[发明专利]一种植入碳纤维的高硬度表面微结构及其制备方法与装置

说明书

本发明公开了一种植入碳纤维的高硬度表面微结构及其制备方法与装置。现有高硬度表面使用寿命有待提高。本发明植入碳纤维的高硬度表面微结构，在每个仿生微结构的中心倒圆台凹坑内都焊接有碳纤维倒圆锥。本发明微结构的制备方法：用单点金刚石压印刀压印仿生微结构组，然后在仿生微结构组的每个中心倒圆台凹坑内焊接碳纤维倒圆锥。本发明微结构制备装置，包括振动单点金刚石压印仪器、单点金刚石压印刀、振动单点金刚石焊接仪器和金刚石焊接刀具；振动单点金刚石压印仪器包括单点金刚石三维驱动机构和激振器一；振动单点金刚石焊接仪器包括单点金刚石三维驱动机构和激振器二。本发明能提高高硬度表面的硬度、强度、耐磨性和精度。

技术领域

本发明涉及高硬度表面复合微结构设计与制备领域，尤其涉及一种植入碳纤维的高硬度表面微结构及其制备方法与装置。

背景技术

高硬度表面微结构广泛用于加工钛合金，陶瓷以及高温合金等难加工材料，诸如车刀、铣刀等高硬度表面刀具，在航空航天、船舶汽车领域中加工难加工材料时存在切削力大、刀具磨损严重等问题，所以如何改善刀具切削性能，延长刀具寿命成为了技术研究的热点。

目前，碳纤维在高硬度表面的研究十分有限，如公开号为CN108325803 A 的专利公开了一种将碳纤维植入表面的方法，先合成制备聚丙烯腈基碳纤维合成溶液，再使用喷涂设备将聚丙烯腈基碳纤维合成溶液植入到物体表面，使物体表面具有碳纤维的优质特性，但这些碳纤维合成液只是被喷涂在表面，没有与微结构相结合，没有发挥碳纤维全部的优质特性。

发明内容

本发明的目的是针对现有刀具、齿轮副等高硬度表面磨损严重、使用寿命短的不足，提供一种植入碳纤维的高硬度表面微结构及其制备方法与装置。本发明受蚂蚁口器大颚表面复合微结构(高硬度大颚表面+刚毛)具有良好的减阻、润滑和防粘附特性的启发而提出；本发明是一种将碳纤维和仿生微结构同时配置在高硬度表面上形成复合表面微结构的方法；是一种在高硬度表面上，采用基于单点金刚石刀尖50～100Hz振动压印仿生微结构的方法；是一种在高硬度仿生表面微结构上，采用基于单点金刚石刀尖 20KHz～30KHz超声振动焊接碳纤维的表面植入方法；是一种高硬度表面精密定位、仿生微结构精密振动压印、碳纤维精密点焊植入的自动化装置。

本发明一种植入碳纤维的高硬度表面微结构，包括仿生微结构组和碳纤维倒圆锥；m个仿生微结构组在高硬度表面等距布置，m≥4；每个仿生微结构组由等距布置的n列仿生微结构组成，n≥10。所述的仿生微结构由中心倒圆台凹坑和位于中心倒圆台凹坑外沿的弧形面组成；中心倒圆台凹坑的母线与中心轴线的夹角θ满足42.5°≤θ≤47.5°，中心倒圆台凹坑的高度h满足0.05mm≤h≤0.1mm；中心倒圆台凹坑的最大直径D满足0.1mm ≤D≤0.3mm，最小直径d满足0.03mm≤d≤0.06mm；同个仿生微结构组的相邻中心倒圆台凹坑的中心距L₁均相等，且满足0.5mm≤L₁≤1.5mm；不同仿生微结构组中位于同一列的中心倒圆台凹坑的间距L₂均相等，且满足0.4mm≤L₂≤0.6mm。每一个中心倒圆台凹坑内都焊接有碳纤维倒圆锥；碳纤维倒圆锥的侧壁厚度S满足0.01mm≤S≤0.02mm，高度T＝h；碳纤维倒圆锥的顶面整个圆周上分布有一体成型的若干碳纤维丝，碳纤维丝的长度小于0.5h。

该植入碳纤维的高硬度表面微结构的制备方法，具体如下：

步骤一、采用天然金刚石制作用于压印中心倒圆台凹坑的单点金刚石压印刀，其中，单点金刚石压印刀呈倒圆台形，单点金刚石压印刀的母线与中心轴线的夹角θ₂＝θ，单点金刚石压印刀的最小直径d₂＝d；单点金刚石压印刀的总高度h₂＝1.5h。