一種微粒刀的制作方法
【專利摘要】一種微粒刀，其特征在于：所述的微粒刀包括有刀本體和刀頭，所述刀頭外凸地設(shè)置于所述刀本體的外表面上，所述刀頭的幾何尺寸為10nm～1mm。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：微粒刀刀頭上的切削刃極細(xì)，達(dá)到微米級或納米級，可以實(shí)現(xiàn)納米級的切削加工；微粒刀不需要像傳統(tǒng)刀具一樣安裝在機(jī)床主軸上靠主軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，利用微粒刀的切削裝置不需要主軸，結(jié)構(gòu)簡單。
【專利說明】—種微粒刀【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于微切削加工的微粒刀。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品的微型化成為高品質(zhì)的重要特征，而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品微型化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵在于微型零件加工技術(shù)水平的提高。
[0003]在目前的多種微型零件加工技術(shù)中，微切削是其中的重要手段之一。微切削主要包括微車削、微銑削和微特種加工等。其中，微銑削加工在微結(jié)構(gòu)的制造和材料去除加工中，表現(xiàn)出了很好的發(fā)展?jié)摿?，它不僅克服了硅微結(jié)構(gòu)法的加工材料單一、無法進(jìn)行復(fù)雜的三維微零件加工的不足，而且加工材料范圍廣，是實(shí)現(xiàn)金屬、合金、復(fù)合材料、陶瓷、玻璃、硅等多種材料微小型結(jié)構(gòu)件微細(xì)加工的有效途徑，尤其對于特征尺寸為0.01 μ m~Imm的精密微小零件的加工具有更大的優(yōu)勢。不過，在微銑削過程中，當(dāng)切削層厚度從數(shù)微米到亞微米級時(shí)，微銑刀的切削刃受到很大的應(yīng)力作用，單位面積上產(chǎn)生很大的熱量，導(dǎo)致刀尖局部極高的溫升，因此，微銑削對所用的銑刀有極高的要求。
[0004]目前，美國、德國、日本等國家相繼研制出一系列微銑刀，微銑刀不是傳統(tǒng)銑刀在整體尺度或局部特征尺度上的簡單縮小，而是針對微銑削的特點(diǎn)和加工機(jī)理的一類特種切削刀具。如日本東京電子通訊大學(xué)通過拋光方法用單晶金剛石制造出了直徑為Φ0.2_的微銑刀；又如德國卡爾斯魯厄大學(xué)通過離子束濺射和激光束成形的方法，采用硬質(zhì)合金工具鋼制造出直徑為ΦΙΟΟμπι的微銑刀；再如美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和美國路易斯安娜理工大學(xué)采用Μ42高速鋼和C2硬質(zhì)合金材料，通過離子束濺射的方法加工得到的微銑刀直徑可以達(dá)到Φ25μπι。盡管如 此，微銑刀仍存在著加工工藝復(fù)雜、制造成本高、產(chǎn)品數(shù)量少、使用條件要求苛刻、使用壽命受限等問題，尚不能從根本上滿足微切削對于刀具的需求。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種可用于微切削加工的結(jié)構(gòu)簡單且加工方便的微粒刀。
[0006]本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種微粒刀，其特征在于:所述的微粒刀包括有刀本體和刀頭，所述刀頭外凸地設(shè)置于所述刀本體的外表面上，所述刀頭的幾何尺寸為IOnm~1mm。
[0007]作為優(yōu)選，所述的刀頭呈凸尖形狀，刀本體的外表面上可以只設(shè)置有一個(gè)所述刀頭。所述刀本體可以呈規(guī)則的立體幾何形狀，如球形或橢圓形，也可以為不規(guī)則的任意形狀。
[0008]為了提高切削效率，作為另一優(yōu)選，所述的刀頭呈凸尖形狀，所述刀本體的外表面上可以設(shè)置有多個(gè)間隔分布的所述刀頭。
[0009]為了保持刀頭朝下的狀態(tài)，使得刀頭能夠始終與切削加工面接觸，作為優(yōu)選，所述刀本體內(nèi)設(shè)置有能使所述刀本體上的刀頭始終朝下偏轉(zhuǎn)的配重塊。[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:微粒刀本體的外表面設(shè)置有刀頭，刀頭尺寸范圍在IOnm?Imm (微米級或納米級)，刀頭上的切削刃極細(xì)，可以實(shí)現(xiàn)納米級的切削加工；微粒刀整體結(jié)構(gòu)簡單、方便加工制造；微粒刀不需要像傳統(tǒng)刀具一樣安裝在機(jī)床主軸上靠主軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，因此，利用微粒刀的切削裝置不需要主軸，結(jié)構(gòu)簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的微粒刀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為圖1所示微粒刀的立體剖視圖。
[0013]圖3為采用如圖1所示微粒刀的切削裝置。
[0014]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的微粒刀受力分析圖。
[0015]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的微粒刀在射流作用下的有效作用面積計(jì)算圖。
[0016]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的切削裝置的噴頭剖視圖。
[0017]圖7為圖6所示噴頭的仰視圖。
[0018]圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例采用另一種微粒刀結(jié)構(gòu)的切削裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0020]本實(shí)施例涉及一種微切削刀具和微切削技術(shù)，與普通切削不同，在微切削時(shí)，吃刀深度通常為微米級到納米級，而一般材料的晶粒大小為數(shù)微米，這就意味著微切削是在晶粒內(nèi)部進(jìn)行的，切削過程是在切削一個(gè)一個(gè)的晶粒，這勢必導(dǎo)致單位面積上的切削應(yīng)力急劇增大，從而在切削刃的單位面積上產(chǎn)生極大的熱量，使刀尖處的溫度升高，處于高溫、高應(yīng)力的工作狀態(tài)。
[0021]為了解決上述微切削過程中的問題，如圖1?圖8所示，本實(shí)施例提出了一種新型的切削裝置，該切削裝置包括有微粒刀、切削工作臺3、位于該工作臺3上方的微射流噴頭4和為微射流噴頭4提供噴射液體的液壓裝置，微射流噴頭4開設(shè)有噴射腔，噴射腔的頂部設(shè)置有入液口，入液口連接液壓裝置的出液管路，噴射腔的底部設(shè)置有噴射口，該噴射口形成環(huán)形流，微粒刀I的外徑與該環(huán)形流的內(nèi)徑相適配；微射流噴頭4包括有噴座41和噴嘴42，噴座41開設(shè)有沿軸向貫穿的通孔411，噴嘴42連接于噴座41的底部，噴嘴42在對應(yīng)通孔的位置開設(shè)有多個(gè)沿周向呈環(huán)形分布的噴射小孔421。
[0022]本實(shí)施例的切削裝置是采用微粒刀為刀具進(jìn)行切削加工，如圖1、圖2所示，該微粒刀I包括有刀本體11和刀頭12，刀頭12呈凸尖形狀，刀本體11的外表面上可以設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)間隔分布的刀頭12 ;刀本體11的幾何尺寸一般設(shè)置為毫米級或微米級，作為優(yōu)選，可以選擇尺寸范圍在20μπι?IOmm之間，刀頭12外凸地設(shè)置于刀本體11的外表面上，刀頭12的幾何尺寸要小于刀本體11的幾何尺寸，刀頭12的幾何尺寸范圍優(yōu)選地在IOnm?Imm的微米級或納米級。本實(shí)施例微粒刀的刀本體可以為規(guī)則立體幾何形狀結(jié)構(gòu)，如球形或橢圓形等；本實(shí)施例微粒刀的刀本體也可以為不規(guī)則的其他立體幾何形狀，如圖8所示刀本體I’即呈非規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。
[0023]其中，微粒刀1、微射流噴頭4和切削工作臺3之間可以有以下幾種運(yùn)動(dòng)方式:第一種，微射流噴頭4為固定設(shè)置，微粒刀I固定容置于微射流噴頭4內(nèi)，切削工作臺3可相對于微射流噴頭4做直線移動(dòng)；第二種，切削工作臺3為固定設(shè)置，微粒刀I固定容置于微射流噴頭4內(nèi)，微射流碰頭4可相對于切削工作臺3做直線移動(dòng)；第三種，微粒刀I固定容置于微射流噴頭4內(nèi)，微射流噴頭4和切削工作臺3同時(shí)沿相反方向做直線移動(dòng)；第四種，切削工作臺3為固定設(shè)置，微粒刀I做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，微射流噴頭4做直線移動(dòng)；第五種，微粒刀I做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，微射流噴頭4固定設(shè)置，切削工作臺3可相對于微射流噴頭4做直線移動(dòng)；第六種，微粒刀I做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，微射流噴頭4和切削工作臺3同時(shí)沿相反方向做直線移動(dòng)。
[0024]當(dāng)采用上述第一種、第二種和第三種運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，微粒刀的刀本體11內(nèi)設(shè)置有配重塊2，該配重塊2能使刀本體11上的刀頭12始終朝下偏轉(zhuǎn)并與切削加工面相接觸，工作時(shí)，以液體為介質(zhì)，微射流噴頭的噴嘴形成環(huán)形流，該環(huán)形流作用于微粒刀的表面，在微粒刀表面產(chǎn)生了向內(nèi)的水平分力和向下的垂直分力，向內(nèi)的水平分力對微粒刀具有“鉗制”作用，會像鑷子一樣牢牢地“鉗”住位于微射流噴頭下方的微粒刀；向下的垂直分力和配重塊共同作用于微粒刀，使刀頭12始終朝下，當(dāng)切削工作臺與微射流噴頭發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對工件的切削。 [0025]當(dāng)采用上述第四種、第五種和第六種運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，要實(shí)現(xiàn)微粒刀在水勢阱中的旋轉(zhuǎn)，微粒刀必須受到一個(gè)轉(zhuǎn)矩的作用，為此，可以將微粒刀置于待加工材料表面，水射流的對稱中心線偏離微粒刀的回轉(zhuǎn)中心，始終保持微粒刀的一部分與射流水束接觸、另一部分不接觸，我們將接觸部分稱為作用區(qū)，作用區(qū)受到水束的壓力作用，未接觸的區(qū)域不受壓力作用，壓力為零，由于壓差的存在，便產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)力矩，使微粒刀具有了旋轉(zhuǎn)的可能性；當(dāng)微粒刀的重心線與射流中心線重疊，并且射流與微粒刀重心線兩側(cè)的接觸面積相等時(shí)，由于壓力對稱分布，不會對微粒刀產(chǎn)生凈力矩，微粒刀不會在水勢阱中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；當(dāng)微粒刀重心線與射流中心線不重疊時(shí)，即微粒刀的重心線偏離微射流噴頭的中心線設(shè)置，水勢阱中的微粒刀兩側(cè)存在壓力差，壓力差在微粒刀上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，微粒刀便可以繞其軸線旋轉(zhuǎn)。于是，微粒刀受轉(zhuǎn)矩作用旋轉(zhuǎn)，當(dāng)微射流噴頭同時(shí)做水平移動(dòng)時(shí)，微粒刀微粒刀便可以一邊移動(dòng)一邊旋轉(zhuǎn)，通過工作臺和微射流噴頭二者之間的相對運(yùn)動(dòng)完成對工件的切削。
[0026]具體地，當(dāng)微粒刀I和切削工作臺3采用第四種、第五種和第六種工作方式時(shí)，要
實(shí)現(xiàn)微粒刀的旋轉(zhuǎn)，微粒刀和微射流噴頭之間還需要滿足如下初始條件:
[0027]

Ε + Λ]>_^

[i2g J sm0-f


< f < sin θ


0<θ< 90;


O < k < 0.5
[0028]其中，上式中k為作用系數(shù)；r為所述微粒刀的重心到微射流在該微粒刀作用點(diǎn)之間的距離；P為微射流液體的密度；Vo為微射流在微射流噴頭的噴射口處的速度；g為重力加速度；h為微射流噴頭的底部到微射流與微粒刀接觸點(diǎn)的高度；f為靜摩擦系數(shù);m為微粒刀的質(zhì)量；Θ為微射流對微粒刀垂直分力的作用點(diǎn)到圓心的連線與微粒刀的垂直方向外徑之間的夾角。
[0029]上述初始條件通過以下力學(xué)分析推導(dǎo)獲得:設(shè)定微粒刀形狀為類球體，取微粒刀為研究對象，受力分析如圖4所示；
[0030]靜止時(shí)，微粒刀處于平衡狀態(tài)，由:
[0032]得:
【權(quán)利要求】
1.一種微粒刀，其特征在于:所述的微粒刀包括有刀本體和刀頭，所述刀頭外凸地設(shè)置于所述刀本體的外表面上，所述刀頭的幾何尺寸為IOnm?1mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微粒刀，其特征在于:所述的刀頭呈凸尖形狀，所述刀本體的外表面上設(shè)置有一個(gè)所述刀頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微粒刀，其特征在于:所述的刀頭呈凸尖形狀，所述刀本體的外表面上設(shè)置有多個(gè)間隔分布的所述刀頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微粒刀，其特征在于:所述刀本體內(nèi)設(shè)置有能使所述刀本體上的刀頭始終朝下偏轉(zhuǎn)的配重塊。
【文檔編號】B23D79/00GK203437759SQ201320466124
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月31日
【發(fā)明者】程曉民, 程鴻, 杜晶晶, 王明軍 申請人:寧波工程學(xué)院