基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀及其设计方法

本发明涉及车刀及其设计方法，属于刀具设计。

背景技术：

1、车刀是车削加工过程中必要的工具，在对各种工件材料进行切削加工过程中，刀具的性能和质量对于加工效率和产品质量至关重要。如何优化刀具几何形状，减少被切削材料对刀具的磨损，降低切削阻力，提高切削效率，增加刀具的使用寿命，降低生产成本，是人们十分关注的问题。传统的金属刀具在高速加工和硬质材料加工过程中常常存在磨损快、加工精度低、加工效率不高等问题。

2、因此，亟需提出基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀及其设计方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、针对现有的技术不足，提供基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀及其设计方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀，基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀简称刀具，基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀基于鲨鱼鱼鳍结构设计，刀具包括刀头，刀头的前刀面与刀头的主后刀面之间相交形成一条棱边为主切削刃，前刀面与刀头的副后刀面之间相交形成一条棱边为副切削刃，主切削刃、副切削刃相交形成一点为刀尖点。

4、优选的：刀头的主切削刃和副切削刃的曲线形状按式(1)表征：

5、

6、在刀具基面pr上投影主切削刃和副切削刃，并定义以主切削刃起始点为原点、刀具进给方向vf向为x轴、以仿生刀具基面pr面内垂直于刀具进给方向vf向的刀具切削深度方向为y轴的坐标系x1o1y1；

7、在这个坐标系下，主切削刃和副切削刃在刀具基面上的投影的坐标可以表示为：

8、x1：主切削刃和副切削刃在刀具基面上的x1轴坐标值；

9、y1：主切削刃和副切削刃在刀具基面上的y1轴坐标值。

10、优选的：所述仿生刀具的主后刀面和副后刀面的纵向曲线按式(2)表征：

11、

12、其中主后刀面和副后刀面的纵向曲线是指在刀具的正交平面po面内形成的纵向剖面线；在刀具的正交平面po面上定义坐标系x2o2y2，以主切削刃和副切削刃与正交平面po面的交点为原点；x2o2y2坐标系以刀具的切削速度vc向的反方向为x2轴方向，在正交平面po面内以垂直于切削速度vc的方向为y2轴方向；则式(2)中：

13、x2：主后刀面和副后刀面上纵向剖面线在正交平面po面上的投影x2轴坐标值；

14、y2：主后刀面和副后刀面上纵向剖面线在正交平面po面上的投影y2轴坐标值；

15、所述仿生刀具的主后刀面和副后刀面的横向曲线按式(3)表征：

16、

17、其中主后刀面和副后刀面的横向曲线是指在平行于刀具基面pr面且通过刀尖点的横向剖面内形成的横向剖面线；在横向剖面上定义了坐标系x3o3y3，以刀尖点与横向剖面的交点为原点，以刀具的进给方向vf为x轴，并以刀具基面pr面内垂直于进给方向vf的刀具的切削深度方向为y轴；因此，在式(3)中：

18、x3：主后刀面和副后刀面上横向剖面线在横向剖面上投影的x3轴坐标值；

19、y3：主后刀面和副后刀面上横向剖面线在横向剖面上投影的y3轴坐标值。

20、优选的：刀具还包括刀柄，所述刀柄一端与刀头连接。

21、优选的：刀柄为硬质合金材料，刀头为陶瓷材质。

22、基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀的设计方法，包括以下步骤：

23、步骤一：通过激光扫描提取鲨鱼鱼鳍的三维云图，获得其表面几何信息的点云数据，对得到的点云数据按设定的方式进行过滤后导出生成ascⅱ码格式的文件，并以nurbs曲面为基础构造曲面；在所述基础构造曲面上构造拓扑矩形网格，交互定义特征线，利用矩形数据网格构造出鲨鱼鱼鳍三维曲面模型；

24、步骤二：在所述鲨鱼鱼鳍三维曲面模型上，确定鲨鱼鱼鳍前刀面(对应前刀面)、鲨鱼鱼鳍主后刀面(对应主后刀面)、鲨鱼鱼鳍副后刀面(对应副后刀面)、鲨鱼鱼鳍主切削刃(对应主切削刃)、鲨鱼鱼鳍副切削刃(对应副切削刃)；

25、将所述鲨鱼鱼鳍主切削刃、鲨鱼鱼鳍副切削刃在鲨鱼鱼鳍的基面上投影，得到投影曲线，对所述投影曲线进行拟合得到鲨鱼鱼鳍切削刃曲线拟合方程如式(1)；

26、将鲨鱼鱼鳍主后刀面、鲨鱼鱼鳍副后刀面在鲨鱼鱼鳍的正交平面以及垂直于正交平面并平行于基面的横向平面上投影，得到鲨鱼鱼鳍主后刀面的纵向和横向投影曲线，得到鲨鱼鱼鳍副后刀面的纵向和横向投影曲线，对所述纵向和横向投影曲线分别进行拟合得到鲨鱼鱼鳍主后刀面、鲨鱼鱼鳍副后刀面的纵向曲线拟合方程如式(2)和得到鲨鱼鱼鳍主后刀面、鲨鱼鱼鳍副后刀面的横向曲线拟合方程如式(3)。

27、本发明具有以下有益效果：

28、1、本发明提高了耐磨性：基于鲨鱼鱼鳍仿生原理设计的陶瓷车刀结构，能够有效降低刀具与工件之间的摩擦和磨损，大幅提高刀具的耐磨性；在高速、高负荷的切削工艺中，陶瓷材料的硬度和表面设计的优异性能使得刀具能够长时间保持锋利，延长使用寿命，降低更换频率，节约生产成本；

29、2、本发明改善切削效率：刀具仿生鲨鱼鱼鳍的结构，有助于改善切削润滑和散热效果，减少切削阻力和摩擦损失，提高切削效率；在车削加工过程中，陶瓷车刀能够更快速地将切削力传递给工件，降低能量损耗，提高加工速度和生产效率；

30、3、本发明提升加工精度：刀头部分采用陶瓷材料制造的车刀具有良好的硬度和耐磨性，能够保持刀具的尺寸稳定性和几何精度，在加工过程中能够保持高精度的加工质量；而刀柄部分由硬质合金材料制造，具有良好的韧性和强度，能够有效支撑刀头，增强了整体刀具的稳定性和耐用性；

31、4、本发明提高工艺稳定性陶瓷车刀具有优异的化学稳定性和热稳定性，不易受到加工环境中的腐蚀和高温影响，能够保持刀具的稳定性和耐用性；在不同的加工条件下，陶瓷车刀能够稳定地保持良好的加工状态，减少加工过程中的变形和振动，提高工艺稳定性和加工一致性；

32、5、本发明基于鲨鱼鱼鳍仿生的复合陶瓷车刀具有耐磨性高、切削效率高、加工精度高和工艺稳定性好等显著技术效果，将为现代制造业带来新的发展机遇和市场竞争优势。

技术特征：

1.基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀，其特征在于：包括刀头，刀头的前刀面(1)与刀头的主后刀面(2)之间相交形成主切削刃(4)，前刀面(1)与刀头的副后刀面(3)之间相交形成副切削刃(5)，主切削刃(4)、副切削刃(5)相交形成刀尖点(6)。

2.根据权利要求1所述的基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀，其特征在于：刀头的主切削刃(4)和副切削刃(5)的曲线形状按式(1)表征：

3.根据权利要求1所述的基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀，其特征在于：所述主后刀面(2)和副后刀面(3)的纵向曲线按式(2)表征：

4.根据权利要求1所述的基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀，其特征在于：还包括刀柄(7)，所述刀柄(7)一端与刀头焊接。

5.根据权利要求3所述的基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀，其特征在于：刀柄(7)为硬质合金材料，刀头为陶瓷材质。

6.一种如权利要求1-3任一项所述的基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及基于鲨鱼鱼鳍结构的复合仿生陶瓷车刀及其设计方法，属于刀具设计技术领域。包括刀头，刀头的前刀面与刀头的主后刀面之间相交形成一条棱边为主切削刃，前刀面与刀头的副后刀面之间相交形成一条棱边为副切削刃，主切削刃、副切削刃相交形成一点为刀尖点。本发明适用于高速、高精度和高效率的车削加工过程中，提高刀具的耐磨性、切削效率和加工精度；该车刀刀头采用陶瓷材料制造，并在刀头结构仿生鲨鱼鱼鳍的结构，以实现降低摩擦、改善流体动力学性能和提高切削效率的目的，具有广泛的应用前景和市场需求。

技术研发人员：孟悦,孙书江,孙海军,刘李庆,董升明,魏士亮
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/25