0 引言
精密播種機(jī)按照其工作原理主要分為氣力式、振動(dòng)式和機(jī)械式。由于價(jià)格及可靠性的優(yōu)勢(shì)，機(jī)械式播種機(jī)仍是市場(chǎng)上的主要機(jī)型。型孔排種輪是機(jī)械式排種器的核心部件，設(shè)計(jì)出滿足要求的型孔多為不規(guī)則的。對(duì)于型孔排種輪的加工，采用便于加工的規(guī)則型孔不能滿足所有作物的播種要求；若想滿足播種質(zhì)量要求，傳統(tǒng)的加工方法主要是開模鑄造，或利用多軸聯(lián)動(dòng)加工中心，但傳統(tǒng)的加工方法難度大，加工成本高。隨著快速成型(rapid prototyping，RP)技術(shù)的成熟，利用方便、快捷的三維打印(three dimensional printing，3DP)技術(shù)進(jìn)行型孔排種輪的加工制造成為可能。
三維打印(3DP)技術(shù)是一種基于噴射技術(shù)，從噴嘴噴射出液態(tài)微滴或連續(xù)的熔融材料束，按一定路徑逐層堆積成形的RP技術(shù)。基于噴射技術(shù)的三維打印成形(3DP)技術(shù)由于其設(shè)備和材料便宜、運(yùn)行成本低、操作簡(jiǎn)單、成形無污染、適合辦公室環(huán)境，且打印速度快，可制作精細(xì)、復(fù)雜的零件，已成為近年來RP行業(yè)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。該技術(shù)已在工藝品制作業(yè)、模具工業(yè)、醫(yī)學(xué)工程、制藥工業(yè)、汽車工業(yè)和航天工業(yè)等多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
本文運(yùn)用三維軟件Pro/E創(chuàng)建型孔排種輪的虛擬模型(看得見，摸不著)，并把模型文件導(dǎo)入三維打印機(jī)前處理軟件內(nèi)進(jìn)行分層處理，并通過三維打印機(jī)打印出物理實(shí)體(看得見，摸得著)。利用三維打印(3DP)技術(shù)不僅解決型孔排種輪加工制造的問題，也為其他復(fù)雜農(nóng)機(jī)產(chǎn)品(如犁體曲面、旋耕機(jī)旋刀、噴灌頭、水泵葉輪和送料螺旋等)設(shè)計(jì)與制造提供了廣闊應(yīng)用前景。
1 3DP技術(shù)的工作原理及過程
1.1 3DP成形技術(shù)的基本原理
三維打印也稱粉末材料選擇性黏結(jié)，其工作原理：噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，在鋪好的一層粉末材料上，有選擇性地噴射黏結(jié)劑，使部分粉末黏結(jié)，形成截面層。一層完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，鋪粉，噴黏結(jié)劑，再進(jìn)行后一層的黏結(jié)，如此循環(huán)形成三維產(chǎn)品。黏結(jié)得到的制件要置于加熱爐中，作進(jìn)一步的固化或燒結(jié)，以提高黏結(jié)強(qiáng)度。
1.2 3DP成形工藝的工作過程
3DP技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程，涉及CAD/CAM技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、材料技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等，其成形工藝過程包括模型設(shè)計(jì)、分層切片、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、打印模型及后處理等步驟。
在采用3DP設(shè)備制件前，必須對(duì)CAD三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由UG，Pro/E等三維軟件生成CAD模型，并輸出.stl文件，必要時(shí)需采用專用軟件對(duì).stl文件進(jìn)行檢查并修正錯(cuò)誤。但此時(shí)生成的.stl文件還不能直接用于三維打印，必須采用前處理軟件對(duì)其進(jìn)行分層。層厚大，精度低，但成形時(shí)間短；相反，層厚小，精度高，但成形時(shí)間長(zhǎng)。分層后得到的只是原型一定高度的外形輪廓，此時(shí)還必須對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行填充，最終得到三維打印數(shù)據(jù)文件。
3DP具體工作過程依次為：采集粉末原料；將粉末鋪平到打印區(qū)域；打印機(jī)噴頭在模型橫截面定位，噴黏結(jié)劑；送粉活塞上升一層，實(shí)體模型下降一層以繼續(xù)打印；重復(fù)上述過程直至模型打印完畢；去除多余粉末，固化模型，進(jìn)行后處理操作。
2 型孔排種輪三維模型的創(chuàng)建
型孔排種輪主要由輪體、型孔、清種槽和導(dǎo)種槽等組成(圖1)，總體積約為150cm3，輪休外徑100mm，內(nèi)徑80mm，厚度50mm，其兩側(cè)分別開有4個(gè)安裝孔φ4mm，表面分別有相同5排型孔組合，每排型孔組合有16個(gè)大小和位置都不同的橢圓形型孔(圖2)，橢圓長(zhǎng)軸為9.5～11mm，短軸為3.5～5mm，深度為2.5～4mm，均勻分布在排種輪的圓周上。其中，有2排型孔組合開有清種槽，另2排型孔組合開有導(dǎo)種槽。
圖1 型孔排種輪三維模型
應(yīng)用三維軟件Pro/E分別對(duì)輪體、安裝孔、型孔、清種槽和導(dǎo)種槽進(jìn)行參數(shù)化建模。
創(chuàng)建模型步驟如下：
創(chuàng)建輪體：1)拉伸(extrude，填充村料)外徑φ100mm輪體，其厚度為50mm；2)拉伸(extrude。去除材料)內(nèi)徑φ80mm內(nèi)輪廓。
創(chuàng)建安裝孔：1)拉伸(extrude，去除材料)φ4mm安裝孔；2)在輪體一面沿圓周陣列(array)；3)對(duì)一面的安裝孔鏡像(mirror)到輪體的另一面。
圖2 橢圓型孔截面圖
創(chuàng)建型孔：1)建立基準(zhǔn)平面，草繪二維橢圓，拉伸(extrude，去除材料)一個(gè)橢圓型孔：2)沿圓周復(fù)制(vieq)15個(gè)橢圓型孔，圓周分布的16個(gè)橢圓型孔相互獨(dú)立，每個(gè)型孔能夠單一進(jìn)行參數(shù)的修改；3)16個(gè)在同一圓周面上的型孔群為一組，沿軸方向均勻陣列(array)每組型孔群成5排。
創(chuàng)建清種槽和導(dǎo)種槽：1)旋轉(zhuǎn)(rotate)；2)沿軸方向陣列(array)。
模型創(chuàng)建完成后，保存為.stl文件格式，命名為xingkong，其中，設(shè)定弦高為0，然后該值會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定為可接受的最小值。設(shè)定角度控制(Angle Control)為1。
3 型孔排種輪的制造
3.1 打印設(shè)備及前處理軟件
打印設(shè)備為美固Stratasys公司的Dimension Elite三維打印機(jī)(圖3)。Elite機(jī)型為Dimemion三維打印機(jī)系列中最高端的型號(hào)。其最大打印尺寸為203mm×203mm×305mm，精度達(dá)到0.08mm，設(shè)備使用高強(qiáng)度材料ABSPIus，密度為1.08g/cm3，其強(qiáng)度達(dá)到原有ABS材料的140%，以及最新的SST(溶解式支撐系統(tǒng))系統(tǒng)。支撐材料在打印完畢后可以通過特定的溶液進(jìn)行清理，將成型樣件的表面光滑度與可測(cè)試性提升到一個(gè)新的高度，打印出成品的全過程無需任何手工處理工序。
前處理分層軟件為隨機(jī)配置CatalystEX模型分析計(jì)算軟件，通過該軟件可以隨意修改模型的分層參數(shù)和放置位置等，自動(dòng)算出消耗的材料及加工時(shí)間，并能夠?qū)崿F(xiàn)與打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。
圖3 Dimension Elite三維打印機(jī)
3.2 型孔排種輪的制造
型孔排種輪制造過程：1)型孔排種輪模型xingkong.stl文件；2)前處理軟件；3)三維打印機(jī)；4)型孔排種輪物理實(shí)體。
把保存的xingkong.stl文件在CatalystEX模型分析計(jì)算軟件中打開，設(shè)置分層參數(shù)，并進(jìn)行分層處理，并通過安裝了該軟件的電腦與Dimension Elite三維打印機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，把分層處理后的文件傳輸?shù)酱蛴C(jī)內(nèi)部。打印機(jī)的工作前期準(zhǔn)備完成后，讀取傳輸?shù)絻?nèi)部的文件，進(jìn)行打印。
經(jīng)過一段時(shí)間的工作，三維打印機(jī)制造的型孔排種輪一次成型，其分層處理效果及加工后實(shí)體如圖4、圖5所示。利用精度為0.05mm的游標(biāo)卡尺分別測(cè)量每個(gè)型孔排種輪參數(shù)10次，求其平均值，得到加工誤差<0.1%；利用SJ-201表面粗糙度檢測(cè)儀表面粗糙度Ra:1.6-3.2；采用高強(qiáng)度材料ABSPlus的型孔排種輪耐磨性好，完全滿足排種器對(duì)型孔排種輪的耐磨強(qiáng)度要求。該型孔排種輪總體積為150cm3，材料價(jià)格為150元左右。加工時(shí)間為8-9h(加工時(shí)間長(zhǎng)短與分層參數(shù)有關(guān))。該加工方式價(jià)格合理，節(jié)約加工時(shí)間。
圖4 型孔排種輪分層處理效果圖
圖5 型孔排種輪物理實(shí)體
4 結(jié)論
1)傳統(tǒng)方法對(duì)不規(guī)則型孔的加工周期長(zhǎng)，精度低；而利用三維打印(3DP)技術(shù)對(duì)不規(guī)則型孔的排種輪進(jìn)行加工制造，加工誤差<0.1%，表面粗糙度1.6-3.2，縮短了加工周期，提高了加工精度，完全滿足排種器對(duì)型孔排種輪的要求。
2)利用三維打印(3DP)技術(shù)不僅解決型孔排種輪加工制造的問題，也為其他較復(fù)雜形狀的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造提供了廣闊應(yīng)用前景。
