論刀具仿生技術(shù)的研究進展

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形態(tài)仿生

形態(tài)仿生是通過模擬生物的表面形態(tài)以實現(xiàn)一定的功能，特別是非光滑形態(tài)仿生，已成為仿生學的研究熱點之一。在試件表面加工出的仿生非光滑表面，表現(xiàn)出良好的耐磨性能。

1.切刀刀片

沈明將蜣螂前胸背板的凹坑形態(tài)應(yīng)用在印刷造紙行業(yè)的切刀刀片上，如圖1所示。研究表明，凹坑形仿生單元體參數(shù)對切刀耐磨性的影響順序依次為凹坑行間距、凹坑列間距、排列方式和凹坑直徑，設(shè)計出合理的非光滑仿生單元體可以降低刀片的切削力，使仿生切刀的壽命比普通切刀提高20倍。仿生切刀能減少切花，提高切紙質(zhì)量，保證裁切品尺寸的精度和切削穩(wěn)定性。此技術(shù)還可以應(yīng)用于包裝、裝飾裝潢、皮革加工、塑料加工和布匹生產(chǎn)以及某些金屬加工行業(yè)等。

2.地質(zhì)鉆頭

高科與王傳留等根據(jù)蜣螂前胸背板的非光滑凹坑現(xiàn)象研制出了仿生孕鑲金剛石鉆頭，如圖2所示。選用石墨合成樹脂為造坑材料，鉆頭工作時，造坑材料的低硬度使其提前磨損和脫落，在鉆頭表面持續(xù)產(chǎn)生的宏觀凹坑起到輔助破巖和耐磨降阻的作用；而胎體表層的金剛石顆粒表現(xiàn)出微觀凸包，起到破碎巖石的作用，待金剛石顆粒脫落后會產(chǎn)生微凹坑，而胎體材料被磨掉后又會繼續(xù)露出凸形的金剛石顆粒。與普通孕鑲金剛石鉆頭相比，其鉆進效率提高42.7%，壽命提高73.8%。但鉆頭上的金剛石濃度和粒度的優(yōu)化設(shè)計還不夠完善，凸包單元體的尺寸和分布也有待優(yōu)化。此技術(shù)還為螺桿鉆的耐磨設(shè)計以及減小泥漿泵的葉片或活塞的磨損設(shè)計提供了借鑒

3.螺旋鉆頭

何龍飛等在螺旋鉆頭翼板上加工出凸包形非光滑單元體，解決了黏性土鉆進中螺旋鉆頭阻力大、黏附嚴重的難題。在土壤層樁基旋挖施工時，鉆頭凸包上產(chǎn)生的切向應(yīng)力使黏附在翼板上的土壤產(chǎn)生運動；另外，翼板凹凸不平的表面破壞了水膜的連續(xù)性，也減小了土壤的黏附力。與常規(guī)螺旋鉆頭相比，仿生螺旋鉆頭的脫土率提高70%，鉆機耗油量降低53.3%，鉆進效率提高70%。與地質(zhì)鉆頭類似，螺旋鉆頭翼板上的凸包單元體的尺寸和分布有待優(yōu)化。此類鉆頭適用于砂土、黏性土、粉質(zhì)土等土層施工。

4.高速鋼車刀

董亮參考蜣螂體表的凹坑形態(tài)，在高速鋼車刀的前刀面進行仿生設(shè)計，設(shè)定車刀前角為5°，后角為8°，仿生車刀的凹坑直徑為280μm，行間距為550μm，列間距為1000μm，運用DEFORM有限元軟件對45鋼工件進行切削仿真實驗，前刀面的磨損量對比，如圖3所示。高速鋼仿生車刀的磨損減少35.8%，切削力減小14.8%，切削溫度降低26.1%。但此研究未考慮單元體深度對耐磨性的影響。

5.微織構(gòu)刀具

與表面形態(tài)仿生類似，研究人員在切削刀具的表面加工出微織構(gòu)，也獲得了提高刀具耐磨性能的效果。NoritakaKawasegi在硬質(zhì)合金車刀前刀面加工出微米溝槽，并應(yīng)用微量潤滑技術(shù)對鋁合金進行車削加工。結(jié)果表明，表面織構(gòu)有效減小前刀面的摩擦，降低切削力，垂直于切屑流出方向的微織構(gòu)刀具減磨效果更佳，切削力的對比，如圖4所示。LeiShuting等［13］，ChangWenlong等［14］，P.Koshy等［15］，宋文龍［16］和王震［17］也做了關(guān)于微結(jié)構(gòu)刀具方面的研究。微結(jié)構(gòu)刀具能減小切削受力、摩擦因數(shù)和磨損。但高速切削時切屑會進入微孔或微溝槽，且黏附現(xiàn)象嚴重。其中，微坑型的刀具適用于潤滑條件下的中低速切削，微溝槽型的刀具適用于無潤滑或微量潤滑條件下的中低速切削。此外，蚊子口器具有鋸齒狀非光滑形態(tài)，王京春等設(shè)計了波紋型仿生注射器針頭，針頭阻力減少44.5%［18］。KazunariOka等發(fā)明的采血針也是根據(jù)蚊子口器鋸齒形的特征制成，從而達到無痛、減阻的效果。

構(gòu)形仿生

構(gòu)形仿生是根據(jù)生物體的形狀進行的仿生設(shè)計，例如近代飛行器、潛水艇的外形設(shè)計就是來自對鳥類、魚類構(gòu)形的模仿。

1.仿樹蜂太

空鉆頭樹蜂尾部的產(chǎn)卵器由呈鋸齒狀的兩部分組成，一側(cè)是切削齒，通過往復運動鉆削樹木；另一側(cè)是口袋狀齒形，通過往復運動將鉆削產(chǎn)生的樹屑帶出樹洞。GaoYang，AlexEllery等利用樹蜂產(chǎn)卵器的形狀和結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計出一種太空仿生鉆頭［20-21］，如圖5所示。倒齒的存在一方面降低了鉆頭的鉆進阻力，另一方面防止鉆頭被完全排出。鉆頭兩部分的往復相向運動，也有助于鉆屑的排出，不易沉積在孔底。這種仿生鉆頭質(zhì)量為0.5kg，功率為3~5W，鉆深為1~2m，具有質(zhì)量低、驅(qū)動功率低、鉆進效率高的特點。目前，該設(shè)計僅停留在實驗室的研究階段。鉆頭幾何形狀的優(yōu)化、材料的選取需要進一步的研究。

2.仿蚯蚓太空鉆頭

蚯蚓是一種常見的環(huán)節(jié)動物，身體內(nèi)部有環(huán)狀肌和縱行肌，如圖6所示。蚯蚓爬行時，首先，靠近頭部的體節(jié)1~3的縱行肌收縮，環(huán)狀肌舒張，剛毛伸長插入土壤，保持靜止；然后體節(jié)4的縱行肌開始收縮，環(huán)狀肌舒張，此時體節(jié)2~4部分的剛毛伸長插入土壤，保持靜止；而體節(jié)1的剛毛縮回，與土壤脫離接觸，環(huán)狀肌收縮，縱行肌舒張，體節(jié)變細從而向前爬行。此后，每一段體節(jié)重復這一過程，蚯蚓就能不斷向前爬行［22］。TakashiKubota等利用蚯蚓肌肉收縮前行的原理，用若干伸縮單元和傳感器發(fā)明了一種可以在月球風化層內(nèi)部爬行的機器人鉆頭。與傳統(tǒng)鉆頭相比，這種仿生鉆頭不需要太大的空間就可以在風化層中高效率爬行，從而提高了太空作業(yè)效率［23］。目前，僅通過試驗分析得出可行性，需進一步提高仿蚯蚓爬行裝置的工作效率。

3.食品加工用仿生刀具

魚類為適應(yīng)水中的環(huán)境和捕食的習慣，進化出不同類型的牙齒。例如，亞馬遜河食人魚的口腔內(nèi)分布著整齊鋒利、上下交錯的三角形牙齒，每個牙齒表面呈微細鋸齒狀分布。當食人魚進食時，在上下牙齒之間的壓力和剪切力的復合作用下，可以有效切割獵物的皮膚和肌肉。根據(jù)食人魚的牙齒構(gòu)形特點，設(shè)計出一種仿生剪刀，這種剪刀的內(nèi)側(cè)有鋸齒形結(jié)構(gòu)，特別適合于肉類組織的加工和處理［24］。此外，還有一些食品加工刀具也都用到了仿生技術(shù)，如絞肉機刀片、豆?jié){機刀片等。此類刀具壽命長，效率高，但刀齒的幾何形態(tài)還存在優(yōu)化的空間。

材料仿生

通過模擬生物體材料的結(jié)構(gòu)進行材料仿生。自然界在長期的進化演變過程中，形成了結(jié)構(gòu)組織完美和性能優(yōu)異的生物耐磨和抗疲勞材料，可為各類刀具的設(shè)計提供借鑒。

1.塑料切刀

河貍牙齒的外層為較硬的牙釉質(zhì)，內(nèi)層為相對較軟的牙本質(zhì)。內(nèi)層的牙本質(zhì)磨損較快，使較硬的牙釉質(zhì)不斷暴露出來，從而使牙齒能夠一直保持鋒利狀態(tài)，達到自銳效果。根據(jù)河貍這一特性，JürgenBerling等設(shè)計出一種塑料切刀，如圖7所示。通過在鎢鈷硬質(zhì)合金刀片表面涂上一層更硬的氮化鈦涂層，相比常規(guī)的工具鋼材料，磨損量顯著減少［25］。該研究增強了塑料切刀的剛度和強度，能有效地耗散壓力，阻止裂紋的形成，但刀具涂層和基體的黏結(jié)性有待提高。

2.可轉(zhuǎn)位刀片

Duralor公司仿照荷葉表面的微米級乳突結(jié)構(gòu)，應(yīng)用自行開發(fā)的TuffTek涂層技術(shù)，在刀具表面獲得仿生CBN（cubicboronnitride）涂層。先通過靜電噴涂將CBN顆粒沉積在硬質(zhì)合金刀具表面上，然后采用化學氣相沉積TiN，最后再噴涂PTFE和MoS2。CBN作為硬質(zhì)相，而TiN等作為潤滑相填充在CBN突出顆粒的四周。摩擦試驗表明，仿生CBN涂層有較低的摩擦因數(shù)和更好的耐磨性［26］。通過40CrNiMoA高強度鋼的切削試驗，對比仿生CBN涂層和物理氣相沉積TiAlN涂層的CNMG432型號可轉(zhuǎn)位刀片的切削性能，仿生CBN刀具有突出的耐磨性，壽命明顯提高，刀具的磨損曲線如圖8所示［27］。該技術(shù)增強了涂層與基體的黏結(jié)性，增加涂層的厚度，刀具壽命顯著提高。目前還沒有實現(xiàn)商業(yè)化，該刀具適用于干切削條件下精車淬硬零件、加工黑色金屬等。此外，吳紅艷和張平則也仿照河貍牙齒的自銳特性，制備了一種硬度漸進分布的切木材刀具。通過雙輝等離子表面合金化工藝，在45鋼刀具表面形成TiC合金層和Ti的過渡層，使刀具從合金表層到基底的硬度逐漸降低，達到了自銳效果［28］。慶振華等對河貍門齒的橫斷面做了研究，提出利用其牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)的結(jié)合機理來優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)、改善涂層性能的思路。

總結(jié)與展望

應(yīng)用仿生技術(shù)，可以解決工程實際中面臨的一些技術(shù)難題。仿生技術(shù)也在各類刀具的設(shè)計中得到應(yīng)用，現(xiàn)有的刀具仿生設(shè)計工作主要圍繞刀具的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計、刀具涂層材料設(shè)計以及刀具的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計幾個方面展開，涉及的刀具領(lǐng)域和種類也較廣。

1.仿生刀具的特征

通過對幾種仿生刀具的制備技術(shù)、性能、適用領(lǐng)域等方面的歸納與分析，總結(jié)出現(xiàn)有的刀具仿生技術(shù)具有如下特征：1）以土壤生物的體表、動物牙齒為刀具的主要仿生原型。土壤動物長期生活在土壤中而體表不易黏土又耐磨，此特征為刀具的設(shè)計提供新的思路。對蜣螂體表特征的提取及分析，設(shè)計出了非光滑高速鋼車刀和非光滑鉆頭等。嚙齒動物的牙齒能夠始終保持鋒利，這一特征被應(yīng)用到塑料切刀、木材切刀的設(shè)計上。食肉魚類的牙齒上面微小的鋸齒狀結(jié)構(gòu)也為肉類加工刀具的設(shè)計帶來啟發(fā)。2）仿生刀具的設(shè)計以刀具切削部分為主。上述的幾類仿生刀具，除仿蚯蚓太空鉆頭，其余都是對切削部分進行仿生設(shè)計。如，在車刀和微結(jié)構(gòu)刀具的前刀面上加工出微坑、微溝槽；在鉆頭的切削齒上加工出凹坑和凸包；仿樹蜂太空鉆頭的切削齒設(shè)計成鋸齒狀；塑料切刀和可轉(zhuǎn)位刀片都是在其刀面上進行仿生涂層等。3）仿生刀具的制備技術(shù)容易實現(xiàn)。現(xiàn)有的各類仿生刀具的制備過程，并沒有改變常規(guī)的刀具制造方法，只是在某個或某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)做些改進。例如，在車刀、銑刀的前刀面采用激光加工技術(shù)加工出非光滑單元體，有效提高了刀具的耐磨性。仿生可轉(zhuǎn)位刀片的制備，也是在刀具涂層技術(shù)的基礎(chǔ)上，對涂層的材料和結(jié)構(gòu)進行改進，從而提高涂層刀具的性能。4）仿生刀具的應(yīng)用領(lǐng)域廣。仿生技術(shù)在各類刀具的設(shè)計中得到應(yīng)用，從太空探測鉆頭到地質(zhì)鉆頭，從切紙刀片到肉加工刀片，從塑料切刀到金屬切削刀具等。隨著仿生技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將會設(shè)計出應(yīng)用于更多領(lǐng)域的仿生刀具，從而達到提高刀具壽命和工作效率的效果。

2.存在的問題

目前，有關(guān)刀具仿生技術(shù)方面的研究工作剛剛開展，還存在下面幾個問題：1）生物原型的選取有限。仿生刀具主要以土壤生物體表、動物牙齒以及荷葉表面結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。自然界的生物體種類繁多、性能各異，可為刀具的仿生設(shè)計提供豐富的仿生素材。2）有關(guān)機加工刀具的仿生研究工作較少。機加工金屬切削刀具用量巨大，刀具磨損嚴重，如果能夠應(yīng)用仿生技術(shù)提高金屬切削刀具的性能，意義顯著?，F(xiàn)有的研究只局限于車刀、銑刀等，切削試驗中所用的工件材料也只有鋼和鋁合金等，各類仿生刀具對其它金屬材料的切削效果有待驗證。3）部分研究尚未工程應(yīng)用。例如，仿樹蜂鉆頭和仿蚯蚓鉆頭在行星表面的探測工作還未能實現(xiàn)，現(xiàn)有的成果只是鉆頭模型在實驗室的性能評估。4）缺乏仿生刀具的相關(guān)理論基礎(chǔ)研究。目前，有關(guān)刀具切削性能以及耐磨機理方向的研究還不夠深入。5）沒有進行仿生單元的合理優(yōu)化。一些研究只是初步證明了設(shè)置仿生單元可以改善刀具的性能，并沒有繼續(xù)對仿生單元體的尺寸和分布進行優(yōu)化，以達到最優(yōu)設(shè)計。例如，切紙刀片和仿生鉆頭上面的凹坑或凸包單元體參數(shù)都存在繼續(xù)優(yōu)化的空間。

3.研究展望

未來刀具仿生設(shè)計方面的研究工作應(yīng)主要集中在以下幾個方面。1）刀具仿生對象的選擇和生物體優(yōu)異特征的提取。生物種類多種多樣，選擇合適的生物作為仿生對象，是開展刀具仿生設(shè)計的基礎(chǔ)。生物原型的選擇也決定刀具仿生設(shè)計的效果。仿生設(shè)計需要模仿和借鑒生物體所具有的優(yōu)異性能。拓寬生物原型的選取，結(jié)合生物的生活環(huán)境、功能和行為，分析和提取生物體的優(yōu)異特征，是非常必要的。上述工作涉及學科交叉，需要與生物學領(lǐng)域的學者合作完成。2）仿生設(shè)計方法。仿生設(shè)計不僅是對生物體的簡單模仿，更重要的是以生物體的優(yōu)異特性為啟發(fā)，解決工程技術(shù)問題。仿生設(shè)計方法是生物體與仿生刀具之間的橋梁，因此，掌握有效的仿生刀具設(shè)計方法，可以提高設(shè)計刀具效率，達到事半功倍的效果。3）仿生刀具的優(yōu)化設(shè)計。應(yīng)用仿生技術(shù)，設(shè)計出的刀具證明了仿生刀具的可行性，但所設(shè)計的仿生刀具的仿生結(jié)構(gòu)和形式未必最優(yōu)，其中的仿生參數(shù)也需要優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的刀具性能。因此，從有效仿生設(shè)計到高性能仿生設(shè)計仍然需要大量的研究工作。4）仿生刀具的制造技術(shù)。應(yīng)用仿生技術(shù)設(shè)計的刀具將具有特殊的形狀和結(jié)構(gòu)，特別是一些微細的表面結(jié)構(gòu)，如果加工上述仿生特征結(jié)構(gòu)需要過多的成本，則仿生刀具很難得到實際推廣和應(yīng)用。因此，開發(fā)出高效、低成本的仿生刀具制造技術(shù)是實現(xiàn)仿生刀具工程實際應(yīng)用的重要前提。5）仿生刀具性能的研究。研究仿生刀具的切削理論、揭示應(yīng)用仿生技術(shù)提高刀具性能的原因，是開展刀具仿生技術(shù)的理論基礎(chǔ)。（本文圖略）

本文作者：王威 于愛兵 柴國兵 王姣 謝志斌 吳中梁 單位：寧波大學 機械工程與力學學院