基于仿生学的切削工具研究.pdf

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1、专题论述·机械研究与应用·基于仿生学的切削工具研究刘国林，谢峰(舍肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥23ooo9)摘要：现代仿生学研究表明，许多动物经过长期的进化，其牙齿、爪趾和体表等部位逐步形成了优化的几何形状和优良的生物力学功能，使其在切削过程中能够获得最低的切削阻力及较高的使用寿命，这为切削工具的几何参数及力学性能的优化提供了仿生研究的基础。笔者综合介绍了基于动物牙齿、爪趾和体表的切削工具仿生研究现状，并在此基础上对该领域研究的发展趋势进行了展望。关键词：仿生学；减粘；降阻；切削工具中图分

2、类号：TB17文献标识码：A文章编号：1006—4414(2010)01—0003—04Researchofbionicscuttingtools“UGuo—lin．XieFeng(Schoolofmechanicalandautomotiveengineering，Hefeiuniversityoftechnology，HefeiAnhui230009，China)Abstract：ModembionicresearchindicatesthatanimalSteeth，clawandsurfac

3、eetehasformedoptimalgeometryandgoodfunctionofbiomeehaniealgraduallyafteralongperiodofevolution，andthatmayobtainthelowestcuttingresistanceandhishcuttinglifeinthecuttingprocesswhichthebasisofbionicresearchisprovidedforcuttingtoolSgeometricparametersandop

4、ti—mizationofmechanicalproperties．Bionicresearchofcuttingtolsbasedonteeth，clawandanimalsurfacearereviewedandtheirrecentadvancesagiveninthispaper．Keywords：bionics；adhesion；resistancereduction；cuttingtools1前言2几何参数特征的仿生在对金属材料或非金属材料(土壤、木材等)实2．1动物牙齿几何形态的仿生施

5、切削、挖掘、钻凿、刨铲和推拥等形式的加工过程牙齿是动物身体上最坚硬的器官，有对猎物进行中，优化作业工具几何形状，减少被切削材料对工具捕杀、切割、刺穿、撕裂和研磨的作用，与动物生命息的粘附，降低工作阻力，提高工作效率，增加工具的使息相关。其中啮齿动物有一对终生生长的凿型门齿，用寿命，降低生产成本，是人们关注的问题】。现为保持啮咬生活，门齿前面有坚硬的釉质。河狸是啮代仿生学研究表明，许多生物经长期进化，亦即经长齿动物中的明星动物，一颗直径40cm的树木，河狸期与自然界进行物质、能量及信息交换，造就了适应

6、只需2h就能咬断，图1为河狸门齿，仔细观察会发生态环境的优良系统。其中某些动物在长期的自然现，齿冠最锋利部分相当于刀具切削部分，面向口腔环境生活过程中，其牙齿、爪趾和体表等部位经亿万内的表面为“前刀面”，面向外部环境的表面为“后刀年的进化，逐步形成了优化的几何形状和优良的生物面”，相交部分为切削刃(图2、图3为河狸牙齿齿冠力学功能，使其在切削过程中能获得最低的切削阻力部分电镜观察图)。显然，切削刃不是绝对锋利，这及较高的使用寿命，这为刀具的几何参数及力学性能与刀具采用刃口钝圆以提高切削刃强度的做法不

7、谋的优化提供了仿生研究的基础[4J。例如：对动物牙而合，但是与传统刀具后刀面是平面不同，河狸牙齿齿(牙齿几何形态、牙齿的物质构成)、动物体表(体“后刀面”为弧形面。合肥工业大学庆振华等人提出表几何形态、体表的物质构成、体表的电学性质、体表利用啮齿动物牙齿的刀面特点来优化刀具的几何形柔性和体表液)和动物爪趾等方面的仿生研究。目状J。南京林业大学根据河狸啃切木材的原理，设前，以动物牙齿几何形态、爪趾几何形态和体表几何计制造了一种仿生切削机，用于木材切削试验。形态为对象的几何参数特征仿生研究被广泛开展，并

8、2．2动物爪趾几何形态的仿生取得显著成果；以牙齿的物质构成和体表的物质构成动物爪趾不仅具有辅助行走的功能，对土壤洞穴为对象的材料特性仿生研究在涂层刀具学科方面取动物来说，由于常年生活在地下，其爪趾还有良好挖得一定成绩；以动物体表其它生物特性为对象的仿生掘的功能和极高的挖掘效率。很多土壤洞穴动物的爪研究成果虽然不如前者，但其研究前景仍十分广阔。趾具有优良的力学性能，不仅使其在挖掘过程中能够收稿日期t2009—12—28作者简介；刘国林(1984一)，男，重庆人，硕士，研