楊興隆，吳永鋼，付海，劉銳

淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司 山西長(zhǎng)治 046012

1 序言

對(duì)螺旋槳進(jìn)行簡(jiǎn)單的流體動(dòng)力學(xué)分析可知，從槳葉表面流過(guò)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(shè)計(jì)者就可以按照理想的算法計(jì)算流體動(dòng)力，否則就會(huì)產(chǎn)生回流，或者因?yàn)橐恍┎恢榈脑蛴绊懧菪龢耐七M(jìn)性和空泡性能。而槳葉表面的表面粗糙度和刀具紋路對(duì)水的流動(dòng)起著非常重要的作用，因此螺旋槳的槳葉對(duì)表面性能要求很高，對(duì)機(jī)械加工提出了嚴(yán)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(shù)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(lián)動(dòng)，原因如下。

1）表面容易產(chǎn)生波紋。五軸聯(lián)動(dòng)加重了插補(bǔ)運(yùn)算的負(fù)擔(dān)，要求控制器有更高的運(yùn)算精度，而且旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的微小誤差就會(huì)大幅降低加工質(zhì)量。而定向加工可以先將旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)固定，再用線(xiàn)性軸加工，其表面質(zhì)量要高于五軸聯(lián)動(dòng)加工。實(shí)際加工中產(chǎn)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(lián)動(dòng)加工時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸不斷變化，隨著球頭銑刀加工曲面的切削點(diǎn)不停變換，刀具的受力點(diǎn)和受力方向也在不停地變化，造成許多非線(xiàn)性誤差，切削精度亦隨之下降。

3）奇異性問(wèn)題。所謂的奇異性是指曲面在造型過(guò)程中若存在不易覺(jué)察的小坑小洼，且奇異點(diǎn)正好處于旋轉(zhuǎn)軸極限位置，則在奇異點(diǎn)附近產(chǎn)生的微小振蕩會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸180°翻轉(zhuǎn)，這種情況相當(dāng)危險(xiǎn)。

考慮到種種不利因素，再結(jié)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(shuō)明的是，在4.5軸加工不能滿(mǎn)足葉片加工需求的時(shí)候，必須采用五軸聯(lián)動(dòng)方式，只是聯(lián)動(dòng)加工對(duì)機(jī)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(shuō)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉的加工軌跡在正俯視的狀態(tài)下應(yīng)該是由一系列同心圓構(gòu)成，且應(yīng)與理想槳葉刀具軌跡模型（見(jiàn)圖2）中的曲線(xiàn)方向一致，而沒(méi)有產(chǎn)品理念的加工者有可能會(huì)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(xiàng)中，已經(jīng)有一種同心圓刀具路徑的加工方式（見(jiàn)圖4）。為方便起見(jiàn)，直接應(yīng)用其制作刀具軌跡，確認(rèn)能否達(dá)到預(yù)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(jìn)給方向，必須采用流線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的辦法。所謂流線(xiàn)驅(qū)動(dòng)，就是用軟件默認(rèn)的曲面流線(xiàn)或者人為繪制的曲線(xiàn)來(lái)控制進(jìn)給方向。如果軟件默認(rèn)的進(jìn)給路徑滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，編程員就沒(méi)必要繪制曲線(xiàn)。

選取正確的切削區(qū)域后，驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)選擇方法采用“自動(dòng)”生成，如圖6所示，正俯視圖下的軟件默認(rèn)流線(xiàn)仍然和理想狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。

圖6 軟件默認(rèn)流線(xiàn)

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(xiàn)作為“流曲線(xiàn)”、槳葉邊緣的兩條曲線(xiàn)作為“交叉曲線(xiàn)”，流線(xiàn)選區(qū)如圖7所示。指定切削方向、生成刀具軌跡即可完成流線(xiàn)加工編程，精確控制的刀具軌跡如圖8所示。

圖7 流線(xiàn)選區(qū)

圖8 精確控制的刀具軌跡

由圖8可看出，經(jīng)過(guò)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(guān)察，刀具軌跡的走動(dòng)方向與槳葉剖面平行，與水流方向一致，與輪轂同心，符合設(shè)計(jì)要求。而且刀具運(yùn)動(dòng)方向的精度完全由操作者控制，繪制的流曲線(xiàn)越密、精度越高，刀具軌跡的可控程度就越高，越符合設(shè)計(jì)理念。

4 結(jié)束語(yǔ)

刀具軌跡得到精確控制后，在實(shí)際加工中經(jīng)試切驗(yàn)證，滿(mǎn)足零件各項(xiàng)技術(shù)要求，證明該方法正確可行。文中所述質(zhì)量理念、數(shù)學(xué)計(jì)算、產(chǎn)品性能分析以及工藝分析方法，在解決同類(lèi)零件的加工難題時(shí)也可推廣應(yīng)用。