随着“工业4.0”时代的到来,对刀具的需求也呈现出多元化的趋势,不同的加工工艺、加工材料和精度要求等所需要的刀具结构差异较大,因此需要新的技术解决刀具结构设计及制备上的难题。学者们研究发现生物牙齿、爪趾、体表、内部组织等具有省力、减磨抗磨、抗冲击破损、自锋利、高强度、高韧性等特点,为刀具的设计研发提供新思路。首先,对帽贝牙齿进行制备,提取出帽贝牙齿二维和三维结构特征,对帽贝牙齿结构特征进行细化,将帽贝牙齿结构作为刀具结构,通过Third Wave Advant Edge进行切削仿真,探究帽贝牙齿结构特征对切削过程的影响,针对切削力、切削温度、切屑卷曲半径为指标对帽贝牙齿结构参数进行优化,得到最优结构参数。通过与直线型、凸圆型、凹圆型结构进行仿真对比,证明帽贝牙齿结构在切削过程中的优异性,并完成仿生刀具的结构设计。其次,为探究帽贝牙齿内部组织结构对刀具材料强度韧性的影响,对帽贝牙齿进行切片处理,观察帽贝牙齿内部组织结构,发现帽贝牙齿具有高强度、高硬度是由于其内部增强纤维针铁矿。根据帽贝牙齿这一特性,通过对硬质合金刀具材料内添加增强相Si C晶须,提高刀具材料的力学性能,通过ABAQUS仿真,证明了仿生刀具复合材料与普通刀具材料相比具有较好的弹性模量以及较高的抗断裂能力。再次,为探究帽贝牙齿表面形貌对刀具表面摩擦磨损的影响,通过对帽贝牙齿表面进行观察,发现其表面具有绒毛形结构且绒毛的生长方向沿着牙齿的生长方向。将帽贝牙齿表面形貌与微织构刀具联系在一起,设计了与流屑方向成一定角度的沟槽型微织构形状,通过DEFORM仿真发现仿生微织构刀具可以减小切削力、切削温度及刀具磨损。最后,为验证仿生刀具的切削性能,通过五轴加工中心对仿生刀具复杂结构进行磨制,通过车削对比实验验证仿生刀具的优异性,发现仿生刀具具有省力效果,研究结果对金属切削刀具的整体设计流程提供重要的参考价值。