CN106863481B - 一种仿生锯齿形结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生锯齿形结构，属于农业技术领域，由齿、齿槽及齿背构成，齿由切削部位、拓刃部位、排屑部位和嵌入角构成，具有单齿嵌入深度增加，锯割速度快，锯割更省力，可更好的收集、储存、排放碎削，分级切割仿生设计，在保证齿强度的基础上可提高切割速度、减小切割力，齿槽可以更好的清洁锯路并提高切割效率，齿和齿槽在齿背的支撑及力的传递作用下才可发挥其作用。

Description

一种仿生锯齿形结构

技术领域

本发明属于农业技术领域，具体涉及一种仿生锯齿形结构。

背景技术

锯齿形结构具有应用范围广，结构简单，成本低，操作方便，效率高等特点，如今在林业、农业、工业、建筑业、制造业等行业及生活中，处处都可以见到锯齿形结构，具有在生产生活中无可替代的作用。

锯齿形结构在林业中的应用较多，伐木用的双人锯、油锯，加工木材的圆盘锯、木锯，修剪树枝的园艺锯，工业中加工金属的钢锯，以及生活中所用到的手板锯、折叠锯，甚至用于截肢的手术锯等都是一种锯齿形结构。

近几年，锯齿形结构在农业中的应用越来越多，农业收获机械上的切割刀盘就是一种应用非常广泛的锯齿形结构，它可以切割玉米、甘蔗等农作物的秸秆，锯路细直，且切割速度快，能提高收获机械的作业效率。

上述几种锯齿形结构具有效率高，容易操作等特点，但同时存在着排削不净，锯割费力和速度慢等问题。

发明内容

锯齿形结构作为生产生活中零件所广泛应用的结构，到如前无法替代，而齿作为其工作时最主要的部位，齿的寿命直接决定了锯齿形结构的使用寿命，当齿的破坏数量太多时该锯齿形结构就不可应用，甚至有些结构单齿破坏后，锯齿结构就失去作用，所以锯齿的研究具有重要的意义。

星天牛为一种植食性昆虫，它经常将卵产在木本植物内，孵化后的幼虫会在木材内磕洞，故星天牛又被称作“锯树郎”，它的口器由左右两部分组成，尖状的末端相互捏合，可以钻透坚硬的植株表面，在植株内钻出通道，星天牛口器坚固锋锐的结构、良好的啃噬能力与其独特的外形有关，故本发明以星天牛咀嚼式口器作为仿生原型，目的在于增强锯齿形结构的锯割速度，提高其收集、储存和排放碎屑的能力，提高切割速度，减小切割力。

本发明是由齿、齿槽和齿背构成，齿是由切削部位、拓刃部位、排屑部位和嵌入角组成，其中切削部位只要由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”构成，主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”三者之间相互平行；拓刃部位主要由主拓刃Ee’和副拓刃e’e”组成，且主拓刃Ee’和副拓刃e’e”分别是连接主切刃EFH和副切刃e’f’h’，副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”的直线；排屑部位主要由排屑刃EJV和导屑刃e”jv构成，排屑刃EJV和导屑刃e”jv两者平行，嵌入角α为主切刃EFH和排屑刃EJV的夹角。

主切刃EFH和排屑刃EJV是仿生天牛口器的轮廓线，其中主切刃EFH是仿生天牛口器的内夹切线，其方程为:y＝3.283x⁴+0.903x³+1.242x²-2.699x+0.002

式中：x的取值范围为-1≤x≤0，y的取值范围为0.002≤y≤6.502

排屑刃EJV是仿生天牛口器的外轮廓线，其方程为：y＝-0.3706x⁶+2.9234x⁵-7.6333x⁴+5.7375x³+3.4832x²-0.9719x+0.0146

式中：x的取值范围为0≤x≤2.85，y的取值范围为0.0146≤y≤5.9

嵌入角α是仿生天牛口器具有刺破作用的尖部，其取值范围为50°～55°

对天牛口器横截面各角进行研究发现它们分别对木本植物具有夹切、助切和降阻的作用，由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和主拓刃Ee’构成第一刃面；副切刃e’f’h’、导切刃e”f”h”和副拓刃e’e”构成第二刃面；排屑刃EJV、导屑刃e”jv、主拓刃Ee’和副拓刃e’e”构成第三刃面；第一刃面、第二刃面和第三刃面依次仿生天牛口器横截面具有夹切、助切和降阻作用的夹角，得到第一刃面与齿面的夹角为45°，第二刃面与齿面4的夹角为30°，第三刃面与齿面的夹角为45°。

由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”构成的分级切割部位将传统的一次切割变成二次不同角度的切割，第一刃面的夹角为45°，第二刃面的夹角为30°，这种分级切割，相比于刃面是45°的一次切割具有减小切割阻力、增强切割效果，相比于刃面是30°的一次切割可提高主切刃的强度，延长齿的寿命。

由排屑刃EJV和导屑刃e”jv构成的排削部位为第三刃面3，它相比于传统的排削刃面具有更好的降阻能力，可降低排削部位与植物作用的摩擦阻力，同时收集碎屑的效果更好。

所述的主切刃EFH、排屑刃EJV和主拓刃Ee’在空间的交点为齿尖E，齿尖作用为“刺入”植株内，然后再利用嵌入角和主拓刃Ee’对“刺入”点进行扩大，增大锯口，本发明中主拓刃和副拓刃均为直线，在锯割时与植株直接作用，可增强锯齿结构的锯割效果，且副拓刃在主拓刃之后，可对主拓刃扩大的锯口进行二次扩大，增强切割效果。

所述的齿槽Hqv的半径为0.5mm，角度为120°，它位于两齿之间，将齿分开，由切割部位、齿槽和排削部位组成的齿间空隙为碎屑的收集区，可储存锯下的碎屑，并通过锯齿结构整体的旋转或往复运动将其带出，可以更好的清洁锯路和提高切割效率。

本发明的齿距T为6mm，齿高H为6.5mm。

锯齿形结构一般选取高速钢或合金钢等金属材料，先加工出结构的整体模型，然后通过压齿技术在模型上压出齿，最后再进行开刃等就完成了加工；在整个结构上，除齿和齿槽的其它部位就是齿背，它的主要作用是使多个齿连接在一起，同时支撑和传递作用力。

本发明的有益效果：

与传统的锯齿形结构相比，本发明在多处应用仿生原理的基础上，具有单齿嵌入深度增加，锯割速度快，可更好的收集、储存、排放碎削，提高作业速度；同时锯齿形结构的切割部位，采用分级切割仿生设计，在保证齿强度的基础上可提高切割速度、减小切割力；排削部位的仿生设计可降低作业时锯齿和植物的摩擦力，使其在锯割时更省力。

附图说明

图1为仿生锯齿形结构的示意图。

图2为仿生锯齿形结构的主视图。

图3为锯齿形结构中单齿的主视图。

图4为图3中的A—A截面图。

图5为锯齿形结构中齿槽的示意图。

图6为锯齿形结构中齿槽的放大示意图。

图7为仿生锯齿形结构用于圆盘锯的示意图。

图8为仿生锯齿形结构用于手工锯的示意图。

图9为锯齿形结构主切刃EFH的坐标示意图。

图10为锯齿形结构排屑刃EJV的坐标示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由齿、齿槽和齿背三部分构成；齿是由切削部位、拓刃部位、排屑部位和嵌入角组成，切削部位由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”构成，主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”三者之间相互平行；拓刃部位由主拓刃Ee’和副拓刃e’e”组成；排屑部位由排屑刃EJV和导屑刃e”jv构成，排屑刃EJV和导屑刃e”jv两者平行，嵌入角α为主切刃EFH和排屑刃EJV的夹角。

所述的主拓刃Ee’是连接主切刃EFH和副切刃e’f’h’的直线，副拓刃e’e”是连接副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”的直线。

主切刃EFH是内夹切线，其满足方程:

y＝3.283x⁴+0.903x³+1.242x²-2.699x+0.002

式中：x的取值范围为-1≤x≤0，y的取值范围为0.002≤y≤6.502。

主切刃EFH在坐标内的曲线如图9所示。

排屑刃EJV是外轮廓线，其满足方程：

y＝-0.3706x⁶+2.9234x⁵-7.6333x⁴+5.7375x³+3.4832x²-0.9719x+0.0146

式中：x的取值范围为0≤x≤2.85，y的取值范围为0.0146≤y≤5.9.

排屑刃EJV在坐标内的曲线如图10所示。

嵌入角α是具有刺破作用的尖部，其取值范围为50°～55°

如图2所示，主切刃EFH、副切刃e’f’h’和主拓刃Ee’构成第一刃面1；副切刃e’f’h’、导切刃e”f”h”和副拓刃e’e”构成第二刃面2；排屑刃EJV、导屑刃e”jv、主拓刃Ee’和副拓刃e’e”构成第三刃面3；对天牛口器横截面各角进行研究发现它们分别对木本植物具有夹切、助切和降阻的作用，第一刃面1、第二刃面2和第三刃面3依次仿生天牛口器横截面具有夹切、助切和降阻作用的夹角，如图3和图4所示，得到第一刃面1与齿面4的夹角为45°，第二刃面2与齿面4的夹角为30°，第三刃面3与齿面4的夹角为45°。

主切刃曲线EFH的特点是：

仿生天牛口器在进食时起重要作用的夹持切割线所形成，相比传统的锯齿形切割刃，具有更好的切割效果，单齿切割作用更明显，同时使嵌入角变小，在工作时，嵌入速度快，嵌入深度更深，在排削时，对前齿锯下的碎削有“搂”的作用，收集碎削效果更好。

由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”构成的分级切割部位将传统的一次切割变成二次不同角度的切割，第一刃面1的夹角为45°，第二刃面2的夹角为30°，这种分级切割，相比于刃面是45°的一次切割具有减小切割阻力、增强切割效果，相比于刃面是30°的一次切割可提高主切刃的强度，延长齿的寿命。

排屑刃曲线EJV的特点是：仿生天牛口器具有支撑和减阻作用的外轮廓线所形成，去掉了传统锯齿结构的侧刃，成为后刃和侧刃一体的仿生天牛口器排削刃，具有更强的降阻能力，同时增强了其排削效果。

由排屑刃EJV和导屑刃e”jv构成的排削部位为第三刃面3，它相比于传统的排削刃面具有更好的降阻能力，可降低排削部位与植物作用的摩擦阻力，同时收集碎屑的效果更好。

所述的主切刃EFH、排屑刃EJV和主拓刃Ee’在空间的交点为齿尖E，齿尖作用为“刺入”植株内，然后再利用嵌入角和主拓刃Ee’对“刺入”点进行扩大，增大锯口，本发明中主拓刃和副拓刃均为直线，在锯割时与植株直接作用，可增强锯齿结构的锯割效果，且副拓刃在主拓刃之后，可对主拓刃扩大的锯口进行二次扩大，增强切割效果。

如图5和图6所示，齿槽Hqv的半径r为0.5mm，齿槽Hqv角度为120°，齿槽Hqv位于两齿之间，将齿分开，由切割部位、齿槽和排削部位组成的齿间空隙为碎屑的收集区，可储存锯下的碎屑，并通过锯齿结构整体的旋转或往复运动将其带出，可以更好的清洁锯路和提高切割效率。

锯齿形结构一般选取高速钢或合金钢等金属材料，先加工出结构的整体模型，然后通过压齿技术在模型上压出齿，最后再进行开刃等就完成了加工；在整个结构上，除齿和齿槽的其它部位就是齿背，它的主要作用是使多个齿连接在一起，同时支撑和传递作用力。

如图2所示，所述的锯齿形结构的齿距T为6mm，齿高H为6.5mm.

图7为本发用于圆盘锯的示意图

图8为本发明用于手工锯的示意图。

Claims (4)

1.一种仿生锯齿形结构，其特征在于：包括齿、齿槽Hqv和齿背；齿是由切削部位、拓刃部位、排屑部位和嵌入角组成，切削部位由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”构成，主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”三者之间相互平行；拓刃部位由主拓刃Ee’和副拓刃e’e”组成；排屑部位由排屑刃EJV和导屑刃e”jv构成，排屑刃EJV和导屑刃e”jv两者平行，嵌入角α为主切刃EFH和排屑刃EJV的夹角；

所述的主拓刃Ee’是连接主切刃EFH和副切刃e’f’h’的直线，副拓刃e’e”是连接副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”的直线；

主切刃EFH是内夹切线，其满足方程:

y＝3.283x⁴+0.903x³+1.242x²-2.699x+0.002

式中：x的取值范围为-1≤x≤0，y的取值范围为0.002≤y≤6.502

排屑刃EJV是外轮廓线，其满足方程：

y＝-0.3706x⁶+2.9234x⁵-7.6333x⁴+5.7375x³+3.4832x²-0.9719x+0.0146

式中：x的取值范围为0≤x≤2.85，y的取值范围为0.0146≤y≤5.9

嵌入角α是具有刺破作用的尖部，其取值范围为50°～55°。

2.根据权利要求1所述的一种仿生锯齿形结构，其特征在于：所述的主切刃EFH、副切刃e’f’h’和主拓刃Ee’构成第一刃面(1)；副切刃e’f’h’、导切刃e”f”h”和副拓刃e’e”构成第二刃面(2)；排屑刃EJV、导屑刃e”jv、主拓刃Ee’和副拓刃e’e”构成第三刃面(3)；第一刃面(1)与齿面(4)的夹角为45°，第二刃面(2)与齿面(4)的夹角为30°，第三刃面(3)与齿面(4)的夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的一种仿生锯齿形结构，其特征在于：所述的齿槽Hqv的半径为0.5mm，齿槽Hqv的角度为120°，齿槽Hqv位于两齿之间，将齿分开。

4.根据权利要求1所述的一种仿生锯齿形结构，其特征在于：所述的锯齿形结构的齿距T为6mm，齿高H为6.5mm。