本发明专利技术为一种刀具表面复合造型处理方法及其装置，在刀具的主要摩擦、磨损表面进行微织构复合形貌的主动处理，属于机械制造领域。通过高能激光束或高能电子束在刀具主要摩擦、磨损部位加工出三种微结构造型，分别为微凹腔，熔凝凸起和微沟槽。本发明专利技术延长了刀具连续使用寿命、改善了刀具的切削质量、提高了工件加工后的表面质量和切削及冷却性能、降低金属切削的机加工成本。本发明专利技术还公开了一种实施上述复合造型处理方法的加工装置。该装置结合了高能技术与数控技术，能够高效、稳定的在刀具主要切削工作面上加工出预先设定的复合微结构形貌及其分布。本发明专利技术方法及其装置加工对象为切屑加工中的各种刀具。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种刀具表面复合造型处理方法及实施这种加工方法的装置，在刀具的主要摩擦、磨损表面进行微织构复合形貌的主动处理，属于机械制造领域。
技术介绍
机械加工大多离不开刀具且后者在机加工成本中占很大比重。在机械行业竞争日趋激烈的今天，刀具使用寿命的延长，切削质量的提高对提升企业竞争力有着显著的积极效果。在切削加工中，尤其是高速重载的切削条件下，热量在刀具切削刃上聚集造成刀具局部温度急剧上升，同时切屑高速流出。在高温、高压和强烈摩擦的共同作用下，前刀面极易磨损，形成所谓的月牙洼。月牙洼的宽度和深度逐渐增大，并向刃口铺展，当铺展到刃 口边缘时，使切削刃的强度降低，极易导致崩刃的现象发生。另一方面，在加工塑性好的金属材料时，金属材料在刀刃粘附，逐渐在刀具的刀尖处形成积屑瘤。积屑瘤影响工件表面的加工质量和尺寸精度，所以应竭力避免积屑瘤的产生。目前，已有多种技术用以提高刀具性能采用高压射流冷却润滑系统，延长刀具的使用寿命达50% ;刀具表面涂层技术，提高刀具表面的耐磨性与抗粘结能力；超细晶粒硬质合金材料的使用大大增加了刀具的硬度和耐磨性。从传统意义上讲，为了减小摩擦，必须要使得相互接触的表面尽可能光滑，粗糙度越小越好，这是从机械啮合理论来分析摩擦机理的；随着摩擦学研究进入微观领域，人们发现表面太光滑，摩擦系数反而增加，这是从分子间作用力的角度来考虑的。在此基础上，科研工作者发现在摩擦副表面设置一定形状和分布的微观织构，对存在相对运动的物体表面主要有以下作用(1)相互平行的摩擦表面间产生动压润滑效应；(2)减少摩擦表面的摩擦因素，从而减小摩擦力和摩擦力矩；(3)提高承载能力；(4)微孔(槽)可以作为储油槽，为边界润滑或为刚启动的摩擦表面提供润滑油；(5)微孔(槽)可以用作储屑槽，容纳因边界润滑或干摩擦产生的磨屑，从而减少磨损，延长使用寿命。上世纪末，随着将表面技术引入刀具的研制，刀具的性能得到了进一步的提高。中国专利CN201010124734，公开了具有表面微造型的抗粘结、耐磨损刀具/刀片，在易发生磨损的区域，如靠近切削刃附近的前、后刀面上，分布了一些微坑阵列结构，这些微坑阵列结构是采用电化学加工或激光加工等微细制造技术加工而成，能够改善切削加工时刀具与切屑、工件的接触状况，抑制粘刀现象。虽然该专利中在易发生磨损的区域进行微造型，但是易发生磨损的区域往往都是冷却液难以进入的区域，使得微坑阵列结构的动压润滑效果得不到充分的发挥，并且微坑阵列结构没有防止材料粘附的效果。本专利技术主要技术思想是在刀具主要摩擦、磨损表面进行复合微织构的主动设计制造，微织构形貌具体有微凹腔、微凸起、微沟槽。三种微尺度结构各自有其有益效果且又相互影响，相辅相成，显著改善刀具的表面性能，提高刀具润滑冷却性能，延长刀具寿命。在外圆车刀应用后的实验表明，采用本专利技术的外圆车刀在同等切削时间和工况的对比实验中，其磨损量减少了 30%，切削力减少了 15%，在对铝合金塑性材料的切削过程中未出现积削瘤现象。刀具的种类很多，但是它们切削部位的几何形状却有共通之处。外圆车刀是比较简单的一种，其余刀具都可以看成是外圆车刀的组合或演变，如铣刀有许多个刀齿，每个刀齿相当于外圆车刀的刀头。本专利随后在对技术特征叙述时，都是以外圆车刀为描述对象，但是技术特征能够扩展至所有的机加工刀具。
技术实现思路
本专利技术针对刀具易磨损、崩刃、加工质量不高、冷却液失效问题，提出一种全面提升刀具性能的表面复合造型处理方法，其利于切屑与刀具强制分离，减少了切屑瘤的生成，进而避免了切屑瘤造成的震动，提高了切屑质量；利于排屑，减少了切屑对刀具的磨损；在刀具表面形成强动压润滑效应；利于切屑液的扩散和吸收切削生热；在微造型区域形成类似钉扎强化的效果，使该区域材料硬度、耐磨性增加，延长刀具使用寿命；复合造型处理后的刀具更美观，磨损程度更容易判断。 本专利技术的一种刀具表面复合造型处理方法所采取的技术方案是确定刀具的易磨损部位；主动设计针对上述易磨损部位的复合微造型方案；在刀具上形成上述方案的造型；判定造型质量。实施本专利技术的一种刀具表面复合造型处理方法的装置所采取的技术方案是，结合表面检测技术、微造型技术、毛化技术和数控技术、机器人技术在刀具易磨损部位完成主动的复合微造型。本专利技术的一种刀具表面复合造型处理方法的具体技术方案为，通过表面检测装置加工过程中的观测，确定对象刀具的主要磨损区域。外圆车刀的主要磨损部位为前刀面。在前刀面进行区域划分，将其划分为切削区、主磨损区、加工影响区，切削区的宽度小于主磨损区的宽度，根据刀具尺寸的不同，切削区宽度为O. 2 lmm，削磨损区宽度为f 30mm ;上述三个区域分别对应三种微造型方案，切削区为熔凝凸起阵列的熔凝微造型，其面积占有率为5°/Γ50%，熔凝凸起的高度f 20微米，直径2(Γ500微米，主磨损区为微凹腔阵列的微凹腔造型，其面积占有率5°/Γ50%，微凹腔的深度2 25微米，直径1(Γ100微米，在加工影响区为连接并贯穿上述两个区域的含有多条微沟槽的微沟槽的微造型，微沟槽宽1(Γ250微米，深2 25微米，微沟槽为直线或曲线且为多种宽度、深度、延展方向的组合，针对特定的刀具，微沟槽在前刀面有两类分布刀具的主偏角在45° 75°之间，此种刀具的刀尖散热性能良好，微沟槽的主要作用是为主磨损区提供切削液形成润滑，呈发散式延展，利于切削液的在前刀面上的扩散，刀具的主偏角在75°、0°之间，此种刀具的刀尖散热性能差且应力较为集中，微沟槽的主要作用是将切削液传送至刀尖附近，呈收敛式延展，利于吸收切削生热。三种微造型方案通过高能能量束，如激光和脉冲电流，对刀具表面材料的融化或气化获得，其中微沟槽的微造型还能通过机械刮擦的方式获得，熔凝微造型由熔凝凸起阵列而成，熔凝凸起由于加工参数的不同包括两种形态即熔凝凸起A和熔凝凸起B，前者为基体材料融化后向造型边界中心流动形成的中心凸起，后者为基体材料融化后向造型边界四周流动形成的火山口状凸起，微凹腔造型由微凹腔阵列而成；高能能量束加工后的表面还留有硬化区；表面检测装置观测造型效果，判定是否成功造型。熔凝凸起和微凹腔排列规律，为排列间隔相等、排列间隔递增或递减、面积占有率恒定的随机排列中的一种，面积占有率为造型边界所围面积之和与造型区域面积的比值，直径为造型边界所围图形的最大内切圆直径，深度为造型边界最深处至基体材料表面的距离，高度为熔凝凸起最高点至基体材料表面的距离。激光A在切削区获得熔凝微造型的激光器为CO2激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器、光纤激光器之一，激光A参数为功率密度IO4 — 107W/cm2，离焦量±2mm，脉冲宽度O. 01 500ms，脉冲频率30 Hz 20kHz ;激光B在主磨损区获得微凹腔造型的激光器为二极管泵浦YAG固体激光器，光纤激光器之一，激光B参数为功率密度106 1081/0112，脉冲宽度O. Olns 50Us，脉冲频率I 50kHz，脉冲数I 7次，辅助气体为氮气、氩气、氧气、空气，气压为O. 05^1. OOMPa，其中脉冲频率为激光器每秒钟发出的激光脉冲个数，脉冲数为形成单个微凹腔的激光脉冲个数。实施本专利技术的表面复合造型处理方法的装置包括刀具表面检测系统本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种刀具表面复合造型处理方法，其特征在于包括如下步骤：A）在金属切削刀具（1）表面划分区域，加工影响区（16）是刀具表面受到切削作业影响的区域，包括了切削区（18）和主磨损区（17）及向刀具（1）表面其它区域的延伸，延伸出的区域为刀具（1）表面冷却液易于到达的位置，切削区（18）和主磨损区（17）是冷却液不易到达或者损耗很快的位置；切削区（18）是在刀具（1）切削过程完成去除被切削工件（3）材料任务的区域；主磨损区（17）是在刀具（1）切削过程中对切屑起支撑作用的区域，切屑在这一区域开始与刀具分离；切削区（18）和主磨损区（17）各区域的边界和切削刃平行；？B）为切削区（18）和主磨损区（17）及向刀具（1）表面其它区域的延伸三个区域设计造型方案，切削区（18）为熔凝凸起阵列的熔凝微造型（2），其面积占有率为5%~50%，熔凝凸起的高度1~20微米，直径20~500微米；主磨损区（17）为微凹腔（15）阵列的微凹腔造型（6），其面积占有率5%~50%，微凹腔（15）的深度2~25微米，直径10~100微米；在加工影响区（16）为连接并贯穿上述两个区域的含有多条微沟槽（12）的微沟槽的微造型（8），微沟槽（12）宽10~250微米，深2~25微米，其为直线或者曲线且为多种宽度、深度、延展方向的组合；其中，面积占有率为造型边界（29）所围面积之与对应造型区域总面积的比值，直径为造型边界（29）所围图形的最大内切圆直径，深度为造型边界（29）最深处至基体材料（5）表面的距离，高度为熔凝凸起最高点至基体材料（5）表面的距离；C）将刀具（1）固定在刀具夹具（40）上；D）熔凝微造型（2）、微凹腔造型（6）和微沟槽的微造型（8）通过高能能量束对刀具（1）表面材料的融化或气化获得；微沟槽的微造型（8）由微凹腔（15）线性排列、连接而成；熔凝微造型（2）由熔凝凸起阵列而成；微凹腔造型（6）由微凹腔（15）阵列而成，加工后的影响边界（30）内含有硬化区（20），硬化区（20）为热效应影响区域，硬度上升；E）步骤A）中的表面检测装置观测及检验表面形貌，判定是否达到预期造型目标，判断标准为，造型区域边界偏差小于2mm，微凹腔（15）和熔凝凸起90%满足尺寸要求：成功造型的刀具（1）进行步骤F），不成功造型的刀具（1）将原有造型磨去回到步骤C）；F）使用造型后的刀具（1），重复步骤A），即通过加工观测法或刀具观测法二次优化表面的区域分布，确定最终的区域划分，用于大批量刀具（1）的表面复合造型处理加工。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：符永宏，康正阳，符昊，华希俊，王浩，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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