一种微粒刀的制作方法
【专利摘要】一种微粒刀，其特征在于：所述的微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为10nm～1mm。本实用新型的优点在于：微粒刀刀头上的切削刃极细，达到微米级或纳米级，可以实现纳米级的切削加工；微粒刀不需要像传统刀具一样安装在机床主轴上靠主轴的旋转驱动，利用微粒刀的切削装置不需要主轴，结构简单。
【专利说明】—种微粒刀【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于微切削加工的微粒刀。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，工业产品的微型化成为高品质的重要特征，而实现产品微型化转变的关键在于微型零件加工技术水平的提高。
[0003]在目前的多种微型零件加工技术中，微切削是其中的重要手段之一。微切削主要包括微车削、微铣削和微特种加工等。其中，微铣削加工在微结构的制造和材料去除加工中，表现出了很好的发展潜力，它不仅克服了硅微结构法的加工材料单一、无法进行复杂的三维微零件加工的不足，而且加工材料范围广，是实现金属、合金、复合材料、陶瓷、玻璃、硅等多种材料微小型结构件微细加工的有效途径，尤其对于特征尺寸为0.01 μ m~Imm的精密微小零件的加工具有更大的优势。不过，在微铣削过程中，当切削层厚度从数微米到亚微米级时，微铣刀的切削刃受到很大的应力作用，单位面积上产生很大的热量，导致刀尖局部极高的温升，因此，微铣削对所用的铣刀有极高的要求。
[0004]目前，美国、德国、日本等国家相继研制出一系列微铣刀，微铣刀不是传统铣刀在整体尺度或局部特征尺度上的简单缩小，而是针对微铣削的特点和加工机理的一类特种切削刀具。如日本东京电子通讯大学通过抛光方法用单晶金刚石制造出了直径为Φ0.2_的微铣刀；又如德国卡尔斯鲁厄大学通过离子束溅射和激光束成形的方法，采用硬质合金工具钢制造出直径为ΦΙΟΟμπι的微铣刀；再如美国桑迪亚国家实验室和美国路易斯安娜理工大学采用Μ42高速钢和C2硬质合金材料，通过离子束溅射的方法加工得到的微铣刀直径可以达到Φ25μπι。尽管如 此，微铣刀仍存在着加工工艺复杂、制造成本高、产品数量少、使用条件要求苛刻、使用寿命受限等问题，尚不能从根本上满足微切削对于刀具的需求。
实用新型内容
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种可用于微切削加工的结构简单且加工方便的微粒刀。
[0006]本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种微粒刀，其特征在于:所述的微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为IOnm~1mm。
[0007]作为优选，所述的刀头呈凸尖形状，刀本体的外表面上可以只设置有一个所述刀头。所述刀本体可以呈规则的立体几何形状，如球形或椭圆形，也可以为不规则的任意形状。
[0008]为了提高切削效率，作为另一优选，所述的刀头呈凸尖形状，所述刀本体的外表面上可以设置有多个间隔分布的所述刀头。
[0009]为了保持刀头朝下的状态，使得刀头能够始终与切削加工面接触，作为优选，所述刀本体内设置有能使所述刀本体上的刀头始终朝下偏转的配重块。[0010]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:微粒刀本体的外表面设置有刀头，刀头尺寸范围在IOnm?Imm (微米级或纳米级)，刀头上的切削刃极细，可以实现纳米级的切削加工；微粒刀整体结构简单、方便加工制造；微粒刀不需要像传统刀具一样安装在机床主轴上靠主轴的旋转驱动，因此，利用微粒刀的切削装置不需要主轴，结构简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型实施例的微粒刀结构示意图。
[0012]图2为图1所示微粒刀的立体剖视图。
[0013]图3为采用如图1所示微粒刀的切削装置。
[0014]图4为本实用新型实施例的微粒刀受力分析图。
[0015]图5为本实用新型实施例的微粒刀在射流作用下的有效作用面积计算图。
[0016]图6为本实用新型实施例的切削装置的喷头剖视图。
[0017]图7为图6所示喷头的仰视图。
[0018]图8为本实用新型实施例采用另一种微粒刀结构的切削装置。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
[0020]本实施例涉及一种微切削刀具和微切削技术，与普通切削不同，在微切削时，吃刀深度通常为微米级到纳米级，而一般材料的晶粒大小为数微米，这就意味着微切削是在晶粒内部进行的，切削过程是在切削一个一个的晶粒，这势必导致单位面积上的切削应力急剧增大，从而在切削刃的单位面积上产生极大的热量，使刀尖处的温度升高，处于高温、高应力的工作状态。
[0021]为了解决上述微切削过程中的问题，如图1?图8所示，本实施例提出了一种新型的切削装置，该切削装置包括有微粒刀、切削工作台3、位于该工作台3上方的微射流喷头4和为微射流喷头4提供喷射液体的液压装置，微射流喷头4开设有喷射腔，喷射腔的顶部设置有入液口，入液口连接液压装置的出液管路，喷射腔的底部设置有喷射口，该喷射口形成环形流，微粒刀I的外径与该环形流的内径相适配；微射流喷头4包括有喷座41和喷嘴42，喷座41开设有沿轴向贯穿的通孔411，喷嘴42连接于喷座41的底部，喷嘴42在对应通孔的位置开设有多个沿周向呈环形分布的喷射小孔421。
[0022]本实施例的切削装置是采用微粒刀为刀具进行切削加工，如图1、图2所示，该微粒刀I包括有刀本体11和刀头12，刀头12呈凸尖形状，刀本体11的外表面上可以设置有一个或多个间隔分布的刀头12 ;刀本体11的几何尺寸一般设置为毫米级或微米级，作为优选，可以选择尺寸范围在20μπι?IOmm之间，刀头12外凸地设置于刀本体11的外表面上，刀头12的几何尺寸要小于刀本体11的几何尺寸，刀头12的几何尺寸范围优选地在IOnm?Imm的微米级或纳米级。本实施例微粒刀的刀本体可以为规则立体几何形状结构，如球形或椭圆形等；本实施例微粒刀的刀本体也可以为不规则的其他立体几何形状，如图8所示刀本体I’即呈非规则的晶体结构。
[0023]其中，微粒刀1、微射流喷头4和切削工作台3之间可以有以下几种运动方式:第一种，微射流喷头4为固定设置，微粒刀I固定容置于微射流喷头4内，切削工作台3可相对于微射流喷头4做直线移动；第二种，切削工作台3为固定设置，微粒刀I固定容置于微射流喷头4内，微射流碰头4可相对于切削工作台3做直线移动；第三种，微粒刀I固定容置于微射流喷头4内，微射流喷头4和切削工作台3同时沿相反方向做直线移动；第四种，切削工作台3为固定设置，微粒刀I做旋转运动，微射流喷头4做直线移动；第五种，微粒刀I做旋转运动，微射流喷头4固定设置，切削工作台3可相对于微射流喷头4做直线移动；第六种，微粒刀I做旋转运动，微射流喷头4和切削工作台3同时沿相反方向做直线移动。
[0024]当采用上述第一种、第二种和第三种运动方式时，微粒刀的刀本体11内设置有配重块2，该配重块2能使刀本体11上的刀头12始终朝下偏转并与切削加工面相接触，工作时，以液体为介质，微射流喷头的喷嘴形成环形流，该环形流作用于微粒刀的表面，在微粒刀表面产生了向内的水平分力和向下的垂直分力，向内的水平分力对微粒刀具有“钳制”作用，会像镊子一样牢牢地“钳”住位于微射流喷头下方的微粒刀；向下的垂直分力和配重块共同作用于微粒刀，使刀头12始终朝下，当切削工作台与微射流喷头发生相对运动时，可以实现对工件的切削。 [0025]当采用上述第四种、第五种和第六种运动方式时，要实现微粒刀在水势阱中的旋转，微粒刀必须受到一个转矩的作用，为此，可以将微粒刀置于待加工材料表面，水射流的对称中心线偏离微粒刀的回转中心，始终保持微粒刀的一部分与射流水束接触、另一部分不接触，我们将接触部分称为作用区，作用区受到水束的压力作用，未接触的区域不受压力作用，压力为零，由于压差的存在，便产生了旋转力矩，使微粒刀具有了旋转的可能性；当微粒刀的重心线与射流中心线重叠，并且射流与微粒刀重心线两侧的接触面积相等时，由于压力对称分布，不会对微粒刀产生净力矩，微粒刀不会在水势阱中发生旋转；当微粒刀重心线与射流中心线不重叠时，即微粒刀的重心线偏离微射流喷头的中心线设置，水势阱中的微粒刀两侧存在压力差，压力差在微粒刀上产生旋转力矩，微粒刀便可以绕其轴线旋转。于是，微粒刀受转矩作用旋转，当微射流喷头同时做水平移动时，微粒刀微粒刀便可以一边移动一边旋转，通过工作台和微射流喷头二者之间的相对运动完成对工件的切削。
[0026]具体地，当微粒刀I和切削工作台3采用第四种、第五种和第六种工作方式时，要
实现微粒刀的旋转，微粒刀和微射流喷头之间还需要满足如下初始条件:
[0027]
Ε + Λ]>_^
[i2g J sm0-f
< f < sin θ
0<θ< 90;
O < k < 0.5
[0028]其中，上式中k为作用系数；r为所述微粒刀的重心到微射流在该微粒刀作用点之间的距离；P为微射流液体的密度；Vo为微射流在微射流喷头的喷射口处的速度；g为重力加速度；h为微射流喷头的底部到微射流与微粒刀接触点的高度；f为静摩擦系数;m为微粒刀的质量；Θ为微射流对微粒刀垂直分力的作用点到圆心的连线与微粒刀的垂直方向外径之间的夹角。
[0029]上述初始条件通过以下力学分析推导获得:设定微粒刀形状为类球体，取微粒刀为研究对象，受力分析如图4所示；
[0030]静止时，微粒刀处于平衡状态，由:
[0032]得:
【权利要求】
1.一种微粒刀，其特征在于:所述的微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为IOnm?1mm。
2.根据权利要求1所述的微粒刀，其特征在于:所述的刀头呈凸尖形状，所述刀本体的外表面上设置有一个所述刀头。
3.根据权利要求1所述的微粒刀，其特征在于:所述的刀头呈凸尖形状，所述刀本体的外表面上设置有多个间隔分布的所述刀头。
4.根据权利要求2所述的微粒刀，其特征在于:所述刀本体内设置有能使所述刀本体上的刀头始终朝下偏转的配重块。
【文档编号】B23D79/00GK203437759SQ201320466124
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年7月31日 优先权日:2013年7月31日
【发明者】程晓民, 程鸿, 杜晶晶, 王明军 申请人:宁波工程学院