付大鹏，王小旭

(东北电力大学 机械工程学院，吉林 吉林 132012)

0 引言

螺旋桨作为船舶推进器，其制造质量将直接影响船舶的整体性能［1］。螺旋桨的传统加工是通过铸造毛坯加以大量人工修磨完成，这种方法存在着加工周期长、成本高、以及精度不易保证等缺陷［2］。随着数控加工技术的发展和多轴联动数控机床的问世，船用螺旋桨一般采用五轴联动数控机床加工［3］，但五轴机床目前在我国应用尚不广泛。因此，如何应用四轴机床加工出高质量的船用螺旋桨有着重大意义。

1 基本加工思路

船用螺旋桨整体形状复杂，叶片为自由曲面，相邻叶片间区域狭窄并且空间重叠大，导致了加工时易产生“干涉”或“过切”等问题。针对四轴数控机床加工船用螺旋桨问题，有人曾经提出分体式加工方法［4］，但此方法存在后续装配精度要求等问题。

通过对螺旋桨型面研究发现，如果在三轴联动机床上针对螺旋桨某一叶片的某一面进行加工，不仅可以满足这一面的加工要求，同时可以解决四轴机床第四轴旋转带来的干涉问题。基于以上思想，我们将螺旋桨整体按其特性分为若干工作面，在四轴机床上对螺旋桨各面分别编写三轴加工程序，凭借螺旋桨回转对称性，利用第四轴旋转毛坯并重复运行程序，以此作为船用螺旋桨数控加工的又一新方法。

2 加工仿真

2.1 三维CAD 模型的建立

本文借助于26cc 汽油船用螺旋桨模型进行实验分析，螺旋桨具体特征数据如表1 所示。实验采用逆向工程技术获得上述螺旋桨三维CAD 实体模型。

表1 螺旋桨特征数据

2.2 刀位轨迹生成

在Cimatron E 软件中，创建工件坐标系进入加工环境。由于实验模型尺寸较小，我们省去毛坯铸造过程，选用直径为150mm 的棒料作为毛坯。将螺旋桨整体分为三个叶片以及桨毂共四部分进行加工，加工过程分为粗加工、半精加工和精加工三步。

首先，对螺旋桨叶间进行开槽加工，为提高叶片的加工效率，粗加工选择较大直径的球头铣刀以及相对较大的切削用量，并保留一定的加工余量［5］。图1 为螺旋桨开槽铣刀路轨迹。

图1 螺旋桨开槽加工刀轨

叶片的半精加工和精加工运用3 轴零件曲面加工方式，针对螺旋桨叶片的吸力面、压力面以及桨毂面分别加工。此种铣削方法走刀方式为沿曲面直线往复走刀，加工效率高。综合考虑加工变形和工件表面质量，加工时从叶片导边进刀，且机床主轴转速逐步降低。合理选择检查面以保证加工安全，设置具体的切削参数，计算生成刀路轨迹。

如图2、图3 分别为叶片压力面和吸力面半精加工刀轨。

图2 压力面刀轨

图3 吸力面刀轨

2.3 后置处理

刀路轨迹生成后，通过高级仿真进一步观察叶片的加工轨迹，同时可以进行干涉检查，通过反复调试，后置处理生成程序代码。

2.4 加工实验

最后在四轴加工中心进行加工实验，实验所用机床是杭州友佳FV-800A 四轴数控加工中心，数控系统为FNAUC-0imB，材料为经锻压的45 号钢，加工出零件模型如图4 所示。

图4 实验结果

3 三维偏差分析

在数控加工过程中，如若加工方法或工艺参数选择不合理，将导致零件因尺寸偏差过大。为从加工结果分析加工方法是否合理，则需要对零件进行偏差分析［6］。我们借用Geomagic Qualify 软件对零件和数字化模型进行对比和分析。

应用三维激光扫描仪采集零件表面点云数据，进行3D 偏差比较，图5 为分析结果直方图。通过分析得到零件与设计模型偏差基本在0 ～+0.5mm 之间。表2 为ISO 484-1-1981 规定的船用螺旋桨制造偏差与等级关系，据此得出，本次船用螺旋桨加工精度已满足S 级要求。

图5 分析结果直方图

表2 制造偏差与等级

4 结论

本文以26cc 汽油船用螺旋桨为例，详细阐述了四轴联动机床加工螺旋桨的具体方法，结合偏差分析，论证了方法的正确性和可行性。作为船用螺旋桨数控加工的新方法，它的提出不仅解决了传统加工方法精度低、五轴加工成本高的问题，同时对开发机床利用潜力也有着重要意义，对其它类似复杂型面零件的加工起到一定的指导和借鉴作用。

［1］孙自立. 船舶用螺旋桨原理及修理［M］. 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2009.

［2］苏永春. 大型舰船用螺旋桨五轴加工后置处理及干涉碰撞检测［D］. 华中科技大学，2006.

［3］KUIPER Gert. Blade section design of marine propellers with maximum cavitations inception speed ［J］. Journal of Hydrodynamics，2012，2(15).

［4］顾雪艳，缪德建，季鹏，等. 基于CAM 的螺旋桨四轴加工方法研究［J］. 机电工程，2009，26(5):90 -94.

［5］吴朋友. 数控加工自动编程-Cimatron E［M］. 北京:清华大学出版社，2008.

［6］侯跃谦，谭庆昌，史尧臣. 汽车后视镜的逆向造型设计与分析［J］. 工程与试验，2010(12):54 -56.