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船用螺旋槳葉（yè）片（piàn）五軸聯動砂帶磨削方法（fǎ）研究4

2016-8-5 來源：重慶理工大學機械工程學院（yuàn）作者：張明德王加林蘇占領謝樂

摘要：針對大（dà）型船用螺旋槳葉片型麵的高精度拋（pāo）光（guāng）打磨難題，基於零件的結構特點與加工要求提（tí）出了一種五軸聯動數控砂帶磨床磨削加工手段。為極（jí）力減小槳葉型（xíng）麵的波紋度，根（gēn）據零件的三維幾何（hé）模型設計了一種適應於該零件型麵特點的連續加工軌跡線，加工（gōng）過程（chéng）中為避免接觸輪（lún）與槳（jiǎng）葉底（dǐ）盤發生碰撞（zhuàng），提出了一種（zhǒng）動態調整磨削（xuē）工具位（wèi）姿的方法。最後，進行了相關實驗，磨削後槳葉型麵的尺寸精（jīng）度（dù）偏差低於0．095ram且表麵粗糙度（dù）降低明顯，整體加工效果優於（yú）手工磨削，較（jiào）高程度上提高了槳葉型麵的磨削質量與效率。

關鍵詞：船（chuán）用螺旋槳；軌跡規劃；數控砂（shā）帶磨床；磨削加工

0、引言

螺旋槳是各類大型艦船的核心零／部件之一，在推動船隻前進的過程中其所起（qǐ）作用至關（guān）重要。螺旋槳葉片主型（xíng）麵是由吸水麵、壓水麵（miàn）、導邊與隨邊等組成，其對水體壓縮與膨脹動作的實現與槳葉主型麵的彎扭變化有著緊密的關（guān）係。為提高螺旋槳（jiǎng）的推重比，其型（xíng）麵的拋光打磨工序極為重要。磨削加工（gōng）一般作為快速提升工件（jiàn）表麵質量（liàng）的最終加工手段之一，砂帶磨（mó）削是（shì）磨削加工領域裏極具代表（biǎo）性的一類分支。得益於其柔性磨（mó）削、低（dī）磨削殘留應力、工作效率高及剛性衝擊小的特性，故在磨削機理與工作性能層麵較砂輪磨削加工相比差異性較大。對於複雜曲麵類零件表麵的光整加工，砂帶磨削主要有研磨與拋光的作用，輔以附著於布基載體上磨粒（lì）微刃的（de）高速旋轉動作，其（qí）兼有材料（liào）去除的作用。

對於螺旋槳葉片（piàn）(以下簡稱葉片)表麵的精整加工，受（shòu）限於加（jiā）工質量、工作效率、加工環境及加工成本等原（yuán）因，普通的手工磨削方式已（yǐ）不（bú）能完全勝任。近年來，國內對於葉片表麵的精整加工方法雖已得到不同程度的（de）迭代更新，但較國外發達國家（jiā）相比還有不小的差距。德（dé）日美等（děng）發（fā）達國家已（yǐ）率先引入數控砂帶磨床對葉片型麵進行拋光打（dǎ）磨，並且取得了高質量的磨削效（xiào）果[1圳。數控砂帶磨床有加工（gōng）效率高、成本低、柔性大及零件加（jiā）工一致性高的優點，用數控砂帶磨床代替工人手工（gōng）作業將（jiāng）是未來複雜曲麵加工的發展趨勢舊引，對保障人身安全、改（gǎi）善工人勞動環境、減輕勞動強度、提高勞動生產率、節約原材料消耗以及降低生產成本有著十（shí）分重要的現實意義（yì）。

本（běn）文（wén）以大型船用螺旋槳葉片為研究對象，運用五軸聯動數控砂帶磨床輔（fǔ）以浮動（dòng）壓（yā）力磨頭機構對其（qí）表麵進行拋光打磨，加工過程中使工件型麵與砂帶保（bǎo）持局部貼合狀態以（yǐ）保證磨削過（guò）程的持續（xù）進行。通過實際的加（jiā）工實驗證明，磨削後葉片（piàn）表麵的粗糙度（dù）明（míng）顯降低，尺寸精度也提升明顯。

1、五軸聯動數控砂帶磨床磨削係統

本文研究的數控砂帶磨床磨削係統如圖1所示，主要由浮動壓力係統、葉片型麵餘量檢測係統等子係統組成。考慮到葉片主型麵彎扭變化較大，四（sì）軸數（shù）控機床難以保證其加工精度，故采用五坐標加工方式（shì）。為（wéi）保證磨削加工動作的持續進行將葉片裝夾（jiá）在可360。回轉（zhuǎn）的工作台上，葉片的（de）單次裝夾可實現數控機床對其吸水麵、壓（yā）水麵等主型麵的連續磨削加工，此（cǐ）過程的實現較大程度上可規避由於裝夾誤差（chà）而影響機床的整體磨削（xuē）加工精度（dù）。數控（kòng）砂帶磨床首先由3個（gè）直線軸(x軸、y軸、z軸)組成，其中y軸可實現螺旋槳葉片的左右移動，x軸可實（shí）現磨削工具相（xiàng）對於葉片的上下移動，z軸可實現磨削工具相對於葉片的前後移動。若單純依靠以上3個（gè）直線軸（zhóu）的運動，那麽數控機床末端磨削工具無法適應葉片型麵的彎扭變（biàn）化，故其必須增設2個旋轉軸(曰軸、C軸)以提升磨削工（gōng）具（jù）的可達性。砂帶磨床磨削係統原（yuán）理如圖2所示，其中（zhōng）瓦為x軸上限行程，以（yǐ）為x軸下限行程，其餘軸以此類推。數控砂帶磨床（chuáng）主要性能指標如表1所示。

圖1數控砂帶磨床磨削係統

圖（tú）2數控（kòng）砂帶磨床磨削係統原（yuán）理

表1 數控砂（shā）帶磨床主要性能指（zhǐ）標

2、葉片型麵砂帶磨削軌跡規（guī）劃及浮動壓力係統

船用螺旋槳葉（yè）片主型麵主要是由成組空間複雜曲麵組成，空間複雜曲麵可定義為空間域內（nèi）的參數（shù）曲麵，是由一（yī）些樣條曲線（xiàn）通過一定非線性映射關係得出的（de）拓（tuò）撲（pū）曲麵。與航空發動（dòng）機（jī）葉片不同的是其中間部位呈鼓形，較（jiào）邊（biān）緣部位相比較厚，並且體積龐大、加工時間較長，船用螺旋槳葉片的（de）組成（chéng）結構如圖3所示。

圖3船用螺旋槳葉片的組成結構

2．1 砂帶磨削軌跡規劃與刀位點計算

大型船用螺旋（xuán）槳葉片傳（chuán）統的加工工藝路線通（tōng）常需要經過鑄造、銑削、磨削、檢驗（yàn）與滾花（huā）等幾個主要的加工階段。由於葉片主型麵為複雜曲麵且銑削後磨削前葉片型麵殘留銑削紋路（lù）較大，故刀具（jù）磨削軌跡布排方式的合理與否對於（yú）葉片表麵加工質量與加工效率的提升（shēng）至關（guān）重（chóng）要。根據葉片結構與銑削紋路特點，將砂帶磨削方式設置為橫拋並從葉片根部（bù）逐次向上平移開（kāi）始多個切削行的加工，以此可以（yǐ）得到（dào）迂回連接的砂帶加工軌跡線，次之，將加工軌跡離散成均勻分布的磨削加工（gōng）刀觸點，如圖4所（suǒ）示。

圖4數控機（jī）床（chuáng）磨削（xuē）加工刀觸點

較普通（tōng）數控機（jī）床加工刀具不同的是砂帶磨床中磨削（xuē）工具的刀位點Q位於（yú）接觸輪中（zhōng）心(如圖5所示)。若給定（dìng）磨削刀觸點P，結合刀觸點處的法向矢量，v，接觸輪半徑R及砂帶截麵厚度日，可以得到（dào）理論刀觸點矢量P與刀（dāo）位點矢量Q坐標分量（liàng）之間的位置關係表達式：

但實際加工過程中式(1)並不適用（yòng），究其原因可歸結為一方麵由於接觸輪是柔性材料，其（qí）與工件表麵接觸時（shí）必定會產生一定程度上的變形；另一方麵隨著（zhe）磨削動作的持續進行，附著於砂帶（dài）表麵上的磨粒隨著（zhe）磨削時間t的增加會逐（zhú）漸（jiàn）磨損而間（jiān）接影響砂帶厚度日。設定砂帶的初始（shǐ）磨損(快速（sù）磨損階段)厚度（dù）為丁，磨損係數d∈(0，1)，則磨損後砂帶厚度日’為：

兼顧到以上兩方（fāng）麵因素產生（shēng）的影響，設定機（jī）床作業過程（chéng）中接觸輪的變（biàn）形量R．∈(0，尺)，以式(1)為基函（hán）數結合式(2)，並在此基礎（chǔ）上作出相應變形：

圖（tú）5砂帶磨床刀位點坐標及磨削工具局部受力

2．2浮動壓力磨頭係統（tǒng）

為減（jiǎn）少實際加工過程（chéng）中（zhōng）由於磨削壓力過大而（ér）引起的過（guò）切或者表麵殘留波紋度過大現（xiàn）象(如（rú）圖6所示)，此數控砂（shā）帶磨床配（pèi）以浮動壓力磨頭係統。浮動（dòng）壓力係統結構如（rú）圖7所示，主要由張緊氣缸、接觸輪、比（bǐ）例閥（fá）等重要部件組（zǔ）成。通過控製係統輸入適應於葉片表（biǎo）麵的磨（mó）削壓力，比例閥可調節張緊氣（qì）缸2以改變施加於接觸輪（lún）上壓力的大小以達到“隨動磨削”的效果，並（bìng）可有效降低機床磨削過程中的剛性衝（chōng）擊現象，張（zhāng）緊氣缸2亦可完（wán）成磨削工具的進、退刀動作。浮動（dòng）壓力（lì）係統（tǒng）中，張緊輪可改變砂帶包角的大小輔以張緊氣缸（gāng）1可有效避（bì）免作業過（guò）程中的砂帶打滑現象（xiàng）。

圖6葉片表麵（miàn）加工缺陷

圖7浮動壓力係統結構

圖5中，砂帶的張緊力F。、F。、砂帶與導向輪之間（jiān）的摩擦力與氣缸內壁之間摩擦力總（zǒng）和F，、氣缸的張緊（jǐn）力P、接觸輪與工件接觸時產生的反向磨削壓力n之間有著緊密的關係，其數學表達式為：

為避免磨削過程中易（yì）出現的欠拋現象（xiàng），浮動壓力產生的位移（yí）實則非常小，亦可以得（dé）出砂（shā）帶的張緊力F。與F。所（suǒ）在平麵之間產生的夾角（jiǎo）p變化幅度非常小並可忽略不計，若輸入張緊氣缸2中的氣體壓力（lì）為卸，其有效工作麵積為S，則機床作業過程中變化的氣缸張緊力△F，=aps，磨削工（gōng）具運動到任意位置時（shí）的摩擦（cā）力總和為B7，式(4)經變形可得到（dào）變（biàn）化的磨削壓（yā）力：

3、磨（mó）削（xuē）工具位姿（zī）葉片根部動態（tài）調整方法

螺旋槳葉根圓角部位即葉片主型麵與底座過渡部（bù）位，由於其空間結構過於緊湊及磨削工具輪廓尺寸大（dà）等原因（yīn），磨削工（gōng）具運動至葉片根部時易發生不同程度的幹涉碰撞現象，磨削（xuē）工具易發生幹涉部位如圖8所示。

圖8磨削工具（jù）易發生（shēng）幹涉部位

若采用減小磨削工具輪廓尺寸的方法來避免（miǎn）幹涉，必然會影（yǐng）響（xiǎng）機床加工效率以增加葉片加工成本。基於此現狀，本文采用了動態調整磨削工（gōng）具位（wèi）姿的（de）方法，如（rú）圖9所示。計算出（chū）葉片主型麵與葉（yè）根圓角部位的相交線2：與第（dì）i。。條u向參數（shù）線f，之間的距離（lí），依據計算出來的距離動態調整繞刀觸點處（chù）法向矢量n旋轉的u向切向矢量t的角度θ。

圖9磨（mó）削工具位姿動態調整過程

抽取相（xiàng）交線f：與u向參數線f3作出分析。考（kǎo）慮到實際葉片根部型麵彎（wān）曲變化較（jiào）均勻，所以將其映射X00。Zo平麵以（yǐ）便於分析，參數（shù）線f，與相交線z：之間的幾何（hé）關係如圖10所示（shì）。設定搜索方向為．，及凰軸為基線f。，並設定搜索（suǒ）容差為M，將Z，離散成均勻分（fèn）布的刀（dāo）觸點，其中（zhōng）厶離散精（jīng）度根據葉片型麵實際（jì）磨削精度擬定（dìng）。依據搜索方（fāng）向l，，搜索所有被離散出來刀觸點（diǎn）列中的峰值點P。，即峰值點P。處皿值最大（dà），以（yǐ）上搜索過程中亦可以得到所有刀觸點處（chù）與（yǔ）f3之間的最短（duǎn）距離D。，將所有刀觸點處的最短距離用數列形（xíng）式表示出來：

尋求數列D中的最小值D。，利用仿真軟件可以得到該刀觸點處的最（zuì）佳轉動（dòng）角度鞏，結合以上分析過程可以計算（suàn）出任意（yì）刀觸點所需要旋轉的角度θi：

其中Oi的正負須結合（hé）峰值點（diǎn）P。綜合考慮，若刀觸點（diǎn）Pi處於R左邊，那麽結合實際葉片根部型麵特點取Oi的符號（hào）為正，反之為負。設定n’為單位化（huà）之後刀觸點處的法向矢量，結合微分幾（jǐ）何相關知識可以得到任意刀觸點處旋轉之後（hòu）的u向參數線切向矢（shǐ）量t7：

圖10參數（shù）線f3與相交線（xiàn）f：之間的幾何關係

磨削工具位姿調整分析流（liú）程如圖1 1所（suǒ）示。

圖11磨削工具位姿調整分析流

4、加工實（shí）驗（yàn）

實（shí）際葉片表（biǎo）麵殘留銑削紋路較大（dà），為驗證五軸聯動（dòng）數控砂（shā）帶磨床實際磨（mó）削效果，所以將磨削加工實驗分為粗磨、半精磨和（hé）精磨進（jìn）行。

待加工工件為某機械廠生產的西2 500mm側推螺旋槳葉片，材料為（wéi）錳青銅，葉片表麵最厚處達（dá）40ram，葉片實際磨削參數如表2所示。

表2葉片實際磨（mó）削參數

圖12葉（yè）片經過各加工階段之（zhī）後表麵質量效果

葉片（piàn）表麵經過（guò）粗加工、半精加工（gōng）、精加工3個加（jiā）工階段之後表麵質量效果如圖12所（suǒ）示。

由圖12可以（yǐ）看出半精磨較粗磨相（xiàng）比，表麵刀具（jù）紋路明顯變小，精（jīng）磨後表（biǎo）麵波紋度（dù）改（gǎi）善明顯（xiǎn）。

為了解實際磨削（xuē）之後（hòu）葉片表麵尺寸精（jīng）度與粗糙度數值大小及分布情況（kuàng），由下至上均勻抽取葉片（piàn）壓水麵上具有代表性的5條u向參數線，分別（bié）提取20個刀觸點進行分析，固定x軸與z軸坐標分量，利用海克斯康三坐標測量儀將磨削加工後刀觸點（diǎn）處y軸坐標分量所反映的偏差在（zài）MATLAB平（píng）台上進行輸出，l，軸坐標（biāo）分（fèn）量（liàng）尺（chǐ）寸偏差如圖13所示，隨著磨削時間的增（zēng）加，表麵偏差（chà）波動值逐漸趨於平（píng）緩，葉片型（xíng）麵

總體偏差與粗糙度測量結果如表3所示（shì）。

表3磨削實驗後測量結果

葉片理論要求重量為383．45kg且重量偏差（chà）不超過原有重量的±4％。葉片銑削後磨（mó）削前稱重為383．98kg，磨削後稱重為378．20kg，偏（piān）差為一1．37％，符合實際加（jiā）工要求。加之，本文動態調整了葉（yè）根圓角區域的接觸輪位姿，使磨削工具的可（kě）達磨削區域提升約9％，並且（qiě）整體磨削效果較好。

5 、結語

1)本文針對螺旋槳葉片型麵（miàn）結構複雜（zá）、表麵精整加工（gōng）後尺寸精度難以把控的特點，創新性地提出了運（yùn）用五軸聯動數控砂帶磨床對其表麵進行高效高精（jīng）度打磨，機床的工藝靈活性與加工適應性均得到了較（jiào）高程度的提升。最後進行（háng）了實際加工實（shí）驗，結果證明葉片型（xíng）麵磨削（xuē）效果與磨削效率遠高於現階（jiē）段高（gāo）強度且磨削質量難（nán）以管（guǎn）控的手工作業方（fāng）式。

2)本文在不犧牲數控砂帶磨床原有（yǒu）加工效率的前提下優化了磨削工具進入葉根圓角難加工（gōng）區域的位姿形態，使磨削工具的可達磨削區域得到（dào）了一定程度上的（de）提升。

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