基于耦合仿生理论的仿生刀具结构设计及切削性能
研究
摘要
在航空航天领域，钛合金常用于制造飞机机翼、涡轮叶片和卫星外壳等
航空航天部件，然而，在钛合金加工过程中，常常面临切削力较大、刀具振
动严重等问题。刀具作为机床的“牙齿”，与被加工材料直接接触，刀具结
构直接影响切削性能，因此，为改善钛合金的加工性能，需要新的技术方法
在刀具结构上实现创新。本文参考自然界中生物形态和结构，运用耦合仿生
原理，将帽贝牙齿轮廓曲线应用到立铣刀前刀面的设计之中，将植物叶序规
律及人体骨骼结构应用到立铣刀螺旋刃线及刀体结构的设计之中，设计并制
备耦合仿生立铣刀，同时通过铣削实验验证耦合仿生立铣刀的切削性能。
首先，以帽贝牙齿为“形态仿生耦元”，运用生物学解剖方法及图像处
理技术获得帽贝牙齿轮廓特点及曲率特征，结合帽贝摄食原理，将帽贝牙齿
内轮廓曲线细化为5个不同的结构参数，并应用到立铣刀前刀面的设计之中。
使用DEFORM软件模拟帽贝齿廓构形刀具的切削过程，使用极差分析法获
得以切削力最小、切削温度最小为指标的两组帽贝牙齿结构参数，通过对仿
生刀具切削过程的分析，研究帽贝齿廓构形刀具在切削过程中的省力和降温
的机理，并以切削力最小的帽贝牙齿结构参数完成立铣刀前刀面的设计。
其次，研究发现，在植物体的生长过程中，植物叶片往往呈螺旋状并以
一定的规律排列在茎上，将植物叶序作为“形态仿生耦元”应用于立铣刀螺
旋刃线的设计之中，根据植物叶序理论推导出仿生螺旋刃线模型，设计两种
呈梯度变化的螺旋刃线，运用仿真技术获得仿生螺旋刃线对切削力、切削温
度的影响规律，并以切削力最小的仿生螺旋刃线结构完成耦合仿生立铣刀螺
旋刃线的设计。
再次，研究发现，骨骼外部坚硬且致密，内部质地稍软呈多孔隙结构，
整体具有良好的减振、吸能特性，对人体骨骼结构进行受力分析，获得骨骼
结构的功能及受力特点，根据骨骼的结构特点，建立不同孔隙率的骨骼模型，
通过应力-应变曲线及模态分析发现骨骼模型具有轻质、吸振特性，将骨骼结
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构作为“结构仿生耦元”应用到立铣刀刀体结构设计之中，通过铣削实验，
以减振性能最好的骨骼结构完成立铣刀刀体结构的设计。
最后，将帽贝牙齿、植物叶序、人体骨骼作为仿生耦元应用到立铣刀的
整体结构设计之中，通过钎焊工艺及五轴数控磨床完成耦合仿生立铣刀的制
备，以钛合金为服务对象，通过铣削实验验证耦合仿生立铣刀的切削性能，
研究结果为金属切削刀具的整体设计流程提供了重要的参考依据。
关键词耦合仿生；帽贝牙齿；叶序；人体骨骼；仿生刀具；
-II-
ResearchonStructuralDesignandCutting
PerformanceofBionicToolsBasedon
CoupledBionicTheory
Abstract
Inaerospace,titaniumalloysareoftenusedtomanufactureaerospace
componentssuchasaircraftwings,turbineblades,andsatellitecasings.However,
problemssuchaslargecuttingforcesandseveretoolvibrationareoftenfacedduring
theprocessingoftitaniumalloys.Astheteethofthemachinetool,thetoolisindirect
contactwiththematerialbeingprocessed,andthetoolstructuredirectlyaffectsthe
cuttingperformance.Ther