[发明专利]一种亲疏复合织构化刀具表面的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种亲疏复合织构化刀具表面的制备方法，其属于机械切削刀具制造技术领域。

背景技术：

随着各行各业对工程材料强度、硬度、耐高温等方面的要求越来越高，难加工材料已占工件材料的40％以上。高速切削加工作为目前各种难加工材料的主要加工方式，其切削过程中刀具的快速磨损、表面质量差及加工精度不稳定等问题凸显。在高速切削过程中，传统刀具-切屑界面材料处于紧密咬合状态，外部供给的润滑介质只能通过毛细渗透等方式被动抵达摩擦副接触界面的边界区域，难以进入刀-屑接触界面发挥润滑作用，所以传统刀具-切屑界面处于强黏结状态，导致表面加工质量差和刀具快速磨损。因此迫切需要研究减缓刀具快速磨损的新技术，以提高刀具的耐用度。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种亲疏复合织构化刀具表面的制备方法。

本发明采用如下技术方案：一种亲疏复合织构化刀具表面的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一：在刀具表面制备耐磨稳固的疏液层；

步骤二：利用激光加工技术去除主切削刃附近部分区域旳疏液层和基底材料，加工出亲液的微沟槽，从而形成亲疏复合织构化刀具表面。

进一步地，所述步骤一具体包括如下：

(1)制备溶胶凝胶液，以正硅酸乙酯为原料，乙醇为介质，先向乙醇中加入氨水进行混合搅拌，二者配比为4:1～7.5:1，搅拌时间3～8min，再加入正硅酸乙酯并在恒温磁力搅拌器上进行搅拌，其中正硅酸乙酯与乙醇的摩尔比为1:2～1:5，搅拌时间5～10min，通过氨水的催化水解和凝聚在刀具表面制备出不同直径的单分散SiO₂颗粒，其中碱作为催化剂和pH调节剂，醇作为溶剂；

(2)通过多次提拉涂覆刀具表面，将刀具固定在提拉机上，以8～15mm/s的速率将刀具放入所制备的溶液中，停留时间为2～5min，然后再以相同的速率提出刀具，在室温下放置5～10min，重复以上过程5～8次；

(3)对刀具进行热处理，将刀具放入实验炉中并通入氩气，同时以5～8℃/min的速率升温至650℃左右，保温1.5～2h后自然冷却至室温；

(4)在室温环境下对刀具表面进行氟化处理，形成耐磨稳固的疏液层，选用的氟化物为氟硅烷类有机物和醇类有机物的摩尔比为1:0.5～1:2的混合液，将刀具放入该混合液中反应20min以上，之后取出并用高纯氮气进行吹干，再对刀具表面加热，温度为90～250℃，以确保表面附有的醇类有机物完全挥发。

进一步地，所述步骤一具体包括如下：

(1)采用飞秒激光系统进行图形化加工，在刀具前刀面加工出微纳沟槽，其中飞秒激光脉冲能量1.75～5μJ，频率为500～2500Hz，沟槽面积与未加工刀具前刀面面积比为1:5～1:20；

(2)在室温环境下对刀具表面进行氟化处理，选用的氟化物为氟硅烷类有机物和醇类有机物的摩尔比为1:0.5～1:4的混合液，先将刀具放入该混合液中反应20min以上，之后取出并用高纯氮气进行吹干，再对刀具表面加热，温度为90～250℃，以确保表面附有的醇类有机物完全挥发。

进一步地，所述步骤二具体包括如下：去除主切削刃附近部分区域旳疏液层和基底材料，在刀具前刀面加工出亲液的微沟槽。

进一步地，沟槽方向与切削刃平行，深度100nm～20μm，沟槽宽度小于20μm，周期小于60μm。

进一步地，加工出的微沟槽深度1～16μm，沟槽宽度1～200μm，周期2～400μm，与切屑流出方向夹角为5°～175°，微沟槽距主切削刃0～20mm。

本发明具有如下有益效果：通过本发明制备方法制得的刀具表面具有微沟槽织构，微沟槽内部处于亲液状态，其他区域为疏液状态的微纳米结构功能层，由此构成亲疏复合织构化刀具表面。在润滑条件下，润滑液迅速在疏液层表面运动，自动汇集至亲液的微沟槽内部，并快速输送至切削区域；通过对亲疏复合刀具表面和微纳织构参数的设计，可主动调控并改善切削区域的润滑状态，从而减小刀-工及刀-屑界面的摩擦力，为刀具减摩降磨提供保障。该亲疏复合织构化刀具表面可广泛应用于高速切削加工和难切削材料的切削加工，可以提高刀具耐用度、加工质量和精度。

附图说明：

图1为本发明亲疏复合织构化刀具表面制备及润滑介质分布示意图。

图2为本发明亲疏复合织构化刀具表面改善润滑状态的原理图。

具体实施方式：