一种超疏水仿生数控加工刀具制备方法与流程

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别涉及一种超疏水仿生数控加工刀具制备方法。

背景技术：

金属切削加工作为机械制造业的关键部分，其发展的总趋势是高速高效、高精度、高柔性、智能和绿色化。在切削加工中使用切削液对提高加工效率和改善工件表面质量具有重要作用，但切削液在制造、使用、处理和排放对环境、操作者有一定负面影响；高速干切削技术的诞生无疑在源头上解决了切削液负面影响问题，刀具性能对切削加工的效率、精度和表面质量有着决定性的影响。虽然采用高速干切削技术已成为现代制造业发展的必然途径，但由于实际高速干切削加工中缺少切削液的润滑和冷却作用，导致刀具与工件的摩擦加剧、切削温度升高、排屑不畅，极易引起刀具寿命下降及工件加工表面质量恶化；因此开发性能优异、高可靠性、高寿命的新型干切削刀具成为重要而亟待解决的难题。

近年来，摩擦学与仿生学研究表明，表面织构(surfacetexturing)可以减小摩擦、抗粘结和提高耐磨性，这给切削刀具减摩抗磨带来了新的研究方向。荷叶“出淤泥而不染”、露珠在玫瑰花瓣表面极易滚落，蜻蜓等昆虫的复眼上布满水珠等这些现象都引起了科研工作者的广泛关注，为此人们对其进行了长时间的大量、深入研究，以便在工业生产中实现仿生表面的研发和大规模制备及应用，在模仿自然的基础上超越自然。

金属切削过程中，刀具与工件材料之间发生着强烈的摩擦接触作用，形成了刀具前刀面-切屑(刀-屑)和后刀面-工件已加工表面(刀-工)两个方面的摩擦。切削中的摩擦对切削加工过程有着重要影响，尤其是在高速切削难加工材料时，刀-屑间的摩擦更加剧烈，切削区温度更高，对切削过程影响更大。这种剧烈的摩擦不仅导致刀具寿命降低、更换刀具费时费力，同时也会降低工件已加工表面质量。因此，目前迫切需要设计一种可以有效减少和降低刀具与工件之间摩擦接触的刀具结构。一种可行的设计方法就是在刀具前刀面和后刀面加工两段式超疏水微观形态并充分利用具有润滑作用的涂层以达到降低刀-屑、刀-工两个摩擦副摩擦系数和磨损的目的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种超疏水仿生数控加工刀具制备方法。

本发明通过以下方式实现：

一种超疏水仿生数控加工刀具，其特征是刀具前刀面和后刀面具备微突起和微凹槽组成的两段式微观形态、刀尖圆弧半径处拥有锯齿状纳织构、并超音速火焰喷涂硬质颗粒包覆固体润滑剂涂层；采用纳秒激光加工技术在刀具前刀面和后刀面制备由微突起和微凹槽组成的两段式微观形态，以减小刀-屑接触面积、减轻刀具与切屑之间的摩擦，收纳硬质磨粒；同时，为使刀尖切入工件更加平缓无阻力，采用飞秒激光加工技术在刀尖圆弧半径处加工间距约为300-400nm，深度约为100-150nm锯齿状纳织构；然后采用超音速火焰喷涂技术将硬质颗粒包覆固体润滑剂粉末配置成悬浮液涂覆于刀具微观形态表面，达到超疏水与减摩双重效应。

制备上述超疏水仿生数控加工刀具的工艺步骤为。

(1)选择刀具材料包括：sg4陶瓷车刀(成分为重量百分比45%氧化铝+55%tic)、yt15硬质合金车、铣刀(成分为重量百分比79%wc+15%tic+6%co)、yg6硬质合金车、铣刀(成分为重量百分比94%wc+6%co)等。

(2)两段式微观形态加工：微观形态加工位置分别位于刀具前刀面1和后刀面2处，如图1所示，两段式微观形态的局部放大图及结构示意图如图2和图3所示。针对陶瓷刀具而言，采用纳秒激光加工技术在刀具前刀面和后刀面加工由微突起和微凹槽组成的两段式超疏水微观形态；加工参数为：泵浦电压12-19v，输出功率5-13w，扫描速度5-10mm/s，脉冲频率6-10hz，扫描1-3遍。针对硬质合金刀具而言，为获得批量生产的目的，首先，用皮秒激光在模具钢表面制备微米级凹坑和突拱，获得反荷叶形态，加工参数为：能量密度2-4j/cm²，重复频率100-200khz，单次曝光时间0.4-0.8ms，重复次数6-10；然后，采用电解加工方法，将模具钢上的反荷叶形态完整复制在硬质合金刀具前刀面和后刀面，以获得由微突起和微凹槽组成的两段式超疏水微观形态，电解加工参数如下：脉冲宽度14-20ms、脉冲间隔6-8ms、电压20-25v、电流10-40a，加工间隙0.1-0.3mm。

(3)锯齿状纳织构加工：纳织构加工位置位于刀尖圆弧半径3处，如图1所示；纳织构的局部放大图如图3所示。采用飞秒激光加工技术在刀尖圆弧半径处加工锯齿状纳织构；加工参数为：单脉冲能量1.5-3µj，扫描速度100-1000µm/s，扫描1-2遍。

(4)固体润滑剂涂层：将固体润滑剂与硬质颗粒以一定比例混合，或者将固体润滑剂包覆于硬质颗粒内部，利用超音速火焰喷涂系统，在刀具前刀面和后刀面喷涂具有自润滑作用的涂层；超音速火焰喷涂参数为：送料电压6bar，氧气流量300-800l/min，氢气流量500-1500l/min，喂料速度20-80ml/min，喷枪距离刀具60-100mm，夹持刀具的旋转盘转速73rpm，喷枪垂直方向移动速度5mm/s，喷射角度90°。

本发明通过上述工艺制备的超疏水仿生数控加工刀具，具有较小的摩擦因数和高的寿命。可用于切削奥氏体不锈钢(lcrl8ni9ti)、冷作模具钢(crl2mov)、马氏体不诱钢(lcrl3)、镍基合金inconel-718、ti6a14v合金等难加工材料。

附图说明

图1为本发明的超疏水仿生数控加工刀具结构示意图，其中：1为刀具前刀面距离主、副切削刃150µm处加工的两段式超疏水微观形态，2为刀具后刀面距离主、副切削刃150µm处加工的两段式超疏水微观形态，3为刀尖圆弧半径处纳织构；图2为由微突起和微凹槽组成的两段式超疏水微观形态局部放大图；图3为单个两段式超疏水微观形态结构示意图，其中：1为微突起，2为微凹槽；图4为刀尖圆弧半径处纳织构的局部放大图；图5为超音速火焰喷涂的质量百分比99%氧化铝+1%石墨烯润滑剂悬浮液涂层微观组织照片。

具体实施方式

下面给出本发明的两个最佳实施例。

实施例一：刀具材料为sg4陶瓷车刀(成分为重量百分比45%氧化铝+55%tic)。首先，采用纳秒激光在刀具前刀面和后刀面距离主、副切削刃150µm处加工由微突起和微凹槽组成的两段式超疏水微观形态；加工参数为：泵浦电压19v，扫描速度5mm/s，重复频率6hz，扫描1次；对应微织构突起间距为40-60µm，高度约为40-50µm。然后，采用飞秒激光在刀尖圆弧半径处加工锯齿状纳织构；加工参数为：单脉冲能量1.75µj，扫描速度500µm/s，扫描1次；对应纳织构间距约为300-400nm，深度约为100-150nm。最后，用超音速火焰喷涂技术将质量百分比99%氧化铝+1%石墨烯粉末配置成固体质量占比为10%的悬浮液，喷涂在具有两段式超疏水微观形态的硬质合金刀具前刀面和后刀面，喷涂后的涂层微观组织照片如图4所示；超音速火焰喷涂参数为：送料电压6bar，氧气流量350l/min，氢气流量600l/min，喂料速度30ml/min，喷枪距离刀具85mm，夹持刀具的旋转盘转速73rpm，喷枪垂直方向移动速度5mm/s，喷射角度90°，喷枪垂直移动次数为8-10，涂层厚度约为8-10µm。

实施例二：刀具材料为硬质合金类刀具，如yt15硬质合金车、铣刀(成分为重量百分比79%wc+15%tic+6%co)、yg6硬质合金车、铣刀(成分为重量百分比94%wc+6%co)等。首先，用皮秒激光在h13模具钢(4cr5mosiv)表面制备微米级凹坑和突拱，获得10mm×10mm的反荷叶形态，将该结构用于两段式超疏水微观形态加工模板；加工参数为：能量密度2.1j/cm²，重复频率100khz，单次曝光时间0.5ms、0.6ms、0.7ms，重复次数6-10。然后，采用电解加工方法，将模具钢上的反荷叶结构完整复制在硬质合金刀具前刀面和后刀面，以获得距离主、副切削刃150-200µm、尺寸为10mm×10mm的两段式超疏水微观形态；电解加工过程如下：初始设置脉冲宽度14ms、脉冲间隔6ms、电压20v、电流10a，初始加工间隙0.1mm，电解液采用质量分数为13%的nacl溶液，其流量的目标值为4l.min，加工5s后，调整加工间隙0.2mm进行冲刷，循环往复以上过程，当进给量为50µm时完成仿生两段式超疏水微观形态电解加工；电解液电解反应电流设定30a，加工间隙流出的ph值为10.3-10.7。再次，采用飞秒激光在刀尖圆弧半径处加工锯齿状纳织构；加工参数为：单脉冲能量2.5µj，扫描速度500µm/s，扫描间距5µm，对应纳织构周期为550nm，深度约为150nm。最后，用超音速火焰喷涂技术将核-壳包覆固体润滑剂颗粒(氧化铝包裹mos2)配置成固体质量占比为10%的悬浮液，喷涂在具有两段式超疏水微观形态的硬质合金刀具前刀面和后刀面；超音速火焰喷涂参数为：送料电压6bar，氧气流量650l/min，氢气流量1300l/min，喂料速度50ml/min，喷枪距离刀具85mm，夹持刀具的旋转盘转速73rpm，喷枪垂直方向移动速度5mm/s，喷射角度90°，喷枪垂直移动次数为2-3，涂层厚度约为8-10µm。