一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法

摘要

本发明公开一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法，属于机械切削刀具制造技术领域；采用激光加工技术，可在刀具表面加工出微纳复合结构，所述微纳复合结构为激光加工刀具表面形成的微米级的突起和微米突起上的纳米颗粒，再经过一定的表面处理形成具有微纳复合结构的疏油刀具表面。在润滑条件下，由于刀具表面的疏油性，切削液将更快地供应至刀‑屑界面，由此可改善切削区域的润滑状态，从而降低刀‑屑界面的摩擦力，为刀具减摩降磨提供保障，同时还可降低切削温度并减轻刀具表面的粘结现象；该疏油刀具可广泛应用于难切削材料（如钛合金、超高强度钢、奥氏体不锈钢等）的切削加工和高速切削加工，可极大地提高刀具耐用度和工件表面质量。

权利要求

1.一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：通过激光加工技术在刀具表面制备微纳复合结构；

步骤二：通过表面技术对微纳复合结构刀具表面进行表面改性，形成具有微纳复合结构的疏油刀具表面；

所述步骤一具体包括如下：

步骤1.1，清洗刀具表面，将刀具分别放在丙酮和乙醇中超声清洗15min以上；

步骤1.2，采用激光加工技术在刀具前刀面加工出微纳复合结构，其中激光功率为5～

10W，频率为20～200kHz，扫描速度为1～2000mm/s，扫描次数为5～400次，离焦量为－1.2～

1.2mm；

步骤1.3，打磨刀具表面，所用金相砂纸目数为600～1200目，之后将刀具分别放在丙酮和乙醇中超声清洗20min以上；

所述步骤二具体包括如下：

步骤2.1，在室温环境下对刀具表面进行氟化处理，选用的氟化物为由氟硅烷类疏油剂和有机溶剂配制而成的混合液，其中疏油剂质量分数为0.1%～1.5%；

步骤2.2，将刀具放入该混合液中反应2h以上，之后取出并用高纯氮气进行吹干，再将刀具放入烘箱中，烘干时间在1h以上，温度为90～250°C，以确保表面附有的有机物完全挥发；

刀具表面微米级突起高度为1～100μm，直径为1～15μm，间距为1～30μm，微米级突起上纳米颗粒的直径为300nm以下。

2.如权利要求1所述的具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法，其特征在于：所述刀具表面的微纳复合结构为经激光加工后刀具表面形成的微米级突起和微米突起上的纳米颗粒。

说明书

一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法，其属于机械切削刀具制造技术领域。

背景技术

[0002] 近年来，随着我国航空航天制造业的快速发展，钛合金的使用量逐年增加，故对钛合金零部件的加工变得越来越重要。钛合金作为典型的难加工材料，加工时刀-屑接触长度小、刀-屑界面摩擦系数大、刀具粘结磨损和扩散磨损严重、切削温度高。高速切削加工在一定程度上可改善钛合金的切削加工性，降低钛合金切削加工的难度，但高速切削加工也存在一些不足，如在高速切削加工时刀-屑界面润滑状态多为边界润滑状态，此时刀具磨损依然严重，工件表面加工质量差。因此迫切需要研究减缓刀具表面磨损的新技术，为刀具减摩降磨提供保障，从而提高刀具耐用度。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法。

[0004] 本发明采用如下技术方案：一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法，其包括如下步骤：

[0005] 步骤一：通过激光加工技术在刀具表面制备微纳复合结构；

[0006] 步骤二：通过表面技术对微纳复合结构刀具表面进行表面改性，形成具有微纳复合结构的疏油刀具表面。

[0007] 进一步地，所述步骤一的第一种制备方法具体包括如下：

[0008] （1）清洗刀具表面，将刀具分别放在丙酮和乙醇中超声清洗15min以上；

[0009] （2）采用激光加工技术在刀具前刀面加工出微纳复合结构，其中激光功率为5～10W，频率为20～200kHz，扫描速度为1～2000mm/s，扫描次数为5～400次，离焦量为－1.2～
1.2mm；

[0010] （3）打磨刀具表面，所用金相砂纸目数为600～1200目，之后将刀具分别放在丙酮和乙醇中超声清洗20min以上。

[0011] 进一步地，所述步骤二具体包括如下：

[0012] （1）在室温环境下对刀具表面进行氟化处理，选用的氟化物为由氟硅烷类疏油剂和有机溶剂配制而成的混合液，其中疏油剂质量分数为0.1%～1.5%；

[0013] （2）将刀具放入该混合液中反应2h以上，之后取出并用高纯氮气进行吹干，再将刀具放入烘箱中，烘干时间在1h以上，温度为90～250°C，以确保表面附有的有机物完全挥发。

[0014] 进一步地，具有微纳复合结构的刀具表面微突起高度为1～100μm，直径为1～15μm，间距为1～30μm，微突起上纳米颗粒的直径为300nm以下。

[0015] 本发明具有如下有益效果：通过本发明制备方法制得的刀具表面具有微米级突起和纳米级的颗粒，该微纳复合结构改变了刀具表面的几何形貌并增大了刀具表面粗糙度，经一定的表面处理后刀具表面具有疏油性。在润滑条件下，由于刀具的疏油性将使切削液更快地聚集在刀-屑界面，有利于切削区域润滑膜的形成，由此可改善切削区域的润滑状态，使切削区域润滑状态由边界润滑状态转变为流体润滑状态，从而降低刀-屑界面的摩擦力，为刀具减摩降磨提供保障，减轻切屑粘结现象。该疏油刀具可广泛应用于难切削材料（如钛合金、超高强度钢、奥氏体不锈钢等）的切削加工和高速切削加工，可极大地提高刀具耐用度和工件表面质量，同时还可提高生产效率和降低生产成本。

附图说明

[0016] 图1为本发明具有微纳复合结构表面的疏油刀具制备过程示意图；

[0017] 图2为本发明微纳复合结构局部示意图。

具体实施方式

[0018] 本发明提供一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0019] 下面通过实施例，结合附图对本发明的具体技术方案作进一步的说明。

[0020] 请分别参照图1和图2所示，图1为本发明具有微纳复合结构表面的疏油刀具制备过程示意图，采用激光加工和表面处理技术加工出具有微纳复合结构表面的疏油刀具。在润滑条件下，由于刀具表面的疏油性，切削液更快地聚集在刀-屑界面，有利于切削区域润滑膜的形成，由此可改善切削区域的润滑状态。图2为本发明微纳复合结构局部示意图，刀具表面有微突起，其上有纳米颗粒，由此构成刀具表面微纳复合结构。本发明具有微纳复合结构表面的疏油刀具制备方法，包括如下步骤：

[0021] 步骤一：通过激光加工技术在刀具表面制备微纳复合结构；

[0022] 步骤二：通过表面技术对微纳复合结构刀具表面进行表面改性，形成具有微纳复合结构的疏油刀具表面。在润滑条件下，由于刀具的疏油性将使更多的切削液聚集在刀-屑界面，有利于切削区域润滑膜的形成，由此可改善切削区域的润滑状态，使切削区域润滑状态由边界润滑状态转变为流体润滑状态，从而降低刀-屑界面的摩擦力，为刀具减摩降磨提供保障，减轻切屑粘结现象。

[0023] 为达到上述目的，本发明是通过以下方式得到具有微纳复合结构表面的疏油刀具，首先通过激光加工技术在刀具表面制备微纳复合结构，然后通过表面技术对具有微纳复合结构的刀具表面进行表面改性，形成具有微纳复合结构的疏油刀具表面。

[0024] 其中步骤一具体如下：

[0025] （1）清洗刀具表面，将刀具分别放在丙酮和乙醇中超声清洗15min以上。

[0026] （2）采用激光加工技术在刀具前刀面加工出微纳复合结构，其中激光功率为5～10W，频率为20～200kHz，扫描速度为1～2000mm/s，扫描次数为5～400次，离焦量为－1.2～
1.2mm。

[0027] （3）打磨刀具表面，所用金相砂纸目数为600～1200目，之后将刀具分别放在丙酮和乙醇中超声清洗20min以上。

[0028] 其中步骤二具体如下：

[0029] （1）在室温环境下对刀具表面进行氟化处理，选用的氟化物为由氟硅烷类疏油剂和有机溶剂配制而成的混合液，其中疏油剂质量分数为0.1%～1.5%。

[0030] （2）将刀具放入该混合液中反应2h以上，之后取出并用高纯氮气进行吹干，再将刀具放入烘箱中，烘干时间在1h以上，温度为90～250°C，以确保表面附有的有机物完全挥发。

[0031] 下面通过一个具体的实施例来说明本发明一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法。

[0032] 所用刀具为硬质合金YG8刀具，步骤一：采用激光加工技术在刀具表面制备微纳复合结构；步骤二：通过表面技术对具有微纳复合结构的刀具表面进行表面改性，形成具有微纳复合结构的疏油刀具表面。其中步骤一具体如下：

[0033] （1）清洗刀具表面，将刀具分别放在丙酮和乙醇中超声清洗15min。

[0034] （2）用YLP-F20光纤激光器在刀具前刀面加工出微纳复合结构，其中激光功率为5W或10W，频率为60kHz，最高不超过200 kHz，扫描速度为100mm/s，最快不超过2000mm/s，扫描次数为50次，离焦量为－0.4mm。

[0035] （3）打磨刀具表面，所用金相砂纸目数为800目，之后将刀具分别放在丙酮和乙醇中超声清洗20min。

[0036] 其中步骤二具体如下：

[0037] （1）在室温环境下对刀具表面进行氟化处理，选用的氟化疏油剂为PFPE（思康化学，F-1091），溶剂为全氟丁基环醚（思康化学，F-8603），配制成该疏油剂质量分数为1%的混合液。

[0038] （2）将刀具放入该混合液中反应24h，之后取出并用高纯氮气进行吹干，再将刀具放入烘箱中，烘干时间为3h，温度为200°C，该温度可根据实际情况调整，一般在90～250°C，以确保表面附有的疏油剂完全挥发。

[0039] 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，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。