高效切割刀具耦合仿生設計理論與技術方法

《高效切割刀具耦合仿生設計理論與技術方法》是依託吉林大學，由馬雲海擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高效切割刀具耦合仿生設計理論與技術方法
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馬雲海
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

現代新型材料和高性能材料的加工對切割刀具性能提出了更高的要求。本項目以獾牙齒的生物學特性研究為切入點，探索高效切割刀具耦合仿生設計理論和技術方法。對獾牙齒結構、排列和咬合方式、材料特性，包括齒形輪廓、運動學特徵、材料成分、構成方式、機械性能、摩擦學特性等進行研究，分析其在切割食物過程中低阻力、低功耗和低磨損特性以及結構和材料耦合作用機理；在分析現有切割刀具失效行為的基礎上，以獾牙齒不同功能結構為原型，設計套用於龍門剪下機刀片、切割帶鋸、圓盤鋸三種具有不同運動特徵的切割刀具仿生結構，採用模擬仿真方法對仿生結構進行最佳化設計；製備仿生切割刀具樣品，採用機械合金化和等離子噴塗技術在樣品上製備AlMgB14陶瓷塗層，對樣品切割性能進行測試和分析；採用正交試驗設計、回歸預測等方法，研究仿生結構參數和塗層組織結構對切割刀具性能的耦合作用規律和影響機理，並形成系統的高效切割刀具耦合仿生設計理論與技術方法。

結題摘要

本項目針對切割部件和挖掘機斗齒在工作過程中所面臨的效率和壽命問題，開展仿生切割部件的設計理論和方法研究。通過對狗獾牙齒的微觀結構、力學性能及組成成分進行分析，研究了狗獾牙齒釉質層和本質層硬度的差異。通過咬合力感測器測量狗獾咬合時的咬合曲線，研究了狗獾在咬合物體時的咬合力大小和特點。基於計算機斷層掃描和三維掃描技術，構建了狗獾頭部和爪趾模型，並進行最佳化。基於計算機視覺技術和描點法，提取了狗獾犬齒和爪趾的特徵曲線，並進行了擬合。通過三維計算機軟體，對所研究部件進行仿生設計，進行靜力學分析，並對所設計部件進行了再最佳化。對所設計部件進行了加工，利用試驗最佳化方法進行試驗台切割與挖掘試驗，得到了所設計仿生部件與市售對比部件的切割和挖掘參數。利用仿真模擬對鋸切削過程中的溫度場和切屑的Mises 應力進行了分析，並對仿生鋸齒對切屑的影響進行了探討。對被切材料的斷面形貌進行了分析，最終得到了適用於不同切削速度條件下的齒形參數。形成了系統的高效切割刀具耦合仿生設計理論與技術方法。利用等離子表面強化技術，將Ni60A-wt.%AlMgB14複合粉末噴塗於M42高速鋼表面，通過磨損試驗，探索了其磨損性能與機理。耐磨塗層能夠有效降低試樣的磨損率和摩擦因數。