阅读说明：本技术 一种斜向厚度复合涂层仿生刀具设计方法 (Design method of bionic cutter with oblique thickness composite coating ) 是由 范依航 王冰 郝兆朋 徐永硕 于 2021-10-12 设计创作，主要内容包括：发明名称一种斜向厚度复合涂层仿生刀具设计方法摘要本发明公开了一种斜向厚度复合涂层仿生刀具设计方法,刀具基体材料为硬质合金或高速钢,其具体特征为：在刀具与切屑接触表面设计一种仿生鲨鱼皮盾鳞微织构,在切削刃设计微凹槽的仿生微织构,在基体与微织构表面采用物理气相沉积PVD(Physical Vapor Deposition)与化学气相沉积CVD(Chemical Vapor Deposition)相结合的方法沉积斜向不同厚度的复合涂层,设计出全新的斜向厚度复合涂层微织构刀具；鲨鱼皮微织构设计可以起到减摩减阻和超疏水的效果,斜向厚度复合涂层可以有效阻止刀具裂纹的扩展；该设计可以使切削液进入刀屑接触区,减小切削过程中刀具与切屑之间的摩擦和粘结,可以提高刀具减摩润滑及耐摩擦磨损性能,能够显著提高涂层刀具的切削性能,减少裂纹扩展,提高刀具使用寿命。(The invention discloses a design method of a bionic cutter with an oblique thickness composite coating, which is characterized in that the base material of the cutter is hard alloy or high-speed steel: designing a bionic sharkskin shield scale micro-texture on the contact surface of a cutter and chips, designing a bionic micro-texture of a micro-groove on a cutting edge, depositing composite coatings with different oblique thicknesses on the surfaces of a substrate and the micro-texture by adopting a method combining Physical Vapor Deposition (PVD) and Chemical Vapor Deposition (CVD) (chemical Vapor deposition), and designing a brand new micro-texture cutter with the composite coatings with the oblique thicknesses; the shark skin micro-texture design can play a role in friction reduction, drag reduction and super-hydrophobic effect, and the oblique thickness composite coating can effectively prevent the crack of the cutter from expanding; the design can enable cutting fluid to enter the contact area of the cutting scraps, reduce friction and bonding between the cutter and the cutting scraps in the cutting process, improve the antifriction lubrication and friction and wear resistance of the cutter, remarkably improve the cutting performance of the coated cutter, reduce crack expansion and prolong the service life of the cutter.)

一种斜向厚度复合涂层仿生刀具设计方法

技术领域

本发明属于切削刀具技术领域，涉及了一种斜向复合涂层仿生刀具设计方法。

背景技术

难加工材料在切削过程中，切削性能较差，会发生切削力过大、切削温度较高、刀具磨损严重的现象；在加工过程中，刀具的后刀面与已加工表面之间、刀具的前刀面与切屑发生剧烈的摩擦，导致切削刃的温度升高，刀具发生磨损或者崩刃导致刀具失效，刀具的磨损会导致加工表面质量的变化、表面加工质量的降低；并且随着刀具损伤的累积，刀具开始出现裂纹，裂纹逐渐扩展导致刀具失效，刀具是影响切削加工质量的最终因素。

由于生物长期经受复杂工况或与周围环境发生能量与物质的交互作用，优化出各种类型的形态、构形、材料和结构，为人工领域面临的摩擦问题的研究提供了崭新的思路，故仿生摩擦学被大量运用到了表面织构的减摩减阻研究中；如中国专利“申请号：201810481164.9”公开了一种深度梯度变化微织构车刀仿生设计方法，采用非接触激光扫描仪获取竹鼠切牙点云数据，并重构了切牙三维模型，提取切牙“月牙洼”形貌深度数据，利用“月牙洼”深度数据值，仿生设计深度梯度变化微织构车刀，保留了织构降低刀具切削力的特性，又提高了刀具的结构强度，具有延长刀具使用寿命、提高刀具经济使用价值的优点。

如中国专利“申请号：201610508122.0”公开了一种固体润滑的金属切削刀具及其加工方法，在刀具加工表面有织构形貌,在一所述表面织构形貌中填充固体润滑剂,在所述表面织构形貌位于切屑流向一侧的刀具表面设有凸坝，将一部分固体润滑剂回流至织构区域,提高固体润滑剂利用率和保持性，发挥固体润滑减摩和微凸起脱粘的双重功能。

如中国专利“申请号:201910620319.7” 公开了一种超疏水仿生数控加工刀具制备方法, 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。

在加工难加工材料时刀-屑界面多处于紧密接触状态，外部的切削液只能依靠毛细渗透等方式进入摩擦副接触界面的边缘区域，无法发挥其润滑效果，导致温升过高，加速刀具磨损，鲨鱼表面皮肤沿着流动方向有序地排列着微沟槽结构，其表面特殊的微观结构不仅表现出来减阻的功能，而且表现出了疏水、降噪、隐形等其他特殊的功能。

发明内容

发明目的：针对目前难加工材料加工过程中切削液很难进入切削区，材料抵抗塑性变形产生超大压力导致切削刀具的摩擦磨损及裂纹扩展现象，提供一种斜向厚度复合涂层仿生刀具设计方法，本发明仿生微织构可以有效使切削液进入刀屑接触区，具有降低切削区温度，减小摩擦磨损，斜向厚度涂层可以有效阻碍裂纹扩展以提高刀具使用寿命的特点。

本发明的设计方案：根据鲨鱼皮微观结构利用仿生学将微织构技术引入刀具设计,设计了鲨鱼皮仿生微织构，在前后刀面加工这种凸起微织构，切削刃采用微凹槽；通过化学气相沉积CVD(Chemical Vapor Deposition)的方法沉积相同厚度的Al₂O₃中间层，利用物理气相沉积PVD(Physical Vapor Deposition)的方法沉积不同厚度的涂层。

优选地，根据切屑与切削刃和前后刀面接触状态，应力与温度的分布结合摩擦理论，在前后刀面接触区采用鲨鱼皮仿生微织构，切削刃采用微凹槽的处理方式。

优选地，根据盾鳞的微观结构，采用三维非接触式白光干涉表面形貌仪提取鲨鱼皮原型及其对应鲨鱼皮沟槽的三维扫描图像，利用铂悦仪器有限公司三维形貌分析软件SPIP在扫描图像处提取轮廓曲线，根据横截面轮廓曲线来进行微织构凹槽的三维重构。

优选地，根据上述轮廓曲线，采用非线性最小二乘法对采集的数据点，进行曲线的拟合得到曲线方程，利用CATIA软件根据拟合的曲线方程，进行三维建模。

优选地，为了更清楚的表述模型参数举例说明如下（举例参数均在权利要求范围内）：每个微织构间距为25μm，主脊高30μm,左右副脊25μm，凹槽宽度为25μm,距离切削刃为60μm，V字形角度为60°。

优选地，沿着切屑流动方向，微织构阵列面积为16mm²。

优选地，切削刃处凹槽深度为25μm，凹槽角度呈60°。

优选地，通过CVD方法在刀具基体沉积Al₂O₃，在通过PVD方法在Al₂O₃表面沉积GrAlN涂层，利用Al₂O₃作为刀具基体与GrAlN涂层的中间层。

优选地，通过CVD方法在涂层GrAlN表面沉积Al₂O₃，在通过PVD方法在Al₂O₃表面沉积TiAlN涂层，利用Al₂O₃作为GrAlN涂层与TiAlN涂层的中间层。

优选地，通过CVD方法在涂层TiAlN表面沉积Al₂O₃，在通过PVD方法在Al₂O₃表面沉积TiAlSiN涂层，利用Al₂O₃作为TiAlN涂层与TiAlSiN涂层的中间层。

从上述说明可以看出，本发明的优点在于：

由于在切削过程中，材料抵抗塑性变形发生剪切滑移，因此对刀具产生巨大的变形抗力与摩擦力，切削液很难进入切削区，刀具与切屑发生剧烈摩擦，在切削区产生超高切削热，导致前刀面更容易产生粘结磨损，本发明采用仿生鲨鱼皮微织构，尤其在使用切削液时，会在微沟槽和切削液液滴的表面张力共同作用下迅速自动地汇集至刀屑接触区域，润滑液在受到切屑与刀具之间的压力下可以形成流体动力润滑，从而能够改变刀-工界面及刀-屑界面的摩擦状态，降低切削温度，为刀具减摩降磨提供保障，减小了由于高温产生的粘结磨损；由于这种微织构空间结构的存在可以减小硬质颗粒对刀具表面的接触，从而减小了磨粒磨损的产生，这种微织构可以减小刀具温升，降低摩擦磨损。

在切削过程中刀具随着损伤的不断积累，会在刀具前刀面最大拉应力处产生裂纹，裂纹会沿着45°方向逐渐向刀具内部扩展，故采用PVD与CVD相结合的方法沉积单层斜向不同厚度的复合涂层，涂层韧性从外层到里层逐渐提高，随着裂纹扩展方向韧性较好的涂层厚度逐渐增加，这种斜向厚度的复合涂层可以有效的降低裂纹扩展。

采用上述的微织构设计与斜向不同厚度涂层的设计相结合的方法，在加工微织构的刀具表面沉积这种斜向不同厚度的涂层，这样既可以实现减少刀具磨损有可以实现降低刀具裂纹的扩展，延长刀具使用寿命。

附图说明

：

为了能够直白地展示本发明实施方式或现有设计方案，下面将对

具体实施方式

中所需要使用的附图作一下简要地介绍，附图中，各部分并不一定会根据真实的比例绘制。

图1为微织正视图。

图2为微织构左视图。

图3为微织构俯视图。

图4为切削液进入切削区示意图。

图5为切削刃处凹槽局部放大图。

图6为带有微织构的刀具图。

图7为斜向不同厚度涂层刀具的示意图。

图7中：1为涂层TiAlSiN，2为中间层Al₂O₃，3为涂层TiAlN，4为中间层Al₂O₃，5为涂层GrAlN，6为中间层Al₂O₃，7为刀具基体。

具体实施方法：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下对在附图中提供的本发明的实施例的具体详细介绍，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1到图7所示，本发明提供的一种斜向厚度复合涂层仿生刀具设计方法，包括以下步骤：

根据盾鳞的微观结构，采用三维非接触式白光干涉表面形貌仪提取鲨鱼皮原型及其对应鲨鱼皮沟槽的三维扫描图像，利用软件SPIP在扫描图像处提取轮廓曲线，根据横截面轮廓曲线来进行微织构凹槽的三维重构。

根据上述轮廓曲线，利用getdata Dragh Digitize数据提取软件提取曲线的数据点，之后用matlab的cftool工具箱，对采集的数据点，进行曲线的拟合，得到曲线方程，利用CATIA软件对曲线方程进行三维建模，参数如下：微织构宽度为65μm，长度为75μm，凹槽与微织构前端均呈V字形圆弧，V字形角度为60°，如图1所示；微织构前端与后端呈30°上升角度，如图2所示；主脊高30μm,左右副脊25μm，凹槽宽度为25μm，凹槽深度为25μm，如图3所示。

在使用切削液切削时，会在微沟槽和切削液液滴的表面张力共同作用下迅速自动地汇集至刀屑接触区域，润滑液在受到切屑与刀具之间的压力下可以形成流体动力润滑，如图4所示。

本发明对于所述刀具基体的具体形状及材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的刀具作为基体即可；在本发明的实施例中，采用硬质合金YG8刀具或高速钢SKH6刀具作为刀具基体。

首先将刀具基体进行表面抛光处理，采用IPG公司生产的型号为YLR-200-AC的光纤激光器，额定功率为300W，波长为1070nm；激光通过焦距为100mm的凸透镜聚焦成直径为20μm的光斑垂直照射于材料表面, 主要改变激光输出功率和脉宽，在x方向进行直线扫描加工，频率F=2000Hz，速度Ｖ=150mm/s，对刀具基体进行激光加工，微织构在距离切削刃为60μm处呈阵列布置，阵列面积约为16mm²，得到每个微织构间距为35μm；切削刃处凹槽深度为35μm，凹槽角度呈60°圆弧，如图5所示，整体刀具如图6所示。

经过超声波清洗表面残渣之后，需要对加工后的刀具进行打磨抛光处理去除表面氧化膜，将刀具放在丙酮溶液中采用超声波清洗机进行清洗20分钟，取出待表面干燥后，再次将刀具放入无水乙醇溶液中进行超声波清洗，采用IHI Ionbond公司的Bernex BPXpro530L全自动控制的热壁式化学涂层炉，在刀片基体上沉积Al₂O₃中间层厚度约为1.5μm，如图7中6所示；采用JGP-450型单室磁控溅射系统进行涂层的制备，工作气体采用工业纯氩气和纯氮气，打开磁控溅射镀膜系统预热一个小时左右，将经过前处理的基体试样装入炉中，抽至极限真空(2×10^-3Pa)后，然后通入氩气进行预溅射，清理靶材表面的杂质，采用一定比例通入氩气与氮气，使真空室内压强稳定在4.5×10^-1Pa 左右，打开Gr靶和Al靶进行溅射，得到1.8μm-3.5μm厚度的GrAlN涂层，如图7中5所示；采用上述方法在GrAlN涂层表面制备1.5μm厚度的Al₂O₃中间层，如图7中4所示；采用上述溅射方法在Al₂O₃表面制备1.8-3μm厚度的TiAlN涂层，如图7中3所示；采用上述方法在TiAlN涂层表面制备1.5 μm厚度的Al₂O₃中间层，如图7中2所示；采用上述溅射方法在Al₂O₃表面制备1.8-3μm厚度的TiAlSiN涂层，如图7中1所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例，本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。