螺旋槳金剛石砂帶磨削試驗研究*

張炳昌， 李 忠

(中國船舶重工集團， 衡遠科技有限責任公司， 重慶 404100)

船用螺旋槳是現(xiàn)代船舶中應用最為廣泛的推進器，它靠槳葉旋轉(zhuǎn)來提供推進力，具有較高的推進效率，其設計和制造水平影響了整機的工作性能、效率以及噪聲等。船用螺旋槳的直徑較大，且螺旋槳葉片是由復雜空間曲面組成的工件，其型面屬于大型復雜曲面，設計與制造難度較高。對螺旋槳的加工方法及其裝備的研究一直是制造業(yè)中有待攻克的難題[1]。

針對螺旋槳葉片特有的復雜曲面，隨著自動化技術的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一大批以提高螺旋槳葉片表面質(zhì)量為目的的數(shù)控加工技術和數(shù)控加工機床。VICKERS[2]在1977年就利用計算機輔助技術進行了螺旋槳表面的計算，并進行了球頭刀加工螺旋槳的相關研究。由于螺旋槳的加工參數(shù)是依據(jù)以前的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定的，為此KUO等[3-4]研究了螺旋槳葉片曲面在不同半徑處的法向曲率、主曲率、第一主方向和第二主方向，并在此基礎上建立了銑刀參數(shù)、加工步距和加工行距的數(shù)學模型，為加工參數(shù)的確定提供了可靠的理論依據(jù)。YOUN等[5]在五軸聯(lián)動機床上采用球頭刀加工螺旋槳，將螺旋槳的加工過程分為粗加工、半精加工和精加工3步，先計算檢查向量以生成精加工時的刀具軌跡，然后根據(jù)經(jīng)驗得到最終的刀具矢量。德國Metabo公司生產(chǎn)的MTS1000-6CNC六軸砂帶磨床能夠?qū)崿F(xiàn)復雜曲面的仿形磨削、恒壓力磨削和數(shù)控磨削[6]。王知行等[7]研究了用并聯(lián)機床加工整體螺旋槳葉片的技術和加工整體螺旋槳的工藝方案，提出了加工螺旋槳的并串聯(lián)多軸數(shù)控加工系統(tǒng)，分析了螺旋槳數(shù)控加工的工藝過程，同時介紹了螺旋槳加工的刀具軌跡編程和加工仿真的方法和過程。任秉銀等[8]就螺旋槳葉片曲面數(shù)控加工效率低的現(xiàn)象將球頭銑刀應用于螺旋槳的加工中，通過給出一般螺旋槳葉片工作面的方程，應用微分幾何理論推導了數(shù)控加工所用球頭銑刀的最大允許半徑、走刀步長以及切削行距的計算公式，給出了根據(jù)刀具運動包絡面計算實際加工誤差的方法。楊春強等[1]研制出了四軸聯(lián)動的螺旋槳數(shù)控砂帶磨床，并討論了不同參數(shù)對螺旋槳葉片的影響，為螺旋槳砂帶磨削工藝提供了依據(jù)。

隨著數(shù)控技術和計算機技術的發(fā)展，目前國內(nèi)外許多企業(yè)開始采用各式的數(shù)控機床對船用螺旋槳葉片進行加工[9]。砂帶磨削以其獨特的優(yōu)勢，成為加工復雜型面的一種重要方法。特別是電鍍金剛石砂帶，作為一種新型的柔性磨削工具，克服了傳統(tǒng)砂帶壽命短、耐磨性差、抗拉強度小等缺點，具有一系列傳統(tǒng)磨削工具無法比擬的優(yōu)良性能，被廣泛應用在玻璃、陶瓷、單晶硅、多晶硅、合成材料、硬質(zhì)合金及鋁合金等多種硬脆材料復雜形面的磨削加工領域中[10-14]。

本文中，介紹一種用電鍍金剛石砂帶加工螺旋槳的方法，并通過單因素試驗分析各工藝參數(shù)對螺旋槳表面粗糙度的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料及試驗參數(shù)

試驗選用某型號螺旋槳，如圖1所示。該螺旋槳主要參數(shù)由表1所示；該螺旋槳材料為鎳鋁青銅合金，其化學成分如表2所示。

圖1 螺旋槳

試驗使用定制的電鍍金剛石砂帶和鋯剛玉砂帶。其中金剛石為SMD40型，粒度號為230/270(粒徑63～53 μm)；鋯剛玉類型為557F，粒度號為P230/270。砂帶尺寸均為周長3 500 mm，寬30 mm。

表1 該螺旋槳主要參數(shù)

表2 材料組成成分

1.2 試驗設備和條件

試驗在重慶三磨海達磨床有限公司研發(fā)的船用定槳數(shù)控銑磨復合機床上進行，如圖2所示。該機床由底座、橫向滑板、二級旋轉(zhuǎn)臺、磨頭總成、旋轉(zhuǎn)主軸、縱向升降臺、主軸動力系統(tǒng)組成；電機功率為 1 500 W，最大主軸轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，當接觸輪直徑為300 mm時，砂帶線速度可以在0～42 m/s通過變速器任意調(diào)節(jié)。采用如圖3所示的具有浮動壓力的磨頭，可以很大程度地提高磨削精度，改善磨削效果，同時減少加工過程中的砂帶拋磨振動現(xiàn)象和拋磨過程中工件發(fā)熱問題。

圖2 船用螺旋槳銑磨復合機床

圖3 浮動壓力磨頭

定義完成螺旋槳一只槳葉一面磨削為一次磨削。用北京時代之峰科技有限公司的TR200 型手持式粗糙度儀檢測加工后螺旋槳葉片表面的粗糙度，粗糙度測量儀的最佳取樣長度為0.25 mm，垂直于磨削方向檢測磨削表面粗糙度。探針材質(zhì)為高純度金剛石(99.99%)，測量過程如圖4所示。

圖4 葉片粗糙度測量

1.3 試驗方案

試驗以工件表面粗糙度和砂帶壽命為評價指標，通過單因素試驗對磨削工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

基于螺旋槳的曲面特征和加工要求，對螺旋槳加工采用等殘留高度法與參數(shù)線法相結(jié)合的方法規(guī)劃砂帶加工軌跡，其軌跡如圖5所示。砂帶磨削具體試驗參數(shù)如表3所示。

圖5 機床加工路徑

表3 試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

試驗在加工過后的螺旋槳表面進行，加工前后對比如圖6所示。圖6a為螺旋槳毛坯，圖6b為加工過后的螺旋槳表面。

圖6 螺旋槳槳面比較

為了了解實際加工之后的螺旋槳葉片表面粗糙度的數(shù)值大小及分布情況。在螺旋槳葉盆表面由上到下均勻地選取具有代表性的7條V向參數(shù)線，采用TR200型手持式粗糙度儀進行檢測，所得數(shù)據(jù)取平均值。

圖7是2種砂帶在進給速度為20 mm/s、磨削壓力5 N時，砂帶線速度和表面粗糙度的關系圖。從圖7可以看出：2種砂帶加工后表面粗糙度值均隨砂帶線速度的增大而減小，且二者趨勢幾乎一致。這是因為隨著砂帶線速度的提高，單位時間內(nèi)進入磨削區(qū)的磨粒數(shù)增多，單顆磨粒切削深度變小，工件表面變形小，工件與磨粒的接觸時間縮短，減小了工件因磨粒耕犁形成的隆起高度以及熱塑性變形，因而工件粗糙度值隨之減小。

圖7 帶線速度與表面粗糙度的關系

圖8是2種砂帶在線速度20 m/s，磨削壓力15 N時，磨削進給速度和表面粗糙度的關系圖。從圖8可以看出：隨磨削進給速度增大，工件表面粗糙度值略有增大，且二者趨勢一致。

圖9是2種砂帶在線速度為20 m/s、砂帶進給速度為20 mm/s時，磨削壓力和表面粗糙度的關系圖。從圖9可以看出：表面粗糙度隨磨削壓力的增大而減小，但超過一定壓力后反而增大。

通過上述分析可知：在相同參數(shù)條件下的金剛石砂帶和鋯剛玉砂帶磨削后的工件表面粗糙度幾乎一致，且磨削工藝參數(shù)的最優(yōu)水平組合為砂帶線速度30 m/s，磨削進給速度20 mm/s，磨削壓力15 N，這時的磨削質(zhì)量最好。試驗中還發(fā)現(xiàn)，同等磨削參數(shù)條件下，1根金剛石砂帶平均能磨削該螺旋槳槳葉的3/4，而鋯剛玉砂帶則只能磨削槳葉的1/3，金剛石砂帶的壽命明顯長于鋯剛玉砂帶，增幅為125%。

圖8 磨削進給速度與表面粗糙度的關系

圖9 磨削壓力與表面粗糙度的關系

3 結(jié)論

工件表面粗糙度值隨著砂帶線速度的增加而減小，隨著磨削進給速度的增大而增大，隨著磨削壓力的增大而減小，但超過一定壓力會導致表面粗糙度增大；最優(yōu)工藝參數(shù)組合為砂帶線速度30 m/s，磨削進給速度20 mm/s，磨削壓力15 N。

金剛石砂帶和鋯剛玉砂帶在各工藝參數(shù)下對螺旋槳表面粗糙度的規(guī)律基本一致；相同磨削參數(shù)下，金剛石砂帶相較鋯剛玉砂帶具有更長的壽命，增加了125%。