阅读说明：本技术 一种微织构刀具的制备方法及微织构刀具 (Preparation method of micro-texture cutter and micro-texture cutter ) 是由 颜安 陈汪林 江信榕 王成勇 李炳新 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及刀具加工技术领域,更具体地,涉及一种微织构刀具的制备方法及微织构刀具,包括有以下步骤：S1：将待加工刀具清洗后取出吹干,用飞秒激光器对待加工刀具进行加工；S2：调整飞秒激光器的辅助定位光源,定位待加工刀具的待加工位置,在对待加工刀具进行加工过程中,通过调节待加工刀具的位置,在待加工刀具上加工出微织构阵列结构；S3：将加工好的微织构刀具放入硬质膜镀膜机,在基体表面沉积涂层,制备出带有涂层的微织构刀具；S4：采用压缩气体与润滑剂进行混合气化,形成微米级的液滴,然后喷射到加工区进行润滑。本发明实现微织构涂层刀具的制备,显著提高微织构刀具的切削寿命和切削效果。(The invention relates to the technical field of cutter processing, in particular to a preparation method of a micro-texture cutter and the micro-texture cutter, which comprises the following steps: s1: cleaning a cutter to be processed, taking out the cutter to be processed, drying the cutter, and processing the cutter to be processed by using a femtosecond laser; s2: adjusting an auxiliary positioning light source of a femtosecond laser, positioning a position to be processed of a tool to be processed, and processing a micro-texture array structure on the tool to be processed by adjusting the position of the tool to be processed in the processing process of the tool to be processed; s3: placing the processed micro-texture cutter into a hard film coating machine, and depositing a coating on the surface of a substrate to prepare the micro-texture cutter with the coating; s4: the compressed gas and the lubricant are mixed and gasified to form micron-sized liquid drops, and then the micron-sized liquid drops are sprayed to a processing area for lubrication. The invention realizes the preparation of the micro-texture coating cutter and obviously improves the cutting life and the cutting effect of the micro-texture cutter.)

一种微织构刀具的制备方法及微织构刀具

技术领域

本发明涉及刀具加工技术领域，更具体地，涉及一种微织构刀具的制备方法及微织构刀具。

背景技术

近年来，摩擦学研究领域提出了一种表面织构的概念，又称表面微织构，已被证明是提高表面摩擦学性能的有效手段。表面织构技术就是通过改变材料表面的物理结构来改善材料表面特性的方法，表面织构是具有一定尺寸和排列的凹坑/凹痕或凸包等图案的点阵。刀具刀面上雕刻微织构，并不影响刀具的力学性能，微织构可存储润滑油和磨屑，降低前刀面的摩擦系数，使得切削力降低10％～30％，显著提高刀具的耐磨性和产品的加工效率。但仅仅微织构刀具还不满足加工需求，微织构涂层刀具应运而生。

研究表明微织构的深度是影响微织构涂层刀具性能的重要因素，微织构为微纳(浅)织构的时候可以提高涂层的结合力，但对摩擦磨损性能影响不大；微织构深度较深的时候，涂层结合力得不到保证，但摩擦磨损性能由于微织构可以存储润滑剂和磨屑，在刀具加工时可以在刀面与被加工表面形成一层润滑膜，提高刀具的摩擦磨损性能以及加工质量。目前，使微织构涂层刀具同时具有好的涂层结合力和良好的摩擦磨损性能依旧是个难点。

梯度结构是由一种成分、组织或相(或组元)逐渐向另一成分组织结构或相(或组元)过渡的结构。这种结构不仅能有效避免尺寸突变引起的性能突变，还能使材料具有不同特征尺寸的结构相互协调，使不同尺寸结构的性能得到整体的综合和优化，为实现微织构涂层刀具具有良好的涂层结合力和摩擦磨损性能综合性提供了重要发展方向，为改变微织构涂层刀具只能具有单一的优异性能打破了格局。

微量润滑技术(MQL)是一种新的金属加工的润滑方式，指将压缩气体(空气、氮气、二氧化碳等)与极微量的润滑油混合汽化后，形成纳米级的液滴，喷射到加工区进行有效润滑的一种切削加工方法。这种润滑方式解决了传统浇注式润滑的弊端，同时又节能又环保大大提高了刀具的切削寿命。

微织构由于具有减磨，存储润滑剂，磨屑等作用，而被人们想起结合涂层刀具一起使用。刀具切削时，工件新鲜加工表面与后刀具面接触，相互摩擦后造成后刀面磨损。虽然有后角，但切削刃不是理想的锋而是有一定的钝圆，存在着弹性和塑性变形；因此，后刀面与工件实际上是小面积接触，磨损就发生在这个接触面上。并且实际加工过程中，细小的切屑会堆积到刀具表面，从而造成刀具磨粒磨损。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的刀具存在磨粒磨损、切削寿命低的问题，提供一种微织构刀具的制备方法及微织构刀具，通过在刀具上加工微织构阵列，实现在刀具结合微织构和涂层机理，实现微织构涂层刀具的制备，显著提高微织构刀具的切削寿命和切削效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种微织构刀具的制备方法，其中，包括有以下步骤：

S1：将待加工刀具清洗后取出吹干，用飞秒激光器对待加工刀具进行加工；

S2：调整飞秒激光器的辅助定位光源，定位待加工刀具的待加工位置，在对待加工刀具进行加工过程中，通过调节待加工刀具的位置，在待加工刀具上加工出微织构阵列结构；

S3：将加工好的微织构刀具放入硬质膜镀膜机，在基体表面沉积涂层，制备出带有涂层的微织构刀具。

本申请方案中，采用飞秒激光器对清洗后吹干的待加工刀具进行加工，通过调整飞秒激光器在待加工刀具上的加工位置，来实现在刀具上的微织构阵列结构的加工，结合在刀具上进行基体表面沉积涂层作业，同时配合润滑，最终实现微织构刀具的制备。

在一个实施方式中，步骤S1中，将待加工刀具放在丙酮和酒精溶液中进行超声清洗。

在一个实施方式中，步骤S2中，微织构阵列结构距离主切削刃400um～600um,距离刃口0.5mm～1.2mm。

优选地，微织构阵列结构为线型凹槽，线型凹槽的方向垂直于切削刃。

本发明提供一种微织构刀具，其中，刀具上设有微织构单元，微织构单元设有依次排列的线型凸起，线型凸起之间设有线型凹槽，线型凹槽的深度逐渐增加，微织构单元在刀具上排列形成微织构结构。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

利用飞秒激光加工技术，调整合适的激光加工参数，控制微织构的加工区域，在刀具上制备微织构阵列结构，结合微织构和涂层机理，实现在刀具刃口上微织构涂层刀具的制备。结合微量润滑，实现提高微织构涂层刀具的切削寿命和切削效果。

附图说明

图1是本发明实施例中剖视结构示意图。

图2是本发明实施例中试剂使用结构示意图。

图3是本发明实施例中整体结构示意图。

图4是本发明实施例中整体结构示意图。

图5是刀面磨损量随切削时间的变化图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1：

本发明提供一种微织构刀具的制备方法，其中，包括有以下步骤：

S1：将待加工刀具清洗后取出吹干，用飞秒激光器对待加工刀具进行加工；

S2：调整飞秒激光器的辅助定位光源，定位待加工刀具的待加工位置，在对待加工刀具进行加工过程中，通过调节待加工刀具的位置，在待加工刀具上加工出微织构阵列结构；

S3：将加工好的微织构刀具放入硬质膜镀膜机，在基体表面沉积涂层，制备出带有涂层的微织构刀具。

在刀具实际使用时，采用压缩气体与极微量的润滑剂进行混合气化，形成微米级的液滴，然后喷射到加工区进行润滑。

在步骤S1中，将待加工刀具放在丙酮和酒精溶液中进行超声清洗20分钟，然后取出吹干，用飞秒激光器对待加工刀具进行加工。

在加工过程中，可以将待加工刀具固定在数控机床的位置控制系统上，可以使用设备自带的CAD画图软件，对微织构阵列结构的形状和样式进行设计。

本实施例中，微织构阵列结构距离主切削刃的距离为400um～600um，距离刃口的距离为0.5mm～1.2mm。

使用硬质膜镀膜机在基体表面沉积涂层，再通过压缩气体与极微量的润滑剂进行混合气化，形成微米级的液滴，与加工完成的微织构结构进行结合，微织构结构具有存储润滑油的作用，磨屑大多数存在微织构中，起到保护涂层的作用。刀具上的微织构结构主要起到了存储磨屑和冷却润滑的作用。

如图1至如图5所示，一种微织构刀具，刀具上设有微织构单元，微织构单元设有依次排列的线型凸起，线型凸起之间设有线型凹槽10，线型凹槽10的深度逐渐增加，微织构单元在刀具上排列形成微织构结构。

微织构阵列结构设计为阵列型的线型凹槽10，线型凹槽10的方向垂直于切削刃，微织构阵列结构的线型凹槽10的深度逐渐增大到一定值然后再循环，线型凹槽10的凹槽宽度不变，凹槽深度呈梯度增长，深度梯度的阵列为2、4、6、8、10、12、20、30um，形成阵列式排列，也可以是其他深度梯度的阵列如1.5、4、6.5、8、11.5、15、23、29um等，深度梯度可以根据刀具的使用要求进行适应性调节。

本实施例中，提供微织构刀具的制备的具体实施例：

将待加工刀具清洗后取出吹干，用底座为水平的夹具夹持，放入到飞秒激光设备下，调节激光脉冲能量为20uj，频率为100Khz，扫描速率为50mm/s，在待加工刀具表面加工不同梯度深度，梯度深度阵列可以为1.5、4、6.5、8、11.5、15、23、29um，调节辅助光源的激光焦点对准硬质合金表面，实现在待加工刀具表面制备微纳米级微织构，随后放入硬质膜镀膜机内，制备成熟的涂层，并进行润滑操作。

本实施例中，线型凹槽10的微织构结构加工工艺简单，通过调整加工次数即可实现不同深度的线型凹槽10加工，线型凹槽10的微织构结构分布于刀具的主副后刀面上，微织构发挥着存储润滑油和磨屑以及疏导润滑油到刀具刃口、切削刃的作用。

微织构结构加工于刀具的后刀面上，在刀具使用过程中，微量润滑的喷嘴20与后刀面成60～90°，喷嘴20距离后刀面2～5cm，微织构结构起到了改变润滑油渗透的方向，使刀具刃口处和切削刃处润滑油分布更密集，大大提高了刀具的使用寿命。

如图3至如图5所示，带有微织构结构的涂层刀具与未经过微织构处理的涂层刀具相比，在相同的使用条件下，图3未经过微织构处理的涂层刀具磨损程度远远大于图4带有微织构结构的涂层刀具的磨损程度，图5也直观显示了磨损程度大小的情况。

实施例2：

本实施例与实施例1相似，不同之处在于，本实施例中，将待加工刀具用底座为水平的夹具夹持，刃口垂直对上，放入到飞秒激光设备下，通过调节激光脉冲能量为20uj，频率为100Khz，扫描速率为50mm/s，在待加工刀具后刀面上距离主切削刃400～600um，距离刃口0.5～1.2mm，平行于车刀刃口加工梯度深度阵列为2、4、6、8、10、12、20、30um的线型凹槽10阵列结构，线型凹槽10整体长度为2～6mm，宽度比与车刀宽度略小即可；调节辅助光源，使激光的焦点在刃口处一直对准刀具的表面。实现在硬质合金刀具刃口上制备微纳米级微织构。随后放入硬质膜镀膜机内，制备成熟的涂层。最后进行数控车削实验，配合微量润滑进行加工。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。