0 引言
精密播種機按照其工作原理主要分為氣力式、振動式和機械式。由于價格及可靠性的優勢，機械式播種機仍是市場上的主要機型。型孔排種輪是機械式排種器的核心部件，設計出滿足要求的型孔多為不規則的。對于型孔排種輪的加工，采用便于加工的規則型孔不能滿足所有作物的播種要求；若想滿足播種質量要求，傳統的加工方法主要是開模鑄造，或利用多軸聯動加工中心，但傳統的加工方法難度大，加工成本高。隨著快速成型(rapid prototyping，RP)技術的成熟，利用方便、快捷的三維打印(three dimensional printing，3DP)技術進行型孔排種輪的加工制造成為可能。
三維打印(3DP)技術是一種基于噴射技術，從噴嘴噴射出液態微滴或連續的熔融材料束，按一定路徑逐層堆積成形的RP技術。基于噴射技術的三維打印成形(3DP)技術由于其設備和材料便宜、運行成本低、操作簡單、成形無污染、適合辦公室環境，且打印速度快，可制作精細、復雜的零件，已成為近年來RP行業研究和應用的熱點。該技術已在工藝品制作業、模具工業、醫學工程、制藥工業、汽車工業和航天工業等多領域都有廣泛的應用。
本文運用三維軟件Pro/E創建型孔排種輪的虛擬模型(看得見，摸不著)，并把模型文件導入三維打印機前處理軟件內進行分層處理，并通過三維打印機打印出物理實體(看得見，摸得著)。利用三維打印(3DP)技術不僅解決型孔排種輪加工制造的問題，也為其他復雜農機產品(如犁體曲面、旋耕機旋刀、噴灌頭、水泵葉輪和送料螺旋等)設計與制造提供了廣闊應用前景。
1 3DP技術的工作原理及過程
1.1 3DP成形技術的基本原理
三維打印也稱粉末材料選擇性黏結，其工作原理：噴頭在計算機的控制下，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劑，使部分粉末黏結，形成截面層。一層完成后，工作臺下降一個層厚，鋪粉，噴黏結劑，再進行后一層的黏結，如此循環形成三維產品。黏結得到的制件要置于加熱爐中，作進一步的固化或燒結，以提高黏結強度。
1.2 3DP成形工藝的工作過程
3DP技術是一個多學科交叉的系統工程，涉及CAD/CAM技術、數據處理技術、材料技術、激光技術和計算機軟件技術等，其成形工藝過程包括模型設計、分層切片、數據準備、打印模型及后處理等步驟。
在采用3DP設備制件前，必須對CAD三維模型進行數據處理。由UG，Pro/E等三維軟件生成CAD模型，并輸出.stl文件，必要時需采用專用軟件對.stl文件進行檢查并修正錯誤。但此時生成的.stl文件還不能直接用于三維打印，必須采用前處理軟件對其進行分層。層厚大，精度低，但成形時間短；相反，層厚小，精度高，但成形時間長。分層后得到的只是原型一定高度的外形輪廓，此時還必須對其內部進行填充，最終得到三維打印數據文件。
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域；打印機噴頭在模型橫截面定位，噴黏結劑；送粉活塞上升一層，實體模型下降一層以繼續打印；重復上述過程直至模型打印完畢；去除多余粉末，固化模型，進行后處理操作。
2 型孔排種輪三維模型的創建
型孔排種輪主要由輪體、型孔、清種槽和導種槽等組成(圖1)，總體積約為150cm3，輪休外徑100mm，內徑80mm，厚度50mm，其兩側分別開有4個安裝孔φ4mm，表面分別有相同5排型孔組合，每排型孔組合有16個大小和位置都不同的橢圓形型孔(圖2)，橢圓長軸為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排型孔組合開有導種槽。
圖1 型孔排種輪三維模型
應用三維軟件Pro/E分別對輪體、安裝孔、型孔、清種槽和導種槽進行參數化建模。
創建模型步驟如下：
創建輪體：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)內徑φ80mm內輪廓。
創建安裝孔：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
創建型孔：1)建立基準平面，草繪二維橢圓，拉伸(extrude，去除材料)一個橢圓型孔：2)沿圓周復制(vieq)15個橢圓型孔，圓周分布的16個橢圓型孔相互獨立，每個型孔能夠單一進行參數的修改；3)16個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。
創建清種槽和導種槽：1)旋轉(rotate)；2)沿軸方向陣列(array)。
模型創建完成后，保存為.stl文件格式，命名為xingkong，其中，設定弦高為0，然后該值會被系統自動設定為可接受的最小值。設定角度控制(Angle Control)為1。
3 型孔排種輪的制造
3.1 打印設備及前處理軟件
打印設備為美固Stratasys公司的Dimension Elite三維打印機(圖3)。Elite機型為Dimemion三維打印機系列中最高端的型號。其最大打印尺寸為203mm×203mm×305mm，精度達到0.08mm，設備使用高強度材料ABSPIus，密度為1.08g/cm3，其強度達到原有ABS材料的140%，以及最新的SST(溶解式支撐系統)系統。支撐材料在打印完畢后可以通過特定的溶液進行清理，將成型樣件的表面光滑度與可測試性提升到一個新的高度，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配置CatalystEX模型分析計算軟件，通過該軟件可以隨意修改模型的分層參數和放置位置等，自動算出消耗的材料及加工時間，并能夠實現與打印機網絡連接。
圖3 Dimension Elite三維打印機
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；4)型孔排種輪物理實體。
把保存的xingkong.stl文件在CatalystEX模型分析計算軟件中打開，設置分層參數，并進行分層處理，并通過安裝了該軟件的電腦與Dimension Elite三維打印機進行網絡連接，把分層處理后的文件傳輸到打印機內部。打印機的工作前期準備完成后，讀取傳輸到內部的文件，進行打印。
經過一段時間的工作，三維打印機制造的型孔排種輪一次成型，其分層處理效果及加工后實體如圖4、圖5所示。利用精度為0.05mm的游標卡尺分別測量每個型孔排種輪參數10次，求其平均值，得到加工誤差<0.1%；利用SJ-201表面粗糙度檢測儀表面粗糙度Ra:1.6-3.2；采用高強度材料ABSPlus的型孔排種輪耐磨性好，完全滿足排種器對型孔排種輪的耐磨強度要求。該型孔排種輪總體積為150cm3，材料價格為150元左右。加工時間為8-9h(加工時間長短與分層參數有關)。該加工方式價格合理，節約加工時間。
圖4 型孔排種輪分層處理效果圖
圖5 型孔排種輪物理實體
4 結論
1)傳統方法對不規則型孔的加工周期長，精度低；而利用三維打印(3DP)技術對不規則型孔的排種輪進行加工制造，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，完全滿足排種器對型孔排種輪的要求。
2)利用三維打印(3DP)技術不僅解決型孔排種輪加工制造的問題，也為其他較復雜形狀的農機產品設計與制造提供了廣闊應用前景。
