蔡文輝

(東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林 132012)

船用螺旋槳作為船舶動(dòng)力的核心元件，由于自身型面復(fù)雜、加工精度要求高等因素，一直是加工領(lǐng)域中的一個(gè)難題。但其作為船舶推進(jìn)器，制造質(zhì)量將直接影響船舶的整體性能。螺旋槳的傳統(tǒng)加工是通過鑄造毛坯加以大量人工修磨完成，這種方法存在著加工周期長(zhǎng)、成本高以及精度不易保證等缺陷［1］。隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展和多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的問世，船用螺旋槳一般采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工，但五軸加工費(fèi)用昂貴。因此，如何應(yīng)用四軸機(jī)床加工出高質(zhì)量的船用螺旋槳有著重大意義［2－4］。

文中將介紹以Cimatron E軟件對(duì)整體三葉片螺旋槳的四軸加工實(shí)現(xiàn)問題，采用四軸曲面驅(qū)動(dòng)銑削法加工葉片，大大提高了加工效率，為同類零件的加工提出了很好的思路。

1 螺旋槳葉輪的三維造型

圖1 整體式三葉片螺旋槳模型

CAD/CAE/CAM技術(shù)的迅速發(fā)展為零件的造型和加工提供了有力的支持，尤其對(duì)于型面復(fù)雜的螺旋槳來說，運(yùn)用數(shù)字化造型方式能更快更準(zhǔn)確地達(dá)到想要的模型。運(yùn)用逆向工程技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)螺旋槳快速造型。選用測(cè)量速度快、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確的非接觸式激光掃描測(cè)量方法獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于采用非均勻有理B樣條 (NURBS)方法擬合曲線、曲面，得到更加準(zhǔn)確的幾何模型［5－6］，并將重構(gòu)模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差比較，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)重構(gòu)模型進(jìn)行反復(fù)修正，得到三維模型如圖1所示。

2 螺旋槳葉片的四軸加工

2.1 葉片毛坯件的造型

為了保證順利加工，要將螺旋槳的模型更改為適合加工仿真的毛坯件，建模時(shí)預(yù)留出加工時(shí)的裝夾位置和干涉面，以便后續(xù)的刀位軌跡生成。最后得到的加工件模型如圖2所示。其中右側(cè)圓柱部分為第四軸卡盤裝夾部分，左側(cè)為槳葉部分。需要注意的是坐標(biāo)系的建立要有利于對(duì)刀，這里將坐標(biāo)系建立在毛坯件的左側(cè)斷面，X軸為旋轉(zhuǎn)軸。

圖2 仿真加工用的三維模型

2.2 螺旋槳的刀位軌跡生成

文中擬定船用螺旋槳的加工方法為一次裝夾進(jìn)行粗精加工，首先將螺旋槳整體按其特性分為若干工作面，分別為工作壓力面、吸力面、槳轂面和隨邊端面，在四軸機(jī)床上對(duì)螺旋槳各面分別編寫三軸加工程序，憑借螺旋槳回轉(zhuǎn)對(duì)稱性，利用第四軸旋轉(zhuǎn)毛坯并重復(fù)運(yùn)行程序，達(dá)到加工目的。

首先將模型導(dǎo)入Cimatron E加工環(huán)境下，根據(jù)加工工藝建立好仿真用的刀具。第一步進(jìn)行開槽粗加工，生成的刀位軌跡如圖3所示。首先運(yùn)用3D體積銑削去除大部分毛坯余量，運(yùn)用第四軸旋轉(zhuǎn)120°后切除其余大部分余量。粗加工階段在不影響加工質(zhì)量和振動(dòng)的情況下盡可能選擇大的吃刀量和切削深度。

圖3 刀位軌跡創(chuàng)建菜單

半精加工是為了去除粗加工時(shí)殘留量，半精加工時(shí)要預(yù)留一定精加工余量。根據(jù)工藝分析，螺旋槳的半精加工和精加工需要針對(duì)各個(gè)不同的特征面，分別創(chuàng)建刀路軌跡。Cimatron E具有多種三軸加工模塊，這里選擇三軸零件曲面 (Part Surfaces)分別對(duì)螺旋槳的吸力面、壓力面進(jìn)行加工，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，并設(shè)置干涉檢查面，以保證刀具在走刀時(shí)避開機(jī)床夾具或是危險(xiǎn)區(qū)域，避免出現(xiàn)過切和撞刀現(xiàn)象［7］。葉片半精加工刀位軌跡見圖4。

圖4 葉片半精加工刀位軌跡

3 程序后處理并實(shí)驗(yàn)加工

根據(jù)具體的機(jī)床參數(shù)和數(shù)控系統(tǒng)的指令格式，將相應(yīng)的命令語句轉(zhuǎn)換成加工程序代碼生成加工程序。打開Cimatron E后置處理對(duì)話框選擇要處理的程序段，這里作者后置處理三部分程序，粗加工后置處理程序、半精加工程序和精加工程序。按照上述方法分別生成各特征面數(shù)控加工代碼。以下為半精加工船用螺旋槳壓力面部分?jǐn)?shù)控代碼，其中B為四軸旋轉(zhuǎn)軸的角度位移值。

通過對(duì)船用螺旋槳進(jìn)行加工工藝分析、刀路軌跡規(guī)劃等工作后，需要進(jìn)行實(shí)際加工試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要目的是檢驗(yàn)加工思路的可行性以及加工方法的正確性。如圖5所示為船用螺旋槳加工試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 四軸機(jī)床實(shí)驗(yàn)加工

圖6 加工后的螺旋槳

4 總結(jié)

研究了船用螺旋槳的四軸數(shù)控加工方法，提出在四軸機(jī)床上對(duì)螺旋槳各特征面分別編寫三軸加工程序，憑借螺旋槳回轉(zhuǎn)對(duì)稱性，利用第四軸旋轉(zhuǎn)毛坯并重復(fù)運(yùn)行程序的新加工方法。系統(tǒng)地分析了數(shù)控加工工藝，運(yùn)用Cimatron E8.5軟件進(jìn)行加工仿真，最后通過加工實(shí)驗(yàn)得到船用螺旋槳實(shí)體模型，為船用螺旋槳葉片的加工提供了可靠的技術(shù)方法支持［8］。

［1］黃國(guó)權(quán).數(shù)控技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004:11 －13.

［2］李恩林.數(shù)控技術(shù)原理及應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006:27 －40.

［3］楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001:1016 －1120.

［4］吳明友.數(shù)控加工自動(dòng)編程－Cimatron詳解［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008:496－535.

［5］謝捷.螺旋槳葉輪自由曲面造型與五軸高速數(shù)控加工技術(shù)的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

［6］陳漢軍，廖文，周儒榮.四坐標(biāo)數(shù)控加工原理及算法研究［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，1996(1):1－3.

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