阅读说明：本技术 微纳织构超硬刀具刀头及其激光辅助磨削复合加工方法 (Micro-nano textured superhard cutter head and laser-assisted grinding composite machining method thereof ) 是由 李伟秋 鲁艳军 颜炳姜 于 2020-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微纳织构超硬刀具刀头及其激光辅助磨削复合加工方法,所述超硬刀具刀头包括前刀面、后刀面和刀尖,所述前刀面上设有微织构结构,所述微织构结构包括若干相互平行的第一微沟槽；所述第一微沟槽的深度H为50～800μm,相邻两个平行的所述第一微沟槽的距离D为50～800μm；所述复合加工方法包括：S1、利用激光器在待加工刀具刀头的前刀面上切割形成第一预制浅沟槽；S2、利用砂轮的尖端对所述第一预制浅沟槽进行磨削加工以快速形成第一微沟槽；S3、重复步骤S1和S2以在所述前刀面上形成多个相互平行的第一微沟槽。本发明能够保证微织构结构加工的形状尺寸精度、加工质量和效率,可以提高超硬刀具的切削性能和使用寿命。(The invention discloses a micro-nano textured superhard cutter bit and a laser-assisted grinding combined machining method thereof, wherein the superhard cutter bit comprises a front cutter face, a rear cutter face and a cutter tip, a micro textured structure is arranged on the front cutter face, and the micro textured structure comprises a plurality of first micro grooves which are parallel to each other; the depth H of the first micro-grooves is 50-800 mu m, and the distance D between two adjacent parallel first micro-grooves is 50-800 mu m; the composite processing method comprises the following steps: s1, cutting the front tool face of the tool bit of the tool to be machined by using a laser to form a first prefabricated shallow groove; s2, grinding the first prefabricated shallow groove by using the tip of a grinding wheel to quickly form a first micro groove; s3, repeating the steps S1 and S2 to form a plurality of first micro grooves which are parallel to each other on the rake face. The invention can ensure the shape and size precision, the processing quality and the processing efficiency of the micro-texture structure, and can improve the cutting performance and the service life of the superhard cutter.)

微纳织构超硬刀具刀头及其激光辅助磨削复合加工方法

技术领域

本发明涉及刀具加工技术领域，特别是涉及一种微纳织构超硬刀具刀头及其激光辅助磨削复合加工方法。

背景技术

单晶金刚石具有极高的硬度(8000HV)和良好的耐磨性，使用单晶金刚石制成的刀具，刀刃可加工得非常锋利，切削时不易粘刀和产生积屑瘤，且摩擦系数低，加工时变形小，刃口在800倍显微镜下观察无缺陷，加工有色金属时表面粗糙度可达Rz 0.1-0.05μm，被加工工件的形状精度控制50nm以下，非常适合用于进行超薄切割和超精密加工，被广泛的应用在光学、印刷、汽车、3C、国防/航空工业、珠宝首饰等行业中，具有广阔的应用前景。

摩擦学研究表明，在刀具的前刀面上加工出具有一定形状的表面微纳织构，可以起到减摩抗磨、增大散热面积的作用，对提高刀具切削性能有显著效果。由于单晶金刚石刀具常用于精密加工领域，其自身结构精度要求非常高，且其具有较高硬度，如何在单晶金刚石刀具表面加工出符合要求的微纳织构具有较大难度，这也是本领域技术人员目前迫切需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述背景技术中的问题，本发明提供了一种微纳织构超硬刀具刀头及其激光辅助磨削复合加工方法，其能够保证微织构结构加工的形状尺寸精度、加工质量和效率，可以提高超硬刀具刀头的切削性能和使用寿命。

基于此，本发明的一个方面，提供了一种微纳织构超硬刀具刀头，其包括前刀面、后刀面和刀尖，所述前刀面上设有微织构结构，所述微织构结构包括若干相互平行的第一微沟槽；所述第一微沟槽的深度为50～800μm，相邻两个平行的所述第一微沟槽的距离为50～800μm。

作为优选方案，所述微织构结构还包括若干相互平行的第二微沟槽，所述第一微沟槽与所述第二微沟槽垂直设置。

作为优选方案，所述第二微沟槽的深度为50～800μm，相邻两个平行的所述第二微沟槽的距离为50～800μm。

作为优选方案，所述第一微沟槽的截面轮廓形状呈V形，所述第一微沟槽的顶角β为30°～120°。

作为优选方案，所述第二微沟槽的截面轮廓形状呈V形，所述第二微沟槽的顶角β为30°～120°。

本发明的另一个方面，提供一种微纳织构超硬刀具刀头的激光辅助磨削复合加工方法，包括如下步骤:

S1、利用激光器在待加工刀具刀头的前刀面上切割形成第一预制浅沟槽；

S2、利用砂轮的尖端对所述第一预制浅沟槽进行磨削加工以快速形成第一微沟槽；

S3、重复步骤S1和S2以在所述前刀面上形成多个相互平行的第一微沟槽。

作为优选方案，在所述步骤S3之后还包括以下步骤：

S4、利用激光器在待加工刀具刀头的前刀面上沿垂直于所述第一微沟槽的方向切割形成第二预制浅沟槽；

S5、利用砂轮的尖端对所述第二预制浅沟槽进行磨削加工以形成第二微沟槽；

S6、重复步骤S4和S5以在所述第一微沟槽的垂直方向上形成多个第二微沟槽。

作为优选方案，所述步骤S1包括：

S11、激光器产生的激光束在待加工刀具刀头的前刀面上沿预设路径形成一第一预制浅沟槽；

S12、调整激光器相对待加工刀具刀头的位置；

S13、重复步骤S11和S12，直至在待加工刀具刀头的前刀面上形成的多个第一预制浅沟槽。

作为优选方案，所述步骤S2包括：

S21、利用砂轮的尖端在待加工刀具刀头的前刀面上沿任意一条所述第一预制浅沟槽进行磨削加工，形成一第一微沟槽；

S22、调整砂轮相对待加工刀具刀头的位置；

S23、重复步骤S21和S22，直至将其它所有的所述第一预制浅沟槽均磨削加工成所述第一微沟槽。

作为优选方案，所述步骤S4包括：

S41、激光器产生的激光束在待加工刀具刀头的前刀面上沿预设路径形成一第二预制浅沟槽；

S42、调整激光器相对待加工刀具刀头的位置；

S43、重复步骤S41和S42，直至在待加工刀具刀头的前刀面上形成的多个第二预制浅沟槽。

作为优选方案，所述步骤S5包括：

S51、利用砂轮的尖端在待加工刀具刀头的前刀面上沿任意一条所述第二预制浅沟槽进行磨削加工，形成一第二微沟槽；

S52、调整砂轮相对待加工刀具刀头的位置；

S53、重复步骤S51和S52，直至将其它所有的所述第二预制浅沟槽均磨削加工成所述第二微沟槽。

作为优选方案，在步骤S1之前，还包括S0步骤：根据待加工刀具刀头微织构的形状，修整砂轮的尖端。

作为优选方案，所述步骤S0包括：

将所述砂轮连接于数控磨床的砂轮轴上；

使所述砂轮与所述砂轮轴作同轴旋转；

使所述砂轮沿着预设磨削路径与修整器进行对磨修整，并将所述砂轮的微尖端的刃型面修整成所需的特定形状。

作为优选方案，所述第一预制浅沟槽的深度为10～50μm，所述第一微沟槽的深度为50～800μm。

作为优选方案，所述第二预制浅沟槽的深度为10～50μm，所述第二微沟槽的深度为50～800μm。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的一种微纳织构超硬刀具刀头，包括前刀面、后刀面和刀尖，通过在前刀面上设有微织构结构，微织构结构包括若干相互平行的第一微沟槽，能增大散热面积，具有更佳的刃磨效果，提升了切削过程中的断屑排热能力和刀头的切削性能，从而提高使用寿命；通过将所述第一微沟槽的深度H设为50～800μm，相邻两个平行的所述第一微沟槽的距离D为50～800μm，便于提高微织构结构的加工精度，具有更佳的刃磨效果，利于提升切削过程中的断屑排热能力，进一步提高刀头的切削性能和使用寿命。

本发明的一种微纳织构超硬刀具刀头的激光辅助磨削复合加工方法，先利用激光器产生的激光束在待加工刀具刀头的前刀面上切割形成第一预制浅沟槽，再利用砂轮的尖端对第一预制浅沟槽进行磨削加工以快速形成第一微沟槽，通过先利用激光对待加工刀具刀头进行局部热处理，可以大大减少砂轮磨削所需时间，提高加工效率，且砂轮对激光加工而成的第一预制浅沟槽进行磨削加工以形成第一微沟槽，这样可以充分利用激光辅助磨削高精度的优点，提高磨削形成的第一微沟槽的精度，能够有效解决现有技术加工时间长、无法保证微织构结构形状尺寸精度以及加工质量的技术问题。使用这种复合加工方法加工出来的超硬刀具刀头，具有更佳的刃磨效果，提升了切削过程中的断屑排热能力和刀头的切削性能，从而提高使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种微纳织构超硬刀具刀头的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种微纳织构超硬刀具刀头的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种微纳织构超硬刀具刀头的激光辅助磨削复合加工方法的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种微纳织构超硬刀具刀头的加工示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种微纳织构超硬刀具刀头的加工示意图；

图6是本发明实施例提供的其它一种微纳织构超硬刀具刀头的结构示意图；

图7是超硬刀具刀头的剖视图；

图8是本发明实施例提供的另一种微纳织构超硬刀具刀头的激光辅助磨削复合加工方法的示意图；

图9是图3中的步骤S1的流程图；

图10是图3中的步骤S2的流程图；

图11是图8中的步骤S4的流程图；

图12是图8中的步骤S5的流程图；

图13是图8中的步骤S0的流程图。

其中，10、刀头；11、刀尖；12、前刀面；13、后刀面；14、第一微沟槽；15、切削刃；16、第二微沟槽；20、砂轮；21、刃型面；30、激光器；H、第一微沟槽的深度；D、相邻两个第一微沟槽的距离；β、第一微沟槽的顶角角度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参见图1，示意性地示出了本发明的一种微纳织构超硬刀具刀头10，例如为单晶金刚石刀头，所述超硬刀具刀头10包括前刀面12、后刀面13和刀尖11，前刀面12和后刀面13连接的一侧形成切削刃15，所述前刀面12上设有微织构结构，所述微织构结构包括若干相互平行的第一微沟槽14；请再参见图7，所述第一微沟槽14的深度H为50～800μm，相邻两个平行的所述第一微沟槽14的距离D为50～800μm。

基于上述结构的微纳织构超硬刀具刀头10，通过在前刀面12上设置若干相互平行的第一微沟槽14，能增大散热面积，具有更佳的刃磨效果，提升了切削过程中的断屑排热能力和刀头的切削性能，而且，将第一微沟槽14的深度设置为50～800μm，相邻两个平行的第一微沟槽14的距离为50～800μm，便于提高微织构结构的加工精度，具有更佳的刃磨效果，利于提升切削过程中的断屑排热能力，进一步提高刀头的切削性能和使用寿命。

优选地，前刀面12上若干相互平行的第一微沟槽14与超硬刀头的切削方向垂直(如图1中所示)，或者，若干相互平行的第一微沟槽14与超硬刀头的切削方向平行(如图2中所示)。

为实现相同的目的，本发明还提供一种微纳织构超硬刀具刀头的激光辅助磨削复合加工方法，请参见图3，示意性地示出了本发明的微纳织构超硬刀具刀头的激光辅助磨削复合加工方法，该复合加工方法包括如下步骤：

步骤S1、利用激光器在待加工刀具刀头的前刀面上切割形成第一预制浅沟槽；

其中，激光器的移动路径为待加工刀具刀头实际需要形成的微织构结构的轮廓路径，通过瞬时高温激光能量将刀具刀头材料软化；

步骤S2、利用砂轮的尖端对所述第一预制浅沟槽进行磨削加工，以快速形成第一微沟槽14；

步骤S3、重复步骤S1和S2以在所述前刀面上形成多个相互平行的第一微沟槽14。

在本步骤中，需要说明的是，可以选择采用激光器切割完成一条第一预制浅沟槽之后，紧接着就将刚完成的第一预制浅沟槽磨削加工成一条第一微沟槽14，由此交错重复这样的步骤，直至加工完成所有的第一预制浅沟槽和第一微沟槽14；或者也可以选择，将所有的第一预制浅沟槽全部切割完成后，再一次性地将所有的第一预制浅沟槽磨削加工成多个相互平行的第一微沟槽14。优选地，所述第一预制浅沟槽的深度为10～50μm。

采用上述复合加工方法加工微纳织构超硬刀具刀头，如图4所示，先利用激光器30产生的激光束在待加工刀具刀头的前刀面上切割形成第一预制浅沟槽，再利用砂轮20的尖端对第一预制浅沟槽进行磨削加工，形成第一微沟槽14，通过先利用激光对待加工刀具刀头进行局部热处理，可以大大减少砂轮磨削所需时间，提高加工效率，且砂轮20对激光加工而成的第一预制浅沟槽进行磨削加工以形成第一微沟槽14，这样可以充分利用激光辅助磨削高精度的优点，提高磨削形成的第一微沟槽14的精度，能够有效解决现有技术加工时间长、无法保证微织构结构形状尺寸精度以及加工质量的技术问题。

使用上述复合加工方法加工出来的微纳织构超硬刀具刀头10，在前刀面12上加工出若干相互平行的第一微沟槽14，能有效提高微织构结构的精度，使得超硬刀具刀头10具有更佳的刃磨效果，提升切削过程中的断屑排热能力和刀头的切削性能，而且，将第一微沟槽14的深度H加工为50～800μm，相邻两个平行的第一微沟槽14的距离D为50～800μm，便于提高微织构结构的加工精度，更利于提升切削过程中的断屑排热能力，进一步提高刀头的切削性能和使用寿命。

优选地，所述砂轮20的直径为50～100毫米，宽度0.3～10毫米，厚度4毫米，磨料粒度为60～1500目。进一步优选地，在步骤S2中砂轮20的尖端对第一预制浅沟槽进行磨削加工时，砂轮20的转速为1000～6000转/分，砂轮20的法向进给深度为1～20微米，进给速度为1000～1000毫米/分。

作为优选的实施方式，如图6所示，超硬刀具刀头10的微织构结构还包括若干相互平行的第二微沟槽16，所述第一微沟槽14与所述第二微沟槽16垂直设置，这样能进一步增大散热面积，使得刀头10具有更佳的磨效果，由此进一步提升切削过程中的断屑排热能力和刀头的切削性能。

优选地，所述第二微沟槽16的深度为50～800μm，相邻两个平行的所述第二微沟槽16的距离为50～800μm，由这样的第一微沟槽14和第二微沟槽16形成的微织构结构，可以使得超硬刀具刀头10具有更好的刃磨效果。进一步优选地，第一微沟槽14和第二微沟槽16的深度为200μm，该尺寸的微织构结构可以使得超硬刀头的刃磨效果最佳。进一步地，参见图7所示，所述第一微沟槽14和所述第二微沟槽16的截面轮廓形状均呈V形，所述第一微沟槽14和所述第二微沟槽16的顶角β为30°～120°，以使得微织构结构断屑排热能力更佳，从而提高刀头的刃磨效果。当然，在其他实施例中，所述第一微沟槽14和所述第二微沟槽16的截面轮廓形状也可以呈U形或者圆弧形。

作为优选的实施方式，参见图8所示，所述复合加工方法在所述步骤S3之后还包括以下步骤：

S4、利用激光器在待加工刀具刀头的前刀面上沿垂直于所述第一微沟槽的方向切割形成第二预制浅沟槽；

S5、利用砂轮的尖端对所述第二预制浅沟槽进行磨削加工以形成第二微沟槽；

S6、重复步骤S4和S5以在所述第一微沟槽的垂直方向上形成多个第二微沟槽。

在本步骤中，需要说明的是，可以选择采用激光器30切割完成一条第二预制浅沟槽之后，紧接着就将刚完成的第二预制浅沟槽磨削加工成一条第二微沟槽16，由此交错重复这样的步骤，直至加工完成所有的第二预制浅沟槽和第二微沟槽16；或者也可以选择，将所有的第二预制浅沟槽全部切割完成后，再一次性地将所有的第二预制浅沟槽磨削加工成多个相互平行的第二微沟槽16。优选地，在本实施例中，所述第二预制浅沟槽的深度为10～50μm。

具体地，参见图9所示，所述步骤S1包括：

S11、激光器产生的激光束在待加工刀具刀头的前刀面上沿预设路径形成一第一预制浅沟槽；

S12、调整激光器相对待加工刀具刀头的位置；

S13、重复步骤S11和S12，直至在待加工刀具刀头的前刀面上形成的多个第一预制浅沟槽。

在采用激光器30加工第一预制浅沟槽的工艺流程中，需要激光器30产生的激光束按预设路径移动，以使得其在前刀面12上加工出所述第一预制浅沟槽，当第一预制浅沟槽的数量为多条时，在加工完前一条第一预制浅沟槽后，需要调整激光器30相对待加工刀具刀头的位置，然后再判断当前第一预制浅沟槽的数量是否达到预定数量，如果未达到则继续加工下一条第一预制浅沟槽，如果已达到则激光器30停止工作，从而实现所有第一预制浅沟槽加工完成。

更具体地，参见图10所示，所述步骤S2包括：

S21、利用砂轮的尖端在待加工刀具刀头的前刀面上沿任意一条所述第一预制浅沟槽进行磨削加工，形成一第一微沟槽；

S22、调整砂轮相对待加工刀具刀头的位置；

S23、重复步骤S21和S22，直至将其它所有的所述第一预制浅沟槽均磨削加工成所述第一微沟槽。

在加工所述第一微沟槽14的步骤中，例如在第一微沟槽14与超硬刀头的切削方向垂直的具体实施例中(如图4所示)，即步骤S11中激光器30的预设路径也垂直于超硬刀头的切削方向。步骤S12中调整激光器30相对待加工刀具刀头的位置的动作具体为，激光器30先沿X轴的负方向退回第一预设距离，再沿Z轴移动第二预设距离，其中第二预设距离等于相邻两条所述微沟槽14之间的间距D。步骤S22中调整砂轮20相对待加工刀具刀头的位置的动作具体为，砂轮20先沿X轴的负方向退回第一预设距离，再沿Z轴移动第二预设距离。优选地，在其它实施例中，在磨削完一条第一微沟槽14之后，步骤S22中调整砂轮20相对待加工刀具刀头的位置的动作也可以为，砂轮20直接沿Z轴移动第二预设距离，这样，砂轮20在磨削下一条第一微沟槽14的时候，移动方向与加工前一条微沟槽14时相反，其磨削路径呈弓字形，从而提高磨削效率。

同理，如在第一微沟槽14与超硬刀头的切削方向平行的具体实施例中(如图5所示)，即步骤S11中激光器30的预设路径也平行于超硬刀头的切削方向。步骤S12中调整激光器30相对待加工刀具刀头的位置的动作具体为，激光器30先沿Z轴的负方向退回第一预设距离，再沿X轴移动第二预设距离，其中第二预设距离等于相邻两条所述微沟槽14之间的间距D。步骤S22中调整砂轮20相对待加工刀具刀头的位置的动作具体为，砂轮20先沿Z轴的负方向退回第一预设距离，再沿X轴移动第二预设距离。

同样地，参见图11，所述步骤S4包括：

S41、激光器产生的激光束在待加工刀具刀头的前刀面上沿预设路径形成一第二预制浅沟槽；

S42、调整激光器相对待加工刀具刀头的位置；

S43、重复步骤S41和S42，直至在待加工刀具刀头的前刀面上形成的多个第二预制浅沟槽。

进一步地，同理，参见图12，所述步骤S5包括：

S51、利用砂轮的尖端在待加工刀具刀头的前刀面上沿任意一条所述第二预制浅沟槽进行磨削加工，形成一第二微沟槽；

S52、调整砂轮相对待加工刀具刀头的位置；

S53、重复步骤S51和S52，直至将其它所有的所述第二预制浅沟槽均磨削加工成所述第二微沟槽。

进一步，优选地，参见图7所示，在步骤S1之前，所述复合方法还包括S0步骤：根据待加工刀具刀头微织构的形状，修整砂轮的尖端。

示例性地，参见图13所示，所述步骤S0具体地包括如下步骤：

S01、将所述砂轮连接于数控磨床的砂轮轴上；

S02、使所述砂轮与所述砂轮轴作同轴旋转；

S03、使所述砂轮沿着预设磨削路径与修整器进行对磨修整，并将所述砂轮的尖端的刃型面21修整成所需的特定形状。

还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

综上所述，本发明提供的微纳织构超硬刀具刀头及其激光辅助磨削复合加工方法，先利用激光器产生的激光束在待加工刀具刀头的前刀面上切割形成第一预制浅沟槽，再利用砂轮的尖端对第一预制浅沟槽进行磨削加工以形成第一微沟槽，通过先利用激光对待加工刀具刀头进行局部热处理，可以大大减少砂轮磨削所需时间，提高加工效率，且砂轮对激光加工而成的第一预制浅沟槽进行磨削加工以形成第一微沟槽，可以充分利用激光辅助磨削高精度的优点，提高磨削形成的第一微沟槽的精度，能够有效解决现有技术加工时间长、无法保证微织构结构形状尺寸精度以及加工质量的技术问题。使用这种复合加工方法加工出来的超硬刀头，在其前刀面上设置有若干相互平行的第一微沟槽，能提高微织构结构的精度，使得刀头具有更佳的刃磨效果，提升切削过程中的断屑排热能力，提高使用寿命，具有较高的推广应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。