材料的剪切加工是目前应用最广、操作最简便、发展历程最久的材料加工方法之一。提升剪切过程的效率、降低剪切阻力、优化剪切零件性能具有非常重要的研究意义。本研究以狗獾牙齿曲线为仿生对象,利用门齿的优异剪切特性和犬齿的优异刺入特性,分别将仿生特征曲线用于实体金属材料与散体物料的剪切工具设计。同时利用激光纹理化加工和化学处理方法对表面进行强化处理,得到具有抗腐蚀、抗磨损、抗光反射的多功能表面。通过结构仿生方法和表面强化方法的共同作用,为材料剪切过程的高效化,增强零件表面多功能性,加工制备具有低阻力、高耐久性的高效剪切设备提供方案。本文的主要研究内容与获得的主要研究成果如下:(1)具有高效剪切结构的仿生原型确定,仿生曲线提取和参数化分析。本研究针对高效剪切过程的优化这一主要研究目的,结合狗獾咬合过程的优秀剪切特性,选取狗獾门齿和犬齿的相关曲线作为仿生原型进行仿生设计。利用狗獾门齿的优异剪切特性设计金属剪切刀刃口曲线;利用狗獾犬齿的优异刺入特性设计土壤侵入锥体模型外轮廓曲线。由此分别得到了仿生金属剪切刀模型和仿生土壤侵入锥体模型。(2)金属高效剪切过程优化设计。利用剪切试验和数值模拟相结合的方法,研究分析仿生剪切刀的剪切过程与仿生曲线的高效剪切机理。剪切试验中的结果表明,在同一种剪切参数下,仿生剪切刀具有更低的剪切力和侧向力。在剪切速度为30 mm/s、剪板厚度为2 mm、剪切长度为5 mm时,相比于普通剪切刀来说,仿生剪切刀的剪切力下降28.8%;仿生剪切刀的侧向力相比于普通剪切刀的侧向力下降10.4%。试验结果同时指出仿生剪切刀具有更低的加速度和切屑温度,能够保证剪切过程的稳定性和剪切刀的高寿命。通过分析剪切试验后新表面的截面形貌,可以看出仿生剪切刀剪切后的形成翻转区、毛刺区和断裂区的占比更小,而剪切区的占比更大,说明利用仿生剪切刀能够使得金属板在剪切过程中的弹性变形时间降低,同时剪切过程的时间占比更高,由此具有更高的剪切效率和剪切质量。分析仿生剪切刀与传统剪切刀的剪切力拟合曲线可以看出,仿生剪切刀的受力曲线在各个参数上具有更低的斜率,说明仿生曲线能够降低各个剪切参数对于剪切力的提升程度,从而整体降低剪切力。同时对比各项因数的下降百分比,在剪切厚度的因子下降百分比为57.14%,说明仿生剪切刀在降低剪切厚度带来的剪切力上升方面具有更优秀的表现。(3)散粒体类土壤材料的高效剪切过程优化设计。通过土壤侵入试验和数值模拟方法,测试研究仿生锥体在侵入土壤过程中的高效剪切过程,并对减阻机理进行分析。针对3种不同性质的土壤,对6种仿生锥体进行了侵入性试验,分别测定了锥体侵入过程中的阻力与土壤形态变化情况。结果表明,相比于无仿生曲线的锥体模型,5种具有不同仿生曲线仿生锥体均具有降低侵入阻力的能力。仿生锥体C、B和D(犬齿内轮廓曲线锥体模型,犬齿外轮廓曲线锥体模型,和犬齿左侧曲线锥体模型)在试验中分别针对细沙、干土、和湿土具有最低的侵入阻力,相比于锥体A(普通锥体)阻力分别降低了33.90%、22.68%和25.86%。同时对锥体侵入过程的受力曲线进行了参数化拟合,结果表明仿生锥体的受力曲线参数方程具有更低的因数值,表明仿生锥体的阻力增长速度相比于普通锥体更慢。与此同时,对于土壤被侵入后的表面进行观察分析可知,仿生锥体在侵入土壤后土壤被压缩的情况有所缓解,土壤表面抬升的更加明显,说明土壤的流动性更强,因此土壤的强度增加的较少,从而降低了侵入阻力。最后分析土壤被侵入过程的受力方向可知,仿生锥体能够改变土壤的受力方向,使得土壤受到更多向上的力,而横向的压缩力减少,解释了仿生锥体侵入后土壤流动性更强的原因。(4)零件表面优化设计方法的研究,对金属表面进行抗粘附、抗腐蚀、抗磨损等表面多功能性强化研究。为了提升表面的工作性能,结合超疏水表面的优异特性,本研究利用激光纹理化方法和化学处理方法相结合,加工制备多功能超疏水金属表面。测定激光加工过程中最优的图案间距参数和脉冲激光强度,由此可以使得本加工方式相比于目前的处理方法具有更高的加工速度,能够适应向工业化的转化过程。XPS分析表明制备后的金属表面上布满了疏水基团。设计并加工了三种不同的图案进行激光纹理化加工,利用FOTS硅烷溶液进行表面修饰。3D轮廓分析表明制备后的表面粗糙度显著上升,利用SEM观察发现加工后表面布满FOTS基团,这有效的降低了表面的表面能。多层级的纳米-微米粗糙结构和较低的表面能共同作用,为超疏水特性的获得提供基础。5)对制备的金属表面进行性能表征测试,分析了激光处理参数、纹理化图案、化学处理对于表面性能的影响。利用接触角测试、滚动角/黏着性测试、电化学腐蚀试验、潮解试验、光学实验、刻划试验等表征方法,测试表面的超疏水性、腐蚀特性、光学特性与摩擦磨损特性。结果表明制备的表面具有非常优秀的润湿性,接触角高达158o,滞后角低至2o,同时制备后的表面对于丙三醇的接触角为150o,对于机油的润湿角为130o。加工后的样品表面的滚动角低至3o,能够使表面上的液滴非常容易从表面滑落,表明样品获得了抗粘附效用。潮解试验表明样品能够抵抗海洋大气环境下或高盐土壤环境下腐蚀过程的发生,电化学试验结果证明样品获得了更低的腐蚀速率,具有优秀的抗腐蚀特性。同时样品表面的抗光反射性显著提高,在零件失效性的光学检测领域具有一定的应用价值。最后验证了样品具有优秀的机械稳定性,证明本研究中的表面强化工艺具有一定实际的工业农业生产应用价值。得到的表面能够进一步的提升剪切结构的能力与效率。