農(nóng)機(jī)零部件現(xiàn)代加工技術(shù)研究

奚旗文

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

當(dāng)前我國正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改革的關(guān)鍵時期，而高端制造技術(shù)是較為薄弱的環(huán)節(jié)，現(xiàn)代機(jī)械加工制造技術(shù)還相對落后，技術(shù)創(chuàng)新較少，產(chǎn)品的實(shí)際壽命也往往不高。在農(nóng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，很多零部件的形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(jī)械設(shè)計(jì)和制造方法，加工工藝較為復(fù)雜，加工效率和質(zhì)量都比較差。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代加工技術(shù)在機(jī)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(nóng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)加工過程中，將有效地縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約加工材料，降低設(shè)計(jì)成本，對于提高農(nóng)機(jī)零部件產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要的意義。

1 現(xiàn)代加工技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造中的應(yīng)用

隨著機(jī)械制造自動化水平的不斷提高，現(xiàn)代加工技術(shù)被使用在很多領(lǐng)域，如多軸數(shù)控自動化機(jī)床和快速成型加工技術(shù)。多軸機(jī)床可以利用編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜零件的自動化加工，而快速成型技術(shù)可以直接利用CAD設(shè)計(jì)圖樣對零件進(jìn)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(fù)雜的機(jī)械零部件，從而有效地縮短了設(shè)計(jì)制造周期。

圖1為隆源成型制造采用激光燒結(jié)技術(shù)設(shè)計(jì)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(jié)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(jī)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(jié)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(shè)計(jì)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(jī)缸蓋的生產(chǎn)制造效率?，F(xiàn)代加工技術(shù)的優(yōu)越性顯而易見，在農(nóng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，很多零部件形狀較為復(fù)雜，如耕地機(jī)械、整地機(jī)械和收獲機(jī)械，復(fù)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(jī)械加工制造方式較難達(dá)到預(yù)期的生成效果；而采用現(xiàn)代化機(jī)械加工技術(shù)有助于提高機(jī)械加工的效率和質(zhì)量，降低生產(chǎn)設(shè)計(jì)成本，對于農(nóng)機(jī)制造自動化水平的提高具有重要的意義。

圖2 發(fā)動機(jī)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(jī)械加工技術(shù)

為了提高機(jī)械加工的自動化程度，五軸數(shù)控機(jī)床被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代機(jī)械加工過程中。五軸加工機(jī)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(jìn)的五軸機(jī)床還是采用國外生產(chǎn)的，如葉輪的加工，這些機(jī)床都配有軟件，保密性較高，因此五軸數(shù)控機(jī)床控制程序的開發(fā)對于提高現(xiàn)代農(nóng)機(jī)自主創(chuàng)新能力具有重要的意義。

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

五軸加工機(jī)床常用在農(nóng)機(jī)較為復(fù)雜零部件的加工過程中，一般復(fù)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(jīng)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(zhǔn)確性，可以采用非均有理樣條B曲線技術(shù)對農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件進(jìn)行造型和優(yōu)化，并根據(jù)加工條件，合理產(chǎn)生加工軌跡。為了方便計(jì)算，采用齊次坐標(biāo)表達(dá)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(chǔ)函數(shù)；diw=[widi,wi],i=0,1,…,n表示帶權(quán)控制頂點(diǎn)。利用笛卡爾坐標(biāo)的形式，將齊次坐標(biāo)進(jìn)行超平面w=1上的投影，將曲線投影后的表達(dá)式為

(2)

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

(3)

在農(nóng)機(jī)零件復(fù)雜曲面的加工過程中，如果工刀位點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算原理如圖4所示。

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

在確定刀位點(diǎn)軌跡時，走刀步長要通過內(nèi)外公差來確定，將驅(qū)動曲線進(jìn)行刀位點(diǎn)離散。當(dāng)驅(qū)動點(diǎn)的大小滿足內(nèi)外公差的要求時，可以確定走刀步長，其計(jì)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(nóng)機(jī)復(fù)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(diǎn)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(shí)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(jī)械加工方法便是3D打印技術(shù)，特別是在一些農(nóng)機(jī)復(fù)雜零件模具的制造方面，3D打印技術(shù)表現(xiàn)出了較大的優(yōu)越性。

圖5 農(nóng)機(jī)復(fù)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(jī)。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(jié)合，該技術(shù)已成為現(xiàn)代機(jī)械零件制造的一種高效的方法，將其使用在農(nóng)機(jī)現(xiàn)代加工技術(shù)中，將大大提高機(jī)械的加工效率。

圖6 快速成型3D打印機(jī)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(nóng)機(jī)復(fù)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(shù)的農(nóng)機(jī)零部件加工

采用現(xiàn)代加工方法可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件加工制造，如采用五軸數(shù)控機(jī)床對葉輪進(jìn)行加工，采用數(shù)控加工機(jī)床加工復(fù)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(jìn)行造型編程，然后利用VERICUT軟件對刀具軌跡進(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要采用五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，利用軟件規(guī)劃好刀具走刀路徑可以實(shí)現(xiàn)自動化加工。還有一些較為復(fù)雜的農(nóng)機(jī)零部件，如發(fā)動機(jī)的彎管，可以采用3D打印技術(shù)。

發(fā)動機(jī)彎管的結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(fù)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(jī)彎管實(shí)物圖Fig.9 The object diagram of engine elbow

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

采用3D打印技術(shù)可以加工出形狀復(fù)雜的彎管裝置，其加工過程簡單方便，無需復(fù)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(yàn)證農(nóng)機(jī)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(jìn)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(jié)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(shù)可以明顯縮短農(nóng)機(jī)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(yàn)證了現(xiàn)代加工方法的可靠性。

4 結(jié)論

為了提高復(fù)雜農(nóng)機(jī)零部件的加工效率，提高農(nóng)機(jī)制造的自動化水平，將現(xiàn)代加工技術(shù)引入到了農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件的設(shè)計(jì)加工過程中。本文主要介紹了五軸數(shù)控加工技術(shù)加工農(nóng)機(jī)的葉輪，采用3D打印技術(shù)加工農(nóng)機(jī)發(fā)動機(jī)的彎管，最后對方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。將農(nóng)機(jī)零部件的現(xiàn)代加工技術(shù)和傳統(tǒng)加工技術(shù)進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：采用現(xiàn)代加工技術(shù)可以有效地提高加工質(zhì)量，縮短加工周期，節(jié)省加工成本。