基于UG12.0的螺旋槳葉片五軸加工之銑削策略探討

張桂花 謝正

摘要： 為優(yōu)質(zhì)高效的加工螺旋槳，本文分析了螺旋槳葉片加工的難點(diǎn)，通過選擇五軸聯(lián)動加工方式，并基于UG12.0對比了不同銑削策略，得到了優(yōu)化的刀軌，確定了工藝方案，經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，加工工藝正確可行。

Abstract： In order to machine the propeller with high quality and high efficiency， this paper analyzes the difficulties of propeller vane machining， chooses five-axis machining mode and compares different milling strategies based on UG12.0， the optimized tool path is obtained and the process scheme is determined. The production practice proves that the processing technology is correct and feasible.

關(guān)鍵詞： UG12.0;螺旋槳;五軸加工;銑削策略

Key words： UG12.0;propellers;five axis machining;milling strategy

中圖分類號：TG54 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0106-03

0 ?引言

螺旋槳是大型輪船、潛艇等重型動力機(jī)械的核心部

件[1]，其劃水產(chǎn)生作用力與反作用力推動船舶推進(jìn)器前進(jìn)，其加工精度直接影響整機(jī)的噪音、機(jī)動性和速度，螺旋槳的設(shè)計和制造仍然制約著我國航空、航天、船舶、汽輪機(jī)等領(lǐng)域的發(fā)展，是渴望突破的卡脖子技術(shù)。

因螺旋槳的葉片是復(fù)雜的空間螺旋面，葉片重疊部分、漿根、槳轂區(qū)域一直是加工的難點(diǎn)，特別是大型的螺旋槳加工，不但直徑大而且壁薄，同時加工時位置精度要求高，裝配精度要求高，更是難上加難。傳統(tǒng)的加工方法采用“砂型鑄造-手工打磨-樣板檢測”的制造工藝[2]，螺旋槳葉片很容易發(fā)生變形，加工精度難以保證，且制造效率低，生產(chǎn)環(huán)境惡劣。隨著CAM技術(shù)的發(fā)展和五軸數(shù)控加工中心的推廣應(yīng)用，螺旋槳等復(fù)制曲面零件采用五軸聯(lián)動加工方式，大大提高了螺旋槳葉片的加工精度和表面質(zhì)量，極大了減少了產(chǎn)品的加工時間，提升了生產(chǎn)效率，進(jìn)而有效地降低了整機(jī)水下航行時的振動和噪聲。本文研究應(yīng)用UG12.0對螺旋槳葉片進(jìn)行三維造型，結(jié)合葉片流體力學(xué)選擇合適的銑削策略，優(yōu)化刀軌，確定工藝方案和生成加工程序，并在五軸數(shù)控加工中心上加工驗證。

1 ?基于UG12.0的螺旋槳三維建模

螺旋槳三維建模的難點(diǎn)仍然是葉片，特別是創(chuàng)建空間曲線串[3]。

①識讀圖紙，在XY平面繪制界面用拉伸的方法生成槳轂。

②根據(jù)技術(shù)要求，葉片中性面為分別位于？覫40 和？覫88的兩條導(dǎo)程為145、104的兩條螺旋線形成的直紋面，用螺旋線命令創(chuàng)建？覫40，螺距為145，長度為14的螺旋線，用同樣的方法創(chuàng)建？覫88，螺距為104，長度為14的螺旋線，注意螺旋方向要一致，接著將螺旋線的兩端用曲線連接，形成空間曲線串，再用藝術(shù)曲面創(chuàng)建空間螺旋面

片體。

③用曲面加厚生成葉片實體。

④將葉片用陣列功能生成陣列葉片。

⑤合并槳轂與葉片，并對漿尖和漿根邊進(jìn)行邊倒圓，就生成了螺旋槳的三維模型，如圖1所示。

2 ?基于UG12.0的螺旋槳葉片銑削策略設(shè)計

2.1 設(shè)計工裝夾具與毛坯

為了減少裝夾誤差，盡可能在一次裝夾中加工到位，考慮到通用夾具裝夾可靠與走刀空間問題，設(shè)計了專用的工裝夾具如圖2所示，將螺旋槳裝入芯軸，頂部用螺栓緊固，芯軸與過渡盤用螺栓聯(lián)結(jié)，過渡盤通過螺栓固定在五軸轉(zhuǎn)臺上。

螺旋槳毛坯采用棒料，先在車床上加工出臺階軸和芯軸孔，作為螺旋槳葉片毛坯。

2.2 加工內(nèi)容分析

基于螺旋槳的流場計算[1]可知，葉面為壓力面，流體與葉面的相互作用力大，對表面質(zhì)量要求較高，否則會產(chǎn)生振動與噪聲;葉背為吸力面，流體與葉背之間的相互作用力較小，可提高加工效率;根據(jù)加工要求的不同，將螺旋槳葉片分為葉面曲面、葉背曲面和槳轂三個區(qū)域進(jìn)行加工，如圖3所示。

2.3 刀具選擇分析

通過分析零件圖紙，漿根處最小凹圓半徑為2mm，粗加工是考慮高效原則，盡可能選擇直徑大的刀具，但直徑越大，在葉背曲面處和漿根圓角處殘留的余量越多，綜合考慮加工余量的均勻，粗加工選擇d8的立銑刀，再根據(jù)最小凹圓半徑選擇d4的立銑刀進(jìn)行二次開粗;為保證葉面表面加工余量均勻，根據(jù)曲面形狀選擇d6的球刀進(jìn)行半精加工，精加工考慮優(yōu)質(zhì)原則，根據(jù)最小曲率半徑選擇Φ4球刀。

2.4 粗加工策略選擇分析

粗加工階段應(yīng)盡可能去除絕大部分余量，選擇UG12.0中mill_contour的型腔銑削策略，設(shè)置刀具和切削參數(shù)，點(diǎn)選葉面曲面、槳轂和葉背曲面指定切削區(qū)域，將螺旋槳視圖旋轉(zhuǎn)至葉面曲面、槳轂和葉背曲面正對觀察者方向，如圖3所示，再以垂直于視圖方向定義刀軸，定義切削層和非切削移動，生成刀軌，接著將刀軌陣列生成另兩個刀軌，如圖4所示。

由于所選刀具無法漿根圓角處進(jìn)刀，殘留余量較多，為獲得均勻的加工余量，需要進(jìn)行二次開粗，用同樣的方法選擇型腔銑策略，更改刀具和切削參數(shù)，再參考粗加工刀具即可生成如圖5所示刀軌。

2.5 半精加工策略選擇分析

通過姜昕亞等[1]研究表面缺陷對螺旋槳表面的局部流體流動的影響可知，當(dāng)流體機(jī)械表面刀痕與流體流動方向一致時，表面刀痕對流體的影響降到最低，還可以在一定程度上對流體有一定引導(dǎo)作用;而當(dāng)流體流動方向與刀痕方向垂直時，表面加工質(zhì)量對流體局部流動的影響最大，容易誘發(fā)振動與噪聲。應(yīng)用楊興隆等[4]研究成果，考慮到水流方向，刀具軌跡方向需要與槳葉剖面平行，也就是說螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，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。

①葉面曲面的半精加工策略。

要生成與槳葉剖面平行的同心圓，選擇UG12.0中的mill_multi-axis的可變輪廓銑策略，設(shè)置刀具與切削參數(shù)，選擇曲面區(qū)域驅(qū)動方法，點(diǎn)選葉面曲面為指定驅(qū)動幾何體，定義切削方向，選擇與槳葉剖面平行的方向，刀軸采用相對于驅(qū)動體的方法，設(shè)置側(cè)傾角，生成如圖6所示刀軌。若曲面驅(qū)動方法中的切削方向選擇垂直于槳葉剖面的方向，則生成如圖7所示刀軌，雖然也可以加工，得到的質(zhì)量也一樣，但刀痕方向與流體流動方向垂直，容易誘發(fā)振動與噪聲，切忌。

②葉背曲面的半精加工策略。

葉背曲面也考慮水流方向，采用同樣的銑削策略，選擇葉背曲面為指定驅(qū)動幾何體，定義與槳葉剖面平行的切削方向，刀軸更改為指定矢量方式，生成如圖8所示刀軌。

③槳轂的半精加工策略。

槳轂區(qū)域刀軌方向與葉面曲面方向一致，順著水流方向，同樣選擇可變輪廓銑削策略，定義槳轂曲面為指定驅(qū)動幾何體，選擇順著水流方向為切削方向，通過相對于驅(qū)動體定義刀軸，則生成如圖9所示刀軌。

2.6 精加工策略選擇分析

精加工策略與半精加工策略一致，只是切削參數(shù)不同，為了獲得更高的表面質(zhì)量，切削步距更多，生成的刀軌更密，如圖10所示。

2.7 刀軌仿真與后處理

生成的刀軌與實際加工的五軸數(shù)控加工中心、工裝夾具會否發(fā)生碰撞和過切、超行程等問題，可在UG12.0進(jìn)行機(jī)床仿真，進(jìn)行碰撞和過切檢查，并觀察模擬加工過程。若無報警，則進(jìn)行最后的后處理，選擇實際加工所用的后處理文件，生成加工程序。

3 ?螺旋槳葉片銑削策略的驗證

選擇BC軸的HMU20的小五軸數(shù)控加工中心試切驗證銑削策略，得到的螺旋槳試切件如圖12所示。由此可知，刀軌簡潔可行，無碰撞和過切現(xiàn)象，能滿足零件各項技術(shù)要求，很好的解決了螺旋槳葉片難加工的問題，其銑削策略可在同類零件的加工難題中推廣應(yīng)用，具有一定的實踐意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜昕亞，喻道遠(yuǎn).螺旋槳加工刀具路徑規(guī)劃[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2014（11）：82-84.

[2]黃科.大型定距螺旋槳多軸數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃[M].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011：1.

[3]王件華.基于PowerMill的螺旋槳葉片五軸加工應(yīng)用[J].輕工科技，2021（11）：57-58.

[4]楊興隆，吳永鋼，付海，劉銳.螺旋槳關(guān)鍵工序數(shù)控加工[J].智能智造，2021（6）：71-73.