一种自润滑与自冷却的干切削刀具及其制备方法

摘要

本发明提供的一种自润滑与自冷却的干切削刀具及其制备方法，属机械切削刀具制造技术领域。该刀具的前刀面刀-屑接触区带有多个填充固体润滑剂的微型减摩槽，减摩槽中的固体润滑剂在切削热和切屑挤压的共同作用下拖敷于刀具前刀面形成连续的固态润滑膜，以实现刀具的自润滑功能；而刀体内部有自循环冷却腔，切削加工时，冷却腔内的液态介质吸收刀具切削部分传来的热量，能够有效的加强刀具切削部分的快速散热和冷却，从而实现刀具的自冷却。该刀具既可减小刀具与工件之间的摩擦，又可降低切削温度，从而减小刀具磨损，提高工件加工质量和刀具耐用度，可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工，实现清洁化生产。

说明书

一、技术领域

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种自润滑与自冷却双重效用的干切削刀具及其制备方法。

二、背景技术

切削液的主要作用是改善切削过程的摩擦润滑状态，降低切削温度，从而延长刀具寿命、提高工件加工表面质量。但是，随着切削液用量的增加，其负面影响也越来越大，切削液的制造、使用及排放需消耗大量的能源和资源，增加了产品的制造成本，且切削液会对环境造成严重污染，并损害工人健康。解决这一问题的办法是采用干切削加工技术。但是干切削加工时，由于没有切削液的润滑与冷却作用，刀具-工件之间的摩擦加剧，切削温度急剧升高，刀具的磨损严重，刀具寿命下降，加工表面质量恶化。为此，急需寻找一种新技术来减小干切削加工时刀具与工件之间的摩擦、降低切削温度。

中国专利“专利号ZL 2004100242261”报道了Al₂O₃/TiC/CaF₂自润滑陶瓷刀具材料，它是将CaF₂固体润滑剂添加到Al₂O₃/TiC陶瓷刀具材料中制成自润滑陶瓷刀具材料。中国专利“专利号ZL 200610068975.3”报道了自润滑复合软涂层刀具，该刀具涂有MoS₂固体润滑剂层，以实现刀具的自润滑。中国专利“申请号：200710017168.3”报道了微池自润滑刀具，该刀具是在刀具前刀面刀-屑接触区加工多个微孔并填充固体润滑剂，以实现刀具的自润滑。中国文献“机械工程学报”(1989，25(1)：8～12)报道了热管车刀的研制，它是在机夹可转位车刀的导杆内部加工热管来强化刀具在切削加工时的散热。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，改进刀具进行干切削加工时的润滑与冷却效果，提供一种自润滑与自冷却双重效用的干切削刀具及其制备方法。本发明是通过以下方式实现的：

本发明的一种自润滑与自冷却干切削刀具，该刀具材料为高速钢，该刀具前刀面刀-屑接触区带有填充固体润滑剂的微型减摩槽，刀体内部设有封闭的液体介质冷却腔。本发明的一种自润滑与自冷却干切削刀具的制备方法，刀体为高速钢车刀，该制备方法为：

(1)在刀体内加工出横截面为矩形的内腔，腔体沿刀体后部开口，保证腔体壁的厚度为5～8mm；腔体内表面为多孔状凹坑；

(2)选择铜板为刀体冷却腔的后端封盖，铜板厚度为5mm左右，在铜板中间位置加工出通孔，孔径为6～10mm，取一根直径与孔配合的铜管作为封口管，将其与铜板上通孔紧密焊接；并将封盖铜板与刀体后端焊接，形成冷却腔体；

(3)通过封口管向腔体内充装液态工作介质，对刀体进行加热，使管腔内液态工质沸腾以排除管腔内的空气，待液态工质沸腾片刻后用封口钳夹扁封口管并焊锡密封，充装的液体介质为蒸馏水，也可采用酒精或丙酮，充装液体的体积占冷却腔总容积的50％～70％；

(4)在刀具前刀面刀-屑接触区加工出数十个交叉排列的微型的矩形凹槽，每个微型槽的宽度为50～100μm，微型槽的深度为100～250μm，槽的长度为1～3mm，槽中心间距为100～300μm；

(5)在每个微型槽中填充粒径为0.5～2μm的固体润滑剂粉末，固体润滑剂为MoS₂，也可采用WS₂、CaF₂、石墨。

该刀具前刀面刀-屑接触区带有多个填充固体润滑剂的微型减摩槽，减摩槽中的固体润滑剂在切削热和切屑挤压的共同作用下拖敷于刀具前刀面形成连续的固态润滑膜，以实现刀具的自润滑功能；而刀体内部有自循环冷却腔，切削加工时，冷却腔内的液态工质吸收刀具切削部分传来的热量，能够有效的加强刀具切削部分的散热，从而实现刀具的自冷却。该刀具既可减小刀具与工件之间的摩擦，又可降低切削温度，具有自润滑和自冷却双重功能。通过上述方法制备的自润滑与自冷却干切削刀具，该自润滑与自冷却双重效用干切削刀具可广泛应用于干切削，尤其是切削温度较高的难加工材料的切削加工，能够克服切削液造成的环境污染，实现清洁化生产，降低成本。

四、附图说明

图1为本发明的微型减摩槽示意图，其中：1为填充固体润滑剂的减摩槽，2为刀具前刀面。

图2为自润滑与自冷却干切削刀具的示意图，其中：1为填充固体润滑剂的减摩槽，2为刀具前刀面，3为刀具后刀面，4为刀体，5为冷却腔端盖，6为多孔组织层，7为冷却腔腔体，8为冷却腔工质，9为封口管。

五、具体实施方式：

下面给出本发明的两个最佳实施例：

实施例1：

一种自润滑与自冷却干切削刀具，该刀具材料为高速钢，刀具前刀面2的刀屑接触区带有多个填充固体润滑剂的微型减摩槽1，刀体4内带有封闭式自循环冷却腔。其制备方法如下：

1.采用电火花加工技术从刀体4的后端向前加工出内腔7，腔体7为沿刀体截面居中的横截面为18×18mm的矩形，保证刀具腔体上下左右壁厚均为6mm，腔体7前端加工到靠近刀体4前端的地方，保证腔体前端壁厚与侧面壁厚相当；

2.取厚度为5mm、形状尺寸为30×30mm的铜板作为刀体冷却腔的后端封盖5，采用电火花加工方法在封盖5中间位置加工出孔径为10mm的通孔，取直径配合的铜管插入通孔，采用氩弧焊的方法将铜管9与端盖5上的通孔焊接；采用氩弧焊的方法将端盖5与刀体4后端焊接；

3.通过封口管9向冷却腔7内充装蒸馏水，使蒸馏水占冷却腔总容积的60％，对刀体4进行加热，使冷却腔7内的蒸馏水沸腾以排除管腔内的空气，待蒸馏水沸腾片刻后用封口钳夹扁封口管9并焊锡密封；

4.采用激光加工技术在刀具前刀面刀-屑接触区加工出5个与主切削刃平行的减摩槽，加工出10个与主切削刃垂直的减摩槽，交叉排列，每个减摩槽宽度为60μm，深度为150μm，槽中心间隔为200μm，其中与主切削刃平行的减摩槽长度为2mm，与主切削刃垂直的减摩槽长度为1mm；

5.在每个减摩槽1中填充粒径为1.5μm的固体润滑剂粉末，固体润滑剂的种类为MoS₂；

6.采用该刀具进行干切削加工时，减摩槽1中的固体润滑剂析出在刀具前刀面2的刀-屑接触区形成连续的固态润滑层，冷却腔7中的工质8能够实现循环的蒸发、冷凝和回流。

实施例2：

如实施例1所述的一种自润滑与自冷却干切削刀具，所不同的是冷却腔的工质、减摩槽尺寸、润滑剂种类有所区别，其制备方法如下：

1.采用电火花加工技术从刀体4的后端向前加工出内腔7，腔体7为沿刀体截面居中的横截面为15×15mm的矩形，保证刀具腔体上下左右壁厚均为5mm，腔体7前端加工到靠近刀体4前端的地方，保证腔体前端壁厚与侧面壁厚相当；

2.取厚度为5mm、形状尺寸为25×25mm的铜板作为刀体冷却腔的后端封盖5，采用电火花加工方法在封盖5中间位置加工出孔径为8mm的通孔，取直径配合的铜管插入通孔，采用氩弧焊的方法将铜管9与端盖5上的通孔焊接；采用氩弧焊的方法将端盖5与刀体4后端焊接；

3.通过封口管9向冷却腔7内充装丙酮，使丙酮占冷却腔总容积的50％，对刀体4进行加热，使冷却腔7内的丙酮沸腾以排除管腔内的空气，待丙酮沸腾片刻后用封口钳夹扁封口管9并焊锡密封；

4.采用激光加工技术在刀具前刀面刀-屑接触区加工出4个与主切削刃平行的减摩槽，加工出8个与主切削刃垂直的减摩槽，交叉排列，每个减摩槽宽度为80μm，深度为200μm，槽中心间隔为250μm，其中与主切削刃平行的减摩槽长度为2mm，与主切削刃垂直的减摩槽长度为1mm；

5.在每个减摩槽1中填充粒径为1μm的固体润滑剂粉末，固体润滑剂的种类为石墨。