中国现代化离不开农业农村现代化,现代农机装备是实现我国农业农村现代化的重要基础,而关键零部件核心材料制备与加工技术是制约我国现代农机装备发展的重要因素,其中割刀作为作物收获机械的关键零部件,直接影响到整机的工作效率和作业效果。目前国产割刀材料制备及加工工艺与国外相比仍存在较大差距,研制新型自磨锐割刀,提高国产农作物收获机械的工作可靠性,已成为我国实施乡村振兴战略、实现农业农村现代化亟需解决的难题。基于此,本文采用真空复合轧制与稀土催渗碳氮硼共渗两种工艺分别制备出旋转式割草机自磨锐割刀,并对两种梯度材料割刀的显微组织、硬度分布及摩擦磨损性能进行了检测与分析,利用ANSYS有限元分析软件,对割刀作业过程中刃具/茎秆的力学特性进行了仿真模拟,对割刀结构与运动参数进行了优化设计,并进行了田间试验验证,研究内容及结论如下:(1)以旋转式割草机为例,对无支撑割刀作业过程中的切割机制进行了计算机仿真模拟,研究了割刀结构参数及运动参数(刃口角、刃口曲率半径、切割速度、刀盘转速等)对切割力学特性的影响规律。结果表明,刃口曲率半径和刃口角是影响割刀锋锐性重要的结构参数,刃口钝化的割刀作业过程中,对茎秆的切割作用变弱,撞击、拉拔作用增强,收获效率及作业效果变差。(2)对割刀切割茎秆的力学特性与运动学特性进行有限元分析,研究割刀作业过程中自磨锐特性形成机制,结果发现,作业过程中割刀前刀面等效应力应变数值从刃口到顶面逐渐减小,因此,制备出后刀面硬度高、前刀面硬度呈均匀变化的梯度材料是形成自磨锐特性的关键因素,这也是本研究采用多层金属真空复合轧制(GCr15/Q420/IF)及稀土催渗CNB共渗制备梯度材料自磨锐割刀的理论基础。(3)对这两种材料进行显微组织、硬度分布及摩擦磨损性能进行检测分析,结果表明,多层金属真空复合轧制割刀不同材料间界面结合紧密无宏观缺陷,呈冶金结合状态;稀土催渗CNB共渗割刀的后刀面是由高硬硼化物层(厚度约50-70μm)和碳氮共渗层(厚度约为0.8mm-1.2 mm)构成,两种材料耐磨性能均优于国产割刀材料,并实现了组织、成分和硬度分布的均匀梯度变化。(4)按照国家标准(GB/T1209.3-2009),分别加工两种梯度材料自磨锐割刀(多层金属轧制、碳氮硼共渗),并进行了自磨锐特性形成机制的研究,后刀面硬度高,耐磨性好;前刀面硬度呈梯度变化,作业过程中会均匀磨损,刃口角和刃口曲率半径变化较小,保证刃口处切割的锋锐性,从而形成了割刀作业过程中的自磨锐特性。(5)将两种梯度材料自磨锐割刀与某市售国标割刀进行切割苜蓿的田间对比试验,结果表明,切割40 h后,市售国标割刀失重速率约为多层金属轧制割刀的2倍、碳氮硼割刀的4倍。两种梯度材料割刀均形成了自磨锐特性,刃口处结构变化小,能够长时间保持良好的切割性能;苜蓿切口平齐,再生芽破损小,非常利于切口的愈合与再生。