一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法

1.本发明主要涉及铣削加工的技术领域，具体为一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法。


背景技术：

2.在金属的切削过程当中，摩擦是关系到机械设备可靠性、耐久性的主要因素，有效减小摩擦可使机械设备处于良好的润滑状态，所以，减摩已成为保护环境、提高效率的迫切要求。传统的切削加工为了减轻刀具的磨损、降低切削温度，普遍采用大量浇注式供给切削液，切削液的润滑和冷却效果很多情况下不能满足加工要求还增加了制造成本，对人体和环境造成很大危害。而目前的切削加工领域，限制难加工材料切削速度的原因主要是切削区的剧烈摩擦和高切削温度导致的刀具磨损加剧。
3.而随着仿生非光滑表面技术的研究与发展，将仿生织构应用到金属的切削过程当中，使刀具具有较传统刀具所不具备的新特性，这种刀具被人们称为仿生织构刀具。仿生织构刀具是指在刀具表面(前刀面或后刀面)的特定位置上加工出具有一定尺寸、形状的微纳结构阵列，以改善刀具在切削过程中刀-屑接触界面的摩擦润滑状态。研究表明仿生织构刀具在金属切削加工过程中可以减小摩擦力，降低切削温度，从而起到减小切削力，抗粘结抗磨损等作用，可用于加工难加工金属，提高刀具切削性能。
4.目前，仿生织构已被逐渐应用在刀具加工上面，但由于在加工过程中，仿生织构是凹槽或凹坑形状，很难起到导油的作用，也容易被切屑堵塞，使其导油效果下降，接触区域润滑不均匀，温度差别大，使得仿生织构对刀具的减摩效果降低。


技术实现要素：

5.本发明技术方案针对现有技术解决方案过于单一的技术问题，提供了显著不同于现有技术的解决方案，主要提供了一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法，用以解决上述背景技术中提出仿生织构对刀具的减摩效果有待提高的技术问题。
6.本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法，包括以下步骤：s1，选取切削刀具并对切削刀具进行预处理；s2，对切削刀具表面加工仿生微织构，仿生微织构包括设置在切削刀具前刀面的织构区和平面区，织构区依次分为重磨损区域、中磨损区域和轻磨损区域，重磨损区域、中磨损区域和轻磨损区域上皆布置有纵横交错的沟壑，且重磨损区域、中磨损区域和轻磨损区域内的沟壑深度依次递减；s3，将超声振动设备与数控机床连接，并将加工后的切削刀具安装在超声振动设备的刀柄上，然后对超声振动设备进行使用前的预检；s4，将待加工的工件装在数控机床卡盘上，并将切削液喷头朝向待加工工件；s5，启动超声振动设备、数控机床和切削液喷头，并给进切削刀具，在切削过程中，
切削液在刀具前刀面和后刀面分别被周期性地吸入和挤出，形成变动的间隙，并让刀-屑接触界面处于流体润滑状态，同时，振动切削过程产生的间隙也能够使外界的切削液，借助于刀具仿生微织构，快速通过切削区；s6，切削结束，取出工件。
7.优选的，在s1中，切削刀具的预处理包括切削刀具表面射料抛光和抛光后的清洗。
8.优选的，在s2中，重磨损区域、中磨损区域、轻磨损区域和平面区到工件之间的间距逐渐增大。
9.优选的，在s2中，每个区域内所述的沟壑皆包括若干个首尾相连的导流槽，以及横向排布且呈交错设置的储存槽，所述储存槽深度大于导流槽深度，所述储存槽和导流槽之间连接有表面为弧形的连接道。
10.优选的，在s3中，超声振动设备使用前的预检方式为用毛刷将水蘸在切削刀具刀头上。
11.优选的，在s4中，切削液喷头采用雾化喷头。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果为：（1）本发明在超声振动切削过程中，由于刀-工和刀-屑分离特性，使得切削液在切削刀具前刀面和后刀面分别被周期性地吸入和挤出，形成变动的间隙，产生流动和动压油膜，刀-屑接触界面处于流体润滑状态，从而大幅降低切削摩擦，延长刀具使用寿命，同时，振动切削过程产生的间隙也能够使外界的切削液，借助于切削刀具表面的仿生微织构，可以快速通过切削区，极大提高传热效率和冷却降温效果，并保证织构减摩效果；综上，本发明通过超声振动协同仿生织构实现改善切削刀具摩擦特性，能大幅度降低切削加工过程中切削刀具和工件之间的摩擦力和切削温度，提高切削刀具的加工效果和使用寿命；（2）本发明采用重磨损区域、中磨损区域、轻磨损区域对仿生织构进行分区，且重磨损区域、中磨损区域和轻磨损区域内的沟壑深度依次递减，形成不同类型组合的混合织构，对单一类型的织构而言，由于刀-屑界面通常处于边界润滑状态，刀具与切屑之间的润滑膜可能处于断续接触状态，而本混合型织构将有利于提高沿垂直于切屑运动方向的润滑膜速度，对于传统刀具边界润滑状态下润滑膜分布不均的状态起到了改善作用，降低了界面摩擦力，为刀具减磨提供了保障；（3）本发明各个区域内导流槽，由于毛细效应可以将润滑油传输到刀-屑之间的咬合区，起到导液降温的效果，储存槽可以储屑存油，形成动压润滑效应，两种织构复合能有效改善刀-屑之间的接触状态；（4）本发明各个区域内通过首尾相连的导流槽，可以使得切削液快速并均匀的流向刀-屑接触区的每一处，降低刀-屑之间的摩擦，并且导流槽之间通过储存槽和连接道进行连接，可以避免导流槽某一处因卡住废屑发生堵塞而导致切削液无法流动，保证刀-屑间的持续润滑；（5）传统的切削刀具上开设仿生织构，为了保证足够量的切削液和切削液的流动范围，常常会导致织构深度过大或者织构在刀具表面的铺设范围过大，严重影响刀具本身的强度。而本切削刀具通过深度较小的导流槽保证了切削液的流动范围，通过深度较大的储存槽保证了足够量的切削液，因此，本切削刀具在不影响刀具本身的强度的前提下，设置的仿生微织构可以改善切削刀具摩擦特性，能大幅度降低切削加工过程中切削刀具和工件
之间的摩擦力和切削温度，提高切削刀具的加工效果和使用寿命。
13.以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。
附图说明
14.图1为本发明切削刀具前刀面局部俯视结构示意图；图2为本发明重磨损区域局部俯视结构示意图；图3为本发明单个区域内沟壑侧视结构示意图；图4为本发明切削时刀-屑界面示意图。
15.附图说明：1、织构区；11、重磨损区域；12、中磨损区域；13、轻磨损区域；14、沟壑；141、导流槽；142、储存槽；143、连接道；2、平面区；3、切削刀具；4、工件；5、仿生微织构；6、切屑。
具体实施方式
16.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。
17.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
18.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常连接的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语知识为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
19.本发明提供一种技术方案：一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法，包括以下步骤：s1，选取切削刀具3并对切削刀具3进行预处理，切削刀具3的预处理包括切削刀具3表面射料抛光和抛光后的清洗；切削刀具3射料抛光优点：修整切削刀具3的同时能避免因冲击力过大造成切削刀具刃口损失，保证切削刀具涂层部分厚度均匀；释放涂层残余拉应力，产生残余压应力，抑制裂纹扩展；去除涂层表面液滴，改善表面质量，降低表面粗糙度及摩擦系数；在涂层表面产生塑性变形，细化涂层表面晶粒，提高表硬度。
20.切削刀具3清洗：在丙酮溶液中超声清洗10-20min，并重复两次；然后再浸于酒精溶液中超声清洗3-10min；最后放入烘箱内，120
°
c烘烤5-15min取出。
21.s2，对切削刀具3表面加工仿生微织构5；采用皮秒激光器对切削刀具3进行加工仿生微织构5。激光加工优点：激光微织构形状更多样化，可任意打出复杂形状；加工参数易调整，加工效率高，能批量化生产；可在复杂曲面上进行加工，如带曲面的前刀面；可加工点阵列。
22.请着重参照附图1，其中，仿生微织构5包括设置在切削刀具3前刀面的织构区1和
平面区2，织构区1依次分为重磨损区域11、中磨损区域12和轻磨损区域13，重磨损区域11、中磨损区域12和轻磨损区域13上皆布置有纵横交错的沟壑14，且重磨损区域11、中磨损区域12和轻磨损区域13内的沟壑深度依次递减。采用重磨损区域11、中磨损区域12、轻磨损区域13对仿生织构进行分区，且重磨损区域11、中磨损区域12和轻磨损区域13内的沟壑深度依次递减，形成不同类型组合的混合织构，对单一类型的织构而言，由于刀-屑界面通常处于边界润滑状态，刀具与切屑之间的润滑膜可能处于断续接触状态，而本混合型织构将有利于提高沿垂直于切屑运动方向的润滑膜速度，对于传统刀具边界润滑状态下润滑膜分布不均的状态起到了改善作用，降低了界面摩擦力，为刀具减磨提供了保障。
23.请着重参照附图1和2，其中，重磨损区域11、中磨损区域12、轻磨损区域13和平面区2到工件4之间的间距逐渐增大。每个区域内所述的沟壑14皆包括若干个首尾相连的导流槽141，以及横向排布且呈交错设置的储存槽142，所述储存槽142深度大于导流槽141深度，所述储存槽142和导流槽141之间连接有表面为弧形的连接道143。各个区域内导流槽141，由于毛细效应可以将润滑油传输到刀-屑之间的咬合区，起到导液降温的效果，储存槽142可以储屑存油，形成动压润滑效应，两种织构复合能有效改善刀-屑之间的接触状态；同时首尾相连的导流槽141，可以使得切削液快速并均匀的流向刀-屑接触区的每一处，降低刀-屑之间的摩擦，并且导流槽141之间通过储存槽142和连接道143进行连接，可以避免导流槽141某一处因卡住废屑发生堵塞而导致切削液无法流动，保证刀-屑间的持续润滑。
24.传统的切削刀具3上开设仿生织构，为了保证足够量的切削液和切削液的流动范围，常常会导致织构深度过大或者织构在刀具表面的铺设范围过大，严重影响刀具本身的强度。而本切削刀具3通过深度较小的导流槽141保证了切削液的流动范围，通过深度较大的储存槽142保证了足够量的切削液，因此，本切削刀具3在不影响刀具本身的强度的前提下，设置的仿生微织构5可以改善切削刀具摩擦特性，能大幅度降低切削加工过程中切削刀具和工件之间的摩擦力和切削温度，提高切削刀具的加工效果和使用寿命。
25.s3，将超声振动设备与数控机床连接，并将加工后的切削刀具3安装在超声振动设备的刀柄上，然后对超声振动设备进行使用前的预检，超声振动设备使用前的预检方式为用毛刷将水蘸在切削刀具3刀头上；将水用毛刷蘸在切削刀具3刀头上，调整超声能量，此时，若能看到刀头出现雾化现象或刀头上的水滴在振动，说明振动效果处于较好状态。
26.s4，将待加工的工件4装在数控机床卡盘上，并将切削液喷头朝向待加工工件4；切削液喷头采用雾化喷头。
27.采用雾化喷头进行喷洒，可以降低制造成本。
28.s5，启动超声振动设备、数控机床和切削液喷头，并给进切削刀具3，对工件4进行加工。
29.请着重参照附图3，传统的方式进行切削时，一、仅采用普通刀具切削，由于切削过程刀-屑界面始终处于紧密接触和咬合状态，外部供给的润滑液难以进入切削界面内部区域，刀-屑接触界面可能处于干摩擦或边界润滑状态；二、采用刀具并在刀具上设置织构，虽然刀具织构的置入能够起到收集-储存-释放润滑液作用，从而使得刀-屑接触界面处于边界润滑状态或混合润滑状态，但随着刀-屑界面摩擦工况的恶化，外部的润滑液难以持续进入刀-屑界面，发挥充分润滑作用，并导致织构减摩效果逐步失效。
30.而在超声振动切削过程中，由于刀-工和刀-屑分离特性，使得切削液在切削刀具3前刀面和后刀面分别被周期性地吸入和挤出，形成变动的间隙，产生流动和动压油膜，刀-屑接触界面处于流体润滑状态，从而大幅降低切削摩擦，延长刀具使用寿命，此外，振动切削过程产生的间隙也能够使外界的切削液，借助于切削刀具3表面的仿生微织构5，可以快速通过切削区，极大提高传热效率和冷却降温效果，并保证织构减摩效果。
31.s6，切削结束，取出工件4。
32.上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法，其特征在于：包括以下步骤：s1，选取切削刀具（3）并对切削刀具（3）进行预处理；s2，切削刀具（3）表面加工仿生微织构（5），仿生微织构（5）包括设置在切削刀具（3）前刀面的织构区（1）和平面区（2），织构区（1）依次分为重磨损区域（11）、中磨损区域（12）和轻磨损区域（13），重磨损区域（11）、中磨损区域（12）和轻磨损区域（13）上皆布置有纵横交错的沟壑（14），且重磨损区域（11）、中磨损区域（12）和轻磨损区域（13）内的沟壑深度依次递减；s3，将超声振动设备与数控机床连接，并将加工后的切削刀具（3）安装在超声振动设备的刀柄上，然后对超声振动设备进行使用前的预检；s4，将待加工工件（4）装在数控机床卡盘上，并将切削液喷头朝向待加工工件（4）；s5，启动超声振动设备、数控机床和切削液喷头，并给进切削刀具（3），在切削过程中，切削液在刀具前刀面和后刀面分别被周期性地吸入和挤出，形成变动的间隙，并让刀-屑接触界面处于流体润滑状态，同时，振动切削过程产生的间隙也能够使外界的切削液，借助于刀具仿生微织构（5），快速通过切削区；s6，切削结束，取出工件（4）。2.根据权利要求1所述的一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法，其特征在于：在s1中，切削刀具（3）的预处理包括切削刀具（3）表面射料抛光和抛光后的清洗。3.根据权利要求1所述的一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法，其特征在于：在s2中，重磨损区域（11）、中磨损区域（12）、轻磨损区域（13）和平面区（2）到工件（4）之间的间距逐渐增大。4.根据权利要求1所述的一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法，其特征在于：在s2中，每个区域内所述的沟壑（14）皆包括若干个首尾相连的导流槽（141），以及横向排布且呈交错设置的储存槽（142），所述储存槽（142）深度大于导流槽（141）深度，所述储存槽（142）和导流槽（141）之间连接有表面为弧形的连接道（143）。5.根据权利要求1所述的一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法，其特征在于：在s3中，超声振动设备使用前的预检方式为用毛刷将水蘸在切削刀具（3）刀头上。6.根据权利要求1所述的一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法，其特征在于：在s4中，切削液喷头采用雾化喷头。

技术总结
本发明公开了一种超声振动协同仿生织构改善刀具摩擦特性的方法，包括以下步骤：S1，选取切削刀具并进行预处理；S2，对切削刀具表面加工仿生微织构；S3，将超声振动设备、数控机床和切削刀具相连接；S4，将工件装在数控机床卡盘上，并将切削液喷头朝向工件；S5，启动超声振动设备、数控机床和切削液喷头，并给进切削刀具；S6，切削结束，取出工件。本发明通过超声振动和切削液的联合使用，能大幅度降低切削加工过程中刀具和工件之间的摩擦力和切削温度，且仿生织构的特殊设计，对于传统刀具边界润滑状态下润滑膜分布不均的状态起到了改善作用，也避免因某一处的堵塞而导致切削液的不流动，能够保证刀-屑间的持续润滑。屑间的持续润滑。屑间的持续润滑。


技术研发人员：苏永生 王诚 朱益洋 王昊 曹梦杰 刘剑
受保护的技术使用者：安徽工程大学
技术研发日：2023.08.30
技术公布日：2023/10/20