一种后刀面具有仿贝壳表面形貌的织构拉刀与制备方法

摘要

本发明公开了一种后刀面具有仿贝壳表面形貌的织构拉刀与制备方法。研制切削负载小、耐磨的拉削刀具有重要意义。本发明结合贝壳表面凹凸规律与体表放射肋条特征尺寸参数与拉刀实际尺寸，在粗拉区和半精拉区的相邻刀齿后刀面上分别开设第一凹型织构槽组和第二凹型织构槽组；第一凹型织构槽组包括沿横向布置的四个第一凹型织构槽，第二凹型织构槽组包括沿横向布置的五个第二凹型织构槽；开设第一凹型织构槽组的刀齿后刀面形成五个第一接触面，开设第二凹型织构槽组的刀齿后刀面形成六个第二接触面，第一接触面和第二接触面均开设双V型织构槽；双V型织构槽包括沿拉刀纵向朝向切削刃布置的两个V型槽。本发明降低切削负载，提高刀具可靠性和寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种织构拉刀及其制备方法，特别是涉及一种后刀面具有仿贝壳表面形貌的拉刀及其制备方法。

背景技术

拉削加工刀具(即拉刀)是航空航天、汽车等行业关键零部件高效精密拉削加工机床的核心部件之一，矩形槽拉削加工系统由床身、主油缸、导向柱、溜板、夹刀装置、端板、拉刀等组成。拉削加工过程为主油缸通过溜板和夹刀装置驱动拉刀，拉刀穿过工件内孔，实现对工件内孔矩形槽的加工。因其拉削过程存在负载较大(一般≥10KN)、刀-工-屑摩擦较大、易产生积屑瘤和磨损不易被实时检测等问题，一直是拉削加工过程精密化、高效化和智能化实现中的难点，如何探索研究新型构形的拉削刀具，降低拉削负载，减小拉刀的摩擦磨损，提高拉削过程的可靠性，是拉削加工行业中亟待解决的课题之一。因此，研制一种减小切削负载、耐磨损的新型构型的拉削刀具，对拉削刀具行业的发展有着重要的意义。

目前，在相关领域只有极少数的仿生织构拉刀及制备方法，如申请专利号为201610394048.4(授权公告号为：105904022A，授权公告日为2016年8月31日)的专利公开了一种仿螳螂口器上颚构型的拉刀及其制备方法。该拉刀在刀齿的顶面开设凹槽，刀具头刀齿横截面积的梯度变化和螳螂上颚横截面积的梯度变化呈现一致性，确定刀具头刀齿面积梯度设计刀齿外形。最终刀具头进行热处理，拉刀优化了拉刀的切削性能，减小切削负载。但是该成型拉刀没有将开设凹槽的数量做到最优化，其次主要从拉刀的结构方面进行了优化，并没有从产生负载的关键地方下手，忽略了对后刀面织构的研究，仅仅关注了齿升量与梯度。这些原因导致该拉刀在降低拉削负载方面力度不够，技术有待改进。申请专利号为201610571306.1(授权公告号为：105945350A，授权公告日为2016年9月21日)的专利公开了具有仿生学结构的拉刀。该发明在拉刀表面进行织构化处理，存储润滑剂，减少带锯切屑的接触面积，提高带锯的切削性能，凹坑倾斜设置使得拉刀刀齿高速拉削时润滑液有被甩出的趋势，从而为拉刀提供支承力，同时凹坑由于本身所具有的坡度，提高了拉刀的润滑效果，延长了使用寿命。但该发明首先缺少针对性，没有具体仿生对象与仿生效果，其次，对于凹坑的尺寸及分布没有做出具体要求，同时忽略了织构间距对切削负载的影响，表面结构单一，无法得知凹坑对拉削负载减少的程度与效果。

发明内容

本发明针对现有拉刀拉削过程中存在刀-工-屑之间摩擦较大、齿刃易磨损，易出现积屑瘤、寿命较短和工作负载较大等缺陷，提供了一种后刀面具有仿贝壳表面形貌的织构拉刀及制备方法。该拉刀是一种开设织构槽方案模仿贝壳表面凹凸规律，以减小拉削负载的方法；是一种仿生减阻降载的拉刀优化设计方法；是一种在后刀面开设一定间距、深度、宽度的凹型织构槽拉刀；是一种在凹型织构槽的基础上，在后刀面上增设双V型织构槽的拉刀；该制备方法是一种仿生织构拉刀的制备方法和工艺。

本发明一种后刀面具有仿贝壳表面形貌的织构拉刀，主要由刀柄和刀具头组成；刀具头的刀齿部分划分为粗拉区、半精拉区和精拉区；所述的精拉区为刀具头最前端的五个齿；所述粗拉区及半精拉区的相邻两个刀齿中，一个刀齿的后刀面开设第一凹型织构槽组，另一个刀齿的后刀面开设第二凹型织构槽组。

所述的第一凹型织构槽组包括沿横向布置的四个第一凹型织构槽，拉刀两侧面与对应侧第一凹型织构槽的间距相等，均为2.0～2.5mm中的一个值；中间两个第一凹型织构槽与对应侧第一凹型织构槽的间距相等，均为3.0～3.5mm中的一个值；中间两个第一凹型织构槽之间的间距为2.8～3.2mm；第一凹型织构槽的槽宽为0.3～0.7mm、深度为0.5～0.8mm。

所述的第二凹型织构槽组包括沿横向布置的五个第二凹型织构槽，拉刀两侧面与对应侧第二凹型织构槽的间距相等，均为0.80～0.85mm中的一个值；中间两个第二凹型织构槽与对应侧第二凹型织构槽之间的间距相等，均为2.0～2.5mm中的一个值；中心处的第二凹型槽与中间两个第二凹型织构槽的间距相等，均为3.5～4.0mm中的一个值；第二凹型织构槽的槽宽为0.3～0.7mm、深度为0.5～0.8mm；任意第二凹型织构槽与第一凹型织构槽沿拉刀纵向方向相互错开。

开设第一凹型织构槽组的刀齿后刀面形成五个第一接触面，第一接触面开设双V型织构槽，所述的双V型织构槽包括沿拉刀纵向朝向切削刃布置的两个V型槽，且两个V型槽间距为0.4～0.8mm；V型槽的内侧顶点到两端端面的距离相等，均为0.4～0.8mm中的一个值；V型槽的深度为0.4～0.7mm；两侧的双V型织构槽记为第一类织构槽，中间三个双V型织构槽均记为第二类织构槽；第一类织构槽的V型槽张开角度为100～105°，第二类织构槽的V型槽张开角度为110～115°。

开设第二凹型织构槽组的刀齿后刀面形成六个第二接触面，第二接触面均开设双V型织构槽；两侧的双V型织构槽记为第三类织构槽，中间两个双V型织构槽记为第四类织构槽，中间双V型织构槽与对应侧双V型织构槽之间的双V型织构槽记为第五类织构槽；第三类织构槽的V型槽张开角度为42～47°，第四类织构槽与第二类织构槽的V型槽张开角度相等，第五类织构槽的V型槽张开角度为78～83°。

所述的第一凹型织构槽、第二凹型织构槽和双V型织构槽均采用光纤打标机开设。

本发明一种后刀面具有仿贝壳表面形貌的织构拉刀的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、通过线锯切割加工拉刀刀齿外形，将刀齿部分由尾部到头部依次划分为粗拉区、半精拉区和精拉区。粗拉区和半精拉区的齿升量为0.036～0.04mm；精拉区的齿升量为0～0.036mm。

步骤二、通过激光传感器对贝壳表面凹凸规律与体表放射肋条形貌的尺寸数据采集和分析，得到贝壳表面凹凸规律与体表放射肋条形貌特征尺寸参数。

步骤三、结合贝壳表面凹凸规律与体表放射肋条形貌特征尺寸参数与拉刀实际尺寸，在相邻刀齿的后刀面上通过光纤打标机分别开设第一凹型织构槽组和第二凹型织构槽组；第一凹型织构槽组包括沿横向布置的四个第一凹型织构槽，拉刀两侧面与对应侧第一凹型织构槽的间距相等，均为2.0～2.5mm中的一个值；中间两个第一凹型织构槽与对应侧第一凹型织构槽的间距相等，均为3.0～3.5mm中的一个值；中间两个第一凹型织构槽之间的间距为2.8～3.2mm；第一凹型织构槽的槽宽为0.3～0.7mm、深度为0.5～0.8mm；第二凹型织构槽组包括沿横向布置的五个第二凹型织构槽，拉刀两侧面与对应侧第二凹型织构槽的间距相等，均为0.80～0.85mm中的一个值；中间两个第二凹型织构槽与对应侧第二凹型织构槽之间的间距相等，均为2.0～2.5mm中的一个值；中心处的第二凹型槽与中间两个第二凹型织构槽的间距相等，均为3.5～4.0mm中的一个值；第二凹型织构槽的槽宽为0.3～0.7mm、深度为0.5～0.8mm；任意第二凹型槽与第一凹型槽沿拉刀纵向方向相互错开。

步骤四、开设第一凹型织构槽组的刀齿后刀面形成五个第一接触面，在第一接触面通过光纤打标机开设双V型织构槽，双V型织构槽包括沿拉刀纵向朝向切削刃布置的两个V型槽，且两个V型槽间距为0.4～0.8mm；V型槽的内侧顶点到两端端面的距离相等，均为0.4～0.8mm中的一个值；V型槽的深度为0.4～0.7mm；两侧的双V型织构槽记为第一类织构槽，中间三个双V型织构槽均记为第二类织构槽；第一类织构槽的V型槽张开角度为100～105°，第二类织构槽的V型槽张开角度为110～115°。

步骤五、开设第二凹型织构槽组的刀齿后刀面形成六个第二接触面，第二接触面通过光纤打标机开设双V型织构槽；两侧的双V型织构槽记为第三类织构槽，中间两个双V型织构槽记为第四类织构槽，中间双V型织构槽与对应侧双V型织构槽之间的双V型织构槽记为第五类织构槽；第三类织构槽的V型槽张开角度为42～47°，第四类织构槽与第二类织构槽的V型槽张开角度相等，第五类织构槽的V型槽张开角度为78～83°。

本发明的有益效果：

本发明从仿生学角度出发，通过对贝壳表面形貌的分析，发现其有较好的耐磨性能。通过模仿贝壳表面凹凸规律，开设了一定间距、深度、宽度的凹型织构槽，设计增设了了双V型织构槽，优化设计后的拉刀能明显地降低切削过程中的负载，减小刀-工-屑之间的摩擦，防止积屑瘤的产生，达到提高刀具的可靠性和寿命的目的。

附图说明

图1为本发明的结构立体图。

图2为本发明刀齿部分分区示意图。

图3为普通拉刀的后刀面结构示意图。

图4-1为本发明中后刀面开设第一凹型织构槽的结构示意图。

图4-2为本发明中后刀面开设第二凹型织构槽的结构示意图。

图5-1为本发明中后刀面开设第一凹型织构槽和双V型织构槽的结构示意图。

图5-2为本发明中后刀面开设第二凹型织构槽和双V型织构槽的结构示意图。

图6为本发明拉刀与普通拉刀的拉削负载比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种后刀面具有仿贝壳表面形貌的织构拉刀，主要由刀柄1和刀具头2组成，所述的优化设计以及改进集中在刀具头2的刀齿后刀面处。

如图2所示，刀具头2的刀齿部分划分为粗拉区L1、半精拉区L₂和精拉区L₃。精拉区L₃为刀具头最前端的5个齿，精拉区L₃起到精拉作用，不做优化设计及改进。

如图4-1和4-2所示，粗拉区L1及半精拉区L2的相邻两个刀齿中，一个刀齿的后刀面开设第一凹型织构槽组，另一个刀齿的后刀面开设第二凹型织构槽组；

如图4-1所示，第一凹型织构槽组包括沿横向布置的四个第一凹型织构槽，拉刀两侧面与对应侧第一凹型织构槽的间距相等，均为2.0～2.5mm中的一个值；中间两个第一凹型织构槽与对应侧第一凹型织构槽的间距相等，均为3.0～3.5mm中的一个值；中间两个第一凹型织构槽之间的间距为2.8～3.2mm中的一个值；第一凹型织构槽的槽宽为0.3～0.7mm中的一个值、深度为0.5～0.8mm中的一个值；第一凹型织构槽采用光纤打标机开设。

如图4-2所示，第二凹型织构槽组包括沿横向布置的五个第二凹型织构槽，拉刀两侧面与对应侧第二凹型织构槽的间距相等，均为0.80～0.85mm中的一个值；中间两个第二凹型织构槽与对应侧第二凹型织构槽之间的间距相等，均为2.0～2.5mm中的一个值；中心处的第二凹型槽与中间两个第二凹型织构槽的间距相等，均为3.5～4.0mm中的一个值；第二凹型织构槽的槽宽为0.3～0.7mm中的一个值、深度为0.5～0.8mm中的一个值；第二凹型织构槽也采用光纤打标机开设。任意第二凹型织构槽与第一凹型织构槽沿拉刀纵向方向相互错开。

在凹型织构槽组的基础上，进一步开设双V型织构槽可进一步提高切削性能，降低切削负载。

如图5-1所示，开设第一凹型织构槽组的刀齿后刀面形成五个第一接触面，第一接触面均开设双V型织构槽，双V型织构槽包括沿拉刀纵向朝向切削刃布置的两个V型槽，且两个V型槽间距为0.4～0.8mm中的一个值；V型槽的内侧顶点到两端端面的距离相等，均为0.4～0.8mm中的一个值；V型槽的深度为0.4～0.7mm中的一个值；两侧的双V型织构槽记为第一类织构槽，中间三个双V型织构槽均记为第二类织构槽；第一类织构槽的V型槽张开角度为100～105°中的一个值，第二类织构槽的V型槽张开角度为110～115°中的一个值；双V型织构槽采用光纤打标机开设。

如图5-2所示，开设第二凹型织构槽组的刀齿后刀面形成六个第二接触面，第二接触面均开设双V型织构槽，双V型织构槽包括沿拉刀纵向朝向切削刃布置的两个V型槽，且两个V型槽间距为0.4～0.8mm中的一个值，V型槽的内侧顶点到两端端面的距离相等，均为0.4～0.8mm中的一个值；V型槽的深度为0.4～0.7mm中的一个值；两侧的双V型织构槽记为第三类织构槽，中间两个双V型织构槽记为第四类织构槽，中间双V型织构槽与对应侧双V型织构槽之间的双V型织构槽记为第五类织构槽；第三类织构槽的V型槽张开角度为42～47°中的一个值，第四类织构槽与第二类织构槽的V型槽张开角度相等，均为110～115°中的一个值，第五类织构槽的V型槽张开角度为78～83°中的一个值；双V型织构槽采用光纤打标机开设。

如图3所示为普通拉刀的后刀面结构示意图。如图6所示为普通拉刀、凹型织构槽拉刀、凹型织构槽结合双V型织构槽拉刀的拉削负载比较图，在凹型织构槽结合双V型织构槽拉刀中，拉刀两侧面与对应侧第一凹型织构槽的间距取2.3mm，中间两个第一凹型织构槽与对应侧第一凹型织构槽的间距取3.2mm，中间两个第一凹型织构槽之间的间距取3.0mm，第一凹型织构槽的槽宽取0.5mm、深度取0.75mm；拉刀两侧面与对应侧第二凹型织构槽的间距取0.84mm，中间两个第二凹型织构槽与对应侧第二凹型织构槽之间的间距取2.21mm，中心处的第二凹型槽与中间两个第二凹型织构槽的间距取3.7mm，第二凹型织构槽的槽宽取0.5mm、深度取0.75mm；两个V型槽间距取0.6mm，V型槽的内侧顶点到两端端面的距离取0.6mm，V型槽的深度取0.5mm，第一类织构槽的V型槽张开角度取103°，第二类织构槽的V型槽张开角度取113°，第三类织构槽的V型槽张开角度取45°，第四类织构槽的V型槽张开角度取113°，第五类织构槽的V型槽张开角度取80°。可见，虚线代表的普通拉刀拉削负载F明显大于细实线代表的凹型织构槽拉刀以及粗实线代表的凹型织构槽结合双V型织构槽拉刀拉削负载。而凹型织构槽拉刀拉削负载又大于凹型织构槽结合双V型织构槽拉刀拉削负载。普通拉刀与凹型织构槽结合双V型织构槽拉刀拉削负载在峰值部分的最大差值达到了860N，说明了本发明的可靠性。峰值负载的减小说明拉刀磨损变小，寿命会相应延长。

该后刀面具有仿贝壳表面形貌的织构拉刀的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、通过线锯切割加工拉刀刀齿外形，将刀齿部分由尾部到头部依次划分为粗拉区、半精拉区和精拉区。粗拉区和半精拉区的齿升量为0.036～0.04mm中的一个值；精拉区的齿升量为0～0.036mm中的一个值。

步骤二、通过激光传感器对贝壳表面凹凸规律与体表放射肋条形貌的尺寸数据采集和分析，得到贝壳表面凹凸规律与体表放射肋条形貌特征尺寸参数。

步骤三、结合贝壳表面凹凸规律与体表放射肋条形貌特征尺寸参数与拉刀实际尺寸，在相邻刀齿的后刀面上通过光纤打标机分别开设第一凹型织构槽组和第二凹型织构槽组；第一凹型织构槽组包括沿横向布置的四个第一凹型织构槽，拉刀两侧面与对应侧第一凹型织构槽的间距相等，均为2.0～2.5mm中的一个值；中间两个第一凹型织构槽与对应侧第一凹型织构槽的间距相等，均为3.0～3.5mm中的一个值；中间两个第一凹型织构槽之间的间距为2.8～3.2mm中的一个值；第一凹型织构槽的槽宽为0.3～0.7mm中的一个值、深度为0.5～0.8mm中的一个值；第二凹型织构槽组包括沿横向布置的五个第二凹型织构槽，拉刀两侧面与对应侧第二凹型织构槽的间距相等，均为0.80～0.85mm中的一个值；中间两个第二凹型织构槽与对应侧第二凹型织构槽之间的间距相等，均为2.0～2.5mm中的一个值；中心处的第二凹型槽与中间两个第二凹型织构槽的间距相等，均为3.5～4.0mm中的一个值；第二凹型织构槽的槽宽为0.3～0.7mm中的一个值、深度为0.5～0.8mm中的一个值；任意第二凹型槽与第一凹型槽沿拉刀纵向方向相互错开。

步骤四、开设第一凹型织构槽组的刀齿后刀面形成五个第一接触面，在第一接触面通过光纤打标机开设双V型织构槽，双V型织构槽包括沿拉刀纵向朝向切削刃布置的两个V型槽，且两个V型槽间距为0.4～0.8mm中的一个值；V型槽的内侧顶点到两端端面的距离相等，均为0.4～0.8mm中的一个值；V型槽的深度为0.4～0.7mm中的一个值；两侧的双V型织构槽记为第一类织构槽，中间三个双V型织构槽均记为第二类织构槽；第一类织构槽的V型槽张开角度为100～105°中的一个值，第二类织构槽的V型槽张开角度为110～115°中的一个值。

步骤五、开设第二凹型织构槽组的刀齿后刀面形成六个第二接触面，第二接触面通过光纤打标机开设双V型织构槽；两侧的双V型织构槽记为第三类织构槽，中间两个双V型织构槽记为第四类织构槽，中间双V型织构槽与对应侧双V型织构槽之间的双V型织构槽记为第五类织构槽；第三类织构槽的V型槽张开角度为42～47°中的一个值，第四类织构槽与第二类织构槽的V型槽张开角度相等，均为110～115°中的一个值，第五类织构槽的V型槽张开角度为78～83°中的一个值。