船用螺旋桨桨叶五轴数控虚拟制造

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船用螺旋桨是舰船的关键部位，桨叶表面的加工质量直接影响船舶的行进。螺旋桨的毛坯常用铸造件 ，本文的船用螺旋桨的桨叶材料为碳钢，具有较高的强度和较好的塑性与韧性。同时，螺旋桨桨叶是典型的自由曲面零件，形状复杂，加工时容易会发生过切和干涉等现象。合理的确定船用螺旋桨叶片加工工艺，对于提高螺旋桨桨叶表面质量和加工效率有很大的帮助。

1 船用螺旋桨桨叶数控加工工艺1.1船用螺旋桨桨叶工艺路线1.1.1分析螺旋桨毛坯本文的毛坯是铸造件，其特点是形状复杂、桨叶宽且雹叶厚分布不均匀，因此铸件各处的温度分布不均匀和冷却速度不- ，线收缩率不同，容易在铸件中产生内应力。螺旋桨铸造时，桨叶叶面总在下行腔，浇注时所产生的气孔、夹渣等缺陷都分布在叶背上Ⅱ。因此叶面比叶背光洁致密，加工余量也比叶背少。

1.1.2划分螺旋桨桨叶区域完整船用螺旋桨桨叶是由叶面、叶背、导边、随边以及0.2R以下的桨叶组成。叶面是-个凹的自由曲面，加工时容易出现过切现象。叶背是凸的自由曲面，往往凸的曲面加工起来比较容易，但由于叶背的加工余量比叶面多，且瘪分布不-，加工时仍需注意。导边与随边是-条连接起来的空间曲面，加工时往往在叶面和叶背加工完后进行-次铣削修正即可。0.2R以下的桨叶由于螺旋桨零件图中没有给出相应的桨叶型值点，依据其他文献所述也是按照桨叶与桨背的加工方法加工。如图1所示。

由于本文的螺旋桨桨叶只有4叶，所以不存在加工过程中出现重叠区域、桨叶加工时会出现的干涉等问题。

翌 曩太犀度距瞳遗 螺距分布 0 T-7 051 0n P-86 r-634，S0 9R) 釉6144， l 78.2 l l - lJ J I- --- 、. ----、 1 44 6 T-564(0 8 p-肺6---- T-493 5(0 7R)p-866--- -～、l 眦 r-4 2310.6R) 舶6图1桨叶伸张轮廓图1.1.3制定螺旋桨桨叶加工工艺路线叶面比叶背光洁，且加工余量比较少，首先加工叶面，然后加工叶背。同时，依据工序集中原则，先完成叶面的粗精加工，再完成叶背的粗精加工，这个过程涉及要把螺旋桨翻面加工的问题，即确定螺旋桨的装夹合理问题。修整完导边与随边后，抛光整个桨叶，达到设计精度。船用螺旋桨桨叶加工工艺路线如图2所示。

1.2选择数控机床- 般的三轴联动数控机床不能满足加工精收稿日期：2012-09-25作者简介：申毅莉 (1980-)，女，讲师，硕士，主要从事CAD/CAM和数控加工的研究。

第35卷 第1期 2013-01(-F) 55务I 匐 化H蓍 H H 懂 H鳖 H图2螺旋桨桨叶加工工艺路线度 ，因此， 目前选用五轴联动数控机床加工桨叶，根据组合形式，五轴联动数控机床可分为三种类型，如表1所示。

表1三种五轴联动数控机床对比分析五轴联动数 特点 适用范围控机床类型双转台结构 在加工工件时工件需要 适合加工小型零件，如小型整体 的数控机床 在两个旋转方向运动。 涡轮等。

头式的数控 不同的轴，所以有不同 造价也相对的组合形式，可以适应 机床 低廉。 不同的加工对象。

双摆头式的 刀具夹头可以双摆头， 适合大型复杂零数控机床 加工时显得更为灵活。 件的加工。

经过上表的对比分析，选择双摆头式的五轴联动数控机床对船用螺旋桨进行加工，具有运动灵活、工作空间大等优点 。

1.3选择刀具正确选择数控刀具来满足桨叶的高速、高效和高精度加工，常选择平底铣刀、端铣刀、球头铣刀，如图3所示，分别对比这三种刀具 如表2所示。

表2数控刀具对比分析数控 特点 适用范围刀具平底 以周边切削刃进 五轴联动数控加工中， 主要应 行切削， 切削性 铣刀 用有侧铣和端铣两种方式。 能好面积较大的平面铣削和较平坦端铣刀 减少走刀次数 的立体轮廓 (如大型叶片、螺旋桨桨叶等)的多轴铣削。

球头刀越接近球头刀的底部其切削条件越差，对 球头刀 在五坐标加工中。 于加工对象的适应能力强，编程与使用方便。

阳(a)平底铣刀 (b)端铣刀 (c)球头刀图3多轴加工曲面常用刀具综上所述 ，船用螺旋桨桨叶曲面区域面积56 第35卷 第1期 2013-01(下)螺旋桨桨 .I螺旋桨型 1.螺旋桨叶抛光 --.1面检查 r 成品大、加工质量要求高，因此，选择大盘面多侧刃端铣刀对叶面、叶背、导边和随边进行加工，同时与球头刀分析比对。

1.4装夹定位由于船用螺旋桨形状较大，装夹时以精加工后的大端面作为定位基准，放置在机床工作台上建立工作坐标系，如图4所示。工作坐标系x轴的零点为工作台的回转中心，Z轴的零点为工作台的端面。

zI图4船用螺旋桨桨叶工作坐标系图5船用螺旋桨桨叶找正找圆为了确保机床坐标 系与工作坐标系的-致性，将螺旋桨的桨叶按照找正找圆的基准摆放到工作台 。依据先前的划线调整桨叶在工作台上的位置，找正找圆I 。如图5所示，图中圆圈点为找平点，黑色圆弧线为找正的圆。

船用螺旋桨的桨叶较大，而且形状复杂，加工时需要用木楔与支撑柱组合对其支撑 。图6和图7分别为轴向固定和周向固定螺旋桨。轴向固定可以防止加工过程中螺旋桨发生上下偏移，并能适当减轻加工叶稍时产生的震动；周向固定用来防止螺旋桨加工时因切削力造成的旋转，及由此产生的加工误差。