基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具及其制备方法

1.本发明涉及机械金属切削刀具和工程仿生学技术领域，具体涉及基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具及其制备方法。


背景技术：

2.切削加工是机械加工领域应用最广泛的加工技术，而刀具作为切削加工的基础工具，在工作时，受到工件、切屑的摩擦作用，使得刀具材料逐渐被磨损或出现破损，同时刀具在切削时，也会承受较大的冲击力作用，在这种条件下，刀具也很容易发生断裂。因此，提高刀具的耐磨性和断裂韧性是刀具设计的关键性问题之一。
3.竹子拥有优异的力学性能，被称作“植物钢铁”，它的强度是优质钢的2-3倍，并且还对横纹破坏具有极为优良的抵抗能力，同时还具有优良的弯曲延展性。竹子在生长期间即使受到风吹雪压而发生大幅度弯曲，也不会产生断裂。由上可见，竹子集高韧性、高强度、高延展性、适当的刚性为一身，从力学的角度分析堪称完美。通过大量研究发现，细胞壁是竹纤维细胞的基本承载单元，具有竹类植物特有的多壁层结构——初生壁和薄厚交替的多层次生壁复合而成的微纳米结构(与木材纤维次生壁典型的三层结构不同)，如图1，2所示(陈红.竹纤维细胞壁结构特征研究[d].中国林业科学研究院,2014)，这种结构赋予了纤维细胞刚性强、高韧性、性能稳定的特性，也是竹子优良宏观力学性质的基础。
[0004]
在切削加工中，常规类硬质合金(wc-co)刀具的内部组织结构均匀，机械性能一致，而这种均匀结构的硬质合金刀具存在着耐磨性与韧性之间难以调和的矛盾，即当减少硬质合金中wc的含量并提高co的含量以增强其韧性时，硬质合金刀具的耐磨性却随之下降；反之提高硬质合金中wc的含量并减少co的含量以提高其耐磨性时，硬质合金的韧性却随之下降。此外，硬质合金刀具在使用时要求表面具有很高的耐磨性，但为了使其能承受较大的冲击力并阻止表面产生的裂纹向内扩散，又要求硬质合金内部应具备一定的韧性。为了克服这一弊病，若能制备表面高耐磨中间高韧的硬质合金刀具，将能大大改善刀具的使用寿命，因此，通过模拟竹纤维细胞壁多壁层结构，把其合理的应用在硬质合金刀具结构设计中，从而为解决硬质合金刀具耐磨性与韧性不能兼顾的问题提供了一种新方法。


技术实现要素：

[0005]
本发明为了解决现有硬质合金刀具耐磨性与韧性不能兼顾的问题，进而提出基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具及其制备方法。
[0006]
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0007]
基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具包括刀具本体，刀具本体的形状为圆环状，刀具本体包括由内至外依次固接的内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层；
[0008]
所述内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层的材质均为wc-co硬质合金，内层中wc的质量百分含量高于第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层中wc的质量
百分含量且低于外耐磨层中wc的质量百分含量，内层中co的质量百分含量低于第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层中co的质量百分含量且高于外耐磨层中co的质量百分含量。
[0009]
进一步地，所述内层中co的质量百分含量为10％，第一过渡层中co的质量百分含量为16％，第二过渡层中co的质量百分含量为14％，第三过渡层中co的质量百分含量为12％，外耐磨层中co的质量百分含量为5％。
[0010]
进一步地，所述内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层的表面均包覆有粘结剂。
[0011]
进一步地，所述粘结剂的材质为金属co。
[0012]
基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具的制备方法包括如下步骤：
[0013]
步骤一：以wc粉和co粉为原料，分别配制内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层混合粉体；
[0014]
步骤二：按照内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层由内至外的顺序依次设置，并在每层表面包覆金属co粘结剂，然后依次装入石墨模具，且每添加一层都采用压力机进行预压，嵌套在一起后再次使用压力机将其压制成形，最后放入烧结炉中烧结，烧结之后取出模具进行热处理；
[0015]
步骤三：仿生刀具热处理完成后，通过磨床对刀具进行刃磨，达到图纸要求的精确尺寸、形状和公差；
[0016]
步骤四：采用脉冲磁控溅射镀法技术仿生刀具进行涂层。
[0017]
进一步地，所述步骤一中，配制内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层混合粉体包括如下操作：
[0018]
操作一：内层混合粉体的配制：
[0019]
以wc粉和co粉为原料，按照内层中wc粉的质量百分含量为90％、co粉的质量百分含量为10％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到内层混合粉体；
[0020]
操作二：第一过渡层混合粉体的配制：
[0021]
按照第一过渡层中wc粉的质量百分含量为84％、co粉的质量百分含量为16％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到第一过渡层混合粉体；
[0022]
操作三：第二过渡层混合粉体的配制：
[0023]
按照第二过渡层中wc粉的质量百分含量为86％、co粉的质量百分含量为14％的配比配置成混合料将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送
至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到第二过渡层混合粉体；
[0024]
操作四：第三过渡层混合粉体的配制：
[0025]
按照第三过渡层中wc粉的质量百分含量为88％、co粉的质量百分含量为12％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到第三过渡层混合粉体；
[0026]
操作五：外耐磨层混合粉体配制：
[0027]
按照外耐磨层中wc粉的质量百分含量为95％、co粉的质量百分含量为5％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到外耐磨层混合粉体。
[0028]
进一步地，所述步骤二中，烧结炉中烧结过程包括预烧结阶段、烧结阶段、冷却阶段。
[0029]
进一步地，所述步骤二中，预烧结阶段包括如下步骤：将压制成形的刀具在烧结炉和氢气中预烧，预烧温度为800℃，预烧时间100min；烧结阶段包括如下步骤：将预烧结阶段得到的预烧坯体继续升温烧结，通入保护气体ar，在1450℃下于氢气下烧结70min，保温70min；冷却阶段包括如下步骤：待烧结阶段结束之后，在氢气气氛下随炉冷却至室温，最终得到仿生刀具的组织结构。
[0030]
进一步地，所述步骤四中，脉冲磁控溅射镀技术包括如下步骤：溅射靶材选用ti，涂层制备之前，需要对刀具基体进行预处理，再经恒温炉烘干后放入磁控溅射设备真空室内装夹固定，将真空室抽至真空，通入恒定压强的ar气和恒定靶材功率的条件下，对靶材进行预溅射清洗，然后通入n2在恒定的靶材功率条件下沉积。
[0031]
进一步地，所述步骤四中，涂层制备之前，对刀具基体进行预处理的具体步骤包括：首先使用不同粒度号的砂纸逐级打磨，并在抛光机上进行抛光；然后由先至后依次使用丙酮、酒精和蒸馏水作为清洗液，在超声波清洗机中分别进行清洗。
[0032]
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
[0033]
本发明从仿生学的角度出发，发现竹纤维细胞壁的多壁层结构使竹子具有良好的物理和力学性能，通过模拟竹纤维细胞壁的多壁层结构，把其合理的应用在硬质合金(wc-co)刀具结构设计中，进而设计出了一种表面高耐磨中间高韧的仿生刀具。仿生刀具为五层嵌套结构，通过改变刀具中wc与co的含量，使刀具满足了耐磨性与韧性的兼顾，提高了刀具的综合性能。
附图说明
[0034]
图1是竹纤维细胞壁层图，其中a是竹纤维细胞壁横截面，b是竹纤维细胞壁横截面
放大图；
[0035]
图2是竹纤维细胞壁结构模型图；
[0036]
图3是仿生刀具结构示意图；
[0037]
图4是仿生刀具结构截面示意图；
[0038]
图中标记：1-内层，2-第一过渡层，3-第二过渡层；4-第三过渡层，5-外耐磨层，6-粘结剂co，p-初生壁，s0，s1-l，s2-t，s3-l，s4-t，s5-l，s6-t，s7-l，s8-t-次生壁过渡层，l，t表示微纤丝纵向与横向。
具体实施方式
[0039]
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具包括刀具本体，刀具本体的形状为圆环状，刀具本体包括由内至外依次固接的内层1、第一过渡层2、第二过渡层3、第三过渡层4和外耐磨层5；
[0040]
所述内层1、第一过渡层2、第二过渡层3、第三过渡层4和外耐磨层5的材质均为wc-co硬质合金，内层1中wc的质量百分含量高于第一过渡层2、第二过渡层3和第三过渡层4中wc的质量百分含量且低于外耐磨层5中wc的质量百分含量，内层1中co的质量百分含量低于第一过渡层2、第二过渡层3和第三过渡层4中co的质量百分含量且高于外耐磨层5中co的质量百分含量。
[0041]
一种基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构的抗磨损、冲击仿生刀具，如图1所示，竹纤维细胞壁具有竹类植物特有的多壁层结构与木材纤维次生壁典型的三层结构不同，这种结构赋予了竹子刚性强、形态平直、性能稳定的特性，是竹材优良宏观力学性质的基础。参考竹纤维细胞壁的多壁层结构，将其合理运用到刀具设计中，以提高刀具性能为目的，设计出具有高耐磨高韧性的仿生刀具。
[0042]
通过模拟竹纤维细胞壁多壁层结构，仿生刀具为5层嵌套结构，依次为内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层。所述仿生刀具材料为wc-co，该结构的材料从外耐磨层到内层，每一层wc和co含量依次发生改变。
[0043]
一种基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构的抗磨损、冲击仿生刀具，根据竹纤维细胞壁多壁层结构，如图1，2所示，确定刀具本体结构，刀具本体层数为5层，分别为外耐磨层，第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和内层。刀具材料为wc-co，内层、第一过渡层，第二过渡层，第三过渡层和外耐磨层中wc与co的含量依次发生改变，从而使得各部分性能不同，刀具外耐磨层wc含量较高而co含量低，刀具具有很好的耐磨损性能。在第一过渡层，第二过渡层，第三过渡层中每一层都是wc含量低而co含量高，这就满足了刀具所需要的韧性，提高了刀具耐冲击性。内层wc含量要高于第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层而又低于外耐磨层中wc所占的比例，co含量则低于第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层而又高于外耐磨层co所占的比例，提高了刀具的综合性能。
[0044]
其中内层的内圆周侧壁制作成便于安装刀柄的曲面，并设有定位圆环槽。
[0045]
具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述内层1中co的质量百分含量为10％，第一过渡层2中co的质量百分含量为16％，第二过渡层3中co的质量百分含量为14％，第三过渡层4中co的质量百分含量为12％，外耐磨层5中co的质量百分含量为5％。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
[0046]
刀具本体采用wc-co硬质合金，其中各部分wc与co含量不同。因为外耐磨层要具有很好的耐磨性，则wc含量在该层中高而co的含量低一些，co含量为5％，以提高仿生刀具的耐磨性；第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层应使刀具具有一定韧性，进而提高刀具的耐冲击性，因此在第一过渡层co含量在该层中相对较高而wc含量低，第二过渡层、第三过渡层中同样也是co含量相对较高而wc含量低，co含量依次为16％，14％，12％，这三层提高了刀具的韧性，延缓了裂纹向内部扩展；内层wc含量所占比例要高于第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层而又低于外耐磨层中wc所占的比例，co含量则低于第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层而又高于外耐磨层中co所占的比例，提高了刀具的综合性能，co含量为10％，使刀具满足了韧性与耐磨性的兼顾。
[0047]
具体实施方式三：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述内层1、第一过渡层2、第二过渡层3、第三过渡层4和外耐磨层5的表面均包覆有粘结剂。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
[0048]
具体实施方式四：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述粘结剂6的材质为金属co。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。此处的金属co是在烧结过程中充当每层之间的粘结剂。
[0049]
具体实施方式五：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具的制备方法包括如下步骤：
[0050]
步骤一：以wc粉和co粉为原料，分别配制内层1、第一过渡层2、第二过渡层3、第三过渡层4和外耐磨层5混合粉体；
[0051]
步骤二：按照内层1、第一过渡层2、第二过渡层3、第三过渡层4和外耐磨层5由内至外的顺序依次设置，并在每层表面包覆金属co粘结剂6，然后依次装入石墨模具，且每添加一层都采用压力机进行预压，嵌套在一起后再次使用压力机将其压制成形，最后放入烧结炉中烧结，烧结之后取出模具进行热处理；
[0052]
步骤三：仿生刀具热处理完成后，通过磨床对刀具进行刃磨，达到图纸要求的精确尺寸、形状和公差；
[0053]
步骤四：采用脉冲磁控溅射镀法技术仿生刀具进行涂层。
[0054]
所述石墨模具的容腔与刀具本体的形状相同。内层1、第一过渡层2、第二过渡层3、第三过渡层4和外耐磨层5的厚度尺寸根据刀具本体的具体尺寸进行设定。
[0055]
所述热处理使硬质合金刀具的各项性能均有提高。
[0056]
采用磁控溅射镀法对仿生刀具进行涂层，提高了涂层薄膜与刀具基体相结合，保持了基体韧性，提高了刀具耐磨性，进一步改善了仿生刀具的使用性能，提高了仿生刀具使用寿命。
[0057]
本实施方式所述步骤二中，热处理是将烧结的刀具加热到一定温度进行淬火或在烧结完成后直接急冷，然后回火的过程。
[0058]
具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中，配制内层1、第一过渡层2、第二过渡层3、第三过渡层4和外耐磨层5混合粉体包括如下操作：
[0059]
操作一：内层1混合粉体的配制：
[0060]
以wc粉和co粉为原料，按照内层1中wc粉的质量百分含量为90％、co粉的质量百分含量为10％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，
转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到内层1混合粉体；
[0061]
操作二：第一过渡层2混合粉体的配制：
[0062]
按照第一过渡层2中wc粉的质量百分含量为84％、co粉的质量百分含量为16％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到第一过渡层2混合粉体；
[0063]
操作三：第二过渡层3混合粉体的配制：
[0064]
按照第二过渡层3中wc粉的质量百分含量为86％、co粉的质量百分含量为14％的配比配置成混合料将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到第二过渡层3混合粉体；
[0065]
操作四：第三过渡层4混合粉体的配制：
[0066]
按照第三过渡层4中wc粉的质量百分含量为88％、co粉的质量百分含量为12％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到第三过渡层4混合粉体；
[0067]
操作五：外耐磨层5混合粉体配制：
[0068]
按照外耐磨层5中wc粉的质量百分含量为95％、co粉的质量百分含量为5％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到外耐磨层5混合粉体。
[0069]
本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。
[0070]
具体实施方式七：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，烧结炉中烧结过程包括预烧结阶段、烧结阶段、冷却阶段。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。
[0071]
具体实施方式八：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，预烧结阶段包括如下步骤：将压制成形的刀具在烧结炉和氢气中预烧，预烧温度为800℃，预烧时间100min；烧结阶段包括如下步骤：将预烧结阶段得到的预烧坯体继续升温烧结，通入保
护气体ar，在1450℃下于氢气下烧结70min，保温70min；冷却阶段包括如下步骤：待烧结阶段结束之后，在氢气气氛下随炉冷却至室温，最终得到仿生刀具的组织结构。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式七相同。
[0072]
预烧结阶段的目的是脱出有机物，充分消除了烧结障碍，确保了所得的刀具有足够的强度。
[0073]
具体实施方式九：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述述步骤四中，脉冲磁控溅射镀技术包括如下步骤：溅射靶材选用ti，涂层制备之前，需要对刀具基体进行预处理，再经恒温炉烘干后放入磁控溅射设备真空室内装夹固定，将真空室抽至真空，通入恒定压强的ar气和恒定靶材功率的条件下，对靶材进行预溅射清洗，然后通入n2在恒定的靶材功率条件下沉积。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。
[0074]
溅射靶材选用ti，纯度为99.999％，也可选用其它靶材，靶材可根据实际需求进行选择。
[0075]
对靶材进行预溅射清洗目的是防止靶材表面的油污、杂质等引入涂层，提高涂层与基体的结合为涂层性能等。
[0076]
具体实施方式十：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述步骤四中，涂层制备之前，对刀具基体进行预处理的具体步骤包括：首先使用不同粒度号的砂纸逐级打磨，并在抛光机上进行抛光；然后由先至后依次使用丙酮、酒精和蒸馏水作为清洗液，在超声波清洗机中分别进行清洗。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。
[0077]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

技术特征：
1.基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具，其特征在于：它包括刀具本体，刀具本体的形状为圆环状，刀具本体包括由内至外依次固接的内层(1)、第一过渡层(2)、第二过渡层(3)、第三过渡层(4)和外耐磨层(5)；所述内层(1)、第一过渡层(2)、第二过渡层(3)、第三过渡层(4)和外耐磨层(5)的材质均为wc-co硬质合金，内层(1)中wc的质量百分含量高于第一过渡层(2)、第二过渡层(3)和第三过渡层(4)中wc的质量百分含量且低于外耐磨层(5)中wc的质量百分含量，内层(1)中co的质量百分含量低于第一过渡层(2)、第二过渡层(3)和第三过渡层(4)中co的质量百分含量且高于外耐磨层(5)中co的质量百分含量。2.根据权利要求1所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具，其特征在于：所述内层(1)中co的质量百分含量为10％，第一过渡层(2)中co的质量百分含量为16％，第二过渡层(3)中co的质量百分含量为14％，第三过渡层(4)中co的质量百分含量为12％，外耐磨层(5)中co的质量百分含量为5％。3.根据权利要求1所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具，其特征在于：所述内层(1)、第一过渡层(2)、第二过渡层(3)、第三过渡层(4)和外耐磨层(5)的表面均包覆有粘结剂。4.根据权利要求3所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具，其特征在于：所述粘结剂(6)的材质为金属co。5.如权利要求1至4中任意一项权利要求所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：步骤一：以wc粉和co粉为原料，分别配制内层(1)、第一过渡层(2)、第二过渡层(3)、第三过渡层(4)和外耐磨层(5)混合粉体；步骤二：按照内层(1)、第一过渡层(2)、第二过渡层(3)、第三过渡层(4)和外耐磨层(5)由内至外的顺序依次设置，并在每层表面包覆金属co粘结剂(6)，然后依次装入石墨模具，且每添加一层都采用压力机进行预压，嵌套在一起后再次使用压力机将其压制成形，最后放入烧结炉中烧结，烧结之后取出模具进行热处理；步骤三：仿生刀具热处理完成后，通过磨床对刀具进行刃磨，达到图纸要求的精确尺寸、形状和公差；步骤四：采用脉冲磁控溅射镀法技术仿生刀具进行涂层。6.根据权利要求5所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，配制内层(1)、第一过渡层(2)、第二过渡层(3)、第三过渡层(4)和外耐磨层(5)混合粉体包括如下操作：操作一：内层(1)混合粉体的配制：以wc粉和co粉为原料，按照内层(1)中wc粉的质量百分含量为90％、co粉的质量百分含量为10％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到内层(1)混合粉体；操作二：第一过渡层(2)混合粉体的配制：
按照第一过渡层(2)中wc粉的质量百分含量为84％、co粉的质量百分含量为16％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到第一过渡层(2)混合粉体；操作三：第二过渡层(3)混合粉体的配制：按照第二过渡层(3)中wc粉的质量百分含量为86％、co粉的质量百分含量为14％的配比配置成混合料将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到第二过渡层(3)混合粉体；操作四：第三过渡层(4)混合粉体的配制：按照第三过渡层(4)中wc粉的质量百分含量为88％、co粉的质量百分含量为12％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到第三过渡层(4)混合粉体；操作五：外耐磨层(5)混合粉体配制：按照外耐磨层(5)中wc粉的质量百分含量为95％、co粉的质量百分含量为5％的配比配置成混合料，将石蜡在热水中溶解成液体倒入球磨机中的研磨体上，转动球磨机使石蜡在研磨体上充分分布，然后加入wc-co混合粉末，加入研磨液体介质酒精和活性剂油酸，最后开始研磨，直至原料被研磨成大小均匀的颗粒状，经研磨后得到的混合料浆被供料泵送至喷雾干燥器进行干燥、制粒，干燥后的粉末呈大小均匀的球形颗粒状，之后进行过筛，检查样品质量合格后得到外耐磨层(5)混合粉体。7.根据权利要求5所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，烧结炉中烧结过程包括预烧结阶段、烧结阶段、冷却阶段。8.根据权利要求7所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，预烧结阶段包括如下步骤：将压制成形的刀具在烧结炉和氢气中预烧，预烧温度为800℃，预烧时间100min；烧结阶段包括如下步骤：将预烧结阶段得到的预烧坯体继续升温烧结，通入保护气体ar，在1450℃下于氢气下烧结70min，保温70min；冷却阶段包括如下步骤：待烧结阶段结束之后，在氢气气氛下随炉冷却至室温，最终得到仿生刀具的组织结构。9.根据权利要求5所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，脉冲磁控溅射镀技术包括如下步骤：溅射靶材选用ti，涂层制备之前，需要对刀具基体进行预处理，再经恒温炉烘干后放入磁控溅射设备真空室内装夹固定，将真空室抽至真空，通入恒定压强的ar气和恒定靶材功率的条件下，对靶材进行预溅射清
洗，然后通入n2在恒定的靶材功率条件下沉积。10.根据权利要求9所述基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，涂层制备之前，对刀具基体进行预处理的具体步骤包括：首先使用不同粒度号的砂纸逐级打磨，并在抛光机上进行抛光；然后由先至后依次使用丙酮、酒精和蒸馏水作为清洗液，在超声波清洗机中分别进行清洗。

技术总结
基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具及其制备方法，它涉及机械金属切削刀具和工程仿生学技术领域。本发明为解决现有硬质合金刀具耐磨性与韧性不能兼顾的问题。刀具包括刀具本体，刀具本体的形状为圆环状，刀具本体包括由内至外依次固接的内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层。本发明用于切削加工。削加工。削加工。


技术研发人员：马晶 杨绍成 刘强 李胜杰 张明鉴
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2021.12.10
技术公布日：2022/3/8