[发明专利]一种深度梯度变化微织构车刀仿生设计方法

说明书

本发明公开了一种深度梯度变化微织构车刀仿生设计方法，包括以下步骤：采用非接触激光扫描仪获取竹鼠切牙点云数据，并重构了切牙三维模型，提取切牙“月牙洼”形貌深度数据；针对硬质合金YG6A刀具干车削铝合金7075，利用车削过程的有限元仿真和试验，确定了织构到刃口距离10μm、沟槽深度7μm、沟槽宽度12μm、沟槽间距30μm时，织构刀具具有最好的切削特性；结合车刀前刀面温度分布，利用“月牙洼”深度数据值，仿生设计深度梯度变化微织构车刀。该深度梯度变化微织构距刃口较近时织构深度较小，随着织构远离刃口织构深度先增加后减小。本发明既保留了织构降低刀具切削力的特性，又提高了刀具的结构强度，具有延长刀具使用寿命、提高刀具经济使用价值的优点。

技术领域

本发明属于工程仿生学技术领域，具体涉及一种深度梯度变化微织构车刀仿生设计方法。

背景技术

在航空航天、机械自动化制造以及农业建设过程中，铝合金作为传统有色金属结构材料得以普遍应用。铝合金的物理性能优异，不仅密度低，强度也较普通的优质钢高。此外，铝合金拥有良好的延展性、较低的强度和硬度，常用于制作各式各样的冲压件。得益于铝合金良好的切削加工性能，铝合金是一种较易加工的金属材料，适合于高速切削加工。但在切削加工过程中，铝合金的塑性随着切削温度的升高而增加。在高温高压下，刀具前刀面易形成铝合金粘附层，降低了刀具加工的可靠性，使得刀具在加工过程中容易发生粘接磨损。

微织构是一种加工在摩擦副表面(如刀具前刀面与切屑接触面，犁刀刀面与泥土接触面等)微小的组织。研究表明，通过在车刀前刀面加工微织构可以有效降低刀具的切削力和切削温度，减弱铝合金的黏刀现象。但是织构植入前刀面破坏了刀具结构，降低了刀具的结构强度，使车刀前刀面容易发生磨损，降低了刀具的使用寿命，一方面又降低了刀具的切削性能。当前，微织构的研究主要集中在不同刀具材料在不同的工况下，采用不同的材料去除方式，研究不同形貌织构对刀具切削力、切削温度、摩擦系数等的影响规律，确定织构是否能够提高刀具切削性能。有较少的学者研究沟槽织构形貌(沟槽宽度、沟槽深度、沟槽间距、沟槽到刃口距离)对刀具切削力的影响规律。Tatsuya Sugihara、冯秀婷等人采用单因素法研究沟槽深度、沟槽宽度对刀具切削性能的影响；但关于多个变量对刀具切削性能的影响规律还未见报道。因此，需确定在当前工况下，微织构刀具车削铝合金的最佳织构形貌组成，为仿生设计深度梯度变化微织构车刀提供理论基础。

竹鼠，自然界中一种常见的啮齿类动物，因其善于啃食竹子而闻名。竹鼠切牙具有强大的切割能力，可以在短时间内啃食大量的竹子，且切牙依旧处于锋利的状态。观察正常进食的切牙可以发现，牙齿尖部在摩擦磨损后形成“月牙洼”形貌。而竹鼠“月牙洼”形貌并没有弱化牙齿的结构强度，反而增加切削刃锋利度，强化了牙齿的切割性能。如何应用切牙凹坑深度数据仿生设计深度梯度变化微织构车刀，使得深度梯度微织构保留织构降低切削力特性，弱化织构对刀具结构的损坏，对于提高刀具的结构强度，延长刀具的使用寿命，提高刀具的经济使用价值具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种能够提高刀具切削性能且弱化织构对刀具结构强度损害的深度梯度变化微织构车刀。该种车刀基于竹鼠切牙“月牙洼”深度值，不仅能够保留织构提高刀具切削性能的特性，还能弱化织构对刀具结构强度的损坏。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种深度梯度变化微织构车刀仿生设计方法，包括以下步骤：

S1、获取竹鼠切牙点云数据，通过获得的点云数据重构切牙三维模型，提取并分析切牙前刀面“月牙洼”的深度数据；

S2、车削铝合金并进行有限元仿真实验，应用激光表面加工技术完成沟槽形貌的刻蚀；

S3、应用竹鼠切牙的深度数据值和步骤S2中车削过程的有限元仿真结果对深度梯度变化微织构车刀进行设计；