本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種仿生鋸齒形結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

鋸齒形結(jié)構(gòu)具有應(yīng)用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操作方便，效率高等特點，如今在林業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、制造業(yè)等行業(yè)及生活中，處處都可以見到鋸齒形結(jié)構(gòu)，具有在生產(chǎn)生活中無可替代的作用。

鋸齒形結(jié)構(gòu)在林業(yè)中的應(yīng)用較多，伐木用的雙人鋸、油鋸，加工木材的圓盤鋸、木鋸，修剪樹枝的園藝鋸，工業(yè)中加工金屬的鋼鋸，以及生活中所用到的手板鋸、折疊鋸，甚至用于截肢的手術(shù)鋸等都是一種鋸齒形結(jié)構(gòu)。

近幾年，鋸齒形結(jié)構(gòu)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越多，農(nóng)業(yè)收獲機械上的切割刀盤就是一種應(yīng)用非常廣泛的鋸齒形結(jié)構(gòu)，它可以切割玉米、甘蔗等農(nóng)作物的秸稈，鋸路細(xì)直，且切割速度快，能提高收獲機械的作業(yè)效率。

上述幾種鋸齒形結(jié)構(gòu)具有效率高，容易操作等特點，但同時存在著排削不凈，鋸割費力和速度慢等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鋸齒形結(jié)構(gòu)作為生產(chǎn)生活中零件所廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，到如前無法替代，而齒作為其工作時最主要的部位，齒的壽命直接決定了鋸齒形結(jié)構(gòu)的使用壽命，當(dāng)齒的破壞數(shù)量太多時該鋸齒形結(jié)構(gòu)就不可應(yīng)用，甚至有些結(jié)構(gòu)單齒破壞后，鋸齒結(jié)構(gòu)就失去作用，所以鋸齒的研究具有重要的意義。

星天牛為一種植食性昆蟲，它經(jīng)常將卵產(chǎn)在木本植物內(nèi)，孵化后的幼蟲會在木材內(nèi)磕洞，故星天牛又被稱作“鋸樹郎”，它的口器由左右兩部分組成，尖狀的末端相互捏合，可以鉆透堅硬的植株表面，在植株內(nèi)鉆出通道，星天牛口器堅固鋒銳的結(jié)構(gòu)、良好的啃噬能力與其獨特的外形有關(guān)，故本發(fā)明以星天牛咀嚼式口器作為仿生原型，目的在于增強鋸齒形結(jié)構(gòu)的鋸割速度，提高其收集、儲存和排放碎屑的能力，提高切割速度，減小切割力。

本發(fā)明是由齒、齒槽和齒背構(gòu)成，齒是由切削部位、拓刃部位、排屑部位和嵌入角組成，其中切削部位只要由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和導(dǎo)切刃e”f”h”構(gòu)成，主切刃EFH、副切刃e’f’h’和導(dǎo)切刃e”f”h”三者之間相互平行；拓刃部位主要由主拓刃Ee’和副拓刃e’e”組成，且主拓刃Ee’和副拓刃e’e”分別是連接主切刃EFH和副切刃e’f’h’，副切刃e’f’h’和導(dǎo)切刃e”f”h”的直線；排屑部位主要由排屑刃EJV和導(dǎo)屑刃e”jv構(gòu)成，排屑刃EJV和導(dǎo)屑刃e”jv兩者平行，嵌入角α為主切刃EFH和排屑刃EJV的夾角。

主切刃EFH和排屑刃EJV是仿生天?？谄鞯妮喞€，其中主切刃EFH是仿生天牛口器的內(nèi)夾切線，其方程為:y＝3.283x⁴+0.903x³+1.242x²-2.699x+0.002

式中：x的取值范圍為-1≤x≤0，y的取值范圍為0.002≤y≤6.502

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

式中：x的取值范圍為0≤x≤2.85，y的取值范圍為0.0146≤y≤5.9

嵌入角α是仿生天?？谄骶哂写唐谱饔玫募獠?，其取值范圍為50°～55°

對天?？谄鳈M截面各角進行研究發(fā)現(xiàn)它們分別對木本植物具有夾切、助切和降阻的作用，由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和主拓刃Ee’構(gòu)成第一刃面；副切刃e’f’h’、導(dǎo)切刃e”f”h”和副拓刃e’e”構(gòu)成第二刃面；排屑刃EJV、導(dǎo)屑刃e”jv、主拓刃Ee’和副拓刃e’e”構(gòu)成第三刃面；第一刃面、第二刃面和第三刃面依次仿生天?？谄鳈M截面具有夾切、助切和降阻作用的夾角，得到第一刃面與齒面的夾角為45°，第二刃面與齒面4的夾角為30°，第三刃面與齒面的夾角為45°。

由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和導(dǎo)切刃e”f”h”構(gòu)成的分級切割部位將傳統(tǒng)的一次切割變成二次不同角度的切割，第一刃面的夾角為45°，第二刃面的夾角為30°，這種分級切割，相比于刃面是45°的一次切割具有減小切割阻力、增強切割效果，相比于刃面是30°的一次切割可提高主切刃的強度，延長齒的壽命。

由排屑刃EJV和導(dǎo)屑刃e”jv構(gòu)成的排削部位為第三刃面3，它相比于傳統(tǒng)的排削刃面具有更好的降阻能力，可降低排削部位與植物作用的摩擦阻力，同時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’在空間的交點為齒尖E，齒尖作用為“刺入”植株內(nèi)，然后再利用嵌入角和主拓刃Ee’對“刺入”點進行擴大，增大鋸口，本發(fā)明中主拓刃和副拓刃均為直線，在鋸割時與植株直接作用，可增強鋸齒結(jié)構(gòu)的鋸割效果，且副拓刃在主拓刃之后，可對主拓刃擴大的鋸口進行二次擴大，增強切割效果。

所述的齒槽Hqv的半徑為0.5mm，角度為120°，它位于兩齒之間，將齒分開，由切割部位、齒槽和排削部位組成的齒間空隙為碎屑的收集區(qū)，可儲存鋸下的碎屑，并通過鋸齒結(jié)構(gòu)整體的旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動將其帶出，可以更好的清潔鋸路和提高切割效率。

本發(fā)明的齒距T為6mm，齒高H為6.5mm。

鋸齒形結(jié)構(gòu)一般選取高速鋼或合金鋼等金屬材料，先加工出結(jié)構(gòu)的整體模型，然后通過壓齒技術(shù)在模型上壓出齒，最后再進行開刃等就完成了加工；在整個結(jié)構(gòu)上，除齒和齒槽的其它部位就是齒背，它的主要作用是使多個齒連接在一起，同時支撐和傳遞作用力。

本發(fā)明的有益效果：

與傳統(tǒng)的鋸齒形結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明在多處應(yīng)用仿生原理的基礎(chǔ)上，具有單齒嵌入深度增加，鋸割速度快，可更好的收集、儲存、排放碎削，提高作業(yè)速度；同時鋸齒形結(jié)構(gòu)的切割部位，采用分級切割仿生設(shè)計，在保證齒強度的基礎(chǔ)上可提高切割速度、減小切割力；排削部位的仿生設(shè)計可降低作業(yè)時鋸齒和植物的摩擦力，使其在鋸割時更省力。

附圖說明

圖1為仿生鋸齒形結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2為仿生鋸齒形結(jié)構(gòu)的主視圖。

圖3為鋸齒形結(jié)構(gòu)中單齒的主視圖。

圖4為圖3中的A—A截面圖。

圖5為鋸齒形結(jié)構(gòu)中齒槽的示意圖。

圖6為鋸齒形結(jié)構(gòu)中齒槽的放大示意圖。

圖7為鋸齒形結(jié)構(gòu)主切刃EFH的坐標(biāo)示意圖。

圖8為鋸齒形結(jié)構(gòu)排屑刃EJV的坐標(biāo)示意圖。

圖9為仿生鋸齒形結(jié)構(gòu)用于圓盤鋸的示意圖。

圖10為仿生鋸齒形結(jié)構(gòu)用于手工鋸的示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明由齒、齒槽和齒背三部分構(gòu)成；齒是由切削部位、拓刃部位、排屑部位和嵌入角組成，切削部位由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和導(dǎo)切刃e”f”h”構(gòu)成，主切刃EFH、副切刃e’f’h’和導(dǎo)切刃e”f”h”三者之間相互平行；拓刃部位由主拓刃Ee’和副拓刃e’e”組成；排屑部位由排屑刃EJV和導(dǎo)屑刃e”jv構(gòu)成，排屑刃EJV和導(dǎo)屑刃e”jv兩者平行，嵌入角α為主切刃EFH和排屑刃EJV的夾角。

所述的主拓刃Ee’是連接主切刃EFH和副切刃e’f’h’的直線，副拓刃e’e”是連接副切刃e’f’h’和導(dǎo)切刃e”f”h”的直線。

主切刃EFH是內(nèi)夾切線，其滿足方程:

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

式中：x的取值范圍為-1≤x≤0，y的取值范圍為0.002≤y≤6.502。

主切刃EFH在坐標(biāo)內(nèi)的曲線如圖7所示。

排屑刃EJV是外輪廓線，其滿足方程：

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

式中：x的取值范圍為0≤x≤2.85，y的取值范圍為0.0146≤y≤5.9.

排屑刃EJV在坐標(biāo)內(nèi)的曲線如圖8所示。

嵌入角α是具有刺破作用的尖部，其取值范圍為50°～55°

如圖2所示，主切刃EFH、副切刃e’f’h’和主拓刃Ee’構(gòu)成第一刃面1；副切刃e’f’h’、導(dǎo)切刃e”f”h”和副拓刃e’e”構(gòu)成第二刃面2；排屑刃EJV、導(dǎo)屑刃e”jv、主拓刃Ee’和副拓刃e’e”構(gòu)成第三刃面3；對天?？谄鳈M截面各角進行研究發(fā)現(xiàn)它們分別對木本植物具有夾切、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?？谄鳈M截面具有夾切、助切和降阻作用的夾角，如圖3和圖4所示，得到第一刃面1與齒面4的夾角為45°，第二刃面2與齒面4的夾角為30°，第三刃面3與齒面4的夾角為45°。

主切刃曲線EFH的特點是：

仿生天牛口器在進食時起重要作用的夾持切割線所形成，相比傳統(tǒng)的鋸齒形切割刃，具有更好的切割效果，單齒切割作用更明顯，同時使嵌入角變小，在工作時，嵌入速度快，嵌入深度更深，在排削時，對前齒鋸下的碎削有“摟”的作用，收集碎削效果更好。

由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和導(dǎo)切刃e”f”h”構(gòu)成的分級切割部位將傳統(tǒng)的一次切割變成二次不同角度的切割，第一刃面1的夾角為45°，第二刃面2的夾角為30°，這種分級切割，相比于刃面是45°的一次切割具有減小切割阻力、增強切割效果，相比于刃面是30°的一次切割可提高主切刃的強度，延長齒的壽命。

排屑刃曲線EJV的特點是：仿生天?？谄骶哂兄魏蜏p阻作用的外輪廓線所形成，去掉了傳統(tǒng)鋸齒結(jié)構(gòu)的側(cè)刃，成為后刃和側(cè)刃一體的仿生天?？谄髋畔魅?，具有更強的降阻能力，同時增強了其排削效果。

由排屑刃EJV和導(dǎo)屑刃e”jv構(gòu)成的排削部位為第三刃面3，它相比于傳統(tǒng)的排削刃面具有更好的降阻能力，可降低排削部位與植物作用的摩擦阻力，同時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’在空間的交點為齒尖E，齒尖作用為“刺入”植株內(nèi)，然后再利用嵌入角和主拓刃Ee’對“刺入”點進行擴大，增大鋸口，本發(fā)明中主拓刃和副拓刃均為直線，在鋸割時與植株直接作用，可增強鋸齒結(jié)構(gòu)的鋸割效果，且副拓刃在主拓刃之后，可對主拓刃擴大的鋸口進行二次擴大，增強切割效果。

如圖5和圖6所示，齒槽Hqv的半徑r為0.5mm，齒槽Hqv角度為120°，齒槽Hqv位于兩齒之間，將齒分開，由切割部位、齒槽和排削部位組成的齒間空隙為碎屑的收集區(qū)，可儲存鋸下的碎屑，并通過鋸齒結(jié)構(gòu)整體的旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動將其帶出，可以更好的清潔鋸路和提高切割效率。

鋸齒形結(jié)構(gòu)一般選取高速鋼或合金鋼等金屬材料，先加工出結(jié)構(gòu)的整體模型，然后通過壓齒技術(shù)在模型上壓出齒，最后再進行開刃等就完成了加工；在整個結(jié)構(gòu)上，除齒和齒槽的其它部位就是齒背，它的主要作用是使多個齒連接在一起，同時支撐和傳遞作用力。

如圖2所示，所述的鋸齒形結(jié)構(gòu)的齒距T為6mm，齒高H為6.5mm.

圖9為本發(fā)用于圓盤鋸的示意圖

圖10為本發(fā)明用于手工鋸的示意圖。