基于少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具切削方法

摘要

本发明涉及一种基于少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具切削方法，包括一种新型的仿生多尺度微织构刀具，以解决刀具上的加工微结构导致刀具结构强度减弱的问题，包括一种新的润滑方法少量低速喷射润滑，其使用量为传统浸入式润滑所需润滑油量的3.14％。提出了一种高效、绿色、经济的润滑新方法。揭示了微织构刀具在该润滑条件下的切削机理，解决了微织构切削对刀具强度的削弱问题，而且在干、湿润滑条件下都能大大提高切削性能，特别是当工具与少量低速喷射润滑结合使用时，其效果是最好的，刀具的抗粘着能力也得到了明显的提高。

说明书

技术领域

本发明涉及机械切削刀具技术领域，尤其是涉及一种基于少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具切削方法。

背景技术

钛合金因其具备优秀的物理和化学性质，被广泛的运用于军工、航空航天、造船等领域中。但钛合金材料在切削加工中极易出现切屑的黏结和极高的温度，这让其成为了难加工的材料。研究表明单一织构对于解决钛合金的难加工问题有一定程度的改善，但改善的幅度有限。有研究发现复合型微织构对于改善切屑黏结的作用非常显著。另外，研究发现不同尺度的微织构组合起来会比单一尺度的织构性能更好。

微织构即表面微组织结构(简称微织构)，在摩擦学中指固体表面的微几何形状，指在摩擦副表面通过一定的加工技术加工出具有一定尺寸和分布的凹坑、凹痕或凸包等几何形状的图案。微织构由于具有减磨，存储润滑剂，磨屑等作用，将织构引入到刀具后可以大幅改善切削的性能，如减少切削力、降低切削温度、减少刀具粘结、抗磨减摩以及提高刀具寿命等。

由于传统切削浸入润滑造成的浪费和污染的缺点，所以提出了一种经济绿色的润滑方式：少量润滑，这种润滑方式不但比传统浸入润滑效果好，而且还大大减少了切削液的使用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具切削方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具切削方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：于机床系统中的对应部件上安装设置加工工件及仿生多尺度微织构刀具；

步骤2：按照设定流速、口径尺寸及喷射角度选定并安装设置内置有切削液的喷嘴；

步骤3：按照设定距离将喷嘴设置于仿生多尺度微织构刀具相对于工件的切削部分位置处，并打开润滑设备针对该位置处喷射润滑剂；

步骤4：设置机床系统相关切削参数后开始切削。

进一步地，所述的步骤1中的微织构采用火山口型微织构，呈凸火山口状。

进一步地，所述的凸火山口状的最大宽度为0.1mm，最大深度为0.05mm。

进一步地，所述的多尺度微织构刀具表面上设有按阵列排布的不同尺度的微织构。

进一步地，所述的微织构的不同尺度呈仿生梯度变化趋势。

进一步地，所述的步骤1中的多尺度微织构刀具的前角为﹢5°，后角为﹢10°，刃圆半径为0.02mm。

进一步地，所述的步骤2中的设定流速为4m/s，口径尺寸为1mm。

进一步地，所述的步骤2中的喷射角度随刀具不同而变化，当刀具分别为普通无织构刀具、普通火山口型微织构刀具、梯度火山口型微织刀具和仿生梯度微织构刀具时，对应的喷射角度分别为6°、20°、10°和13°。

进一步地，所述的步骤4中的机床系统相关切削参数包括切削速度、进给速度和切削深度，分别对应设置为60m/min、0.15mm/rev和1mm。

进一步地，所述的步骤2中的切削液的用量为0.1884L/min。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)目前对于微织构刀具的切削多是在无切削液下进行的，在润滑状态下切削较少，本发明提出了以种极大节省切削液的润滑方式-少量低速喷射润滑。

(2)本发明通过使用复合型微织构所构成的多尺度微织构刀具，在少量润滑的辅助下切削热与切屑黏结的问题得到显著的改善，特别是切削刃附近的切削热得到非常大幅度的降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为基于少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具的切削方法的结构示意图。

图2为基于少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具的切削方法中火山口的剖视尺寸示意图。

图3为基于少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具的切削方法中多尺度微织构刀具及其截面剖视图，其中，图3(a)为微织构刀具结构图，图3(b)为微织构刀具截面剖视图。

图4为基于少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具的切削方法中刀具的尺寸参数示意图。

图中，1为工件，2为刀具，3为切屑，4为喷嘴，5为切削液。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1-图4，一种基于少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具的切削方法，包括火山口型织构，刀具前刀面织构深度仿生梯度变化，火山口型微织构多尺度地分布在刀具前刀面，该刀具切削时采用少量低速润滑方式。在该加工方案下，切削时不但高温与切屑粘结问题得到显著的改善，还带来其他切削性能的提升，对于目前切削加工工艺意义重大。

图3中，MSMT—多尺度微织构刀具，Depth-织构深度，Distance-到主切削刃的距离，由图可知，基于竹鼠牙齿仿生主切削刃附近织构深度较小，并且在远离切削刃的方向上深度逐渐增加然后减小。

本发明的工作步骤及原理是：

a)、将被加工工件1固定在机床夹具上，将仿生多尺度微织构刀具2固定在刀柄上，刀具的前角为+5°，后角为+10°，刀具刃圆半径为0.02mm；

b)、设置放入内置有切削液5的喷嘴4的直径为1mm，流速v为4m/s，喷射角度β随刀具不同而变化，普通无织构刀具、普通火山口型微织构刀具、梯度火山口型微织刀具和仿生梯度微织构刀具的最佳喷射角度分别为6°、20°、10°和13°；

c)、将喷嘴对准刀具切削部分，合理设置喷嘴至刀具切削部分距离，打开润滑设备，出口处稳定地喷射出润滑剂；

d)、关闭机床门，设置切削速度为60m/min，进给速度为0.15mm/rev，切削深度为1mm，开启机床进行切削加工；

经少量低速喷射润滑的仿生多尺度微织构刀具的切削方式加工，其优势在于：

1)极具经济性，切削液使用量最多为传统浸润式润滑的3.14％，而且不需要添加任何设备，使用现有设备即可；

2)减少了切屑与刀具前刀面的接触面积及摩擦系数；

3)在加工过程中，润滑液能储存在微织构中，使得油膜在刀尖处稳定形成；

4)仿生多尺度微织构刀具与少量低速润滑结合能显著改善切削中的高温和粘结问题；

5)火山口型微织构可以缩短刀-屑接触区的长度，促进切屑卷曲，提高断屑效率，使前刀面高温区向后移动，减少刀具磨损等；

6)仿生多尺度微织构刀具，解决了微织构加工所造成的刀具结构被破坏的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。