螺旋槳關鍵工序數控加工

楊興隆，吳永鋼，付海，劉銳

淮海工業集團有限公司 山西長治 046012

1 序言

對螺旋槳進行簡單的流體動力學分析可知，從槳葉表面流過的水流方向非常重要。如果水流方向能夠平行于槳葉剖面，則設計者就可以按照理想的算法計算流體動力，否則就會產生回流，或者因為一些不知情的原因影響螺旋槳的推進性和空泡性能。而槳葉表面的表面粗糙度和刀具紋路對水的流動起著非常重要的作用，因此螺旋槳的槳葉對表面性能要求很高，對機械加工提出了嚴格的要求，需要加工制造人員具備充足的理論功底和編程技巧。

2 加工方式的選擇

槳葉的加工必須在五軸數控銑床或者五軸加工中心上完成，但一般采用4.5軸加工而不用五軸聯動，原因如下。

1）表面容易產生波紋。五軸聯動加重了插補運算的負擔，要求控制器有更高的運算精度，而且旋轉坐標的微小誤差就會大幅降低加工質量。而定向加工可以先將旋轉軸的坐標固定，再用線性軸加工，其表面質量要高于五軸聯動加工。實際加工中產生的波紋如圖1所示。

圖1 波紋

2）刀具受力不均勻。在五軸聯動加工時，旋轉軸不斷變化，隨著球頭銑刀加工曲面的切削點不停變換，刀具的受力點和受力方向也在不停地變化，造成許多非線性誤差，切削精度亦隨之下降。

3）奇異性問題。所謂的奇異性是指曲面在造型過程中若存在不易覺察的小坑小洼，且奇異點正好處于旋轉軸極限位置，則在奇異點附近產生的微小振蕩會導致旋轉軸180°翻轉，這種情況相當危險。

考慮到種種不利因素，再結合槳葉的幾何特征，采用4.5軸加工，其刀具路徑可以全范圍覆蓋槳葉的葉面。需要說明的是，在4.5軸加工不能滿足葉片加工需求的時候，必須采用五軸聯動方式，只是聯動加工對機床、控制器及編程員的要求更高而已。

3 刀具軌跡的生成

考慮到水流方向，刀具軌跡方向需要與槳葉剖面平行，也就是說螺旋槳旋轉時，槳葉的加工軌跡在正俯視的狀態下應該是由一系列同心圓構成，且應與理想槳葉刀具軌跡模型（見圖2）中的曲線方向一致，而沒有產品理念的加工者有可能會做出圖3所示的不合理刀具路徑。

圖2 理想槳葉刀具軌跡模型

圖3 不合理刀具路徑

在UG軟件的固定軸加工選項中，已經有一種同心圓刀具路徑的加工方式（見圖4）。為方便起見，直接應用其制作刀具軌跡，確認能否達到預期的效果。將刀具路徑圖樣中心定義為槳葉的輪轂中心，采用φ4mm球頭刀精加工，得到圖5所示的正俯視圖下的同心圓加工方式刀具軌跡。

圖4 同心圓加工方式

圖5 同心圓加工方式刀具軌跡

由圖5可知，雖然采用了同心圓加工方式，但是軟件給出的刀具軌跡仍與理想的同心圓存在一定程度的差別，需要采取更為有效的辦法。

要想精確控制螺旋槳葉上的進給方向，必須采用流線驅動的辦法。所謂流線驅動，就是用軟件默認的曲面流線或者人為繪制的曲線來控制進給方向。如果軟件默認的進給路徑滿足設計要求，編程員就沒必要繪制曲線。

選取正確的切削區域后，驅動曲線選擇方法采用“自動”生成，如圖6所示，正俯視圖下的軟件默認流線仍然和理想狀態相差甚遠。

圖6 軟件默認流線

將手工繪制的同心圓沿正俯視方向投影到槳葉表面，將投影的曲線作為“流曲線”、槳葉邊緣的兩條曲線作為“交叉曲線”，流線選區如圖7所示。指定切削方向、生成刀具軌跡即可完成流線加工編程，精確控制的刀具軌跡如圖8所示。

圖7 流線選區

圖8 精確控制的刀具軌跡

由圖8可看出，經過精密控制的刀具軌跡和理想刀具軌跡吻合。在正俯視圖中觀察，刀具軌跡的走動方向與槳葉剖面平行，與水流方向一致，與輪轂同心，符合設計要求。而且刀具運動方向的精度完全由操作者控制，繪制的流曲線越密、精度越高，刀具軌跡的可控程度就越高，越符合設計理念。

4 結束語

刀具軌跡得到精確控制后，在實際加工中經試切驗證，滿足零件各項技術要求，證明該方法正確可行。文中所述質量理念、數學計算、產品性能分析以及工藝分析方法，在解決同類零件的加工難題時也可推廣應用。