利要求1所述织构起始点，所述织构的剖面形状采用公式(1)，图中织构沟槽的宽度为w，等于公式(1)中的a+b；织构沟槽的深度为h；织构沟槽的形状由一端抛物线和一段斜线组成。

步骤三、沿刀具前刀面,在距离第一织构沟槽结束点l的位置开始构建同第一织构相同的织构的沟槽—第二个织构沟槽；沿刀具前刀面，在距离第二织构沟槽结束点l的位置开始构建同第一织构相同的织构的沟槽—第三个织构沟槽；如此循环，直至满足所需要的织构的沟槽长度，从而完成刀具的设计。

所设计的刀具前刀面织构剖面如图4所示，图中有关参数如下：

c—织构起始点离刀具刀尖点的距离；

w—织构沟槽的宽度，等于公式中的a+b；

l—相邻织构沟槽间的距离；

h—织构沟槽的深度。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

(1)本发明将所获得的易导入仿生构形织构的形状应用在刀具前刀面的织构设计上，可使刀具前刀面的摩擦减少，切削力下降，切削功率降低。

(2)本发明根据穿山甲鳞片横向棱纹的剖面形状，设计的一种易导入的仿生构形织构，并应用在刀具的前刀面上。通过实验结果可知：所设计的仿生构形织构刀具具有减小切削力的效果，表明所设计的织构构形在与切屑摩擦过程中容易导入，减少了刀-屑之间的摩擦。

附图说明

图1为穿山甲鳞片外貌；

图2为穿山甲鳞片横向棱纹的微观形貌；

图3为易导入仿生构形织构的形状；

图4为所设计的刀具前刀面织构剖面。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明一种易导入仿生构形织构的构形特点是所述仿生织构的构形为穿山甲鳞片横向棱纹的剖面形状。

易导入仿生构形织构的形状如图3所示，并按下式表征：

如图4所示，将所获得的易导入仿生构形织构的形状应用在刀具前刀面的织构设计上，按如下步骤进行：

步骤一、确定好刀具的前角和后角，画出刀具在垂直于主切削刃的正交剖面内的二维剖面图，如4所示，图中1为刀具的前刀面，2为刀具的后刀面；

步骤二、在刀具的前刀面1上离刀尖距离c处开始织构起始点，织构的形状如公式(1)；

步骤三、沿刀具前刀面,在距离第一织构沟槽结束点l的位置开始构建同第一织构相同的织构的沟槽—第二个织构沟槽；沿刀具前刀面，在距离第二织构沟槽结束点l的位置开始构建同第一织构相同的织构的沟槽—第三个织构沟槽；如此循环，直至满足所需要的织构的沟槽长度，从而完成刀具的设计。

本发明实施例，当用yt15硬质合金刀具切削45钢时，当刀具的背吃刀量为0.2mm，切削速度为103m/min时，图4中的织构参数为：w＝30μm，h＝10μm，l＝50μm，c＝100μm。刀具的前角为0°，后角为5°，主偏角为90°。在干切削时其主切削力fz和背向力fp比无织构刀具的切削力分别减小了8.01％和8.59％，达到减小切削力的效果。

总之，本发明可应用于切削刀具前刀面的织构剖面的设计中，使其在用一种合金刀具精加工钢时，使其切削力减少了8％左右，刀具使用寿命提高9％。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种易导入仿生构形织构及刀具和设计方法，其特征是所设计的易导入仿生构形织构的剖面形状为穿山甲鳞片横向棱纹的剖面形状，本发明可应用于切削刀具前刀面的织构剖面的设计中，使其在使用过程中能够获得最低的切削阻力及较高的使用寿命。

技术研发人员：谢峰;韩凤华;雷小宝;耿林
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2017.06.02
技术公布日：2017.09.08