[发明专利]一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具及其加工方法

说明书

本发明公开了一种带有凹‑凸结合型微结构的机加工刀具及其加工方法。该机加工刀具包括刀具主体和开设在前刀面上的微结构阵列。微结构阵列内的单个微结构单元包括同心且由外至内依次排列的外环槽、内环槽和中心锥凸起。中心锥凸起的尖端高于前刀面。本发明通过在刀具表面加工凹‑凸结合型微结构，功能相对稳定，凹坑结构尺寸相对较大，可储存部分刀具润滑液，还可以降低碎屑填充影响，能够有效减小工件接触面之间的摩擦。表面微织构的面密度是影响水润滑零件摩擦因数的一个重要参数，面密度在一定范围内能够有效降低摩擦因数。此外，本发明可以改变加工刀具刀尖的不规则结构半径来满足加工不同面密度微织构的要求。

技术领域

本发明属于刀具表面处理技术领域，具体涉及一种刀具表面凹-凸结合型微结构设计与加工方法。

背景技术

摩擦磨损普遍存在于我们生活当中，大部分器械的失效原因是由于摩擦副的损坏。随着科技的发展，人们涉及纳米级操作领域的仪器有所增加，这使得即便是轻微的表面摩擦也可能影响仪器的正常使用，解决摩擦问题将使许多高端技术得到质的飞跃。工件表面形成微凸起及微坑结构在摩擦学、仿生制造等领域具有重要意义。徐飞英，闫小青，扶名福在论文“在金属塑性成形中表面微凸对接触力及摩擦系数的影响”中提到：传统的库仑摩擦定律接触面的摩擦应力τ＝μσ_n；Oden提出τ＝μ₀S_ρ；假设库仑摩擦定律中的摩擦系数那么库仑摩擦定律可写为这与Oden提出摩擦模型是一致的。这说明库仑摩擦定律中的摩擦系数不是常数，而是法向应力的函数。考虑表面微凸结构时，摩擦系数并不是一个固定的值，而是不断变化的，随着变形量的增加，法向压力的增加，摩擦系数呈现下降的趋势。专利号为CN201810031874.1的发明专利提供了一种超亲水金属表面微纳结构，即在金属基板基体上形成由沟槽组成的三组互成角度的平行沟槽阵列和棱柱状突起，但没有考虑其表面能。

目前，对于直接在工件表面加工微凹槽从而产生微凸结构的制造方法技术研究较少。申请专利号为CN201910634615.2的发明专利设计了一种能够有效减小摩擦力的硅基石墨烯结构和该结构的加工方法，首先降低石墨烯与二氧化硅或者硅基底的粘着，当外力摩擦石墨烯时，原子力显微镜探针将带动石墨烯与二氧化硅或者硅基底产生摩擦，从而探针，石墨烯和基底构成三层摩擦结构；在三层摩擦结构下，二氧化硅或者硅基底会产生纳米凸结构。这种加工微凸结构的方法对加工环境的要求较高，加工工艺复杂，加工出的微凸结构不规则。

发明内容

本发明的目的在于提供一种刀具表面凹-凸结合型微结构设计与加工方法。

本发明一种带有凹-凸结合型微结构的机加工刀具，包括刀具主体和开设在前刀面上的微结构阵列。微结构阵列内的单个微结构单元包括同心且由外至内依次排列的外环槽、内环槽和中心锥凸起。中心锥凸起的尖端高于前刀面。

作为优选，所述的刀具主体为车刀或拉刀。

作为优选，所述的外环槽和内环槽的纵截面均呈等腰梯形。

作为优选，所述内环槽和外环槽的深度均为39～40μm。

作为优选，所述内环槽的大径为250μm；外环槽的大径为500μm。相邻两个单个微结构单元的中心为L，取值为600μm。

该机加工刀具的加工方法如下：

步骤一、将被加工刀具安装到制备刀具的下方，并使得前刀面朝上设置；制备刀具的刀尖形状与微结构单元轴截面的一般对应。

步骤二、制备刀具在被加工刀具上依次旋转压印出微结构阵列。

步骤三、对微结构阵列进行尺寸检验。

作为优选，在步骤二中，制备刀具以S形轨迹依序旋转压印出各微结构单元。

作为优选，制备刀具的刀尖采用金刚石。