0 引言

 

    精密播种机按照其工作原理主要分为气力式、振动式和机械式。由于价格及可靠性的优势，机械式播种机仍是市场上的主要机型。型孔排种轮是机械式排种器的核心部件，设计出满足要求的型孔多为不规则的。对于型孔排种轮的加工，采用便于加工的规则型孔不能满足所有作物的播种要求；若想满足播种质量要求，传统的加工方法主要是开模铸造，或利用多轴联动加工中心，但传统的加工方法难度大，加工成本高。随着快速成型(rapid prototyping，RP)技术的成熟，利用方便、快捷的三维打印(three dimensional printing，3DP)技术进行型孔排种轮的加工制造成为可能。

 

    三维打印(3DP)技术是一种基于喷射技术，从喷嘴喷射出液态微滴或连续的熔融材料束，按一定路径逐层堆积成形的RP技术。基于喷射技术的三维打印成形(3DP)技术由于其设备和材料便宜、运行成本低、操作简单、成形无污染、适合办公室环境，且打印速度快，可制作精细、复杂的零件，已成为近年来RP行业研究和应用的热点。该技术已在工艺品制作业、模具工业、医学工程、制药工业、汽车工业和航天工业等多领域都有广泛的应用。

 

    本文运用三维软件Pro/E创建型孔排种轮的虚拟模型(看得见，摸不着)，并把模型文件导入三维打印机前处理软件内进行分层处理，并通过三维打印机打印出物理实体(看得见，摸得着)。利用三维打印(3DP)技术不仅解决型孔排种轮加工制造的问题，也为其他复杂农机产品(如犁体曲面、旋耕机旋刀、喷灌头、水泵叶轮和送料螺旋等)设计与制造提供了广阔应用前景。

 

1 3DP技术的工作原理及过程

 

1.1 3DP成形技术的基本原理

 

    三维打印也称粉末材料选择性黏结，其工作原理：喷头在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射黏结剂，使部分粉末黏结，形成截面层。一层完成后，工作台下降一个层厚，铺粉，喷黏结剂，再进行后一层的黏结，如此循环形成三维产品。黏结得到的制件要置于加热炉中，作进一步的固化或烧结，以提高黏结强度。

 

1.2 3DP成形工艺的工作过程

 

    3DP技术是一个多学科交叉的系统工程，涉及CAD/CAM技术、数据处理技术、材料技术、激光技术和计算机软件技术等，其成形工艺过程包括模型设计、分层切片、数据准备、打印模型及后处理等步骤。

 

    在采用3DP设备制件前，必须对CAD三维模型进行数据处理。由UG，Pro/E等三维软件生成CAD模型，并输出.stl文件，必要时需采用专用软件对.stl文件进行检查并修正错误。但此时生成的.stl文件还不能直接用于三维打印，必须采用前处理软件对其进行分层。层厚大，精度低，但成形时间短；相反，层厚小，精度高，但成形时间长。分层后得到的只是原型一定高度的外形轮廓，此时还必须对其内部进行填充，最终得到三维打印数据文件。

 

    3DP具体工作过程依次为：采集粉末原料；将粉末铺平到打印区域；打印机喷头在模型横截面定位，喷黏结剂；送粉活塞上升一层，实体模型下降一层以继续打印；重复上述过程直至模型打印完毕；去除多余粉末，固化模型，进行后处理操作。

 

2 型孔排种轮三维模型的创建

 

    型孔排种轮主要由轮体、型孔、清种槽和导种槽等组成(图1)，总体积约为150cm3，轮休外径100mm，内径80mm，厚度50mm，其两侧分别开有4个安装孔φ4mm，表面分别有相同5排型孔组合，每排型孔组合有16个大小和位置都不同的椭圆形型孔(图2)，椭圆长轴为9.5～11mm，短轴为3.5～5mm，深度为2.5～4mm，均匀分布在排种轮的圆周上。其中，有2排型孔组合开有清种槽，另2排型孔组合开有导种槽。

 

图1 型孔排种轮三维模型

 

    应用三维软件Pro/E分别对轮体、安装孔、型孔、清种槽和导种槽进行参数化建模。

 

    创建模型步骤如下：

 

    创建轮体：1)拉伸(extrude，填充村料)外径φ100mm轮体，其厚度为50mm；2)拉伸(extrude。去除材料)内径φ80mm内轮廓。

 

    创建安装孔：1)拉伸(extrude，去除材料)φ4mm安装孔；2)在轮体一面沿圆周阵列(array)；3)对一面的安装孔镜像(mirror)到轮体的另一面。

 

图2 椭圆型孔截面图

 

    创建型孔：1)建立基准平面，草绘二维椭圆，拉伸(extrude，去除材料)一个椭圆型孔：2)沿圆周复制(vieq)15个椭圆型孔，圆周分布的16个椭圆型孔相互独立，每个型孔能够单一进行参数的修改；3)16个在同一圆周面上的型孔群为一组，沿轴方向均匀阵列(array)每组型孔群成5排。

 

    创建清种槽和导种槽：1)旋转(rotate)；2)沿轴方向阵列(array)。

 

    模型创建完成后，保存为.stl文件格式，命名为xingkong，其中，设定弦高为0，然后该值会被系统自动设定为可接受的最小值。设定角度控制(Angle Control)为1。

 

3 型孔排种轮的制造

 

3.1 打印设备及前处理软件

 

    打印设备为美固Stratasys公司的Dimension Elite三维打印机(图3)。Elite机型为Dimemion三维打印机系列中最高端的型号。其最大打印尺寸为203mm×203mm×305mm，精度达到0.08mm，设备使用高强度材料ABSPIus，密度为1.08g/cm3，其强度达到原有ABS材料的140%，以及最新的SST(溶解式支撑系统)系统。支撑材料在打印完毕后可以通过特定的溶液进行清理，将成型样件的表面光滑度与可测试性提升到一个新的高度，打印出成品的全过程无需任何手工处理工序。

 

    前处理分层软件为随机配置CatalystEX模型分析计算软件，通过该软件可以随意修改模型的分层参数和放置位置等，自动算出消耗的材料及加工时间，并能够实现与打印机网络连接。

图3 Dimension Elite三维打印机

 

3.2 型孔排种轮的制造

 

    型孔排种轮制造过程：1)型孔排种轮模型xingkong.stl文件；2)前处理软件；3)三维打印机；4)型孔排种轮物理实体。

 

    把保存的xingkong.stl文件在CatalystEX模型分析计算软件中打开，设置分层参数，并进行分层处理，并通过安装了该软件的电脑与Dimension Elite三维打印机进行网络连接，把分层处理后的文件传输到打印机内部。打印机的工作前期准备完成后，读取传输到内部的文件，进行打印。

 

    经过一段时间的工作，三维打印机制造的型孔排种轮一次成型，其分层处理效果及加工后实体如图4、图5所示。利用精度为0.05mm的游标卡尺分别测量每个型孔排种轮参数10次，求其平均值，得到加工误差<0.1%；利用SJ-201表面粗糙度检测仪表面粗糙度Ra:1.6-3.2；采用高强度材料ABSPlus的型孔排种轮耐磨性好，完全满足排种器对型孔排种轮的耐磨强度要求。该型孔排种轮总体积为150cm3，材料价格为150元左右。加工时间为8-9h(加工时间长短与分层参数有关)。该加工方式价格合理，节约加工时间。

 

图4 型孔排种轮分层处理效果图

 

图5 型孔排种轮物理实体

 

4 结论

 

    1)传统方法对不规则型孔的加工周期长，精度低；而利用三维打印(3DP)技术对不规则型孔的排种轮进行加工制造，加工误差<0.1%，表面粗糙度1.6-3.2，缩短了加工周期，提高了加工精度，完全满足排种器对型孔排种轮的要求。

 

    2)利用三维打印(3DP)技术不仅解决型孔排种轮加工制造的问题，也为其他较复杂形状的农机产品设计与制造提供了广阔应用前景。