專利名稱：一種刀具表面復(fù)合造型處理方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種刀具表面復(fù)合造型處理方法及實(shí)施這種加工方法的裝置，在刀具的主要摩擦、磨損表面進(jìn)行微織構(gòu)復(fù)合形貌的主動(dòng)處理，屬于機(jī)械制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機(jī)械加工大多離不開刀具且后者在機(jī)加工成本中占很大比重。在機(jī)械行業(yè)競爭日趨激烈的今天，刀具使用壽命的延長，切削質(zhì)量的提高對(duì)提升企業(yè)競爭力有著顯著的積極效果。在切削加工中，尤其是高速重載的切削條件下，熱量在刀具切削刃上聚集造成刀具局部溫度急劇上升，同時(shí)切屑高速流出。在高溫、高壓和強(qiáng)烈摩擦的共同作用下，前刀面極易磨損，形成所謂的月牙洼。月牙洼的寬度和深度逐漸增大，并向刃口鋪展，當(dāng)鋪展到刃 口邊緣時(shí)，使切削刃的強(qiáng)度降低，極易導(dǎo)致崩刃的現(xiàn)象發(fā)生。另一方面，在加工塑性好的金屬材料時(shí)，金屬材料在刀刃粘附，逐漸在刀具的刀尖處形成積屑瘤。積屑瘤影響工件表面的加工質(zhì)量和尺寸精度，所以應(yīng)竭力避免積屑瘤的產(chǎn)生。目前，已有多種技術(shù)用以提高刀具性能采用高壓射流冷卻潤滑系統(tǒng)，延長刀具的使用壽命達(dá)50% ;刀具表面涂層技術(shù)，提高刀具表面的耐磨性與抗粘結(jié)能力；超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金材料的使用大大增加了刀具的硬度和耐磨性。從傳統(tǒng)意義上講，為了減小摩擦，必須要使得相互接觸的表面盡可能光滑，粗糙度越小越好，這是從機(jī)械嚙合理論來分析摩擦機(jī)理的；隨著摩擦學(xué)研究進(jìn)入微觀領(lǐng)域，人們發(fā)現(xiàn)表面太光滑，摩擦系數(shù)反而增加，這是從分子間作用力的角度來考慮的。在此基礎(chǔ)上，科研工作者發(fā)現(xiàn)在摩擦副表面設(shè)置一定形狀和分布的微觀織構(gòu)，對(duì)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面主要有以下作用(1)相互平行的摩擦表面間產(chǎn)生動(dòng)壓潤滑效應(yīng)；(2)減少摩擦表面的摩擦因素，從而減小摩擦力和摩擦力矩；(3)提高承載能力；(4)微孔(槽)可以作為儲(chǔ)油槽，為邊界潤滑或?yàn)閯倖?dòng)的摩擦表面提供潤滑油；(5)微孔(槽)可以用作儲(chǔ)屑槽，容納因邊界潤滑或干摩擦產(chǎn)生的磨屑，從而減少磨損，延長使用壽命。上世紀(jì)末，隨著將表面技術(shù)引入刀具的研制，刀具的性能得到了進(jìn)一步的提高。中國專利CN201010124734，公開了具有表面微造型的抗粘結(jié)、耐磨損刀具/刀片，在易發(fā)生磨損的區(qū)域，如靠近切削刃附近的前、后刀面上，分布了一些微坑陣列結(jié)構(gòu)，這些微坑陣列結(jié)構(gòu)是采用電化學(xué)加工或激光加工等微細(xì)制造技術(shù)加工而成，能夠改善切削加工時(shí)刀具與切屑、工件的接觸狀況，抑制粘刀現(xiàn)象。雖然該專利中在易發(fā)生磨損的區(qū)域進(jìn)行微造型，但是易發(fā)生磨損的區(qū)域往往都是冷卻液難以進(jìn)入的區(qū)域，使得微坑陣列結(jié)構(gòu)的動(dòng)壓潤滑效果得不到充分的發(fā)揮，并且微坑陣列結(jié)構(gòu)沒有防止材料粘附的效果。本發(fā)明主要技術(shù)思想是在刀具主要摩擦、磨損表面進(jìn)行復(fù)合微織構(gòu)的主動(dòng)設(shè)計(jì)制造，微織構(gòu)形貌具體有微凹腔、微凸起、微溝槽。三種微尺度結(jié)構(gòu)各自有其有益效果且又相互影響，相輔相成，顯著改善刀具的表面性能，提高刀具潤滑冷卻性能，延長刀具壽命。在外圓車刀應(yīng)用后的實(shí)驗(yàn)表明，采用本專利技術(shù)的外圓車刀在同等切削時(shí)間和工況的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，其磨損量減少了 30%，切削力減少了 15%，在對(duì)鋁合金塑性材料的切削過程中未出現(xiàn)積削瘤現(xiàn)象。刀具的種類很多，但是它們切削部位的幾何形狀卻有共通之處。外圓車刀是比較簡單的一種，其余刀具都可以看成是外圓車刀的組合或演變，如銑刀有許多個(gè)刀齒，每個(gè)刀齒相當(dāng)于外圓車刀的刀頭。本專利隨后在對(duì)技術(shù)特征敘述時(shí)，都是以外圓車刀為描述對(duì)象，但是技術(shù)特征能夠擴(kuò)展至所有的機(jī)加工刀具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)刀具易磨損、崩刃、加工質(zhì)量不高、冷卻液失效問題，提出一種全面提升刀具性能的表面復(fù)合造型處理方法，其利于切屑與刀具強(qiáng)制分離，減少了切屑瘤的生成，進(jìn)而避免了切屑瘤造成的震動(dòng)，提高了切屑質(zhì)量；利于排屑，減少了切屑對(duì)刀具的磨損；在刀具表面形成強(qiáng)動(dòng)壓潤滑效應(yīng)；利于切屑液的擴(kuò)散和吸收切削生熱；在微造型區(qū)域形成類似釘扎強(qiáng)化的效果，使該區(qū)域材料硬度、耐磨性增加，延長刀具使用壽命；復(fù)合造型處理后的刀具更美觀，磨損程度更容易判斷。 本發(fā)明的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法所采取的技術(shù)方案是確定刀具的易磨損部位；主動(dòng)設(shè)計(jì)針對(duì)上述易磨損部位的復(fù)合微造型方案；在刀具上形成上述方案的造型；判定造型質(zhì)量。實(shí)施本發(fā)明的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法的裝置所采取的技術(shù)方案是，結(jié)合表面檢測技術(shù)、微造型技術(shù)、毛化技術(shù)和數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)在刀具易磨損部位完成主動(dòng)的復(fù)合微造型。本發(fā)明的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法的具體技術(shù)方案為，通過表面檢測裝置加工過程中的觀測，確定對(duì)象刀具的主要磨損區(qū)域。外圓車刀的主要磨損部位為前刀面。在前刀面進(jìn)行區(qū)域劃分，將其劃分為切削區(qū)、主磨損區(qū)、加工影響區(qū)，切削區(qū)的寬度小于主磨損區(qū)的寬度，根據(jù)刀具尺寸的不同，切削區(qū)寬度為O. 2 lmm，削磨損區(qū)寬度為f 30mm ;上述三個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)三種微造型方案，切削區(qū)為熔凝凸起陣列的熔凝微造型，其面積占有率為5°/Γ50%，熔凝凸起的高度f 20微米，直徑2(Γ500微米，主磨損區(qū)為微凹腔陣列的微凹腔造型，其面積占有率5°/Γ50%，微凹腔的深度2 25微米，直徑1(Γ100微米，在加工影響區(qū)為連接并貫穿上述兩個(gè)區(qū)域的含有多條微溝槽的微溝槽的微造型，微溝槽寬1(Γ250微米，深2 25微米，微溝槽為直線或曲線且為多種寬度、深度、延展方向的組合，針對(duì)特定的刀具，微溝槽在前刀面有兩類分布刀具的主偏角在45° 75°之間，此種刀具的刀尖散熱性能良好，微溝槽的主要作用是為主磨損區(qū)提供切削液形成潤滑，呈發(fā)散式延展，利于切削液的在前刀面上的擴(kuò)散，刀具的主偏角在75°、0°之間，此種刀具的刀尖散熱性能差且應(yīng)力較為集中，微溝槽的主要作用是將切削液傳送至刀尖附近，呈收斂式延展，利于吸收切削生熱。三種微造型方案通過高能能量束，如激光和脈沖電流，對(duì)刀具表面材料的融化或氣化獲得，其中微溝槽的微造型還能通過機(jī)械刮擦的方式獲得，熔凝微造型由熔凝凸起陣列而成，熔凝凸起由于加工參數(shù)的不同包括兩種形態(tài)即熔凝凸起A和熔凝凸起B(yǎng)，前者為基體材料融化后向造型邊界中心流動(dòng)形成的中心凸起，后者為基體材料融化后向造型邊界四周流動(dòng)形成的火山口狀凸起，微凹腔造型由微凹腔陣列而成；高能能量束加工后的表面還留有硬化區(qū)；表面檢測裝置觀測造型效果，判定是否成功造型。
熔凝凸起和微凹腔排列規(guī)律，為排列間隔相等、排列間隔遞增或遞減、面積占有率恒定的隨機(jī)排列中的一種，面積占有率為造型邊界所圍面積之和與造型區(qū)域面積的比值，直徑為造型邊界所圍圖形的最大內(nèi)切圓直徑，深度為造型邊界最深處至基體材料表面的距離，高度為熔凝凸起最高點(diǎn)至基體材料表面的距離。激光A在切削區(qū)獲得熔凝微造型的激光器為CO2激光器、燈泵浦YAG激光器、二極管泵浦YAG激光器、光纖激光器之一，激光A參數(shù)為功率密度IO4 — 107W/cm2，離焦量±2mm，脈沖寬度O. 01 500ms，脈沖頻率30 Hz 20kHz ;激光B在主磨損區(qū)獲得微凹腔造型的激光器為二極管泵浦YAG固體激光器，光纖激光器之一，激光B參數(shù)為功率密度106 1081/0112，脈沖寬度O. Olns 50Us，脈沖頻率I 50kHz，脈沖數(shù)I 7次，輔助氣體為氮?dú)狻鍤?、氧氣、空氣，氣壓為O. 05^1. OOMPa，其中脈沖頻率為激光器每秒鐘發(fā)出的激光脈沖個(gè)數(shù)，脈沖數(shù)為形成單個(gè)微凹腔的激光脈沖個(gè)數(shù)。實(shí)施本發(fā)明的表面復(fù)合造型處理方法的裝置包括刀具表面檢測系統(tǒng)、刀具夾具、 微造型系統(tǒng)、輔助氣體系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)。刀具表面檢測系統(tǒng)為檢測刀具表面粗糙度或磨損量的裝置，用于在微造型前尋找主要磨損區(qū)域和微造型后的表面形貌的觀測及檢驗(yàn)，優(yōu)選的表面檢測裝置有微觀形貌儀、高倍數(shù)光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、機(jī)械探針式形貌檢測儀。刀具夾具用于在形貌加工過程中固定刀具位置，保證同種不同件刀具每次加工的空間位姿相同，刀具的定位原理是機(jī)械行業(yè)從業(yè)人員容易想到的，故不一一列舉。微造型系統(tǒng)包括，一是在基體材料形成熔凝凸起的裝置，該裝置統(tǒng)包括激光器發(fā)生器和外光路。激光器產(chǎn)生波長、脈沖寬度、功率適于熔凝微造型的激光，外光路實(shí)現(xiàn)激光的傳導(dǎo)及聚焦，外光路在空間中一點(diǎn)形成高能的激光束，最后借助激光掃描裝置完成對(duì)空間任意點(diǎn)的熔凝微造型。外光路為鏡面反射傳導(dǎo)或光纖傳導(dǎo)結(jié)合透鏡完成對(duì)焦；二是在基體材料形成微凹腔的裝置，其與在基體材料形成熔凝凸起的裝置差別在于激光器產(chǎn)生的激光參數(shù)不同，參數(shù)包括激光波長、重復(fù)頻率、功率密度、脈寬、脈沖個(gè)數(shù)；三是在基體材料形成微溝槽的裝置，其硬件部分與在基體材料形成微凹腔裝置相同，微溝槽由連續(xù)排列的微凹腔組成，也能夠由機(jī)械刮擦獲得隨機(jī)的微溝槽，上述裝置通過電化學(xué)方法也能實(shí)現(xiàn)。輔助氣體系統(tǒng)包括氣源、輸氣管線、開閉閥門A、噴嘴，輸氣管線連接氣源和噴嘴，通過開閉閥門A控制其通閉，開閉閥門A由控制系統(tǒng)控制；
水冷系統(tǒng)包括水冷裝置、輸水管線、開閉閥門B，輸水管線連接水冷裝置和激光器內(nèi)部的冷卻腔管，通過開閉閥門B控制輸水管線通閉，開閉閥門B由控制系統(tǒng)控制；
掃描系統(tǒng)包括水平X-Y工作臺(tái)、豎直導(dǎo)軌，噴嘴固接在導(dǎo)軌工作臺(tái)上隨導(dǎo)軌上下移動(dòng)，外光路調(diào)節(jié)激光光路，從噴嘴出光，掃描系統(tǒng)也能通過機(jī)械手實(shí)現(xiàn)；
控制系統(tǒng)即指上位工控機(jī)，使上述系統(tǒng)協(xié)同工作，其上的運(yùn)動(dòng)控制單元控制掃描系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，上位工控機(jī)還包括激光控制單元，調(diào)節(jié)激光頻率、激光功率密度、泵浦電壓或泵浦電流、激光脈寬、脈沖個(gè)數(shù)。優(yōu)選拉法爾噴嘴作為以獲得最大吹拂力。優(yōu)選惰性氣體作為輔助氣體，減少熔渣的生成。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于，針對(duì)長期困擾機(jī)加工領(lǐng)域的刀具易磨損、崩刃、加工質(zhì)量不高、冷卻液失效等問題，給出了一種全面提升刀具性能的表面復(fù)合造型處理方法，同時(shí)公開了實(shí)施這種加工方法的裝置。在前刀面形成的微溝槽、微凹腔、熔凝凸起形貌三者各司其職，同時(shí)又相輔相成。其中熔凝凸起形貌區(qū)域材料硬度高、耐磨，在切削過程中將切屑與刀具強(qiáng)制分離，抑制切屑瘤的生成，進(jìn)而避免了切屑瘤造成的震動(dòng)，提高了切屑質(zhì)量。主磨損區(qū)的微凹腔造型由微凹腔陣列而成，刀具切削時(shí)，金屬切屑相對(duì)刀具高速從切削面甩出，配合以充足的冷卻液而形成動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，利于排屑，減少刀面磨損。貫穿前刀面上加工影響區(qū)的溝槽，由于虹吸原理形成冷卻液向刀尖的傳輸通道，為動(dòng)壓潤滑效應(yīng)提供潤滑介質(zhì)和冷卻液，且可以依據(jù)刀具的主要失效原因合理設(shè)計(jì)微溝槽在前刀面上的延展形式。上述微造型由于尺寸微小，以極小的剛度損耗極大的改善了刀具的整體性能。高能能量束作用在刀具表面，能夠在微造型區(qū)域形成類似釘扎強(qiáng)化的效果，使該區(qū)域材料硬度、強(qiáng)度增加，延長刀具使用壽命。最后，微造型的尺寸控制精準(zhǔn)，分布規(guī)則，刀具更美觀，在前刀面上加工出一定深度的微造型后，刀具的磨損程度更容易判斷。


圖I是三類四種微造型結(jié)構(gòu)形貌放大示意圖。
圖2是前刀面上區(qū)域劃分示意圖。圖3是前刀面上造型方案示意圖。圖4是前刀面上微溝槽呈發(fā)散式延展示意圖。圖5是前刀面上微溝槽呈收斂式延展示意圖。圖6是熔凝凸起強(qiáng)制將切屑與刀具分離示意圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例I的裝置示意圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例2的裝置示意圖。圖中，1，刀具；3，被切削工件；5，基體材料；7，刀尖；2，熔凝微造型；6，微凹腔造型；8，微溝槽的微造型；9，前刀面；10，切削區(qū)寬度；11，主磨損區(qū)寬度；13，熔凝凸起A ;14，熔凝凸起B(yǎng) ;15，微凹腔；12，微溝槽；18，切削區(qū)；17，主磨損區(qū)；16，加工影響區(qū)；19，副切削刃；21，主切削刃；20，硬化區(qū)；21，主偏角；29，造型邊界；30，影響邊界；40，刀具夾具；41，豎直導(dǎo)軌；42水平X-Y工作臺(tái)；43，水冷裝置；44，輸水管線；45，氣源；46，輸氣管線；47，激光器;48，噴嘴；100,光纖；101，機(jī)械手；102機(jī)械手末端。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖I是三類，四種微造型結(jié)構(gòu)形貌放大示意圖。微造型結(jié)構(gòu)的形貌共有三類，分別是熔凝凸起、微凹腔15、微溝槽12，其中熔凝凸起由于具體加工參數(shù)變化和隨機(jī)性原則包含熔凝凸起A13和熔凝凸起B(yǎng)14。圖一表格中第一行對(duì)應(yīng)熔凝凸起A13，第二行對(duì)應(yīng)熔凝凸起B(yǎng)14,第三行對(duì)應(yīng)微凹腔15,第四行對(duì)應(yīng)一小段微溝槽12。圖一表格中第一列為各微造型結(jié)構(gòu)的形貌的俯視圖；第二，第三列為對(duì)應(yīng)各微造型結(jié)構(gòu)的形貌的寬度和長度方向的剖視圖。定義面積占有率為造型邊界29所圍面積之和對(duì)應(yīng)造型區(qū)域總面積的比值，直徑為造型邊界29所圍圖形的最大內(nèi)切圓直徑，深度為造型邊界29最深處至基體材料5表面的距離，高度為熔凝凸起最高點(diǎn)至基體材料5表面的距離。本發(fā)明方法的具體實(shí)施方式
如下(a)在金屬切削刀具I表面劃分區(qū)域，加工影響區(qū)16是刀具表面受到切削作業(yè)影響的區(qū)域，包括了切削區(qū)18和主磨損區(qū)17及向刀具I表面其它區(qū)域的延伸，延伸出的區(qū)域?yàn)榈毒逫表面冷卻液易于到達(dá)的位置，切削區(qū)18和主磨損區(qū)17是冷卻液不易到達(dá)或者損耗很快的位置；切削區(qū)18是在刀具I切削過程完成去除被切削工件3材料任務(wù)的區(qū)域；主磨損區(qū)17是在刀具I切削過程中對(duì)切屑起支撐作用的區(qū)域，切屑在這一區(qū)域開始與刀具分離；切削區(qū)18和主磨損區(qū)17各區(qū)域的邊界和切削刃平行。劃分區(qū)域的方法有兩種，其一加工觀測法，其二刀具觀測法，加工觀測法是觀測實(shí)際加工過程中切屑流動(dòng)、脫離刀具I的形式，加工過程中冷卻液流動(dòng)狀況，在肉眼不便觀測時(shí)，優(yōu)選對(duì)刀具I拍攝紅外圖像的方法，圖像中顯示的熱聚集的位置即為冷卻液不易到達(dá)或者損耗快的位置，則主磨損區(qū)17包括切屑與刀具I接觸至脫離過程中與刀具I接觸的部位，切削刃開始至主磨損區(qū)邊界為切削區(qū)18，加工影響區(qū)16包括切削區(qū)(18)和主磨損區(qū)17及向其它區(qū)域的延伸，延伸出的區(qū)域?yàn)榈毒逫表面冷卻液易于到達(dá)的區(qū)域，刀具觀測法是觀測已達(dá)設(shè)計(jì)加工時(shí)間的刀具1，通過刀具表面檢測系統(tǒng)測繪刀具I表面的磨損狀況，刀具表面檢測系統(tǒng)優(yōu)選微觀形貌儀、高倍數(shù)光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、機(jī)械探針式形貌檢測儀，若觀測到月牙洼，則主磨損區(qū)17至少包括月 牙洼所在區(qū)域，若未觀測到月牙洼即刀具I的磨損未聚集，對(duì)比刀具I原有尺寸，則主磨損區(qū)17至少覆蓋80%的磨損，切削刃開始至主磨損區(qū)17邊界距離即為切削區(qū)18寬度，加工影響區(qū)16包括切削區(qū)18和主磨損區(qū)17及向其它區(qū)域的延伸，延伸出的區(qū)域?yàn)槲闯霈F(xiàn)磨損的區(qū)域，切削區(qū)寬度10為O. 2 lmm，主磨損區(qū)寬度11為f 30mm，切削刃開始至主磨損區(qū)邊界距離超過切削區(qū)寬度10上限的，超出部分劃分入主磨損區(qū)，且計(jì)入主磨損區(qū)寬度11。(b)定義面積占有率為造型邊界29所圍面積之與對(duì)應(yīng)造型區(qū)域總面積的比值，直徑為造型邊界29所圍圖形的最大內(nèi)切圓直徑，深度為造型邊界29最深處至基體材料5表面的距離，高度為熔凝凸起最高點(diǎn)至基體材料5表面的距離，根據(jù)步驟a，為上述三個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)造型方案，切削區(qū)18為熔凝凸起陣列的熔凝微造型2，其面積占有率為59Γ50%，熔凝凸起的高度廣20微米，直徑2(Γ500微米，主磨損區(qū)17為微凹腔15陣列的微凹腔造型6，其面積占有率5°/Γ50%，微凹腔15的深度2 25微米，直徑1(Γ 00微米，在加工影響區(qū)16為連接并貫穿上述兩個(gè)區(qū)域的含有多條微溝槽12的微溝槽的微造型8，微溝槽12寬1(Γ250微米，深2 25微米，其為直線或者曲線且為多種寬度、深度、延展方向的組合，針對(duì)特定的刀具，微溝槽12在前刀面9有兩類分布刀具的主偏角21在45° 75°之間，此種刀具的刀尖7散熱性能良好，微溝槽12的主要作用是為主磨損區(qū)17提供切削液形成動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，呈發(fā)散式延展，利于切削液的在前刀面9上的擴(kuò)散，刀具的主偏角21在75°、0°之間，此種刀具的刀尖7散熱性能差且應(yīng)力較為集中，微溝槽12的主要作用是將切削液傳送至刀尖7附近，呈收斂式延展，利于吸收切削生熱；
(c)將刀具I固定在刀具夾具40上；
(d)熔凝微造型2，微凹腔造型6和微溝槽的微造型8通過高能能量束對(duì)刀具I表面材料的融化或氣化獲得，微溝槽的微造型8由微凹腔15線性排列、連接而成，還可通過機(jī)械刮擦獲得，熔凝微造型2由熔凝凸起陣列而成，熔凝凸起由于加工參數(shù)的不同包括兩種形態(tài)即熔凝凸起A13和熔凝凸起B(yǎng)14，前者為基體材料5融化后向造型邊界29中心流動(dòng)形成的中心凸起，后者為基體材料5融化后向造型邊界29四周流動(dòng)形成的火山口狀凸起，微凹腔造型6由微凹腔15陣列而成，加工后的影響邊界30內(nèi)含有硬化區(qū)20 ；(e)步驟a中的表面檢測裝置觀測及檢驗(yàn)表面形貌，判定是否達(dá)到預(yù)期造型目標(biāo)，判斷標(biāo)準(zhǔn)為，造型區(qū)域邊界偏差小于2mm，微凹腔15)和熔凝凸起90%滿足尺寸要求成功造型的刀具I進(jìn)行步驟f，不成功造型的刀具I將原有造型磨去回到步驟c ；
Cf)使用造型后的刀具1，重復(fù)步驟a，即通過加工觀測法和刀具觀測法二次優(yōu)化表面的區(qū)域分布，最終的區(qū)域設(shè)計(jì)劃分用于大批量刀具I的加工。如圖7所不,本發(fā)明實(shí)施例一的一種刀具表面改性裝置包括,刀具表面檢測系統(tǒng)、微造型系統(tǒng)、輔助氣體系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)。除了刀具表面檢測系統(tǒng)，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)同其余各系統(tǒng)工作。表面檢測系統(tǒng)的工作流程為采用檢測刀具表面粗糙度，磨損量的裝置，在微造型前尋找主要磨損區(qū)域，在微造型后進(jìn)行表面形貌的觀測及檢驗(yàn)。
輔助氣體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是輸氣管線46連接氣源45和噴嘴48，噴嘴48位于激光器47下方，通過開閉閥門A控制輸氣管線46通閉，開閉閥門A由控制系統(tǒng)控制。該系統(tǒng)的工作流程為輸氣管線46將氣源45產(chǎn)生的輔助氣體輸送到噴嘴48高速射出，控制系統(tǒng)控制輸氣管線46的開閉。水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是輸水管線44連接水冷裝置43和激光器47內(nèi)部的冷卻腔管，通過開閉閥門B控制輸水管線44通閉，開閉閥門B由控制系統(tǒng)控制。系統(tǒng)的工作流程為輸水管線44將冷卻液在激光器47內(nèi)循環(huán)以降溫，控制系統(tǒng)控制輸水管線44和水冷裝置43的開閉。本例中微造型系統(tǒng)包括，一是在基體材料形成熔凝凸起的裝置，該裝置統(tǒng)包括激光器發(fā)生和外光路。激光器產(chǎn)生波長、脈沖寬度、功率適于熔凝微造型的激光，外光路實(shí)現(xiàn)激光的傳導(dǎo)及聚焦，外光路在空間中一點(diǎn)形成高能的激光束，最后借助激光掃描裝置完成對(duì)空間任意點(diǎn)的熔凝微造型。外光路為鏡面反射傳導(dǎo)或光纖傳導(dǎo)結(jié)合透鏡完成對(duì)焦；二是在基體材料形成微凹腔的裝置，其與在基體材料形成熔凝凸起的裝置差別在于激光器產(chǎn)生的激光參數(shù)不同，參數(shù)包括激光波長、重復(fù)頻率、功率密度、脈寬、脈沖個(gè)數(shù)；三是在基體材料形成微溝槽的裝置，其硬件部分與在基體材料形成微凹腔裝置相同，微溝槽由連續(xù)排列的微凹腔組成，也能夠由機(jī)械刮擦獲得隨機(jī)的微溝槽，上述裝置通過電化學(xué)方法也能實(shí)現(xiàn)。本例中的掃描系統(tǒng)包括水平X-Y工作臺(tái)42和豎直導(dǎo)軌41，它們的動(dòng)作受控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制單元控制，噴嘴48固接于導(dǎo)軌41的工作臺(tái)，掃描系統(tǒng)改變噴嘴48和刀具I的相對(duì)位置，激光的光路的改變由外光路完成?？刂葡到y(tǒng)為上位工控機(jī)，上位工控機(jī)中有激光控制單元和運(yùn)動(dòng)控制單元，上位工控機(jī)通過激光控制單元實(shí)現(xiàn)激光頻率、泵浦電壓、泵浦電流、激光脈寬、脈沖個(gè)數(shù)參數(shù)的調(diào)節(jié)，通過開關(guān)量控制水冷系統(tǒng)、輔助氣體系統(tǒng)的開閉，通過運(yùn)動(dòng)控制單元控制水平X-Y工作臺(tái)42、豎直導(dǎo)軌41的協(xié)同工作。裝置實(shí)施步驟是這樣的在確定刀具復(fù)合微造型方案后將刀具I固定在刀具夾具40上。首先進(jìn)行熔凝微造型2，通過上位工控機(jī)控制開啟水冷裝置43和氣源45，通過開閉閥門A和開閉閥門B分別開通輸氣管線46和輸水管線44，通過上位工控機(jī)的激光控制單元調(diào)節(jié)激光器47參數(shù)，獲得激光A，通過掃描系統(tǒng)使得噴嘴48掃略過刀具I表面的切削區(qū)18。隨后進(jìn)行微凹腔造型6，通過上位工控機(jī)的激光控制單元調(diào)節(jié)激光器47參數(shù)，獲得激光B，通過掃描系統(tǒng)使得噴嘴48掃略過刀具I表面的主磨損區(qū)17。最后進(jìn)行微溝槽的微造型8，通過掃描系統(tǒng)，改變先前的掃描策略，將微凹腔15的加工連續(xù)成線，噴嘴48掃略過加工影響區(qū)16。激光A在切削區(qū)18獲得熔凝微造型2的激光器為CO2激光器、燈泵浦YAG激光器、二極管泵浦YAG激光器、光纖激光器之一，激光A參數(shù)為功率密度IO4 — 107W/cm2，離焦量±2mm，脈沖寬度O. 01 500ms，脈沖頻率30 Hz 20kHz ;激光B在主磨損區(qū)17獲得微凹腔造型6的激光器為二極管泵浦YAG固體激光器，光纖激光器之一，激光B參數(shù)為功率密度IO6 108W/cm2，脈沖寬度O. Olns 50 μ S，脈沖頻率I 50kHz，脈沖數(shù)I 7次，輔助氣體為氮?dú)?、氬氣、氧氣、空氣，氣壓為O. 05^1. OOMPa，其中脈沖頻率為激光器每秒鐘發(fā)出的激光脈沖個(gè)數(shù)，脈沖數(shù)為形成單個(gè)微凹腔15的激光脈沖個(gè)數(shù)。實(shí)施例二如圖8，其與實(shí)施例一的不同點(diǎn)在于實(shí)施例二中的掃描系統(tǒng)為機(jī)械手101 ;微造型系統(tǒng)的外光路由具有柔度的光纖100實(shí)現(xiàn)，光纖100連接激光器47和噴嘴48 ； 激光器47產(chǎn)生的激光通過光纖100傳導(dǎo)，機(jī)械手末端102夾持噴嘴48。機(jī)械手101與上位工控機(jī)進(jìn)行通訊，并被后者控制實(shí)現(xiàn)和實(shí)施例一相同的刀具表面復(fù)合造型處理方法。
權(quán)利要求
1.一種刀具表面復(fù)合造型處理方法，其特征在于包括如下步驟 A)在金屬切削刀具(I)表面劃分區(qū)域，加工影響區(qū)(16)是刀具表面受到切削作業(yè)影響的區(qū)域，包括了切削區(qū)(18)和主磨損區(qū)(17)及向刀具(I)表面其它區(qū)域的延伸，延伸出的區(qū)域?yàn)榈毒?I)表面冷卻液易于到達(dá)的位置，切削區(qū)(18)和主磨損區(qū)(17)是冷卻液不易到達(dá)或者損耗很快的位置；切削區(qū)(18)是在刀具(I)切削過程完成去除被切削工件(3)材料任務(wù)的區(qū)域；主磨損區(qū)(17)是在刀具(I)切削過程中對(duì)切屑起支撐作用的區(qū)域，切屑在這一區(qū)域開始與刀具分離；切削區(qū)(18)和主磨損區(qū)(17)各區(qū)域的邊界和切削刃平行； B)為切削區(qū)(18)和主磨損區(qū)(17)及向刀具(I)表面其它區(qū)域的延伸三個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)造型方案，切削區(qū)(18)為熔凝凸起陣列的熔凝微造型(2)，其面積占有率為5°/Γ50%，熔凝凸起的高度廣20微米，直徑2(Γ500微米；主磨損區(qū)(17 )為微凹腔(15 )陣列的微凹腔造型(6 )，其面積占有率5°/Γ50%，微凹腔(15)的深度2 25微米，直徑1(Γ 00微米；在加工影響區(qū)(16)為連接并貫穿上述兩個(gè)區(qū)域的含有多條微溝槽(12)的微溝槽的微造型(8)，微溝槽(12)寬1(Γ250微米，深2 25微米，其為直線或者曲線且為多種寬度、深度、延展方向的組合；其中， 面積占有率為造型邊界(29)所圍面積之與對(duì)應(yīng)造型區(qū)域總面積的比值，直徑為造型邊界(29)所圍圖形的最大內(nèi)切圓直徑，深度為造型邊界(29)最深處至基體材料(5)表面的距離，高度為熔凝凸起最高點(diǎn)至基體材料(5)表面的距離； C)將刀具(I)固定在刀具夾具(40)上； D)熔凝微造型(2)、微凹腔造型(6)和微溝槽的微造型(8)通過高能能量束對(duì)刀具(I)表面材料的融化或氣化獲得；微溝槽的微造型(8)由微凹腔(15)線性排列、連接而成；熔凝微造型(2)由熔凝凸起陣列而成；微凹腔造型(6)由微凹腔(15)陣列而成，加工后的影響邊界(30)內(nèi)含有硬化區(qū)(20)，硬化區(qū)(20)為熱效應(yīng)影響區(qū)域，硬度上升； Ε)步驟Α)中的表面檢測裝置觀測及檢驗(yàn)表面形貌，判定是否達(dá)到預(yù)期造型目標(biāo)，判斷標(biāo)準(zhǔn)為，造型區(qū)域邊界偏差小于2mm，微凹腔(15)和熔凝凸起90%滿足尺寸要求成功造型的刀具(I)進(jìn)行步驟F)，不成功造型的刀具(I)將原有造型磨去回到步驟C)； F)使用造型后的刀具(I )，重復(fù)步驟A)，即通過加工觀測法或刀具觀測法二次優(yōu)化表面的區(qū)域分布，確定最終的區(qū)域劃分，用于大批量刀具(I)的表面復(fù)合造型處理加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法，其特征在于所述步驟A)定義劃分區(qū)域的方法為加工觀測法，所述加工觀測法是觀測實(shí)際加工過程中切屑流動(dòng)、脫離刀具(I)的形式，加工過程中冷卻液流動(dòng)狀況，在肉眼不便觀測時(shí)對(duì)刀具(I)拍攝紅外圖像，圖像中顯示的熱聚集位置即為冷卻液不易到達(dá)或者損耗快的位置，則主磨損區(qū)(17)包括切屑與刀具(I)接觸至脫離過程中與刀具(I)接觸的部位，切削刃開始至主磨損區(qū)邊界為切削區(qū)(18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法，其特征在于所述步驟A)定義劃分區(qū)域的方法為刀具觀測法，刀具觀測法是觀測已達(dá)設(shè)計(jì)加工時(shí)間的刀具(I )，通過刀具(I)表面檢測系統(tǒng)測繪刀具(I)表面的磨損狀況，若觀測到月牙洼，則主磨損區(qū)(17)至少包括月牙洼所在區(qū)域，若未觀測到月牙洼即刀具(I)的磨損未聚集，對(duì)比刀具(I)原有尺寸，則主磨損區(qū)(17)至少覆蓋80%的磨損痕跡，切削刃開始至主磨損區(qū)(17)邊界距離即為切削區(qū)(18)寬度，切削區(qū)寬度(10)為O. 2 1mm，主磨損區(qū)寬度(11)為f 30mm，切削刃開始至主磨損區(qū)邊界距離超過切削區(qū)寬度(10)上限的，超出部分劃分入主磨損區(qū)，且計(jì)入主磨損區(qū)寬度(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法，其特征在于所述步驟B )針對(duì)刀具的主偏角(21)在45° 75°之間的刀具，微溝槽(12 )在前刀面(9 )，刀具的主偏角(21)在45° 75°之間，微溝槽(12)為主磨損區(qū)(17)提供切削液形成動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，呈發(fā)散式延展，使切削液的在前刀面(9)上的擴(kuò)散，發(fā)散的末端為切削區(qū)(18)邊界。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法，其特征在于所述步驟B)針對(duì)刀具的主偏角(21)在75°、0°之間的刀具，微溝槽(12)在前刀面(9)，刀具的刀尖(7)散熱性能差且應(yīng)力較為集中，微溝槽(12)將切削液傳送至刀尖(7)附近，呈收斂式延展，改善切削液在刀尖(7)區(qū)域的供給，收斂的末端為刀尖(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法，其特征在于所述步驟D)中微溝槽的微造型(8)通過機(jī)械刮擦獲得；熔凝凸起包括兩種形態(tài)，為熔凝凸起A (13)和熔凝凸起B(yǎng) (14)，熔凝凸起A (13)為基體材料(5)融化后向造型邊界(29)中心流動(dòng)形成的中心凸起，熔凝凸起B(yǎng) (14)為基體材料(5)融化后向造型邊界(29)四周流動(dòng)形成的火山口狀凸起。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法，其特征在于特征E)中，切削區(qū)(18)和主磨損區(qū)(17)上的熔凝凸起和微凹腔(15)的排列和分布規(guī)律，為排列間隔相等、排列間隔遞增或遞減、恒定面積占有率的排列中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法，其特征在于特征E)中高能能量束為激光束，激光A在切削區(qū)(18)獲得熔凝微造型(2)的激光器為CO2激光器、燈泵浦YAG激光器、二極管泵浦YAG激光器、光纖激光器之一，激光A參數(shù)為功率密度104— 107胃/0112，離焦量±2_，脈沖寬度0.01 5001118，脈沖頻率30 Hz 20kHz ;激光B在主磨損區(qū)(17)獲得微凹腔造型(6)的激光器為二極管泵浦YAG固體激光器，光纖激光器之一，激光B參數(shù)為功率密度IO6 108W/cm2，脈沖寬度O. 01ns 50 μ s，脈沖頻率I 50kHz，脈沖數(shù)Γ7次，輔助氣體為氮?dú)?、氬氣、氧氣、空氣，氣壓為O. 05^1. OOMPa ;其中，脈沖頻率為激光器每秒鐘發(fā)出的激光脈沖個(gè)數(shù)，脈沖數(shù)為形成單個(gè)微凹腔(15)的激光脈沖個(gè)數(shù)。
9.實(shí)施權(quán)利要求I所述的一種刀具表面復(fù)合造型處理方法的裝置，其特征在于包括刀具表面檢測系統(tǒng)、刀具夾具(40)、微造型系統(tǒng)、輔助氣體系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)； 刀具表面檢測系統(tǒng)為微觀形貌儀、高倍數(shù)光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡或機(jī)械探針式形貌檢測儀； 微造型系統(tǒng)包括，包括激光器(47)和外光路，外光路對(duì)激光器(47)產(chǎn)生的激光進(jìn)行傳導(dǎo)及聚焦，外光路將高能的激光束在空間中聚焦成一點(diǎn)，外光路為鏡面反射傳導(dǎo)或光纖(100)傳導(dǎo)結(jié)合透鏡完成對(duì)焦； 輔助氣體系統(tǒng)包括氣源(45)、輸氣管線(46)、開閉閥門A和噴嘴(48);實(shí)施輸氣管線(46 )連接氣源(45 )和噴嘴(48 )通過開閉閥門A控制其通閉，開閉閥門A由控制系統(tǒng)控制； 水冷系統(tǒng)包括水冷裝置(43)、輸水管線(44)和開閉閥門B ;實(shí)施輸水管線(44)連接水冷裝置(43)和激光器(47)內(nèi)部的冷卻腔管，通過開閉閥門B控制輸水管線(44)的通閉，開閉閥門B由控制系統(tǒng)控制； 掃描系統(tǒng)包括水平X-Y工作臺(tái)(42)和豎直導(dǎo)軌，噴嘴(48)固接在導(dǎo)軌工作臺(tái)上，隨導(dǎo)軌上下移動(dòng)，外光路調(diào)節(jié)激光光路從噴嘴(48 )出光；所述刀具夾具(40 )設(shè)置于水平X-Y工作臺(tái)(42)，固定刀具(I)的位置，使刀具(I)每次加工的空間位姿相同； 控制系統(tǒng)為上位工控機(jī)，控制微造型系統(tǒng)、輔助氣體系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)工作，控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制單元控制掃描系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，上位工控機(jī)控制微造型系統(tǒng)的激光控制單元，調(diào)節(jié)激光頻率、激光功率密度、泵浦電壓或泵浦電流、激光脈寬、脈沖個(gè)數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種刀具表面復(fù)合造型處理裝置，其特征在于掃描系統(tǒng)為替換為機(jī)械手(101),機(jī)械手(101)為六自由度機(jī)械手,激光束經(jīng)由光纖(100 )傳輸,光纖(100)連接噴嘴(48)，噴嘴(48)通過機(jī)械手末端(102)夾持，對(duì)準(zhǔn)刀具夾具(40)。
全文摘要
本發(fā)明為一種刀具表面復(fù)合造型處理方法及其裝置，在刀具的主要摩擦、磨損表面進(jìn)行微織構(gòu)復(fù)合形貌的主動(dòng)處理，屬于機(jī)械制造領(lǐng)域。通過高能激光束或高能電子束在刀具主要摩擦、磨損部位加工出三種微結(jié)構(gòu)造型，分別為微凹腔，熔凝凸起和微溝槽。本發(fā)明延長了刀具連續(xù)使用壽命、改善了刀具的切削質(zhì)量、提高了工件加工后的表面質(zhì)量和切削及冷卻性能、降低金屬切削的機(jī)加工成本。本發(fā)明還公開了一種實(shí)施上述復(fù)合造型處理方法的加工裝置。該裝置結(jié)合了高能技術(shù)與數(shù)控技術(shù)，能夠高效、穩(wěn)定的在刀具主要切削工作面上加工出預(yù)先設(shè)定的復(fù)合微結(jié)構(gòu)形貌及其分布。本發(fā)明方法及其裝置加工對(duì)象為切屑加工中的各種刀具。
文檔編號(hào)B23K26/00GK102962656SQ20121044625
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者符永宏, 康正陽, 符昊, 華?？? 王浩 申請人:江蘇大學(xué)