一种微结构超硬刀具及其制造方法与流程

本发明涉及超硬刀具加工技术领域，特别是涉及一种微结构超硬刀具及其制造方法。

背景技术：

刀具磨损是机械制造加工过程中的关键问题，刀具与工件相互摩擦不可避免地会造成刀具磨损，影响刀具的加工效率和使用寿命，增加加工成本。摩擦学和仿生学研究表明，刀具表面不是越光滑越耐磨，在刀具表面上制造出一定的微凹坑结构，能够起到减振耐磨的作用，可以改善润滑效果，使其具有更好的摩擦性能。

pcd超硬刀具被广泛应用于加工硬度较高的材料，pcd刀具自身具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，其表面的微织构结构如果结构设置不合理，并且出现排屑能力不佳的话，很难达到较好的散热、减小切削热的目的，一旦积屑堆积很容易损坏加工件的表面，对刀具使用寿命不利，难以有效提高pcd刀具性能。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术中的问题，本发明提供了一种微结构超硬刀具，其能够增强降磨和润滑效果，增大刀具在切削过程中的散热面积，减少切削热，延长刀具的使用寿命。

基于此，本发明的一个方面，提供了一种微结构超硬刀具，其包括刀本体和连接于所述刀本体的刀头，所述刀头包括前刀面、后刀面和刀尖，所述前刀面上设有向下凹陷的微织构结构，所述微织构结构远离所述刀尖的一侧设有用于切断积屑的断屑结构。

本发明在pcd超硬刀具的前刀面上利用激光加工技术加工出微结构，有效的增加了刀具在切削过程中的散热面积，且该微结构中心的微尖端可以切断积屑，防止刀具在切削过程中产生的积屑堆积损坏被加工件的表面，减少切削热。

作为优选方案，所述微织构结构为相对于所述前刀面凹陷的凹槽，所述断屑结构的表面与所述前刀面平齐。

作为优选方案，所述断屑结构包括导向部和连接于所述导向部的尖端部，所述导向部设于所述微织构结构远离所述刀尖的一侧，所述尖端部设于所述导向部和所述微织构结构之间。

作为优选方案，所述尖端部的延长线与所述刀尖相交。

作为优选方案，所述导向部的表面与所述尖端部的表面平齐。

作为优选方案，所述导向部的外轮廓为向所述刀尖的方向凸起的半圆形，所述尖端部连接于所述导向部的顶部。

作为优选方案，所述微织构结构的外轮廓呈v字形，所述断屑结构设于所述v字形的微织构结构的开口处。

作为优选方案，所述断屑结构和所述微织构结构整体构成外轮廓为三角形的结构。

作为优选方案，所述微织构结构相对于所述前刀面的凹陷深度为50～100μm。

作为优选方案，所述尖端部的长度为20～200μm。

作为优选方案，所述刀具的材质为聚晶金刚石、单晶金刚石、化学气相沉积金刚石、聚晶立方氮化硼中的任一种。

本发明的另一方面，还提供一种如上述微结构超硬刀具的制造方法，包括步骤：

s1、调整激光器与待加工刀具的相对位置；

s2、打开激光器，使激光照射待加工刀具的前刀面；

s3、控制激光器沿预定路径移动。

作为优选方案，在所述步骤s3之后还包括以下步骤：

s4、采集待加工刀具的前刀面上的微织构结构的三维图像；

s5、采集激光器当前的功率参数和移动速度；

s6、根据待加工刀具的前刀面的微织构结构的三维图像信息、激光器当前的功率参数和移动速度信息，调节激光功率参数以及激光器的移动速度。

作为优选方案，所述步骤s3包括：

s31、控制激光器沿微织构结构与断屑结构的外边缘移动；

s32、控制激光器朝待加工刀具的前刀面的中间位置移动预定的偏移距离；

s33、控制激光器沿微织构结构与断屑结构的外边缘形状移动；

s34、重复步骤s32、s33，直至完成微织构结构和断屑结构的加工。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的微结构超硬刀具，在其前刀面上设有向下凹陷的微织构结构，并且在微织构结构远离刀尖的一侧设有断屑结构，断屑结构能用于切断积屑，凹陷的微织构结构可以有效的增加刀具在切削过程中的散热面积，以更好的散热，从而减少切削热，微织构结构可以降低前刀面的光滑度，能够起到减振耐磨和较好的润滑的效果，同时，断屑结构在切削加工过程中更利于切断积屑，防止刀具在切削过程中产生的积屑堆积损坏加工件的表面，以实现断屑排热的功能，利于延长刀具的使用寿命。

本发明的微结构超硬刀具的制造方法，采用激光加工，激光束能量密度高，热影响区小，不易导致工件热变形，加工速度快，且无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件，是一种高效环保的加工方法，同时，激光加工微结构的精度较高，且灵活性和工作效率高，加工出来的刀具质量可靠，适用于大批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种微结构超硬刀具的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种微结构超硬刀具的加工设备的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的采用激光加工微结构超硬刀具的示意图；

图4是本发明实施例提供的控制器的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的微结构超硬刀具的制造方法示意图；

图6是图5中的步骤s3的流程图。

其中，10、刀头；11、前刀面；12、后刀面；13、刀尖；14、微织构结构；15、断屑结构；151、导向部；152、尖端部；20、工作台；30、多轴联动加工机构；31、移动台；32、y轴组件；40、激光器；50、控制器；51、图形采集与处理单元；52、数据采集单元；53、数据处理单元；54、控制单元；541、激光控制单元；542、运动控制单元；55、人机交互系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，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。

参见附图1所示，示意性地示出了本发明的微结构超硬刀具，所述微结构超硬刀具包括刀本体(图中未示出)和连接于所述刀本体的刀头10，所述刀头10包括前刀面11、后刀面12和刀尖13，所述前刀面11上设有向下凹陷的微织构结构14，所述微织构结构14可以通过激光器发出的激光束在前刀面11上加工形成，当然也可以采用例如电火花、磨削等方式进行加工，在其前刀面11上设有向下凹陷的微织构结构14，有效的增加了刀具在切削过程中的散热面积，减少切削热，能够起到减振耐磨的效果；而且在所述微织构结构14远离所述刀尖13的一侧设有断屑结构15，断屑结构15用于切断切削过程中形成的连接在加工件上的积屑，防止刀具在切削过程中产生的积屑堆积损坏加工件的表面，减少切削热，从而实现断屑排热的功能，利于延长刀具的使用寿命。

示例性地，如附图1所示，所述微织构结构14为相对于所述前刀面11凹陷的凹槽，所述断屑结构15的表面与所述前刀面平齐，这样在所述前刀面11上加工出所述微织构结构14的外轮廓时，可以在前刀面11上直接形成所述断屑结构15，可避免需要再单独加工断屑结构15。

具体地，所述断屑结构包括导向部151和尖端部152，所述导向部151设于所述微织构结构14远离所述刀尖13的一侧，所述尖端部152连接于所述导向部151且设于所述导向部151和所述微织构结构14之间，这样，通过尖端部152切断切削过程中产生的铁屑，并且通过所述导向部151进行导向，以排出切断的铁屑，防止刀具在切削过程中产生的积屑堆积损坏被加工件的表面，从而减少切削热，进一步提高刀具的使用寿命。进一步地，所述导向部151的表面与所述尖端部152的表面平齐，便于生产加工。

优选地，所述尖端部152的延长线与所述刀尖13相交，使得所述尖端部152朝向所述刀尖13，这样更利于切断刀具切削过程中产生的铁屑。

更具体地，在本实施例中，请继续参阅图1，所述导向部151的外轮廓为向所述刀尖13的方向凸起的半圆形，所述尖端部152连接于所述导向部151的顶部，半圆形的导向部151更利于对切断的铁屑起到导向作用，从而顺利地排出铁屑。

进一步优选地，参阅图1所示，在本实施例中，所述微织构结构14的外轮廓呈v字形，所述断屑结构15设于所述v字形的微织构结构14的开口处，所述刀头10的外轮廓也呈v字形，如此有利于更好的减少切削热，提高减振耐磨及润滑的效果，同时确保断屑结构15切断积屑的效果。

进一步优选地，所述断屑结构和所述微织构结构整体构成外轮廓为三角形的结构，所述刀头10也呈三角状。更进一步地，所述微织构结构14的v字形的两边与所述前刀面11的外轮廓平行，这样可以便于加工时将所述前刀面11的外轮廓作为参照，再在加工设备上设置预定的偏移距离即可加工出所述微织构结构14的这两边。

更进一步地，所述微织构结构14相对于所述前刀面11的凹陷深度为50～100μm，将微织构结构14的深度限定在这个尺寸范围内，更利于刀具散热，减小切削热，提高减振耐磨和润滑效果，进一步延长刀具的使用寿命。进一步地，所述断屑结构的长度为20～200μm，将刀具的断屑结构设置在该范围内，更利于实现断屑排热的功能。

上述实施例中的微结构超硬刀具的材质为聚晶金刚石、单晶金刚石、化学气相沉积金刚石、聚晶立方氮化硼中的任一种。

为实现相同的目的，参见图5所示，本发明还提供一种如上述的微结构超硬刀具的制造方法，该制造方法包括如下步骤：

步骤s1、调整激光器与待加工刀具的相对位置；

步骤s2、打开激光器，使激光照射待加工刀具的前刀面；

步骤s3、控制激光器沿预定路径移动。

具体地，在本实施例中，本发明的微结构超硬刀具采用图2的加工设备加工，所述加工设备包括工作台20、多轴联动加工机构30、激光器40、以及控制器50。其中，所述工作台20用于装夹待加工刀具，多轴联动加工机构30连接于所述工作台20，所述激光器40安装于所述多轴联动加工机构30的输出端上，通过多轴联动加工机构30控制激光器40的移动，所述激光器40用于在待加工刀具的前刀面11上加工出微织构结构14，所述控制器50用于控制所述激光器40的发光功率和所述多轴联动加工机构30的输出端的行走路径，所述激光器40的激光发射端与所述工作台20相对设置。加工时，将待加工刀具放置于工作台20上，参见图3所示，先通过控制多轴联动加工机构30调整激光器40与待加工刀具的相对位置，然后通过控制器50设置好激光器40的功率、多轴联动加工机构30的输出端的行走路径，打开激光器40，使激光器40发出的激光照射待加工刀具的前刀面11，然后多轴联动加工机构30带动激光器40按照预定路径移动，直至完成微织构结构14和断屑结构15的加工。

采用上述制造方法和加工设备加工微结构超硬刀具，激光束能量密度高，热影响区小，不易导致工件热变形，加工速度快，且无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件，是一种高效环保的加工方法，通过将激光器40安装于多轴联动加工机构30的输出端上，并通过控制器50控制激光器40的发光功率和多轴联动加工机构30的输出端的行走路径，可以在加工过程中根据实际需要灵活调整激光器40的发光功率和激光束在待加工刀具上的移动路径，以提高加工精度，确保加工出来的刀具质量可靠，并且这种信息化的机械加工技术加工效率高，更加适于大批量生产。

优选地，在所述步骤s3之后还包括以下步骤：

步骤s4、采集待加工刀具的前刀面的微织构结构的三维图像；

步骤s5、采集激光器当前的功率参数和移动速度；

步骤s6、根据待加工刀具的前刀面的微织构结构的三维图像信息、激光器当前的功率参数和移动速度信息，调节激光功率参数以及激光器的移动速度。

具体地，在本实施例中，参见图3所示，上述制造方法使用的加工设备中的控制器50具体包括图形采集与处理单元51、数据采集单元52、数据处理单元53和控制单元54，其中，所述图形采集与处理单元51用于采集待加工刀具上的微织构结构14的三维图像信息并转换成数字信息传输给数据处理单元53；所述数据采集单元52用于采集所述激光器40当前功率信息和所述多轴联动加工机构30的输出端的当前运动状态信息(运动速度)并传输给所述数据处理单元53；所述数据处理单元53用于将图形采集与处理单元51传输来的数字信息与预定的微织构结构14信息进行比较，并根据比较结果和所述激光器40当前功率信息及所述多轴联动加工机构30的输出端的当前运动状态信息，向所述控制单元54发出反馈信号；所述控制单元54用于根据所述反馈信号控制所述激光器40发出的激光功率和所述多轴联动加工机构30的输出端的运动。

如此，在具体操作时，通过所述图形采集与处理单元51拍摄待加工刀具的前刀面11上微织构结构14的三维图像并提取形貌特征值，并且转换成数字信息，通过数据采集单元52采集所述激光器40当前功率信息和所述多轴联动加工机构30的输出端的当前运动状态信息，通过所述数据处理单元53将所述数字信息与预定的微织构结构14信息进行比较，根据该比较结果和所述激光器40当前功率信息及运动速度，向所述控制单元54发出反馈信号，从而能够自适应地调节激光功率参数以及激光器40的移动速度，实现对微织构结构14的在线修整。

作为优选的实施方式，参见图6所示，所述步骤s3具体地包括：

s31、控制激光器沿微织构结构与断屑结构的外边缘移动；

s32、控制激光器朝待加工刀具的前刀面的中间位置移动预定的偏移距离；

s33、控制激光器沿微织构结构与断屑结构的外边缘形状移动；

s34、重复步骤s32、s33，直至完成微织构结构和断屑结构的加工。

这样，激光器40在加工过程中，由外向内一圈一圈地切割出微织构结构14与断屑结构15。

更具体地，在本实施例中，所述控制单元54包括激光控制单元541和运动控制单元542，所述激光控制单元541用于控制所述激光器40发出的激光功率，所述运动控制单元542用于控制所述多轴联动加工机构30的输出端的运动速度，从而便于调节激光功率参数以及激光器40的移动速度。

作为优选的实施方式，所述数据处理单元53连接有人机交互系统55，例如可以采用显示屏，所述人机交互系统55用于采集人工输入信息并将其传输给所述数据处理单元53，操作人员可以在显示屏上直接输入所需的激光功率参数和激光器40的运动速度，形成人工输入信息。所述数据处理单元53还用于识别所述人工输入信息并向所述控制单元54发出控制信号，如此，所述控制单元54还用于根据该控制信号控制所述激光器40的发光功率和所述多轴联动加工机构30的输出端的运动速度。

示例性地，所述多轴联动加工机构30包括水平设置的x轴组件、垂直安装于所述x轴组件上并可相对所述x轴组件左右平移的y轴组件32、垂直安装于所述y轴组件32上并可相对所述y轴组件32前后平移的z轴组件，所述z轴组件具有可上下平移的移动台31，所述激光器40安装于所述移动台31上；所述运动控制单元542控制单元54用于控制所述x轴组件、y轴组件32和z轴组件的运动，以控制激光器40的移动方向和移动速度。

还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“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。

综上所述，本发明提供的微结构超硬刀具及其制造方法，微结构超硬刀具包括刀本体和连接于所述刀本体的刀头10，所述刀头10包括前刀面11、后刀面12和刀尖13，在所述前刀面11上设有向下凹陷的微织构结构14，且在所述微织构结构14远离刀尖13的一侧设有用于切断积屑的断屑结构15，凹陷的微织构结构14可以有效的增加刀具在切削过程中的散热面积，以更好的散热，从而减少切削热，微织构结构14可以降低前刀面的光滑度，能够起到减振耐磨和较好的润滑的效果，断屑结构15在切削加工过程中更利于切断积屑，可以实现断屑排热的功能，利于延长刀具的使用寿命，因此具有较高的推广应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。