[发明专利]一种刀具涂层和基体间结合面形状的仿生设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及刀具制造技术领域，具体涉及一种刀具涂层和基体间结合面形状的仿生设计方法。

背景技术

目前，随着科学技术的不断发展，各种难加工材料不断出现并应用到实际生产生活中,金属切削刀具磨损和使用寿命降低等难题需要我们寻找新的解决方案，而涂层刀具的出现使这个难题得到了一定程度的缓解。涂层刀具是指在高速钢或者硬质合金等基体表面上涂覆一层耐磨性好的难熔金属或者非金属化合物，涂层刀具具有硬度高，耐磨性能好，化学性能稳定，耐热，摩擦系数小等特点，涂层材料是化学屏障和热屏障，降低了工件材料与刀具表面间的扩散和化学反应，减少了月牙洼磨损，可提高刀具使用寿命达3～5倍，提高切削速度达20％～70％，提高加工精度0.5～1级，降低刀具费用20％～50％。刀具表面涂层可有效提高刀具使用寿命，使刀具获得优良的切削性能，提高加工效率。

在对刀具基体进行涂层前，需做表面预处理。表面预处理主要是针对基体来说的，在喷涂涂层之前，对基体做一些适当的表面预处理，有利于涂层与基体的良好结合。但是目前对基体表面预处理获得的形貌是不规则的，不具有规律性，很难用数学表达式来精确的描述。因此，在实际生产中，很难精确控制基体表面形貌的尺寸，也不方便涂层和基体之间的建模分析。同时，为了提高涂层与基体间的结合强度，采用更加优化的基体表面预处理形貌也是目前人们一直研究的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种刀具涂层和基体间结合面形状的仿生设计方法，其可提高刀具涂层和基体间的结合强度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种刀具涂层和基体间结合面形状的仿生设计方法，其设计步骤如下：

(1)以人类健康牙齿的牙釉质与牙本质结合面形状为仿生设计的对象，在扫描电子显微镜下拍摄牙釉质和牙本质的结合面，获得样板图片；

(2)使用图像数据化软件打开样板图片，设置默认坐标系，再采用描点法描绘釉牙本质界的曲线，输出点坐标的离散数据，并以表格存储；

(3)用最小二乘法对步骤(2)所获得的离散数据进行曲线拟合，得到牙釉质与牙本质结合面的拟合曲线及拟合方程；

(4)根据牙釉质与牙本质结合面的拟合曲线形状，为使建模和加工简单、有效，用正弦函数替代上述的拟合曲线，其正弦函数的表达式为y＝Asin(wx)，其中：A为正弦函数幅值，w为频率，正弦函数周期T＝2π/w；

(5)建立硬质合金单涂层刀具的有限元模型，其膜-基结合面的形状如上述表达式中的正弦曲线，并在不同的正弦函数幅值A和频率w参数下，对多组参数结合界面下的刀具涂层和基体结合强度进行数值模拟，计算过程中使用基体横向拉伸法作为膜-基结合强度的检验方法，依此获得最优的膜-基结合面形状，该最优的膜-基结合面形状即为刀具涂层和基体间结合面形状。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中利用仿生设计的思想，将生物界中经过亿万年优化后的牙釉质与牙本质结合面形状结构应用到刀具涂层和基体间的结合面的设计中，从而大大提高刀具涂层和基体间的结合界面间的结合强度，有有利于延缓涂层的脱落，延长刀具使用寿命，同时提高刀具切削性能和加工效率；本发明设计方法简单、实际操作简便。

附图说明

图1是本发明中刀具涂层和基体间结合面形状的结构示意图；

图2为人类健康牙齿示意图；

图中，1、刀具涂层，2、刀具涂层和基体间结合面，3、基体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2所示，一种刀具涂层和基体间结合面形状的仿生设计方法，其设计步骤如下：

(1)以人类健康牙齿的牙釉质与牙本质结合面形状为仿生设计的对象，在扫描电子显微镜下拍摄牙釉质和牙本质的结合面，获得样板图片；

(2)使用图像数据化软件打开样板图片，设置默认坐标系，再采用描点法描绘釉牙本质界的曲线，输出点坐标的离散数据，并以表格存储；

(3)用最小二乘法对步骤(2)所获得的离散数据进行曲线拟合，得到牙釉质与牙本质结合面的拟合曲线及拟合方程；