仿螳螂口器上顎構(gòu)形的拉刀及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了仿螳螂口器上顎構(gòu)形的拉刀及其制備方法?，F(xiàn)有拉刀工作負載大，刀具磨損嚴重。本發(fā)明刀齒的頂面開設(shè)凹槽；刀具頭刀齒部分的齒升量呈等差數(shù)列分布；沿齒頂?shù)烬X槽方向，刀具頭刀齒橫截面積的梯度變化和螳螂上顎橫截面積的梯度變化呈現(xiàn)一致性；刀具頭的刀齒表面致密度和硬度均大于內(nèi)部。本發(fā)明拉刀的制備方法：構(gòu)造螳螂上顎三維曲面模型，得到螳螂上顎的面積梯度，確定刀具頭刀齒沿齒頂?shù)烬X槽方向的面積梯度，并根據(jù)刀齒面積梯度設(shè)計刀齒外形；每個刀齒頂面加工多個凹槽；刀具頭同一縱截面上，每個刀齒上的凹槽位置對應(yīng)相鄰刀齒上的未開凹槽部分刀齒頂面；刀具頭熱處理。本發(fā)明優(yōu)化了拉刀的切削性能，減小切削負載，提高拉刀使用壽命。
【專利說明】
仿幢哪口器上飄構(gòu)形的拉刀及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于機械加工技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及拉刀及其制備方法，具體設(shè)及一種仿瞳卿口 器上飄構(gòu)形的拉刀及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 拉削是機械加工作業(yè)的一種類型，是使用拉床(拉刀)加工各種內(nèi)外成形表面的切 削工藝。拉床是一種金屬切削機床，用來加工孔眼或鍵槽。加工時，一般工件不動，拉刀做直 線切削運動。拉削時機床只有拉刀的直線運動，它是加工過程的主運動，進給運動則靠拉刀 本身的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。而拉刀是其中的關(guān)鍵部件，拉刀是用于拉削的成形刀具，拉刀上分布著 刀齒，當拉刀運作時，刀齒從工件上切削掉一定厚度的工件，重復(fù)多次后達到預(yù)期的形狀和 尺寸。但是現(xiàn)有拉刀在工作時，工作負載較大，刀齒容易被工件和切屑碰傷甚至擠壞，磨損 也較嚴重，容易發(fā)生崩刃和缺齒的問題。因此，研制一種能承受大切削負載、耐磨損的新型 刀具，對實現(xiàn)拉削加工的高精度、高效率有著重要意義。
[0003] 目前，在相關(guān)領(lǐng)域并沒有仿生的鍵槽拉刀及制備方法，如申請專利號為 201521015218.0(授權(quán)公告號為205200682 U，授權(quán)公告日為2016年5月4日）的專利公開了 一種圓柱形成型拉刀。該成型拉刀包括頭部和尾部，頭部至尾部依次為起連接作用的刀體 部、前頸部、連接部和后頸部，刀體部具有若干排環(huán)繞排列的切削齒，相鄰兩排切削齒之間 開設(shè)有容屑槽，切削齒的高度從頭部至尾部為依次遞增結(jié)構(gòu)，連接部處設(shè)置有環(huán)形排列的 兩排刀刃，兩相鄰刀刃之間具有分屑槽，兩排刀刃上的分屑槽交錯分布。該成型拉刀穩(wěn)定性 能較好，較好地解決了拉刀切屑排出的問題，但是該成型拉刀工作區(qū)域刀齒不連續(xù)，工作時 切削負載較大，刀具磨損也較為突出。申請專利號為CN201110143262.X(授權(quán)公告號 CN102229228 A，授權(quán)公告日為2011年11月2日）公開了一種復(fù)合拉刀，其特征在于，刀具頭 上配置有多個環(huán)狀切削刀塊，并形成有切削面或倒角面;在切削面內(nèi)側(cè)凸起處設(shè)置有復(fù)合 切削面，形成有復(fù)合切削刃或復(fù)合側(cè)切削刃，并形成有加強臺；在切削刃或側(cè)切削刃上設(shè)置 有至少有一個凹口刃，該凹口刃呈開口向切削面、后切削面、側(cè)切削面之一延伸或者逐漸放 大的形態(tài)分布在切削面、后切削面、側(cè)切削面、復(fù)合切削面、復(fù)合側(cè)切削面?zhèn)?、?fù)合后切削面 之一形成有凹槽。該復(fù)合拉刀具有良好的散熱和抗裂作用，但是其加強臺的分布使其在刃 口處負載較大，減小刀具的使用壽命，同時其凹槽分布較為單一，不能很好地改善拉刀的受 力分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有拉刀工作負載較大，刀具磨損較為嚴重，壽命較短等的不足，提供 一種仿瞳卿口器上飄構(gòu)形的新型拉刀及相應(yīng)制備方法。該拉刀是一種單個刀齒截面面積梯 度分布仿上飄的刀具;是一種刀具截面材質(zhì)致密度和硬度分布仿瞳卿上飄的刀具;是一種 可優(yōu)化單個刀齒切削區(qū)域數(shù)量、切深和切削總面積的刀具;是一種優(yōu)化整個拉刀粗拉、半精 拉和精拉各區(qū)刀齒齒升量分布的刀具。
[0005] 本發(fā)明仿瞳卿口器上飄構(gòu)形的拉刀主要由刀柄和刀具頭組成。所述刀具頭的刀齒 部分由尾部至頭部依次劃分為粗拉區(qū)、半精拉區(qū)和精拉區(qū)。所有刀齒的頂面開設(shè)等距布置 的凹槽；同一刀齒上，凹槽的底面面積與相鄰凹槽之間未開凹槽部分刀齒頂面面積相等;刀 具頭同一縱截面上，每個刀齒上的凹槽位置對應(yīng)相鄰刀齒上的未開凹槽部分刀齒頂面。刀 具頭刀齒部分的齒升量呈公差大于0的等差數(shù)列分布，即S2-Sl = S3-S2 = Sn-Sn-l = k，其中，k 為定值常數(shù)，〇.〇11111]1《4《0.051111]1;5。為沿刀具頭尾部至頭部方向上第]1個齒的齒高，1《]1《 m，m>20。沿齒頂?shù)烬X槽方向X，刀具頭刀齒橫截面積的梯度變化和瞳卿上飄橫截面積的梯 度變化呈現(xiàn)一致性，即滿足
癢中，Si為瞳卿上飄橫截面積，S2為刀齒橫截面積。刀 具頭的刀齒表面致密度和硬度均大于內(nèi)部。
[0006] 本發(fā)明仿瞳卿口器上飄構(gòu)形的拉刀的制備方法，具體步驟如下：
[0007] 步驟一、通過激光掃描提取瞳卿上飄的=維云圖，獲得表面幾何信息的點云數(shù)據(jù)， 對得到的點云數(shù)據(jù)平滑濾波處理后導出生成ASC II碼格式的文件，并WNURBS曲面為基礎(chǔ) 構(gòu)造曲面，在基礎(chǔ)構(gòu)造曲面上構(gòu)造拓撲矩形網(wǎng)絡(luò)，交互定義特征線，利用矩形數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 出瞳卿上飄=維曲面模型。
[000引步驟二、通過瞳卿上飄=維曲面模型分析得到瞳卿上飄的面積梯度，確定刀具頭 刀齒沿齒頂?shù)烬X槽方向的面積梯度，并根據(jù)刀齒面積梯度設(shè)計刀齒外形。
[0009] 步驟S、采用線銀切割加工刀齒外形，使得沿刀具頭尾部至頭部方向，刀具頭刀齒 部分的齒升量呈公差大于0的等差數(shù)列分布。
[0010] 步驟四、在經(jīng)步驟=加工后的每個刀齒頂面用激光雕刻機加工多個寬度為6mm、深 度為1mm的凹槽。刀具頭同一縱截面上，每個刀齒上的凹槽位置對應(yīng)相鄰刀齒上的未開凹槽 部分刀齒頂面。
[0011] 步驟五、采用高壓電脈沖放電技術(shù)對經(jīng)步驟四處理后的刀具頭進行熱處理，具體 如下：
[0012] 將刀具頭放置于兩塊電極板之間，兩塊電極板分別與脈沖電場發(fā)生器的正、負極 連接，刀具頭上方固定火焰噴嘴和冷卻噴嘴;打開脈沖電場發(fā)生器、火焰噴嘴和冷卻噴嘴開 關(guān)，刀具頭移動，火焰噴嘴對刀具頭加熱的同時通高壓脈沖電場，然后冷卻噴嘴再噴水降溫 實現(xiàn)澤火，從而使刀具頭刀齒的金相組織重新排列。
[0013] 本發(fā)明的有益效果：
[0014] 本發(fā)明從仿生學的角度出發(fā)，通過對瞳卿口器的觀察研究，發(fā)現(xiàn)其有良好的切削 性能。通過仿照瞳卿口器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了拉刀的切削性能，減小切削負載，達到保護刀具、減小 拉刀磨損、提高拉刀使用壽命的目的。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)立體圖。
[0016] 圖2為刀具頭的刀齒部分劃分出的粗拉區(qū)、半精拉區(qū)和精拉區(qū)示意圖。
[0017] 圖3-1為本發(fā)明中刀具頭刀齒頂面的凹槽分布示意圖。
[0018] 圖3-2為現(xiàn)有拉刀刀具頭的刀齒頂面示意圖。
[0019] 圖4-1為本發(fā)明中刀具頭的刀齒齒升量變化示意圖。
[0020] 圖4-2為現(xiàn)有拉刀刀具頭的刀齒齒升量變化示意圖。
[0021] 圖5-1為本發(fā)明中刀具頭的單個刀齒形狀示意圖。
[0022] 圖5-2為瞳卿上飄形狀示意圖。
[0023] 圖5-3為現(xiàn)有拉刀的刀齒形狀示意圖。
[0024] 圖6為瞳卿上飄S維曲面模型示意圖。
[0025] 圖7為高壓電脈沖放電技術(shù)采用的裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0027] 如圖1所示，仿瞳卿口器上飄構(gòu)形的拉刀，主要由刀柄1和刀具頭2組成。如圖2所 示，刀具頭2的刀齒部分由尾部至頭部依次劃分為粗拉區(qū)L1、半精拉區(qū)L2和精拉區(qū)L3,半精 拉區(qū)的齒槽深度介于粗拉區(qū)的齒槽深度和精拉區(qū)的齒槽深度之間，且粗拉區(qū)的齒槽深度最 大。
[0028] 如圖3-1所示，所有刀齒的頂面開設(shè)等距布置的凹槽；同一刀齒上，凹槽的底面面 積與相鄰凹槽之間未開凹槽部分刀齒頂面(剖面線部分)面積相等;刀具頭2同一縱截面上， 每個刀齒上的凹槽位置對應(yīng)相鄰刀齒上的未開凹槽部分刀齒頂面。如圖3-2所示，現(xiàn)有拉刀 的刀齒頂面沒有開設(shè)凹槽。
[0029] 如圖4-1所示，刀具頭2刀齒部分的齒升量呈公差大于0的等差數(shù)列分布，即Ss-Si = 53-82 = 8。-8。-1 = 4，其中，4為定值常數(shù)，0.011111]1《1^《0.05111111;8。為沿刀具頭2尾部至頭部方 向上第n個齒的齒高，l《n《m，m>20。圖4-2為現(xiàn)有拉刀齒升量分布示意圖，所有刀齒高度 一致，齒升量相等。
[0030] 刀具頭2的單個刀齒形狀如圖5-1所示，瞳卿上飄形狀如圖5-2所示，現(xiàn)有拉刀刀齒 形狀如圖5-3所示，設(shè)計刀具頭2的刀齒形狀時，保證沿齒頂?shù)烬X槽方向X，刀具頭2刀齒橫截
面積的梯度變化和瞳卿上飄橫截面積的梯度變化呈現(xiàn)一致性，即滿盾 ^，d表示 求導，Si為瞳卿上飄橫截面積，S2為刀具頭2的刀齒橫截面積。
[0031] 刀具頭2的刀齒致密度和硬度仿照瞳卿上飄分布。刀具頭2的刀齒橫截面金相組織 如圖5-1所示，瞳卿上飄的橫截面顯微示意圖如圖5-2所示，而普通拉刀的金相組織如圖5-3 所示。從圖中可W看出，瞳卿上飄的致密度和硬度為邊緣密而硬，仿照該結(jié)構(gòu)，加工刀具頭2 的刀齒時，將刀齒加工成表面致密度和硬度均大于內(nèi)部。而普通刀齒的金相組織顯示刀齒 表面致密度和硬度與內(nèi)部呈現(xiàn)幾乎一致的均勻性。
[0032] 仿瞳卿口器上飄構(gòu)形的拉刀的制備方法，具體步驟如下：
[0033] 步驟一、通過激光掃描提取瞳卿上飄的=維云圖，獲得表面幾何信息的點云數(shù)據(jù)， 對得到的點云數(shù)據(jù)平滑濾波處理后導出生成ASC II碼格式的文件，并WNURBS曲面為基礎(chǔ) 構(gòu)造曲面，在基礎(chǔ)構(gòu)造曲面上構(gòu)造拓撲矩形網(wǎng)絡(luò)，交互定義特征線，利用矩形數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 出瞳卿上飄=維曲面模型如圖6所示。
[0034] 步驟二、通過瞳卿上飄=維曲面模型分析得到瞳卿上飄的面積梯度，確定刀具頭2 刀齒沿齒頂?shù)烬X槽方向的面積梯度，并根據(jù)刀齒面積梯度設(shè)計刀齒外形。
[0035] 步驟S、采用線銀切割加工刀齒外形，使得沿刀具頭2尾部至頭部方向，刀具頭2刀 齒部分的齒升量呈公差大于O的等差數(shù)列分布。
[0036] 步驟四、在經(jīng)步驟=加工后的每個刀齒頂面用激光雕刻機加工多個寬度為6mm、深 度為1mm的凹槽，如圖3-1所示。刀具頭2同一縱截面上，每個刀齒上的凹槽位置對應(yīng)相鄰刀 齒上的未開凹槽部分刀齒頂面。
[0037] 步驟五、如圖7所示，采用高壓電脈沖放電技術(shù)對經(jīng)步驟四處理后的刀具頭2進行 熱處理，具體如下：
[0038] 將刀具頭放置于兩塊電極板3之間，兩塊電極板分別與脈沖電場發(fā)生器4的正、負 極連接，刀具頭上方固定火焰噴嘴5和冷卻噴嘴6;打開脈沖電場發(fā)生器、火焰噴嘴5和冷卻 噴嘴6開關(guān)，刀具頭移動，火焰噴嘴5對刀具頭加熱的同時通高壓脈沖電場，然后冷卻噴嘴6 再噴水降溫實現(xiàn)澤火，從而使刀具頭刀齒的金相組織重新排列。熱處理后刀具頭的刀齒金 相組織如圖5-1所示。
【主權(quán)項】
1. 仿瞳卿口器上飄構(gòu)形的拉刀，主要由刀柄和刀具頭組成，其特征在于:所述刀具頭的 刀齒部分由尾部至頭部依次劃分為粗拉區(qū)、半精拉區(qū)和精拉區(qū)；所有刀齒的頂面開設(shè)等距 布置的凹槽；同一刀齒上，凹槽的底面面積與相鄰凹槽之間未開凹槽部分刀齒頂面面積相 等；刀具頭同一縱截面上，每個刀齒上的凹槽位置對應(yīng)相鄰刀齒上的未開凹槽部分刀齒頂 面;刀具頭刀齒部分的齒升量呈公差大于O的等差數(shù)列分布，即S2-Si = S3-S2 = Sn-Sn-l = k，其 中，k為定值常數(shù)，O .01mm《k《0.05mm;Sn為沿刀具頭尾部至頭部方向上第n個齒的齒高，1 《n《m，m>20;沿齒頂?shù)烬X槽方向X，刀且頭刀齒橫截面積的梯度變化和瞳卿上飄橫截面積 的梯度變化呈現(xiàn)一致性，即滿5，其中，Si為瞳卿上飄橫截面積，S2為刀齒橫截面 積;刀具頭的刀齒表面致密度和硬度均大于內(nèi)部。2. 如權(quán)利要求1所述仿瞳卿口器上飄構(gòu)形的拉刀的制備方法，具體步驟如下： 步驟一、通過激光掃描提取瞳卿上飄的=維云圖，獲得表面幾何信息的點云數(shù)據(jù)，對得 到的點云數(shù)據(jù)平滑濾波處理后導出生成ASC II碼格式的文件，并WNURBS曲面為基礎(chǔ)構(gòu)造 曲面，在基礎(chǔ)構(gòu)造曲面上構(gòu)造拓撲矩形網(wǎng)絡(luò)，交互定義特征線，利用矩形數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造出瞳 卿上飄=維曲面模型； 步驟二、通過瞳卿上飄=維曲面模型分析得到瞳卿上飄的面積梯度，確定刀具頭刀齒 沿齒頂?shù)烬X槽方向的面積梯度，并根據(jù)刀齒面積梯度設(shè)計刀齒外形； 步驟=、采用線銀切割加工刀齒外形，使得沿刀具頭尾部至頭部方向，刀具頭刀齒部分 的齒升量呈公差大于0的等差數(shù)列分布； 步驟四、在經(jīng)步驟=加工后的每個刀齒頂面用激光雕刻機加工多個寬度為6mm、深度為 Imm的凹槽;刀具頭同一縱截面上，每個刀齒上的凹槽位置對應(yīng)相鄰刀齒上的未開凹槽部分 刀齒頂面； 步驟五、采用高壓電脈沖放電技術(shù)對經(jīng)步驟四處理后的刀具頭進行熱處理，具體如下： 將刀具頭放置于兩塊電極板之間，兩塊電極板分別與脈沖電場發(fā)生器的正、負極連接， 刀具頭上方固定火焰噴嘴和冷卻噴嘴;打開脈沖電場發(fā)生器、火焰噴嘴和冷卻噴嘴開關(guān)，刀 具頭移動，火焰噴嘴對刀具頭加熱的同時通高壓脈沖電場，然后冷卻噴嘴再噴水降溫實現(xiàn) 澤火，從而使刀具頭刀齒的金相組織重新排列。
【文檔編號】B23D43/02GK105904022SQ201610394048
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】倪敬, 劉國棟, 楊永豐, 肖婧
【申請人】杭州電子科技大學