季洋陽，田桂中，周宏根

(江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

船舶工業(yè)的發(fā)展壯大，對維護國家海洋權(quán)益、加快海洋開發(fā)、保障戰(zhàn)略運輸安全具有重要意義。螺旋槳(尤其是大型船用螺旋槳)是船舶動力系統(tǒng)的核心部件之一，其制造質(zhì)量直接影響整船性能和推進效率。隨著國內(nèi)外學者的深入研究探索，船用螺旋槳的設(shè)計制造技術(shù)取得了顯著進步。

大型船用螺旋槳的制造涉及螺旋槳模具造型、鑄造材料熔煉、澆注、手工打磨、數(shù)控加工、數(shù)字化檢測等眾多工藝，存在周期長、準確性差、制造成本高等缺點，加工很大程度上取決于生產(chǎn)工人的技術(shù)熟練程度，無法準確地反映現(xiàn)代設(shè)計水平和思想，不能保證螺旋槳的高精度和高強度要求。本文介紹船用螺旋槳的分類和制造材料，綜述了鑄造、焊接、數(shù)控加工以及數(shù)字化檢測等船用螺旋槳關(guān)鍵制造技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀，探討船用螺旋槳制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 船用螺旋槳分類與制造材料

1.1 分類

船舶推進器的種類有很多，螺旋槳由于性能良好、效率較高，且安裝維修方便，是現(xiàn)代船舶普遍采用的推進器。除了普通螺旋槳外，根據(jù)設(shè)計和使用的要求不同還有可調(diào)螺距螺旋槳、對轉(zhuǎn)螺旋槳、導管螺旋槳、串列螺旋槳等［1］。

螺旋槳根據(jù)船型、吃水、推進性能、空泡和振動等多方面因數(shù)選擇合理的葉片數(shù)目。主機功率在200 kW 以下或槳徑在1.3 m 以下的，多選用3 葉螺旋槳;300 kW 以上多選用4 葉;10 000 kW 以上或槳徑在6.5 m 以上多選用5 葉或更多的葉片數(shù)。即一般中小型船舶3～4個葉片，大型船舶常為4～5個葉片。

依據(jù)螺旋槳結(jié)構(gòu)加工方式的不同，普通螺旋槳可分為整體式螺旋槳和組合式螺旋槳。整體式螺旋槳是槳葉與槳轂鑄成一體的普通螺旋槳，一般由鑄造而成?？紤]到整體式螺旋槳整體經(jīng)濟效益問題，在淺水航道航行的船用整體式螺旋槳逐步被組合式螺旋槳所替代，將輪轂和葉片加工成分離式，通過鍵和緊固件將兩者固定成一體，螺旋槳可由3～6個葉片構(gòu)成。

螺旋槳按其螺距來分可以分為等螺距螺旋槳和變螺距螺旋槳2 種。以不同半徑的共軸圓柱面與葉面相交，所得螺旋線的螺距均相等，稱等螺距螺旋槳，若不相等，稱變螺距螺旋槳，變螺距螺旋槳往往在一定的半徑范圍內(nèi)螺距隨半徑的增大而增大。另外還有一種可調(diào)螺距螺旋槳，它的葉片是活絡(luò)安裝在槳轂上的，并可通過內(nèi)部傳動機構(gòu)驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動以達到螺距變化來改變航速。

1.2 制造材料

螺旋槳的材料分為金屬、非金屬以及復合材料3種。金屬材料主要包括銅合金材料(錳鐵黃銅、鋁青銅)、鑄鋼(普通鑄鋼、鎳合金鋼、不銹鋼)、鑄鐵(普通鑄鐵、球墨鑄鐵)、鋁合金及鈦合金等;非金屬材料包括玻璃鋼、尼龍、高分子聚合物等;復合材料主要包括碳纖維復合材料、混合玻璃/碳復合材料等。

銅合金材料是螺旋槳的主要材料，也是應(yīng)用最廣、使用性能最好的材料。銅質(zhì)地柔軟，表面光滑，阻水性好，耐腐蝕，韌性好，海船主要采用銅質(zhì)螺旋槳。銅質(zhì)螺旋槳材料主要分為錳黃銅及鋁青銅。鋁青銅螺旋槳材料，耐腐蝕性能好，強度高，性能遠優(yōu)越于黃銅，是很受歡迎的一種螺旋槳材料。

鑄鋼材料有普通鑄鋼、鎳合金鋼和不銹鋼。新的不銹鋼螺旋槳材料，機械強度高，抗沖擊性能好。2007年，美國Mercury Marine 公司開發(fā)出一種具有高抗沖擊強度的船螺旋槳用新型鑄造合金，命為Mercalloy［2］。將這種Mercalloy 合金366 與鋁合金AA514，AA365 進行比較研究。結(jié)果表明，Mercalloy合金比鋁鎂合金具有更好的可鑄造性能，且還具有最佳吸收性能和在負載下的更高抗撓曲性能。

復合材料是螺旋槳制造材料的研究熱點。2006年，瑞典Propulse AB 公司提出了復合螺旋槳設(shè)計的全新概念，所制作的螺旋槳由金屬軸和可替換的復合葉片組合而成［3］。德國AIR 公司研制出一種碳纖維環(huán)氧的螺旋槳［4］，比金屬槳推進效率提高3%～10%，減輕重量25%～35%，有利于快艇加速，且該螺旋槳阻尼性好，可降低噪聲約5dB。

Ching-Chieh Lin 等［5］進行了可變螺距復合材料螺旋槳的實驗，通過新型復合材料的使用，提高了螺旋槳的彎扭耦合的性能，該性能可用于更高設(shè)計性能需求的螺旋槳上。

M.R.Motley 等［6］利用流體-結(jié)構(gòu)相互作用的影響來提高復合材料船用螺旋槳在多種工作條件下的性能。2004年，英國QinetiQ 公司設(shè)計、制造了一個直徑為2.9 m的5 葉復合材料螺旋槳［7］，以軍艦標準建造，使用了混合玻璃/碳復合材料，其外觀如圖1所示。

圖1 英國QinetiQ 公司的復合材料螺旋槳Fig.1 Composite propeller of British QinetiQ company

1.3 加工裝備

螺旋槳加工裝備是決定螺旋槳的加工質(zhì)量、加工工藝效果的重要因素，隨著數(shù)控機床和計算機技術(shù)的發(fā)展，歐美發(fā)達國家已采用工頻感應(yīng)電爐、焊接機器人、多軸聯(lián)動數(shù)控機床以及大型螺旋槳的加工平臺等高端設(shè)備對大型螺旋槳進行加工，以提高生產(chǎn)效率和加工精度。

熔煉設(shè)備的發(fā)展趨勢是采用工頻感應(yīng)電爐，通常采用2 座爐體以便交替使用。澆注設(shè)備是使熔煉出來的金屬形成螺旋槳的毛坯，澆鑄系統(tǒng)是確保產(chǎn)品鑄造質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。目前國外技術(shù)領(lǐng)先的主要有日本中島螺旋槳公司(Nakashima Propeller)［8］、英國Stone 船用推進公司英國［9］、德國MMG 梅克倫堡金屬鑄造有限公司(Mecklenburger Metallurguss Waren)［10］等。

焊接是艦船螺旋槳維護和修復的重要手段，其性能要求非常高，焊接工藝必須可靠，高性能焊接機器人在工作的維穩(wěn)性和焊接產(chǎn)品質(zhì)量的一致性方面顯現(xiàn)了突出的作用，目前日本川崎重工、安川以及德國CLOOS 公司在這方面處于技術(shù)領(lǐng)先［11-13］。

多軸聯(lián)動數(shù)控機床加工是實現(xiàn)大型與異型復雜零件高效高質(zhì)量加工的重要手段，它能將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床等功能組合在一起，能有效地避免由于多次安裝造成的定位誤差，可加工形狀復雜，精度要求高的零件。日本中島螺旋槳公司(Nakashima Propeller)［14］及S ＆ S螺旋槳公司日本海鷗公司(Kamome Propeller Co.Ltd)［15］在數(shù)控設(shè)備方面處于技術(shù)領(lǐng)先。

船用螺旋槳靜平衡機是一種用來測試螺旋槳平衡度的儀器設(shè)備。螺旋槳必須進行靜平衡試驗，并按“船規(guī)”要求進行驗收。目前英國Stone 船用推進公司以及S ＆ S螺旋槳公司等公司的靜平衡檢測設(shè)備檢測效果優(yōu)異。

2 船用螺旋槳關(guān)鍵制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

作為船舶推進系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，螺旋槳具有型面與結(jié)構(gòu)復雜、材料硬度高、尺寸和重量大、精度要求高、加工難度大等特點，船用螺旋槳是一個鑄造工藝復雜、加工方法特殊、技術(shù)要求高的產(chǎn)品。船用螺旋槳關(guān)鍵制造技術(shù)包括鑄造、焊接、數(shù)控加工以及數(shù)字化檢測等。

2.1 船用螺旋槳鑄造技術(shù)

大型和超大型螺旋槳鑄造工藝繁瑣，鑄造流程復雜，所需控制因素較多，成形工藝和應(yīng)用范圍各有差異。針對這兩類螺旋槳，研究人員在對傳統(tǒng)鑄造方法進行改進的同時，積極探索新的工藝方法。

向延平［16］通過對大型螺旋槳的研究，分析得出大型螺旋槳的鑄造工藝流程，并總結(jié)出依據(jù)螺旋槳鑄件的入級要求，按照標準和經(jīng)驗確定補縮、反變形量、工藝余量，進行澆注系統(tǒng)的設(shè)計，選擇適宜的水玻璃砂型配砂，精心造型和確保鑄型干燥，采用符合要求的原材料進行熔煉和澆注，就能成功鑄出大型船用螺旋槳。

孫廣敏等［17］研究分析了超大型螺旋槳，以生產(chǎn)實踐為基礎(chǔ)，從造型方法、合金選擇及成分控制、多爐熔煉等方面，介紹了毛坯重達80 t 以上的超大型銅合金螺旋槳鑄件的鑄造方法和工藝特點，并提出了3方面要求:一是合理造型方法選擇;二是采用多爐熔煉技術(shù)，控制合適的熔煉溫度、出爐溫度、出爐時間、出爐順序等環(huán)節(jié);三是澆注系統(tǒng)的合理設(shè)置。

2.2 船用螺旋槳焊接技術(shù)

螺旋槳焊接工藝研究大多數(shù)都是針對具體的螺旋槳焊補，探討焊補前準備工作、焊補工藝、焊補后熱處理方式及檢測方法等方面。

蘭現(xiàn)卿等［18］分析了銅質(zhì)螺旋槳的焊接特點，針對焊接準備、焊接過程中的技術(shù)問題，提出合理的裝焊、焊接順序和防變形方法，以減小焊接應(yīng)力變形，認為螺旋槳的焊接順序應(yīng)遵循如下原則:盡可能使焊縫能自由收縮;采用對稱焊;采用不同焊接順序。一般退焊法和跳焊法每段焊縫長度100～350 mm (較大螺旋槳)較為適宜。交替焊法因工作位置移動次數(shù)太多，故較少采用。

馬勇［19］對破損的銅質(zhì)螺旋槳提出了焊補工藝，探討了焊補前準備工作、焊補后熱處理、防止開裂等問題，在螺旋槳焊補修復中，根據(jù)螺旋槳所使用材料的特性和損壞的部位制定相應(yīng)的焊補工藝，是保證所修復的螺旋槳質(zhì)量的關(guān)鍵。

陳愛國［20］則針對錳黃銅或鋁青銅鑄造的大型海船螺旋槳在海水中工作時容易產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋和腐蝕疲勞裂紋的氬弧焊修復工藝進行研究，從螺旋槳裂紋的檢測與可否焊接的判斷、焊接材料及焊前準備、焊接參數(shù)與操作和焊后處理與檢測4個方面進行說明。

C.H.Tang 等［21］指出采用激光表面熔凝處理是為了提高錳-鎳-鋁青銅(MAB)的抗空蝕性能，該機構(gòu)研究了在激光表面合金化(LSA)中嘗試使用細鋁粉，通過采用適當?shù)募す饧庸?shù)，獲得的厚度均勻的合金化表層約為1 mm，得到了自由裂紋或孔隙合金層。該研究小組通過實驗分析，指出使用鋁的MAB (錳-鎳-鋁青銅)激光表面合金在3.5%的NaCl 溶液中耐腐蝕和抗空蝕性能同時增加，比激光熔凝處理(LSM)增加的要明顯。通過使用鋁的MAB的LSM和LSA對比效果雷達圖可見LSA 樣本在耐腐蝕性等方面都比LSM 要更好［21］，如圖2所示。

圖2 使用鋁的MAB的LSM和LSA對比效果雷達圖Fig.2 Radar diagram for comparing the effects of laser surface melting(LSM)and laser surface alloying (LSA)of MAB with Al.

E.S.Statnikov 等［22］比較了由相同材料青銅Cu3制作的螺旋槳板試樣的腐蝕疲勞試驗，提出了應(yīng)用UIT (超聲沖擊處理)作為一種熱處理的替代方法的探索結(jié)果。結(jié)果表明，在焊接修復中應(yīng)用UIT，腐蝕疲勞強度比熱處理螺旋槳要高。

鐘克山［23］闡述了螺旋槳焊接修理方法的工藝要點，提出修理后檢驗工作應(yīng)注意的問題，螺旋槳焊接修復后的檢驗主要包括如下幾方面內(nèi)容:1)主要參數(shù)的檢查:局部螺距的誤差、平均螺距誤差、槳葉最大厚度誤差以及直徑誤差都應(yīng)滿足現(xiàn)行標準和規(guī)范的要求;2)裂紋等缺陷檢查:對焊縫區(qū)進行著色探傷，無裂紋、夾渣和氣孔等缺陷;3)表面粗糙度檢查;4)靜平衡試驗:根據(jù)標準規(guī)定，螺旋槳葉梢處的允許不平衡量為

式中:G 為計算不平衡掛重，kg;m 為螺旋槳質(zhì)量;R為螺旋槳半徑;n 為螺旋槳轉(zhuǎn)速;C 為系數(shù)。

2.3 船用螺旋槳數(shù)控加工技術(shù)

船用螺旋槳從鑄造毛坯到成品涉及到CAD 建模、多軸數(shù)控加工軌跡規(guī)劃、合理選擇加工刀具、曲面測量、加工仿真等相關(guān)技術(shù)。采用數(shù)控機床對大型螺旋槳進行加工，可以提高生產(chǎn)效率和加工精度。

2.3.1 船用螺旋槳數(shù)字化建模

船用螺旋槳是典型的復雜曲面零件，主要是自由曲面的造型問題。研究人員針對螺旋槳的曲面造型，采用最小二乘法、UG 建模以及開源計算等方法來構(gòu)建模型。

錢衛(wèi)東等［24］針對螺旋槳的結(jié)構(gòu)特點，利用MSC.Patran 前后處理器的二次開發(fā)，開發(fā)了一套螺旋槳自動化建模軟件，定義了螺旋槳建模的型值表標準格式，實現(xiàn)了螺旋槳幾何建模和網(wǎng)格劃分的自動化。并對某冰區(qū)加強螺旋槳進行了建模和計算，結(jié)果表明系統(tǒng)建立的螺旋槳模型能保持良好的光順效果和網(wǎng)格質(zhì)量。

Ye Xiuzi［25］提出了結(jié)合物理約束主要包括曲面法矢來設(shè)計螺旋槳曲面，最終曲面是一個完整的非均勻B 樣條曲面，用最小二乘法擬合給定的數(shù)據(jù)點及這些點上面的法矢得到螺旋槳曲面。

Munar［26］采用UG的CAD 模塊建立某型號的螺旋槳的特征參數(shù)化幾何模型，通過對艦船用螺旋槳葉片型值處理，計算艦船用螺旋槳葉片的型值點，并根據(jù)型值點平滑連接得到葉片的NURBS 型線，然后利用蒙皮法得到光順的葉片曲面。

L.X.Cao and J.Liu［27］在船用螺旋槳的設(shè)計階段，給定在不同圓柱段曲線的數(shù)據(jù)點，再采用最小二乘法的三次方Bspline 曲線進行光順擬合圓柱段不同曲率的曲線。然后，圓柱段曲線上的控制點作為新的數(shù)據(jù)點，用來在其他方向上對曲線進行光順擬合，最終，獲得螺旋槳的葉面和葉背的曲面。

D＇Epagnier 等［28］提出一個開源計算螺旋槳槳/渦輪設(shè)計工具(OpenProp)，這個源程序應(yīng)用于水下航行器和推進器以及傳統(tǒng)的螺旋槳的設(shè)計。OpenProp 是一個螺旋槳快速的參數(shù)化設(shè)計工具，工程師只需稍加培訓就可以通過這個程序完成設(shè)計。

2.3.2 船用螺旋槳五軸數(shù)控銑削加工工藝

大型船用螺旋槳的精加工通常不能由3 軸數(shù)控機床完成，一般需要5 軸聯(lián)動數(shù)控機床來完成，其加工工藝主要內(nèi)容包括選擇合適的機床、刀具、走刀路線、主軸速度、進給速度和合理的劃分螺旋槳加工區(qū)域等。

Y.C.Kim和Y.M.Lee［29］提出了螺旋槳的加工制造流程，如圖3所示。首先，選擇螺旋槳的原材料，鑄造成螺旋槳毛坯，然后粗加工螺旋槳的葉背面，再粗加工螺旋槳的葉面，最后通過砂帶磨削精加工螺旋槳曲面。

圖3 船用螺旋槳制造工藝過程Fig.3 Manufacturing process of marine propeller

H.C.Kuo和W.Y.Dzan［30］通過幾何模型的數(shù)學模型和微分方程的計算理論，得到恒定螺距的螺旋槳葉片壓力面的方程。通過該模型推導出在螺旋槳葉片表面數(shù)控加工中最大容許的球頭銑刀半徑。推導出走刀步長和刀具軌跡間隔的數(shù)值分析模型。除此之外，還提出了利用刀具的包絡(luò)面得到實際加工的最大誤差分析模型。最后，通過實例驗證該模型的可行性和可靠性。

鄒孝明［31］提出了嚴格劃分槳葉的方法，對葉面加工和葉片背面加工進行區(qū)域劃分。在避免干涉的前提下按照減小重疊區(qū)域以提高加工質(zhì)量和加工效率的原則，提出了船用螺旋槳的制造工藝流程和基本數(shù)控加工工序。螺旋槳制造工藝流程如下:毛坯制造、毛坯余量檢測、裝夾定位、葉面加工、翻邊、葉背加工、導邊修圓、葉片背拋光、型面檢測;數(shù)控加工工序如下:精車槳轂大端面、加工隨邊、加工葉面非重疊區(qū)域、螺旋槳翻面、加工導邊、加工葉背非重疊區(qū)域、加工葉背重疊區(qū)域。

G.W.Vickesr［32］對分別采用球形刀和立銑刀進行曲面加工的結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)立銑刀能更好地與曲面的幾何特性相匹配，因而可以減少走刀次數(shù)，切削效率高，且刀具使用壽命長。

Frizt［33］分析了非可展直紋面的特性，提出了無干涉圓柱形刀具磨削直紋面的方法，文中指出這種直紋面大都是由雙曲點組成，刀具軸線沿負主曲率所在的方向放置，即可避免干涉現(xiàn)象。

唐余勇［34］在給出等螺距螺旋槳葉片工作面方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)其主曲率和工作面上點的分類，提出了3 種刀具參數(shù)及其相應(yīng)數(shù)控加工中步長和行距的定量分析與計算模型，并以不同刀具加工同一葉片工作面的算例說明了正確選用加工刀具的方法。

Gershon Elber和Russ Fish［35］提出了基于分段規(guī)則曲面近似逼近的5 軸面銑削加工方法?；谶@種方法采用圓柱銑刀加工的曲面的表面光潔度高，與球頭銑刀相比減小了扇形高度。此方法可以提高銑削加工的效率，同時滿足加工精度和表面光潔度的要求。

B.K.Choi［36］針對5 軸表面銑削加工的刀位數(shù)據(jù)優(yōu)化問題，提出把5 軸表面銑削加工的刀位數(shù)據(jù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為針對刀具方向(角度α和β)的二維約束目標最小的優(yōu)化問題，并應(yīng)用于船用螺旋槳的5 軸銑削加工中。還提出了平底刀5 軸端銑加工的刀具軌跡優(yōu)化的方法，通過調(diào)整刀具擺動角度，使相鄰的2 條刀路的殘留高度達到最小。

Joung-Hahn Yoon［37］應(yīng)用微分幾何中杜潘標形的方法，提出了一種優(yōu)化的刀位確定方法，其原理是在每一個刀觸點處，刀具與工件曲面的標形差為一二次曲線，因此只需在3個法截面內(nèi)進檢驗，即可確定二次曲線的3個系數(shù)，從而確定刀具的優(yōu)化位置。

J.G.Lee［38］主要提出了采用五軸銑削加工復雜曲面時考慮刀具的表面輪廓的影響，得到靜尺寸的刀位數(shù)據(jù)。通過合并刀具掃略面模型(TSS)，得到沿刀具軌跡的面銑刀具最優(yōu)的刀位數(shù)據(jù)。

2.4 船用螺旋槳數(shù)字化檢測技術(shù)

船用螺旋槳加工質(zhì)量、形狀的好壞直接關(guān)系到船用螺旋槳和整個船舶推進系統(tǒng)的性能，船用螺旋槳的數(shù)字化檢測是控制螺旋槳加工質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)展至今，螺旋槳的數(shù)字化檢測技術(shù)包括螺旋槳加工精度、型面以及葉厚檢測等相關(guān)內(nèi)容。

2.4.1 螺旋槳的加工精度檢測

螺旋槳的加工精度檢測方法主要包括采用API激光跟蹤儀、圖像掃描以及卡鉗系統(tǒng)等。針對不同的使用場合，研究人員積極利用多學科的交叉性探索新的檢測方法。

API 激光跟蹤儀［39］是由1個先進的、結(jié)構(gòu)緊湊的跟蹤頭、1個控制器、筆記本電腦和連接整個系統(tǒng)的電纜組成。在線測量時，API 激光跟蹤儀根據(jù)加工坐標的基準建立測量坐標系，通過光學靶在葉面上掃描、采樣成千上萬的點，跟蹤頭隨時跟蹤光學靶的空間位置，并將采樣點的數(shù)據(jù)傳給電腦，通過測量軟件包的處理，實時顯示被測量物體的X，Y，Z 坐標值和3個狀態(tài)的轉(zhuǎn)角，將測量點數(shù)據(jù)同已有的CAD 設(shè)計模型相比較后逐點給出偏差值，實現(xiàn)偏差結(jié)果的可視化操作，打印檢測報告，準確判斷加工結(jié)果是否符合設(shè)計要求。

David W.Allen［40］提出了針對一般自由曲面的螺旋槳的一個自動掃描圖像并計算光柵重合度，適用于所加工的表面是NURBS 曲面。該方法可以用于螺旋槳的檢查計劃中，無需操作員參與執(zhí)行的螺旋槳制造工業(yè)環(huán)境。

M.K.Lam和S.F.Lee［41］介紹了舷外機發(fā)動機螺旋槳葉片的表面輪廓測量精密卡鉗系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。常用來測量螺旋槳葉片表面輪廓的儀器主要包括螺距測量器、輪廓儀和計算機數(shù)控坐標測量機。并提出了采用一個精確的卡鉗系統(tǒng)，給出了卡鉗系統(tǒng)的設(shè)計標注、操作原則和測試與驗證。

2.4.2 螺旋槳的型面測量

螺旋槳具有復雜的外形和嚴格的設(shè)計參數(shù)要求，螺旋槳的型面測量需要有很高的精度，其測量方法主要包括構(gòu)造曲面方程以及利用全站儀測量點坐標等方式進行。

楊關(guān)良等［42］在對槳葉曲線、曲面數(shù)學描述的基礎(chǔ)上，建立了直紋曲面的矢量方程，推導出螺旋槳槳葉扭轉(zhuǎn)曲面精確的數(shù)學方程，并構(gòu)造出扭轉(zhuǎn)曲面與圓柱面光滑連接的曲面方程，順利實現(xiàn)了2 種曲面的光滑連接。

鮑峰［43］利用反射片作為瞄準目標的電子全站儀用于工業(yè)產(chǎn)品不規(guī)則外形檢測和設(shè)計參數(shù)測定，通過坐標變換和大地坐標的變換來確定螺旋槳上指定點位的測設(shè)和坐標的測定。根據(jù)槳軸坐標系中的坐標，可計算螺旋槳葉片上點對的螺距比，建立螺旋槳的虛擬三維立體模型，據(jù)此可以作各種所需數(shù)據(jù)的量測、各種圖形顯示和圖形打印。

2.4.3 螺旋槳槳葉葉厚的測量

螺旋槳槳葉截面厚度關(guān)系到槳葉的強度和趟水效率，在設(shè)計、制造中均為一項重要的指標?，F(xiàn)有螺旋槳葉厚測量方法有測量對葉面坐標和應(yīng)用雙目立體視覺方法測量鏡像點等。

李冀［44］為了避免采用卡鉗這一誤差較大的測量方法，同時在吸力面和壓力面對葉面坐標進行測量，使用螺距規(guī)，根據(jù)工藝給出的壓力面和吸力面設(shè)計厚度點角度值分別測出壓力面和吸力面設(shè)計厚度點值，后通過換算得出葉厚值。

Jiande Zhang［45］通過對同一葉片2個不同鏡像觀察點的測量螺旋槳的葉片寬度，并且對于螺旋槳的葉片鏡像匹配的新的特征點是應(yīng)用雙目立體視覺的方法測量?；谶@些因素，通過圖像算法和雙目立體機器視覺理論，像素坐標的輪廓點的葉片在2個圖像提取和轉(zhuǎn)換為真實坐標，在任何情況下的葉片寬度都能通過簡單的集合方法來確定。

3 船用螺旋槳制造技術(shù)現(xiàn)狀分析與展望

船用螺旋槳關(guān)鍵制造技術(shù)主要包括鑄造、焊接、數(shù)控加工以及數(shù)字化檢測四方面，根據(jù)功能材料與應(yīng)用領(lǐng)域的不同，其制造技術(shù)也有顯著差異。對于鑄造技術(shù)而言，由于大型螺旋槳與超大型螺旋槳結(jié)構(gòu)性能的差異，在造型方法、合金選擇及成分控制、多爐熔煉等方面，二者的鑄造工藝有著特定的要求。焊接技術(shù)目前多是從螺旋槳焊前準備工作、焊補工藝、焊后熱處理方式以及檢測方法進行探討，針對具體的螺旋槳提出相應(yīng)的焊補工藝方法。數(shù)控加工技術(shù)包含數(shù)字化建模以及加工工藝，數(shù)字化建模主要采用最小二乘法、UG 以及開源計算等方法，加工工藝則是利用五軸數(shù)控銑削加工，選擇合適的機床、刀具、走刀路線、主軸速度、進給速度和合理的劃分螺旋槳加工區(qū)域等。數(shù)字化檢測技術(shù)主要從加工精度、型面以及葉厚測量3個方面，提出利用多學科交叉知識，采用圖像掃描、全站儀測量等技術(shù)，顯著提高檢測精度。

綜合分析國內(nèi)外船用螺旋槳先進制造技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對于螺旋槳制造技術(shù)的研究需從以下幾個方面加以探索。

1)螺旋槳的新材料及其鑄造開發(fā)

隨著船用螺旋槳需求量和推進性能的提高，以及經(jīng)濟性、環(huán)保性等因素增多，需要高性能螺旋槳材料，如新型鈦合金、碳纖維復合材料等。新型材料的研制，對傳統(tǒng)鑄造工藝提出了新的要求，涉及材料鑄造性能、造型方法與工藝、澆注系統(tǒng)與裝備、冒口結(jié)構(gòu)與位置、鑄造余量等各個方面。

2)螺旋槳的修復焊接工藝研究

隨著船舶數(shù)量和水運需求的增加，作為關(guān)鍵零件的螺旋槳損傷情況十分嚴重，其修復工作急劇增長，對焊接工藝與裝備提出了越來越高的要求，并且人工焊接的成本原來越高，自動化焊接裝備已成為大型螺旋槳修復的必備工具，包括點焊機器人、弧焊機器人、激光焊接機器人等設(shè)備。

3)螺旋槳數(shù)控加工技術(shù)研究

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的深入發(fā)展，數(shù)控加工成為螺旋槳一類復雜型面零部件的首選加工工藝，螺旋槳葉為空間扭曲形狀，數(shù)控加工設(shè)備成為決定螺旋槳加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素，螺旋槳葉面和葉背越來越多地采用多軸聯(lián)動數(shù)控機床加工，涉及機械、材料、自動控制等多門學科，是螺旋槳關(guān)鍵制造技術(shù)的研究熱點。

4)螺旋槳數(shù)字化檢測技術(shù)研究

螺旋槳數(shù)字化檢測技術(shù)是精確、快速、高效加工船用螺旋槳的重要保證，包括加工精度、槳葉葉厚、曲面造型、平衡性能等參量，采用激光檢測、超聲波檢測等先進方法，用到大型靜平衡儀、大直徑螺旋槳用數(shù)顯螺距規(guī)等檢測設(shè)備。在螺旋槳檢測方面，越來越多采用模型試驗方式測試螺旋槳性能，如敞水試驗、自航試驗和空泡試驗等，作最終修改設(shè)計。

此外，在螺旋槳加工設(shè)備研發(fā)、先進設(shè)計理論與方法、模型驗證等方面，也是螺旋槳先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。

4 結(jié) 語

目前國內(nèi)螺旋槳先進制造技術(shù)相比于西方發(fā)達國家還處在追趕階段，熔煉設(shè)備、焊接機器人、數(shù)控加工以及檢測等技術(shù)都存在不足。為快速提升我國船舶產(chǎn)業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域的核心競爭力，筆者認為國內(nèi)螺旋槳的研究應(yīng)在進一步學習先進的設(shè)計理論基礎(chǔ)上，進一步從螺旋槳的鑄造與焊接技術(shù)數(shù)控加工技術(shù)、數(shù)字化檢測技術(shù)以及重大裝備及其相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)四方面尋求可行的突破口，成立多學科綜合性團隊系統(tǒng)的研究，力爭在未來的開發(fā)研究中，趕超國外技術(shù)水平。

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