论刀具仿生技术的研究进展

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形态仿生

形态仿生是通过模拟生物的表面形态以实现一定的功能，特别是非光滑形态仿生，已成为仿生学的研究热点之一。在试件表面加工出的仿生非光滑表面，表现出良好的耐磨性能。

1.切刀刀片

沈明将蜣螂前胸背板的凹坑形态应用在印刷造纸行业的切刀刀片上，如图1所示。研究表明，凹坑形仿生单元体参数对切刀耐磨性的影响顺序依次为凹坑行间距、凹坑列间距、排列方式和凹坑直径，设计出合理的非光滑仿生单元体可以降低刀片的切削力，使仿生切刀的寿命比普通切刀提高20倍。仿生切刀能减少切花，提高切纸质量，保证裁切品尺寸的精度和切削稳定性。此技术还可以应用于包装、装饰装潢、皮革加工、塑料加工和布匹生产以及某些金属加工行业等。

2.地质钻头

高科与王传留等根据蜣螂前胸背板的非光滑凹坑现象研制出了仿生孕镶金刚石钻头，如图2所示。选用石墨合成树脂为造坑材料，钻头工作时，造坑材料的低硬度使其提前磨损和脱落，在钻头表面持续产生的宏观凹坑起到辅助破岩和耐磨降阻的作用；而胎体表层的金刚石颗粒表现出微观凸包，起到破碎岩石的作用，待金刚石颗粒脱落后会产生微凹坑，而胎体材料被磨掉后又会继续露出凸形的金刚石颗粒。与普通孕镶金刚石钻头相比，其钻进效率提高42.7%，寿命提高73.8%。但钻头上的金刚石浓度和粒度的优化设计还不够完善，凸包单元体的尺寸和分布也有待优化。此技术还为螺杆钻的耐磨设计以及减小泥浆泵的叶片或活塞的磨损设计提供了借鉴

3.螺旋钻头

何龙飞等在螺旋钻头翼板上加工出凸包形非光滑单元体，解决了黏性土钻进中螺旋钻头阻力大、黏附严重的难题。在土壤层桩基旋挖施工时，钻头凸包上产生的切向应力使黏附在翼板上的土壤产生运动；另外，翼板凹凸不平的表面破坏了水膜的连续性，也减小了土壤的黏附力。与常规螺旋钻头相比，仿生螺旋钻头的脱土率提高70%，钻机耗油量降低53.3%，钻进效率提高70%。与地质钻头类似，螺旋钻头翼板上的凸包单元体的尺寸和分布有待优化。此类钻头适用于砂土、黏性土、粉质土等土层施工。

4.高速钢车刀

董亮参考蜣螂体表的凹坑形态，在高速钢车刀的前刀面进行仿生设计，设定车刀前角为5°，后角为8°，仿生车刀的凹坑直径为280μm，行间距为550μm，列间距为1000μm，运用DEFORM有限元软件对45钢工件进行切削仿真实验，前刀面的磨损量对比，如图3所示。高速钢仿生车刀的磨损减少35.8%，切削力减小14.8%，切削温度降低26.1%。但此研究未考虑单元体深度对耐磨性的影响。

5.微织构刀具

与表面形态仿生类似，研究人员在切削刀具的表面加工出微织构，也获得了提高刀具耐磨性能的效果。NoritakaKawasegi在硬质合金车刀前刀面加工出微米沟槽，并应用微量润滑技术对铝合金进行车削加工。结果表明，表面织构有效减小前刀面的摩擦，降低切削力，垂直于切屑流出方向的微织构刀具减磨效果更佳，切削力的对比，如图4所示。LeiShuting等［13］，ChangWenlong等［14］，P.Koshy等［15］，宋文龙［16］和王震［17］也做了关于微结构刀具方面的研究。微结构刀具能减小切削受力、摩擦因数和磨损。但高速切削时切屑会进入微孔或微沟槽，且黏附现象严重。其中，微坑型的刀具适用于润滑条件下的中低速切削，微沟槽型的刀具适用于无润滑或微量润滑条件下的中低速切削。此外，蚊子口器具有锯齿状非光滑形态，王京春等设计了波纹型仿生注射器针头，针头阻力减少44.5%［18］。KazunariOka等发明的采血针也是根据蚊子口器锯齿形的特征制成，从而达到无痛、减阻的效果。

构形仿生

构形仿生是根据生物体的形状进行的仿生设计，例如近代飞行器、潜水艇的外形设计就是来自对鸟类、鱼类构形的模仿。

1.仿树蜂太

空钻头树蜂尾部的产卵器由呈锯齿状的两部分组成，一侧是切削齿，通过往复运动钻削树木；另一侧是口袋状齿形，通过往复运动将钻削产生的树屑带出树洞。GaoYang，AlexEllery等利用树蜂产卵器的形状和结构特点，设计出一种太空仿生钻头［20-21］，如图5所示。倒齿的存在一方面降低了钻头的钻进阻力，另一方面防止钻头被完全排出。钻头两部分的往复相向运动，也有助于钻屑的排出，不易沉积在孔底。这种仿生钻头质量为0.5kg，功率为3~5W，钻深为1~2m，具有质量低、驱动功率低、钻进效率高的特点。目前，该设计仅停留在实验室的研究阶段。钻头几何形状的优化、材料的选取需要进一步的研究。

2.仿蚯蚓太空钻头

蚯蚓是一种常见的环节动物，身体内部有环状肌和纵行肌，如图6所示。蚯蚓爬行时，首先，靠近头部的体节1~3的纵行肌收缩，环状肌舒张，刚毛伸长插入土壤，保持静止；然后体节4的纵行肌开始收缩，环状肌舒张，此时体节2~4部分的刚毛伸长插入土壤，保持静止；而体节1的刚毛缩回，与土壤脱离接触，环状肌收缩，纵行肌舒张，体节变细从而向前爬行。此后，每一段体节重复这一过程，蚯蚓就能不断向前爬行［22］。TakashiKubota等利用蚯蚓肌肉收缩前行的原理，用若干伸缩单元和传感器发明了一种可以在月球风化层内部爬行的机器人钻头。与传统钻头相比，这种仿生钻头不需要太大的空间就可以在风化层中高效率爬行，从而提高了太空作业效率［23］。目前，仅通过试验分析得出可行性，需进一步提高仿蚯蚓爬行装置的工作效率。

3.食品加工用仿生刀具

鱼类为适应水中的环境和捕食的习惯，进化出不同类型的牙齿。例如，亚马逊河食人鱼的口腔内分布着整齐锋利、上下交错的三角形牙齿，每个牙齿表面呈微细锯齿状分布。当食人鱼进食时，在上下牙齿之间的压力和剪切力的复合作用下，可以有效切割猎物的皮肤和肌肉。根据食人鱼的牙齿构形特点，设计出一种仿生剪刀，这种剪刀的内侧有锯齿形结构，特别适合于肉类组织的加工和处理［24］。此外，还有一些食品加工刀具也都用到了仿生技术，如绞肉机刀片、豆浆机刀片等。此类刀具寿命长，效率高，但刀齿的几何形态还存在优化的空间。

材料仿生

通过模拟生物体材料的结构进行材料仿生。自然界在长期的进化演变过程中，形成了结构组织完美和性能优异的生物耐磨和抗疲劳材料，可为各类刀具的设计提供借鉴。

1.塑料切刀

河狸牙齿的外层为较硬的牙釉质，内层为相对较软的牙本质。内层的牙本质磨损较快，使较硬的牙釉质不断暴露出来，从而使牙齿能够一直保持锋利状态，达到自锐效果。根据河狸这一特性，JürgenBerling等设计出一种塑料切刀，如图7所示。通过在钨钴硬质合金刀片表面涂上一层更硬的氮化钛涂层，相比常规的工具钢材料，磨损量显著减少［25］。该研究增强了塑料切刀的刚度和强度，能有效地耗散压力，阻止裂纹的形成，但刀具涂层和基体的黏结性有待提高。

2.可转位刀片

Duralor公司仿照荷叶表面的微米级乳突结构，应用自行开发的TuffTek涂层技术，在刀具表面获得仿生CBN（cubicboronnitride）涂层。先通过静电喷涂将CBN颗粒沉积在硬质合金刀具表面上，然后采用化学气相沉积TiN，最后再喷涂PTFE和MoS2。CBN作为硬质相，而TiN等作为润滑相填充在CBN突出颗粒的四周。摩擦试验表明，仿生CBN涂层有较低的摩擦因数和更好的耐磨性［26］。通过40CrNiMoA高强度钢的切削试验，对比仿生CBN涂层和物理气相沉积TiAlN涂层的CNMG432型号可转位刀片的切削性能，仿生CBN刀具有突出的耐磨性，寿命明显提高，刀具的磨损曲线如图8所示［27］。该技术增强了涂层与基体的黏结性，增加涂层的厚度，刀具寿命显著提高。目前还没有实现商业化，该刀具适用于干切削条件下精车淬硬零件、加工黑色金属等。此外，吴红艳和张平则也仿照河狸牙齿的自锐特性，制备了一种硬度渐进分布的切木材刀具。通过双辉等离子表面合金化工艺，在45钢刀具表面形成TiC合金层和Ti的过渡层，使刀具从合金表层到基底的硬度逐渐降低，达到了自锐效果［28］。庆振华等对河狸门齿的横断面做了研究，提出利用其牙釉质和牙本质的结合机理来优化刀具结构、改善涂层性能的思路。

总结与展望

应用仿生技术，可以解决工程实际中面临的一些技术难题。仿生技术也在各类刀具的设计中得到应用，现有的刀具仿生设计工作主要围绕刀具的几何结构设计、刀具涂层材料设计以及刀具的表面结构设计几个方面展开，涉及的刀具领域和种类也较广。

1.仿生刀具的特征

通过对几种仿生刀具的制备技术、性能、适用领域等方面的归纳与分析，总结出现有的刀具仿生技术具有如下特征：1）以土壤生物的体表、动物牙齿为刀具的主要仿生原型。土壤动物长期生活在土壤中而体表不易黏土又耐磨，此特征为刀具的设计提供新的思路。对蜣螂体表特征的提取及分析，设计出了非光滑高速钢车刀和非光滑钻头等。啮齿动物的牙齿能够始终保持锋利，这一特征被应用到塑料切刀、木材切刀的设计上。食肉鱼类的牙齿上面微小的锯齿状结构也为肉类加工刀具的设计带来启发。2）仿生刀具的设计以刀具切削部分为主。上述的几类仿生刀具，除仿蚯蚓太空钻头，其余都是对切削部分进行仿生设计。如，在车刀和微结构刀具的前刀面上加工出微坑、微沟槽；在钻头的切削齿上加工出凹坑和凸包；仿树蜂太空钻头的切削齿设计成锯齿状；塑料切刀和可转位刀片都是在其刀面上进行仿生涂层等。3）仿生刀具的制备技术容易实现。现有的各类仿生刀具的制备过程，并没有改变常规的刀具制造方法，只是在某个或某些生产环节做些改进。例如，在车刀、铣刀的前刀面采用激光加工技术加工出非光滑单元体，有效提高了刀具的耐磨性。仿生可转位刀片的制备，也是在刀具涂层技术的基础上，对涂层的材料和结构进行改进，从而提高涂层刀具的性能。4）仿生刀具的应用领域广。仿生技术在各类刀具的设计中得到应用，从太空探测钻头到地质钻头，从切纸刀片到肉加工刀片，从塑料切刀到金属切削刀具等。随着仿生技术的发展和应用，将会设计出应用于更多领域的仿生刀具，从而达到提高刀具寿命和工作效率的效果。

2.存在的问题

目前，有关刀具仿生技术方面的研究工作刚刚开展，还存在下面几个问题：1）生物原型的选取有限。仿生刀具主要以土壤生物体表、动物牙齿以及荷叶表面结构为基础。自然界的生物体种类繁多、性能各异，可为刀具的仿生设计提供丰富的仿生素材。2）有关机加工刀具的仿生研究工作较少。机加工金属切削刀具用量巨大，刀具磨损严重，如果能够应用仿生技术提高金属切削刀具的性能，意义显著。现有的研究只局限于车刀、铣刀等，切削试验中所用的工件材料也只有钢和铝合金等，各类仿生刀具对其它金属材料的切削效果有待验证。3）部分研究尚未工程应用。例如，仿树蜂钻头和仿蚯蚓钻头在行星表面的探测工作还未能实现，现有的成果只是钻头模型在实验室的性能评估。4）缺乏仿生刀具的相关理论基础研究。目前，有关刀具切削性能以及耐磨机理方向的研究还不够深入。5）没有进行仿生单元的合理优化。一些研究只是初步证明了设置仿生单元可以改善刀具的性能，并没有继续对仿生单元体的尺寸和分布进行优化，以达到最优设计。例如，切纸刀片和仿生钻头上面的凹坑或凸包单元体参数都存在继续优化的空间。

3.研究展望

未来刀具仿生设计方面的研究工作应主要集中在以下几个方面。1）刀具仿生对象的选择和生物体优异特征的提取。生物种类多种多样，选择合适的生物作为仿生对象，是开展刀具仿生设计的基础。生物原型的选择也决定刀具仿生设计的效果。仿生设计需要模仿和借鉴生物体所具有的优异性能。拓宽生物原型的选取，结合生物的生活环境、功能和行为，分析和提取生物体的优异特征，是非常必要的。上述工作涉及学科交叉，需要与生物学领域的学者合作完成。2）仿生设计方法。仿生设计不仅是对生物体的简单模仿，更重要的是以生物体的优异特性为启发，解决工程技术问题。仿生设计方法是生物体与仿生刀具之间的桥梁，因此，掌握有效的仿生刀具设计方法，可以提高设计刀具效率，达到事半功倍的效果。3）仿生刀具的优化设计。应用仿生技术，设计出的刀具证明了仿生刀具的可行性，但所设计的仿生刀具的仿生结构和形式未必最优，其中的仿生参数也需要优化，以获得最优的刀具性能。因此，从有效仿生设计到高性能仿生设计仍然需要大量的研究工作。4）仿生刀具的制造技术。应用仿生技术设计的刀具将具有特殊的形状和结构，特别是一些微细的表面结构，如果加工上述仿生特征结构需要过多的成本，则仿生刀具很难得到实际推广和应用。因此，开发出高效、低成本的仿生刀具制造技术是实现仿生刀具工程实际应用的重要前提。5）仿生刀具性能的研究。研究仿生刀具的切削理论、揭示应用仿生技术提高刀具性能的原因，是开展刀具仿生技术的理论基础。（本文图略）

本文作者：王威 于爱兵 柴国兵 王姣 谢志斌 吴中梁 单位：宁波大学 机械工程与力学学院