奚旗文

(武漢職業(yè)技術學院 機電工程學院，武漢 430074)

0 引言

當前我國正處于經濟發(fā)展和改革的關鍵時期，而高端制造技術是較為薄弱的環(huán)節(jié)，現(xiàn)代機械加工制造技術還相對落后，技術創(chuàng)新較少，產品的實際壽命也往往不高。在農機零部件的設計生產過程中，很多零部件的形狀和結構較為復雜，如犁體曲面、水泵葉輪和送料螺旋等，如果采用傳統(tǒng)的機械設計和制造方法，加工工藝較為復雜，加工效率和質量都比較差。隨著科學技術的不斷進步，現(xiàn)代加工技術在機械制造行業(yè)表現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)越性，如果將其使用在農機零部件的設計加工過程中，將有效地縮短設計周期，節(jié)約加工材料，降低設計成本，對于提高農機零部件產品的質量具有重要的意義。

1 現(xiàn)代加工技術在農業(yè)機械制造中的應用

隨著機械制造自動化水平的不斷提高，現(xiàn)代加工技術被使用在很多領域，如多軸數(shù)控自動化機床和快速成型加工技術。多軸機床可以利用編程技術實現(xiàn)對復雜零件的自動化加工，而快速成型技術可以直接利用CAD設計圖樣對零件進行加工，加工過程不使用模具或者工具，并且可以生成任意復雜的機械零部件，從而有效地縮短了設計制造周期。

圖1為隆源成型制造采用激光燒結技術設計制造的缸蓋氣道模具。其利用增材的方式無需其他工具一次性燒結完成，制造效率高，成型總時間不到1天，而生成的模具效率較高。

圖1 發(fā)動機缸蓋氣道快速成型Fig.1 Rapid prototyping of engine cylinder head

圖2為隆源成型制造采用激光燒結生成的模具制造的缸蓋外模。采用模具后可以利用傳統(tǒng)的方法制造缸蓋，從最初的設計到完成缸蓋的鑄造僅用了約20天時間，大大提高了發(fā)動機缸蓋的生產制造效率?，F(xiàn)代加工技術的優(yōu)越性顯而易見，在農機零部件的設計生產過程中，很多零部件形狀較為復雜，如耕地機械、整地機械和收獲機械，復雜的零部件主要包括犁體曲面、水泵葉輪和送料螺旋等，采用傳統(tǒng)的機械加工制造方式較難達到預期的生成效果；而采用現(xiàn)代化機械加工技術有助于提高機械加工的效率和質量，降低生產設計成本，對于農機制造自動化水平的提高具有重要的意義。

圖2 發(fā)動機缸蓋鋁鑄件Fig.2 Aluminum castings of engine cylinder head

2 基于五軸加工和3D打印的現(xiàn)代機械加工技術

為了提高機械加工的自動化程度，五軸數(shù)控機床被廣泛應用到現(xiàn)代機械加工過程中。五軸加工機床對于數(shù)控程序的開發(fā)一般可以采用常用的通用型軟件如UG或者CATIA等，或者專業(yè)用型軟件MAX-5和MAX-AB等，如圖3所示。目前較為先進的五軸機床還是采用國外生產的，如葉輪的加工，這些機床都配有軟件，保密性較高，因此五軸數(shù)控機床控制程序的開發(fā)對于提高現(xiàn)代農機自主創(chuàng)新能力具有重要的意義。

圖3 國外五軸數(shù)控機床Fig.3 Five axis CNC machine tools abroad

五軸加工機床常用在農機較為復雜零部件的加工過程中，一般復雜零件都具有彎曲形狀，采用傳統(tǒng)常規(guī)的方法較難加工，在數(shù)控加工過程中經常采用曲線擬合的方法。為了提高曲線和曲面的光順性與準確性，可以采用非均有理樣條B曲線技術對農機復雜零部件進行造型和優(yōu)化，并根據(jù)加工條件，合理產生加工軌跡。為了方便計算，采用齊次坐標表達曲線Pw(u)，即

(1)

其中，Ni,k(u)表示第i個k次B有理樣條基礎函數(shù)；diw=[widi,wi],i=0,1,…,n表示帶權控制頂點。利用笛卡爾坐標的形式，將齊次坐標進行超平面w=1上的投影，將曲線投影后的表達式為

(2)

其中，wi=0,1,…,n表示控制點的權或者權因子。通過將非均勻有理B樣條曲線以張量積的形式進行推導，就可以得出NURBS曲線構造的曲面方程，即

(3)

在農機零件復雜曲面的加工過程中，如果工刀位點規(guī)劃不合理會造成加工過程的不合理性：如刀位間距過大會造成加工精度降低；如刀位點間距較小，會造成走刀數(shù)量過多，信息量過大，降低加工效率。因此，合理的步長和間距是保證加工精度和效率的主要保證，在五軸數(shù)控加工過程中，刀具的走刀步長計算原理如圖4所示。

圖4 走刀步長計算原理Fig.4 The principle of calculating the step length of a cutter

在確定刀位點軌跡時，走刀步長要通過內外公差來確定，將驅動曲線進行刀位點離散。當驅動點的大小滿足內外公差的要求時，可以確定走刀步長，其計算公式為

(4)

(5)

其中，ε為加工誤差；Rf為曲面曲率；R為刀具半徑。

如圖5所示，在農機復雜零部件的加工過程中，重要的一步是曲線的擬合和刀具點的反算，生成造型曲面，然后生成整個加工零件，其整個過程可以實現(xiàn)自動化加工。除了五軸加工，還有一種更加簡便高效的機械加工方法便是3D打印技術，特別是在一些農機復雜零件模具的制造方面，3D打印技術表現(xiàn)出了較大的優(yōu)越性。

圖5 農機復雜零部件五軸加工流程Fig.5 Five axis machining process of complex parts of agricultural machinery

圖6為快速成型的3D打印機。近年來，通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結合，該技術已成為現(xiàn)代機械零件制造的一種高效的方法，將其使用在農機現(xiàn)代加工技術中，將大大提高機械的加工效率。

圖6 快速成型3D打印機Fig.6 Rapid prototyping 3D printer

圖7為3D打印零件的基本加工流程。3D打印主要采用分層加工的方式，其加工方式為增料式加工，可以節(jié)省大量的原材料，將其使用在農機復雜零部件的加工過程中，可以有效提高零部件的加工精度和效率。

圖7 3D打印零件加工基本流程圖Fig.7 The basic flow chart of 3D printing parts processing

3 基于現(xiàn)代加工技術的農機零部件加工

采用現(xiàn)代加工方法可以實現(xiàn)農機復雜零部件加工制造，如采用五軸數(shù)控機床對葉輪進行加工，采用數(shù)控加工機床加工復雜零件時軌跡規(guī)劃是非常重要的。刀具軌跡規(guī)劃過程采用通用型UG軟件對其進行造型編程，然后利用VERICUT軟件對刀具軌跡進行仿真和優(yōu)化，檢查加工誤差，確定加工路徑最優(yōu)后可以對葉輪零件進行加工。其加工過程如圖8所示。

圖8 葉輪數(shù)控加工Fig.8 Numerical control machining of impeller

由于葉輪的結構較為復雜，需要采用五軸數(shù)控機床進行加工，利用軟件規(guī)劃好刀具走刀路徑可以實現(xiàn)自動化加工。還有一些較為復雜的農機零部件，如發(fā)動機的彎管，可以采用3D打印技術。

發(fā)動機彎管的結構較為復雜(見圖9)，如果采用普通的加工方式，加工工藝的規(guī)劃較為復雜；而如果采用3D打印的方法，可以方便快捷的加工出零部件，如圖10所示。

圖9 發(fā)動機彎管實物圖Fig.9 The object diagram of engine elbow

圖10 3D打印發(fā)動機彎管Fig.10 The 3D printing of engine elbow

采用3D打印技術可以加工出形狀復雜的彎管裝置，其加工過程簡單方便，無需復雜的加工工藝規(guī)劃，且采用增材式的加工方式，可以節(jié)省大量的原材料。

為了驗證農機零部件現(xiàn)代化加工方法的可靠性，對傳統(tǒng)加工方法、五軸數(shù)控加工方法和3D打印方法進行了對比，包括加工時間和最大誤差，如表1所示。

表1 不同加工方法對比Table 1 Comparison of different processing methods

由對比結果發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)方法相比采用五軸加工和3D打印技術可以明顯縮短農機零部件的加工周期，降低加工誤差；而3種加工方式中，3D打印耗時最短，五軸加工的加工精度最高，從而驗證了現(xiàn)代加工方法的可靠性。

4 結論

為了提高復雜農機零部件的加工效率，提高農機制造的自動化水平，將現(xiàn)代加工技術引入到了農機復雜零部件的設計加工過程中。本文主要介紹了五軸數(shù)控加工技術加工農機的葉輪，采用3D打印技術加工農機發(fā)動機的彎管，最后對方案的可行性進行了驗證。將農機零部件的現(xiàn)代加工技術和傳統(tǒng)加工技術進行了對比，結果表明：采用現(xiàn)代加工技術可以有效地提高加工質量，縮短加工周期，節(jié)省加工成本。