[0046] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0047] 如图1-1、1-2和1-3所示，本发明仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀，采用的材料为高速钢(W6Mo5Cr4V2)，拉刀具体尺寸为：总长度为600mm，齿宽b1为16mm，前刀面宽度b2为2mm，齿数为50。刀齿前角γ0为12°，后角α0为6°，齿距p为6mm。前40个刀齿为粗拉区L1，其齿升量δi为0.04mm，第41～45个刀齿为半精拉区L2，其齿升量δi为0.01mm，第46～50个刀齿为精拉区L3，其齿升量δi为0mm。刀齿包括前刀面A1、后刀面A3和刀刃A2，在粗拉区L1和半精拉区L2内的每一个刀齿前刀面A1分别开设2排×16列仿生微结构。
[0048] 如图3-1、3-2、3-3和3-4所示，仿生微结构由中心倒圆台凹坑和沿中心倒圆台凹坑周向均布的多个边界倒圆台凹坑组成，所有边界倒圆台凹坑的侧壁均与中心倒圆台凹坑的侧壁连通；所有边界倒圆台凹坑的顶面中心均位于中心倒圆台凹坑的顶面边沿所在圆周上；中心倒圆台凹坑的横截面两条斜边之间的夹角θmax和边界倒圆台凹坑的横截面两条斜边之间的夹角θmin均为90°，中心倒圆台凹坑的底面直径dmax和边界倒圆台凹坑的底面直径dmin均为0.05mm，中心倒圆台凹坑的高度hmax满足0.05mm≤hmax≤0.1mm，边界倒圆台凹坑的高度hmin满足0.01mm≤hmin≤0.05mm，中心倒圆台凹坑的顶面直径Dmax＝dmax+2hmax·tan(θmax/2)，边界倒圆台凹坑的顶面直径Dmin＝dmin+2hmin·tan(θmin/2)。本实施例中，同一排相邻中心倒圆台凹坑的中心距l1＝1mm，同一列相邻中心倒圆台凹坑的中心距l2＝0.5mm，中心倒圆台凹坑的高度hmax为0.1mm，边界倒圆台凹坑的高度hmin为0.01mm。最靠近刀刃的中心倒圆台凹坑的中心到刀刃的距离lmin2＝0.4mm，最靠近刀齿侧面的中心倒圆台凹坑的中心与刀齿侧面A4的距离lmin1＝0.5mm，中心倒圆台凹坑的顶面直径Dmax＝0.25mm。
[0049] 该仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀的制备方法，具体如下：
[0050] 步骤一、首先，通过ATOS Compact Scan 5M光学三维扫描系统对蜣螂鞘翅表面进行扫描，得到蜣螂鞘翅表面局部信息图像，如图2-1、2-2和2-3所示，图2-3中v1为蜣螂前进方向(也是图3-1中拉刀的切削力方向)，进而得到蜣螂鞘翅表面局部区域的三维坐标点集(点云)；使光学三维扫描系统的测量头与物体相对移动，拍摄多角度的蜣螂鞘翅表面局部信息图像，将多角度的蜣螂鞘翅表面局部区域的三维坐标点集输入同一坐标系中，形成完整的蜣螂鞘翅表面局部点云数据。然后，ATOS Compact Scan 5M光学三维扫描系统对蜣螂鞘翅表面局部点云数据进行网格计算，得到蜣螂鞘翅表面的局部网格曲面模型数据，并保存至“.STL”格式文件输出。
[0051] 步骤二、将“.STL”格式文件导入计算机中生成蜣螂鞘翅表面的局部网格曲面模型，并在蜣螂鞘翅表面的局部网格曲面模型中以面积为16mm×2mm的矩形框截取蜣螂鞘翅表面微结构分析模型，然后对蜣螂鞘翅表面微结构分析模型进行分析得到蜣螂鞘翅表面微结构排列规律呈较为规则的类似阵列排布，如图2-2和2-3所示，且每一个蜣螂鞘翅表面微结构为中心微结构周围围绕着若干边界微结构，因此，选取m排×n列蜣螂鞘翅表面微结构形成仿生微结构对照阵列，并测得仿生微结构对照阵列中各中心微结构和边界微结构的顶面直径，本实施例中m＝2，n＝16。
[0052] 步骤三、通过线锯切割加工拉刀外形，然后进行精磨，使刀齿各参数满足设计要求。
[0053] 步骤四、如图4所示，采用钨钢制作单点金刚石刀具的刀柄，采用天然金刚石制作单点金刚石刀具的刀尖，刀尖纵截面呈底面直径d2为0.05mm、高度为0.5mm的倒圆台形，刀尖纵截面的两斜边夹角θ2呈90°，将单点金刚石刀具的刀柄和单点金刚石刀具的刀尖进行焊接，制成单点金刚石刀具。
[0054] 步骤五、如图3-1、3-2、3-3和3-4所示，在拉刀粗拉区和半精拉区的每个刀齿前刀面开设m排×n列仿生微结构，仿生微结构由中心倒圆台凹坑和沿中心倒圆台凹坑周向均布的s个边界倒圆台凹坑组成，本实施例中s＝10；同个仿生微结构中，各边界倒圆台凹坑的侧壁均与中心倒圆台凹坑的侧壁连通，各边界倒圆台凹坑的顶面中心均位于中心倒圆台凹坑的顶面边沿所在圆周上。其中，各中心倒圆台凹坑的顶面直径分别取仿生微结构对照阵列中排号和列号相同的那个中心微结构的顶面直径，每个中心倒圆台凹坑外沿的各边界倒圆台凹坑顶面直径均取仿生微结构对照阵列中排号和列号相同的那个中心微结构外沿的各边界微结构顶面直径的平均值。如图4所示，各中心倒圆台凹坑的开设过程具体如下：
[0055] 首先，三轴运动滑台带动刀齿待加工位置与单点金刚石刀具的刀尖接触。
[0056] 然后，根据待加工位置的中心倒圆台凹坑顶面直径Dmax计算单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmax：
[0057]
[0058] 最后，计算机控制信号发生器输出电压低于5V的电平电信号，功率放大器对电平电信号进行功率放大并作用于激振器，激振器进行往复振动。激振器的振动力通过单点金刚石刀具的刀柄传送至单点金刚石刀具的刀尖，对拉刀前刀面进行往复的振动压印；同时，单点金刚石刀具刀尖上的位移传感器反馈单点金刚石刀具刀尖的振幅；通过动态信号采集器将采集到的振幅信号传输至计算机，计算机将振幅信号转换为具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmax比较，并以0.1V为步长逐渐提高信号发生器输出的电平电信号，直到振幅信号转换成的具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmax差值小于0.001mm时，中心倒圆台凹坑加工完成。
[0059] 各边界倒圆台凹坑的开设过程具体如下：
[0060] 首先，三轴运动滑台带动刀齿待加工位置与单点金刚石刀具的刀尖接触。
[0061] 然后，根据待加工位置的边界倒圆台凹坑顶面直径Dmin计算单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmin：
[0062]
[0063] 最后，计算机控制信号发生器输出电压低于5V的电平电信号，功率放大器对电平电信号进行功率放大并作用于激振器，激振器进行往复振动。激振器的振动力通过单点金刚石刀具的刀柄传送至单点金刚石刀具的刀尖，对拉刀前刀面进行往复的振动压印；同时，单点金刚石刀具刀尖上的位移传感器反馈单点金刚石刀具刀尖的振幅；通过动态信号采集器将采集到的振幅信号传输至计算机，计算机将振幅信号转换为具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmin比较，并以0.1V为步长逐渐提高信号发生器输出的电平电信号，直到振幅信号转换成的具体数值与单点金刚石刀具刀尖需要的振幅fmin差值小于0.001mm时，边界倒圆台凹坑加工完成。
[0064] 步骤六、对经过步骤五后的拉刀进行热处理，提高拉刀的硬度和耐磨性。
[0065] 如图5-1所示，为本发明拉刀前刀面开设的由中心倒圆台凹坑和边界倒圆台凹坑组成的仿生微结构减阻耐磨原理示意图。本发明在拉刀前刀面开设了仿生微结构后，在润滑切削时，仿生微结构可以存储碎屑，减少了碎屑与拉刀前刀面之间的刮擦，减少了拉刀的磨损，同时增加了润滑液与前刀面之间的接触角θ3，使润滑液更易包覆碎屑，从而减少了两者之间的接触摩擦。
[0066] 如图5-2所示，为本发明拉刀前刀面的仿生微结构切屑导向原理示意图。本发明在拉刀前刀面开设仿生微结构后，减少了切屑与拉刀前刀面之间的接触面积以及接触长度，使切屑更加容易产生卷曲，便于排屑。并且在更短的接触接触内产生的接触压力F’更小。
[0067] 如图5-3所示，为本发明拉刀前刀面的仿生微结构散热原理示意图。本发明在拉刀前刀面开设仿生微结构后，增加了拉刀前刀面的散热面积，并且空气在仿生微结构中容易形成气旋，加快热量的散发，使拉削过程中产生的切削热更加容易散出，改善了拉刀的散热情况。
[0068] 如图6-3、6-4和6-5所示，在相同工况下，本发明拉刀与普通拉刀、后刀面开设和本发明相同规格仿生微结构的拉刀、前刀面开设“沟槽状”微结构的拉刀的拉削负载F随时间变化的对比图。可以明显看出，本发明拉刀相较于普通拉刀具有明显的降载效果，并且降载效果优于在后刀面开设仿生微结构及在前刀面开设“沟槽状”微结构。图6-1和6-2所示为在拉刀前刀面上开设的“沟槽状”微结构示意图，共2排×16列“沟槽状”微结构，每排“沟槽状”微结构的中心距l’2＝1mm，每列“沟槽状”微结构的中心距l’1＝1mm，每个“沟槽状”微结构的宽度b’＝0.1mm，长度l’＝0.4mm，深度h’＝0.1mm。最靠近刀刃的“沟槽状”微结构中心与刀刃之间的距离l’min2＝0.4mm，最靠近刀齿侧面的“沟槽状”微结构中心与刀齿侧面A4之间的距离l’min1＝0.5mm。
