基于微织构刀具的切削装置、方法及刀具加工方法

摘要

基于微织构刀具的切削装置、方法及刀具加工方法。本发明借助圆弧刀实现绕刀刃圆弧圆心的低速往复摆动，控制当前刀触区沿圆弧形刀刃周期性往复迁徙，使刀刃逐点依次参与切削。这样的有益效果是可以逐点冷却切削刃，进一步地，使用微织构刀具，伴随刀具的往复摆动，微织构内部储存的切削液被强力挤压进入切削区域，浸入到前刀面与切屑的接触区域，刀屑表面的润滑状态由边界润滑过渡到流体润滑状态，摩擦系数可大幅下降，另外，采用刀触区时变和微织构刀具的结合，当刀触区转离被切削材料时，该刀触区旋即得到充分冷却，微织结构内部的切削液也可得到及时补给，无需停止加工过程，刀具的冷却和润滑效果提升成本降至最低，降低了磨削力和当前磨削点温度，同时大幅度刀具的磨损量，延长使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及切削技术领域，特别涉及一种提高刀具润滑效果的精密/超精密切削方法

背景技术

传统切削过程中，刀具与工件的接触区(刀触区)属于紧密型接触的边界润滑摩擦状态。为改善前、后刀面的润滑效果，提出了微织构刀具。微织构刀具在一定程度上可降低刀触区的摩擦系数，但受到界面压力、切屑流动等因素影响，效果有时并不显著。

近年来，仿生摩擦学的相关研究表明具有特定尺度微观结构的非光滑表面具有优异的减摩和抗粘附性能。例如，鲨鱼皮表面的微观沟槽结构能优化鲨鱼体表流体边界层的流体结构，有效减小鲨鱼在游动时受到的水体摩擦阻力。研究表明通过在犁壁与推土板上制作效仿蜣螂体表的凹坑微织构，可大幅减小土壤在农具表面的粘附。研究还发现某些跨尺度周期性织构表面能加强毛细作用，阻止反方向回流，从而实现液膜的定向输送。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于微织构刀具切削装置、方法及刀具加工方法，无需停止加工过程，通过微织构进行切削液的补充，刀具的冷却和润滑效果提升成本降至最低，降低了磨削力和当前磨削点温度，同时大幅度刀具的磨损量，延长使用寿命。

第一方面，本发明提供一种基于微织构刀具切削装置，所述装置包括机床转台、固定安装在所述机床转台上的圆弧刀具，所述圆弧刀具的曲率中心与所述机床转台的旋转中心重合，所述圆弧刀具具有用于切削的圆弧刃，所述圆弧刃具有用于容纳切削液的微织构，当所述机床转台摆动时，所述圆弧刀具绕所述机床转台的旋转中心随动，以使得与工件接触的刀触区在所述圆弧刃上移动完成所述刀触区时变切削。

可选地，所述微织构采用沟槽底部为楔形阵列的结构。

可选地，所述圆弧刀的曲率半径为10mm、20mm或50mm。

可选地，还包括用于调整所述圆弧刀位置的调整组件，所述调整组件包括CCD相机系统以及三维调整刀架，根据所述CCD相机系统采集到的图像利用所述三维调整刀架调整所述圆弧刀。

可选地，所述圆弧刀的材质为金刚石。

可选地，所述机床转台为机床B轴转台。

第二方面，本发明提供一种基于微织构刀具的刀触点时变切削方法，所述方法包括：

机床转台带动圆弧刀绕旋转所述机床转台的旋转中心进行往复摆动；

控制所述圆弧刀的刀触区沿圆弧刃进行周期性往复迁徙，使所述圆弧刃的刀刃逐点参与切削；

伴随所述圆弧刀的往复摆动，位于所述圆弧刃上的微织构内部储存的切削液被挤压进入切削区域，浸入到所述刀触区前刀面与切屑的接触区域，刀屑表面的润滑状态由边界润滑过渡到流体润滑状态；

当所述刀触区转离被切削材料时，所述刀触区进行冷却，补给所述微织结构内部的切削液。

第三方面，本发明提供一种带有微织构刀具加工方法，所述方法包括：

在刀具的前刀面镀Cr膜并旋涂光刻胶并制备掩膜；

利用倾斜反应离子刻蚀法加工密排倾斜微坑阵列；

在所述密排倾斜微坑阵列镀Cr膜并旋涂光刻胶并通过套刻工艺制备掩膜；

利用垂直反应离子刻蚀加工出密排微沟槽阵列得到仿生织构表面。

可选地，所述在刀具的前刀面镀Cr膜并旋涂光刻胶并制备掩膜，包括：

在刀具的前刀面镀Cr膜并旋涂光刻胶并通过激光直写、显影、刻蚀进行制备掩膜。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明借助圆弧刀实现绕刀刃圆弧圆心的低速往复摆动，控制当前刀触区沿圆弧形刀刃周期性往复迁徙，使刀刃逐点依次参与切削。这样的有益效果是可以逐点冷却切削刃，进一步地，使用微织构刀具，伴随刀具的往复摆动，微织构内部储存的切削液被强力挤压进入切削区域，浸入到前刀面与切屑的接触区域，刀屑表面的润滑状态由边界润滑过渡到流体润滑状态，摩擦系数可大幅下降，另外，采用刀触区时变和微织构刀具的结合，当刀触区转离被切削材料时，该刀触区旋即得到充分冷却，微织结构内部的切削液也可得到及时补给，无需停止加工过程，刀具的冷却和润滑效果提升成本降至最低，降低了磨削力和当前磨削点温度，同时大幅度刀具的磨损量，延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中基于微织构刀具的刀触点时变切削装置的刀触区时变切削法的示意图；

图2为本发明实施例中基于微织构刀具的刀触点时变切削装置的刀触点时变切削法的示意图；

图3为本发明实施例中基于微织构刀具的刀触点时变切削装置的圆弧刀的曲率中心与机床B轴转台的旋转中心重合方法的示意图；

图4为本发明实施例中本发明实施例中基于微织构刀具的刀触点时变切削方法的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明提供一种基于微织构刀具切削装置，所述装置包括机床转台、固定安装在所述机床转台上的圆弧刀具，所述圆弧刀具的曲率中心与所述机床转台的旋转中心重合，所述圆弧刀具具有用于切削的圆弧刃，所述圆弧刃具有用于容纳切削液的微织构，当所述机床转台摆动时，所述圆弧刀具绕所述机床转台的旋转中心随动，以使得与工件接触的刀触区在所述圆弧刃上移动完成所述刀触区时变切削。

所述微织构采用沟槽底部为楔形阵列的结构，提取猪笼草口缘区表面的典型特征结构，即沟槽底部的“鸭嘴状”楔形阵列结构，建立仿生织构刀具的有限元模型，分析阵列结构在切削力作用下的应力与变形情况，同时考虑加工可行性，从而优化仿生织构的几何尺寸。

为增大刀具摆动的许可范围，拟采用大圆弧半径的金刚石刀具。根据现有金刚石刀具的制造水平，将圆弧刀的曲率半径设计成10mm、20mm和50mm等几个尺寸，可以灵活选择，对此不做限定。

本装置还包括用于调整所述圆弧刀位置的调整组件，所述调整组件包括CCD相机系统以及三维调整刀架，根据所述CCD相机系统采集到的图像利用所述三维调整刀架调整所述圆弧刀，由于存在人为观测判读误差和CCD相机系统误差，即使经过精确调整，刀刃圆弧曲率中心和B轴回转中心也很难完全重合。在机床B轴转台摆动时，通过试切法可以测得该偏差值，可以根据偏差值精调整刀具位置。

所述圆弧刀的材质为金刚石，对此不做限定。

所述机床转台为机床B轴转台，机床B轴转台的旋转中心与主轴转台的旋转中心互相垂直。

借助圆弧刀绕刀刃圆弧圆心的低速往复摆动，控制当前刀触区沿圆弧形刀刃周期性往复迁徙，使刀刃逐点依次参与切削，伴随刀具的往复摆动，微织构内部储存的切削液被强力挤压进入切削区域，浸入到前刀面与切屑的接触区域，刀-屑表面的润滑状态由边界润滑过渡到流体润滑状态，摩擦系数可大幅下降。当刀触区转离被切削材料时，该刀触区旋即得到充分冷却，微织结构内部的切削液也可得到及时补给。

对应地，本发明提供一种基于微织构刀具的刀触点时变切削方法，用于上述的基于微织构刀具的刀触点时变切削装置，所述方法包括：

机床转台带动圆弧刀绕旋转所述机床转台的旋转中心进行往复摆动；

控制所述圆弧刀的刀触区沿圆弧刃进行周期性往复迁徙，使所述圆弧刃的刀刃逐点参与切削；

伴随所述圆弧刀的往复摆动，位于所述圆弧刃上的微织构内部储存的切削液被挤压进入切削区域，浸入到所述刀触区前刀面与切屑的接触区域，刀屑表面的润滑状态由边界润滑过渡到流体润滑状态；

当所述刀触区转离被切削材料时，所述刀触区进行冷却，补给所述微织结构内部的切削液。

结合图2所示，实现刀触区时变切削的关键是调整刀刃圆弧的曲率中心与机床B轴转台的旋转中心重合。初始位置时金刚石刀具随机固定在刀架上，首先旋机床转B轴转台将圆弧刀和Z轴方向重合，接着调整刀架使圆弧刀的圆弧顶点与机床B轴转台的旋转中心重合。最后，按照圆弧刀的刀刃圆弧半径值调整刀架，使刀具切削刃的几何中心与机床B轴转台旋转中心重合。

结合图3所示，调整完毕后B轴转台、刀具和主轴三者之间的位置关系。当机床B轴转台摆动时，圆弧刀的刀刃圆弧绕机床B轴状态的旋转中心随动，当前刀触区在刀具圆弧刃上移动，从而实现刀触区时变切削，伴随圆弧刀的往复摆动，微织构内部储存的切削液被强力挤压进入切削区域，浸入到前刀面与切屑的接触区域，刀屑表面的润滑状态由边界润滑过渡到流体润滑状态，摩擦系数可大幅下降，当刀触区转离被切削材料时，该刀触区旋即得到充分冷却，微织结构内部的切削液也可得到及时补给。

结合图4所示，对应地，本发明提供一种带有微织构刀具加工方法，所述方法包括：

在刀具的前刀面镀Cr膜并旋涂光刻胶并制备掩膜；

利用倾斜反应离子刻蚀法加工密排倾斜微坑阵列；

在所述密排倾斜微坑阵列镀Cr膜并旋涂光刻胶并通过套刻工艺制备掩膜；

利用垂直反应离子刻蚀加工出密排微沟槽阵列得到仿生织构表面。

可选地，所述在刀具的前刀面镀Cr膜并旋涂光刻胶并制备掩膜，包括：

在刀具的前刀面镀Cr膜并旋涂光刻胶并通过激光直写、显影、刻蚀进行制备掩膜。

需要说明的是，套刻工艺中要注意与第一步曝光标记位置的精确对准，提取猪笼草口缘区表面的典型特征结构，即沟槽底部的“鸭嘴状”楔形阵列结构，建立仿生织构刀具的有限元模型，分析阵列结构在切削力作用下的应力与变形情况，同时考虑加工可行性，从而优化仿生织构的几何尺寸。

采用上述步骤提出的加工方法，开展工件的切削加工，在切削过程中切屑粘结和堆积现象将明显降低，刀具寿命明显提高。

在进行加工之前，还包括以下步骤：采用数控模拟仿真软件VERICUT建立数控虚拟加工环境，对所编制的多轴联动数控加工程序进行虚拟加工仿真，实现过切和欠切检查，防止机床碰撞、超行程事故的发生，加工程序的制作和多轴联动数控加工程序的生成可采用商业化软件，也可自行编写开发专有软件。

本发明借助圆弧刀实现绕刀刃圆弧圆心的低速往复摆动，控制当前刀触区沿圆弧形刀刃周期性往复迁徙，使刀刃逐点依次参与切削。这样的有益效果是可以逐点冷却切削刃，进一步地，使用微织构刀具，伴随刀具的往复摆动，微织构内部储存的切削液被强力挤压进入切削区域，浸入到前刀面与切屑的接触区域，刀屑表面的润滑状态由边界润滑过渡到流体润滑状态，摩擦系数可大幅下降，另外，采用刀触区时变和微织构刀具的结合，当刀触区转离被切削材料时，该刀触区旋即得到充分冷却，微织结构内部的切削液也可得到及时补给，无需停止加工过程，刀具的冷却和润滑效果提升成本降至最低，降低了磨削力和当前磨削点温度，同时大幅度刀具的磨损量，延长使用寿命。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种基于微织构刀具的切削装置、方法及刀具加工方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。