農業機械零件數控加工研究

武瑞梅

（沂水縣許家湖鎮人民政府，山東 臨沂 276402）

隨著農業現代化進程的加速推進，農業機械化已成為提高農業生產效率和降低勞動強度的關鍵。農業機械的性能和可靠性在很大程度上取決于其構成零件的質量，而傳統的機械加工方法在精度和效率方面還面臨著諸多挑戰，尤其是在處理復雜形狀和高精度要求的零件時更為突出。數控技術的發展為解決這些問題提供了新的可能性，不僅提高了加工精度，還顯著提升了生產效率和靈活性，對農業機械制造業的發展具有重要意義。

1 農業機械零件的類型和結構特點

1）軸類零件。軸是農業機械最常見的零件之一，包括轉軸、曲軸等。這些軸通常需要具有足夠的強度和剛度來支撐和傳遞動力，同時要保持良好的直線度和同心度。此外，軸的兩端還需要設計安裝軸承的部位，以減少摩擦和磨損。

2）齒輪傳動部件。齒輪傳動在農業機械中應用廣泛，主要用于將動力從發動機傳遞到其他工作部件。齒輪傳動部件由齒圈、齒輪、軸承等組成，齒圈和齒輪的齒面需要進行精密加工，以保證良好的嚙合狀態和傳動精度。

3）皮帶傳動部件。皮帶傳動常用于農業機械的傳動系統，例如驅動風扇、水泵等。皮帶傳動部件由皮帶輪、皮帶和張緊裝置組成。皮帶的材質和尺寸需要根據傳動功率和工作環境的要求進行選擇。

4）鏈條傳動部件。鏈條傳動常用于農業機械的輸送系統，例如糧食提升機、秸稈收割機等。鏈條傳動部件由鏈條、鏈輪和張緊裝置組成。鏈條需要具有足夠的強度和耐磨性，而鏈輪則需要與鏈條的節距相匹配。

5）刀具。刀具是農業機械中必不可少的工作部件，主要用于切割、挖掘、破碎等工作。常用的刀具包括割刀、犁刀、錘片等。刀具的結構特點是具有鋒利的刀刃和堅固的刀柄，同時需要根據不同的工作要求選擇合適的材料和形狀。

2 數控加工方法

2.1 數控加工技術原理

數控加工技術是通過計算機對加工過程進行精確控制的先進制造技術。在數控加工過程中，首先需要對加工零部件的圖紙進行繪制，然后進行相應的工藝處理。計算機通過數學模型和編程語言對加工過程進行描述和控制，將加工參數、加工路徑等數據轉化為數字控制程序[1]。通過伺服電機、導軌等執行機構，計算機能夠實現對加工刀具或工件在三維空間內的精確運動控制，從而實現高精度、高效率、低誤差的加工過程，如圖1 所示。

圖1 數控加工技術的基本原理

2.2 數控加工關鍵技術

2.2.1 數控編程

數控編程將加工要求轉換成機床能夠理解和執行的具體指令代碼[2]。在數控編程過程中，編程人員或工程師必須詳細定義工件的加工路徑、刀具選擇、加工速度以及進給率等參數。編程方法主要包括手動編程和使用計算機輔助制造（CAM）軟件進行自動編程。手動編程雖然靈活，但費時費力，而CAM 軟件則能夠快速生成復雜路徑和操作序列。為了提高加工效率和精度，編程過程中常采用高級算法來優化切割路徑，減少不必要的機器移動，從而節約加工時間和成本[3]。

2.2.2 刀具選擇

在數控加工中，刀具的類型、材料、幾何形狀及尺寸都會直接影響到加工的精度和表面質量。常見的刀具類型包括銑刀、鉆頭、車刀等，每種刀具都有其特定的應用場景和材料適應性。例如，硬質合金刀具在加工硬質材料時具有較好的耐用性和精度，而高速鋼刀具則更適合柔軟材料的加工。此外，刀具的幾何形狀，如切削角度、螺旋角、刃口數量等，也會影響切削過程中的力學特性和切屑排出效率。因此，正確選擇刀具對于保證加工質量和提高生產效率具有至關重要的作用。

2.3 數控加工技術優勢

數控加工技術相比于傳統的機械加工方法具有顯著的優勢。首先，數控加工提供了更高的加工精度和重復精度。通過精確的電子控制，數控機床能夠按照預設程序準確完成復雜的加工任務，這在手動操作中是難以實現的。其次，數控加工提高了生產效率和靈活性。程序一旦設定，就可以連續無誤地運行，大大減少了人工操作的需求，同時也降低了因操作失誤引起的廢品率[4]。此外，數控機床能夠快速適應不同的加工任務，只需更換程序和刀具即可開始新的生產，這對于多品種、小批量的生產尤為重要。最后，數控加工有助于降低勞動強度和提高工作環境安全性。操作人員不必直接接觸工作區域，從而減少了工傷事故的風險。

3 數控加工方法的實驗研究

3.1 實驗設計

3.1.1 實驗材料

1）鋼鐵：作為常用的農業機械材料，應選擇具有代表性的鋼鐵樣本，例如碳鋼和合金鋼[5]。

2）鋁合金：考慮到其在輕型農業機械中的廣泛應用，選擇幾種常用的鋁合金材料。

3）塑料和復合材料：選取工程塑料和常用的復合材料，以評估數控加工在非金屬材料上的應用。

對于相關實驗材料要進行材料處理，確保所有材料均為標準尺寸和形狀，以減少變量。并對金屬材料進行必要的預處理，如退火，以統一材料硬度和內部應力狀態。

3.1.2 設備選擇

1）數控機床：使用先進的數控銑床和車床，確保機床具有足夠的精度和穩定性。確認機床的功能和性能，包括其最大加工尺寸、切削速度范圍等。

2）測量設備：使用高精度的三坐標測量機和表面粗糙度測試儀進行測量，同時確保所有測量設備均經過校準，以保證測量數據的準確性[6-7]。

3.1.3 參數設置

1）切削速度：設置不同的切削速度，以評估其對加工質量和效率的影響。

2）進給速率：調整不同的進給速率，分析其對加工精度和表面質量的影響。

3）切削深度：設置多個切削深度，以觀察其對材料去除率和刀具磨損的影響。

3.2 實驗過程

1）刀具安裝與調整：根據不同材料選擇合適的刀具，并安裝在數控機床上。進行刀具長度和徑向補償設置，確保加工精度[8]。

2）樣品加工：將材料樣品固定在數控機床的工作臺上。啟動數控程序，開啟加工過程，監控加工狀態，以確保操作的順利進行。

3）加工監控：實時監控加工過程，注意刀具磨損和機床的運行狀況。在必要時進行調整，以確保加工質量和加工安全。

4）尺寸測量：加工完成后，使用三坐標測量儀對加工件進行精確的尺寸測量，記錄每個樣品的關鍵尺寸數據，如直徑、長度、高度等；使用粗糙度測量儀對加工表面進行檢測，記錄表面粗糙度值，注意標記對應的加工參數[9]。

5）數據記錄：將所有測量數據和實驗觀察數據記錄在實驗日志中，對所有非正常情況進行詳細記錄，如刀具破損、材料缺陷等。

6）樣品后處理：對加工完成的樣品進行清潔和標記，以備后續分析。將樣品妥善保存，防止受到損壞或污染。

7）數據整理與初步分析：對收集到的數據進行整理和分類，并進行初步的數據分析，評估加工參數對尺寸精度和表面粗糙度的影響。

3.3 結果與分析

3.3.1 實驗結果

根據實驗結果，切削速度與尺寸精度數據、進給率與表面粗糙度數據、切削深度與加工時間數據分別如表1、表2、表3所示。

表1 切削速度與尺寸精度數據

表2 進給率與表面粗糙度數據

3.3.2 結果分析

1）實驗數據顯示，隨著切削速度的增加，尺寸精度先升高后降低。在150 mm/min 時，尺寸精度達到最高（0.02 mm）；而在250 mm/min時，尺寸精度達到最低（0.06 mm）。這是因為過高的切削速度導致熱量增加，影響材料的穩定性和刀具的耐用性。

2）表面粗糙度在進給率為0.15 mm/rev 時達到最低（0.6 μm），表明較高的進給率有助于獲得更光滑的表面。然而，進給率過高可能導致加工效率降低。

3）加工時間隨切削深度的增加而減少。在切削深度為5 mm 時，加工時間最短（15 min），表明增加切削深度可以提高材料去除率，從而提高加工效率，但過深的切削可能會增加刀具磨損和機床負擔。

3.3.3 實驗討論

考慮到尺寸精度和刀具壽命，一個中等的切削速度（如150 mm/min）是最佳選擇；為了平衡表面質量和加工效率，0.15 mm/rev 的進給率是最優選擇；盡管較深的切削深度可以縮短加工時間，但考慮到機床和刀具的耐用性，中等切削深度（如3 mm）是更合理的選擇。

總結來說，最優的數控加工參數需要在加工效率、零件質量和設備耐用性之間取得平衡。實驗數據表明，中等水平的切削速度、進給率和切削深度是最佳的綜合選擇。然而，具體的最優參數組合還需要根據不同的材料類型、機床性能和生產需求進行調整。

4 討論與展望

4.1 實驗局限性

本實驗在探索數控加工技術在農業機械零件制造中的應用時，存在一定的局限性。首先，實驗的樣本范圍相對有限，主要集中在特定類型的材料上，例如鋼鐵和鋁合金，這不足以全面代表農業機械中使用的所有材料類型[10]。此外，實驗所用的數控機床代表了特定的技術水平，但并未覆蓋所有的數控設備類型和技術規格，這限制了結果的普適性。在參數選擇方面，雖然實驗考慮了切削速度、進給率和切削深度等關鍵參數，但還有其他因素如刀具角度、冷卻方式等未能涵蓋，這些因素同樣會對加工效果和效率產生重要影響。因此，實驗結果需要在更廣泛的條件下進行驗證和補充。

4.2 未來應用

數控加工技術在農業機械制造領域的應用前景十分廣闊。隨著人工智能和機器學習技術的快速發展，預計未來的數控加工將實現更高程度的智能化和自動化，從而提高生產效率和加工精度，同時降低人為操作的錯誤率。此外，數控技術的靈活性使得定制化生產成為可能，這對于滿足多樣化和小批量生產的需求尤為重要，特別是在農業機械這一領域，如3D打印技術。數控加工的另一個重要趨勢是對環境友好性和可持續性的追求。因而未來的數控加工技術有望通過優化加工過程來減少能源消耗和廢料產生，從而促進整個制造業的可持續發展。

4.3 對策建議

為了克服現有研究的局限性并進一步發展數控加工技術，建議未來的研究應考慮更多樣化的材料和加工工藝。這不僅可以擴大研究的適用范圍，還能提供更全面的視角來評估不同加工條件下的加工效果。此外，可以利用數據驅動的方法，如大數據分析和機器學習技術，來優化加工參數，這種 方法可以在更廣泛的工作條件下發現最佳的加工策略。同時，也應推動設備和技術的升級，比如采用更先進的數控機床和刀具，以提高加工效率和質量。通過這些方法，可以有效提高農業機械制造的質量和效率，進而推動整個行業的技術進步。

5 結論

本文通過一系列實驗研究，深入探討了數控加工方法在農業機械零件制造中的應用效果和效率。實驗結果表明，數控加工技術能夠顯著提高零件的加工精度和表面質量，同時提升生產效率。通過對不同加工參數（包括切削速度、進給率和切削深度）的研究，發現合理的參數設置對于確保加工質量和效率至關重要。

在切削速度方面，中等速度（如150 mm/min）能夠提供較高的尺寸精度，而過高或過低的速度均會導致精度下降。在進給率方面，適中的進給率（如0.15 mm/rev）有助于獲得較低的表面粗糙度，同時保持合理的加工效率。切削深度的選擇則需要在加工效率和設備負擔之間找到平衡點，中等切削深度（如3 mm）可提供較好的效果。

同時，本研究還討論了數控加工技術在農業機械領域的未來應用前景，包括其在智能化、定制化生產及環境友好性方面的潛力。雖然當前的研究存在一定的局限性，例如樣本范圍和實驗設備的限制，但結果仍為農業機械制造行業提供了有價值的見解，并指明了未來研究和技術發展的方向。

總之，數控加工技術在農業機械制造中展現出了巨大的潛力和應用價值。通過進一步的技術優化和研究，有望在提高生產效率和產品質量的同時，推動整個農業機械制造行業向著更高效、智能和可持續的方向發展。