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船用螺旋槳葉片五軸聯動砂帶磨削方法研究4

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

摘要（yào）：針對大型船用螺旋槳葉片型麵的（de）高精度拋光打磨難題，基於零件的結構特點與加工要求提出了一種五軸聯動數控砂帶磨床磨削加工手段。為極力減小槳葉型麵的波紋度，根據（jù）零件的三（sān）維幾何（hé）模型設計了一種適應（yīng）於該零件型麵特點的（de）連續加工軌跡線，加工過（guò）程中為避免（miǎn）接觸輪與槳葉底盤發生碰撞，提出（chū）了一種（zhǒng）動態調整磨削工具位（wèi）姿（zī）的方法。最後，進行了（le）相關實（shí）驗，磨削後槳葉型麵的尺寸精度偏差低（dī）於0．095ram且（qiě）表麵粗糙度降低（dī）明顯，整體加工效果優於手工磨削，較高程（chéng）度上提高了槳葉型麵的（de）磨削（xuē）質（zhì）量與效率。

關鍵詞：船用螺旋槳；軌跡規劃；數控砂帶磨床；磨削加工

0、引言

螺旋（xuán）槳是各類大型艦（jiàn）船的核心零／部件之一，在推動（dòng）船隻前進的過程中其（qí）所（suǒ）起作用至關重要。螺旋槳葉片主型麵是由吸（xī）水麵、壓水麵、導邊與隨邊（biān）等組成，其對水體壓縮與膨脹動作的實現與槳葉（yè）主型（xíng）麵的（de）彎扭變化有著緊密的關係。為提高螺旋槳的推重比，其型麵的（de）拋光（guāng）打磨工序極為（wéi）重要。磨削加工（gōng）一般作為快速提升工件表麵質量的最終加工手段之一，砂帶磨削是磨削加工領域裏極具代（dài）表（biǎo）性的一類分支。得益於其柔性磨（mó）削、低磨削殘留應力、工作效率（lǜ）高及剛（gāng）性衝擊小的特性，故在磨削（xuē）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（mó）與拋光的作用，輔以附著（zhe）於布基載體上磨粒（lì）微刃的高速旋（xuán）轉動（dòng）作（zuò），其兼有材料去除的作（zuò）用。

對於螺旋槳葉（yè）片(以下簡稱葉片)表麵（miàn）的精整加工，受限（xiàn）於加（jiā）工質量、工作效（xiào）率（lǜ）、加工環境及加工（gōng）成本等原因，普通的（de）手工磨削方式已不能完全勝任。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（chéng）度（dù）的迭代更新，但較國外發達國家相比還有不小的差距。德（dé）日美等發達國（guó）家已率先（xiān）引入數控砂帶（dài）磨床對葉片型麵進行（háng）拋光打磨，並且取（qǔ）得（dé）了高質量的（de）磨削效果[1圳。數控砂帶磨床有加工效率高（gāo）、成本（běn）低、柔性大及零件加工一致性高（gāo）的優點（diǎn），用數控砂帶磨床代替工人手工作業將是未來複雜曲麵加工的發展趨勢舊引，對保障人身安全、改善工人勞動環境、減輕勞（láo）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（yǒu）著十（shí）分重要的現實意義。

本文以大型船用螺旋槳葉片為研究對象，運用五軸聯（lián）動數控砂帶磨（mó）床輔以浮動壓力磨頭機構對其表麵進行拋光打磨，加（jiā）工過（guò）程中使工件型麵（miàn）與砂帶保持局部貼合狀態以保證磨削（xuē）過程的（de）持續（xù）進行。通過實際的加工實驗證明，磨削後葉片（piàn）表麵的粗糙度明顯降低，尺寸精度也提升明顯。

1、五軸（zhóu）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（xì）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（lǜ）到葉片（piàn）主型（xíng）麵彎扭變化（huà）較大，四軸數控機床難以保證其加工精度，故采用五坐標加工方式。為保證磨削加（jiā）工動作的持續進行（háng）將葉片裝夾在可360。回（huí）轉的工作台上（shàng），葉片的單次裝夾（jiá）可實現數控機床對其吸水麵、壓水麵等主型麵的連（lián）續磨削加工，此過程的（de）實現較大程度上可（kě）規避由於裝夾誤差（chà）而影響機床的整（zhěng）體磨削加工精度。數控（kòng）砂（shā）帶磨床首先由3個直線軸(x軸、y軸（zhóu）、z軸)組成，其（qí）中y軸可實現螺旋槳葉片的左右移動，x軸可實現磨（mó）削工具相對於葉片（piàn）的（de）上下移動，z軸可實現磨削工具相（xiàng）對於葉片的前後（hòu）移動。若單純依靠以上3個直線軸的運動，那麽數控機床末端磨削工具無法適應葉（yè）片型麵的彎（wān）扭變化（huà），故其必須增（zēng）設2個旋轉軸(曰軸、C軸)以提升磨（mó）削工（gōng）具的可達性。砂帶磨床磨削（xuē）係（xì）統（tǒng）原理如圖2所（suǒ）示，其中瓦為x軸上限行程，以為x軸下限行（háng）程，其餘軸以此類推。數控砂帶磨床主（zhǔ）要性能指標如表1所示。

圖1數控砂帶磨床磨削係統

圖2數控砂帶磨床磨削係統原理

表1 數控（kòng）砂帶磨床（chuáng）主要性能指標

2、葉片型麵砂帶磨削軌跡規劃及浮動壓力係統

船用螺旋（xuán）槳葉片主型麵主要（yào）是由成組空間複雜曲麵組成，空間複雜曲麵（miàn）可定義為空間域內的參數曲麵，是由一些樣條曲線通過一定非線性映射關係得出的拓撲曲麵。與航空發動機葉片不同的是其中間部（bù）位呈鼓形，較（jiào）邊緣部位相比較厚，並且（qiě）體積龐大、加工時間較長，船（chuán）用螺旋槳葉片的組成結構如圖3所（suǒ）示。

圖3船用（yòng）螺旋槳葉片的組成結構

2．1 砂帶磨削（xuē）軌跡規劃（huá）與刀位（wèi）點計（jì）算

大型船用螺旋槳葉片傳統的加工工藝路線（xiàn）通常需要經過鑄造（zào）、銑削、磨削（xuē）、檢驗與滾花等（děng）幾個（gè）主要（yào）的加工階段。由於葉片主型麵為複雜曲麵且（qiě）銑削（xuē）後磨削前葉片型麵殘留銑削紋路較大，故刀具（jù）磨削軌跡布排方式（shì）的（de）合理與否對於葉片表麵加（jiā）工質量與加工效率的提升至關重要（yào）。根據葉片結構與（yǔ）銑削紋路特點，將砂帶磨削方式設置為橫拋並從葉片根部逐次向上平移（yí）開始多個切削（xuē）行的加工，以此（cǐ）可以得到迂回連接的砂帶加工軌跡線，次之，將加工軌跡離散成均（jun1）勻分布的磨削加（jiā）工刀觸點，如圖4所示。

圖（tú）4數控機床磨削加工刀觸點

較普通數控機床加工刀具不同的是砂（shā）帶磨床（chuáng）中磨削工具的刀位點Q位於接觸輪中心(如圖5所示)。若給定磨削刀觸點P，結合（hé）刀（dāo）觸點處（chù）的法向矢量，v，接觸輪半徑R及砂帶（dài）截麵厚度日，可以（yǐ）得到理論刀觸點矢量P與刀位點矢量Q坐標（biāo）分量（liàng）之間的（de）位置關係表達式：

但實際加工過程中式(1)並不適用，究其原因（yīn）可歸結為一方麵由於接觸輪是（shì）柔性材料，其與（yǔ）工（gōng）件表麵接觸時必定會（huì）產生（shēng）一（yī）定程度上的變形；另一（yī）方麵隨著磨削動作的持續進行，附著於砂帶表麵上的磨粒隨著磨削時間t的增加會逐漸（jiàn）磨損而間接影響砂帶厚（hòu）度日。設定砂帶的初始磨損(快速磨損階（jiē）段)厚度為（wéi）丁，磨損係數d∈(0，1)，則磨（mó）損後砂帶厚度日’為：

兼（jiān）顧到以上兩方麵因素產生的（de）影響，設定機床作業過程中接觸輪（lún）的變（biàn）形量R．∈(0，尺（chǐ）)，以（yǐ）式(1)為基函數結合（hé）式(2)，並（bìng）在此基礎（chǔ）上作出相應變形：

圖5砂帶磨床刀位點坐（zuò）標及磨削工具局部（bù）受力

2．2浮動壓力磨頭係統

為減少實際加工過程中由於磨削壓力過大而引起的過切或者表麵殘留波紋（wén）度過大現（xiàn）象(如（rú）圖6所示)，此數控砂帶磨床配（pèi）以浮動壓力磨頭係統。浮動壓力係統結構如圖7所（suǒ）示，主要由張緊氣缸、接觸輪、比例閥（fá）等重要部件組成。通過控製係（xì）統輸入適應於葉片表麵的磨削壓力，比例閥可調節（jiē）張緊氣缸2以改（gǎi）變施（shī）加（jiā）於接觸輪（lún）上壓力的大小以達到（dào）“隨動（dòng）磨削”的（de）效果，並可有效降低機床（chuáng）磨削（xuē）過程中的剛性衝擊（jī）現象，張緊氣缸2亦（yì）可完成磨削工具的進、退刀動作。浮動壓力係統中，張緊輪可改變砂帶包角的大小輔以張緊氣缸1可有效避免作業過程中（zhōng）的砂帶（dài）打滑現象。

圖6葉片表麵加工缺（quē）陷（xiàn）

圖7浮動壓（yā）力係統（tǒng）結構

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

為避免（miǎn）磨削過程中易出現的欠拋現象，浮動壓力產生的位移實則非常小，亦可以得出砂帶的張緊力F。與F。所在平麵之間產生的夾角p變化幅度非常小並（bìng）可忽（hū）略不計（jì），若輸入張緊氣缸2中的氣體壓力為卸，其（qí）有效工作麵積為S，則機床（chuáng）作業（yè）過程中變化的氣缸張緊力△F，=aps，磨削工具運動到任（rèn）意位置時的摩擦力總和為B7，式(4)經變形可得到變化的磨削壓力：

3、磨（mó）削工具（jù）位姿葉片根部動態調整方法

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

圖8磨削（xuē）工具易發生幹（gàn）涉部位

若采用減小磨削工具輪（lún）廓尺（chǐ）寸的方法來避免幹涉，必然會影響機床加工效率以增加葉片加（jiā）工成本。基於此現狀，本文（wén）采用了動態調整磨削工（gōng）具位姿的方法（fǎ），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i。。條u向參數線f，之間的距離，依據（jù）計（jì）算出來（lái）的距（jù）離動態（tài）調整繞刀觸點處法向矢量n旋（xuán）轉的u向切向矢量t的角度（dù）θ。

圖9磨削工具位姿動態（tài）調整過程

抽取相交線f：與u向（xiàng）參數線f3作出分析。考慮到實際葉片根部型麵彎曲變化較均（jun1）勻，所以將（jiāng）其映射X00。Zo平麵以便於分析，參數線f，與相交線z：之間的幾何關係如圖10所示。設定搜索方向為．，及凰軸為基線f。，並設定（dìng）搜索容差為M，將Z，離散成均勻分布的刀觸點，其中厶離散精度根據葉片型麵實際磨削精度擬定。依（yī）據搜索方（fāng）向l，，搜索所有（yǒu）被離散出來刀觸點（diǎn）列中的峰值點P。，即峰值點P。處（chù）皿值最大，以上搜索過程中亦可以得到所有刀（dāo）觸點處與f3之間的最短距離D。，將所（suǒ）有刀觸點（diǎn）處的最短距離用數列形式表示出來：

尋求數列D中（zhōng）的最小值D。，利用仿真軟件可以得到該刀（dāo）觸點處的最佳轉動角度鞏，結合以上分析過程可以計算出任（rèn）意刀觸點所（suǒ）需要旋轉的角度θi：

其中Oi的（de）正負須結合峰值點P。綜合考慮，若刀觸點Pi處於R左邊，那麽結合實（shí）際葉片根部型麵特點取Oi的符號（hào）為正，反之為（wéi）負。設定（dìng）n’為單位化之（zhī）後刀觸點（diǎn）處的法向矢量，結合微分幾何相關知識可（kě）以得到任意刀觸點（diǎn）處旋轉之後的（de）u向參數線（xiàn）切向矢（shǐ）量t7：

圖10參數線f3與相交線f：之間的幾何關係

磨削工具位姿調整分析流程如（rú）圖1 1所示。

圖11磨（mó）削工具位姿調整分析流

4、加工實驗

實際葉片表麵殘（cán）留（liú）銑削紋路較大，為驗證五軸聯動數控砂帶磨床實（shí）際磨削效果（guǒ），所以將磨削加（jiā）工實驗分為（wéi）粗磨、半精磨和精磨進行。

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

表2葉片實際磨削參數

圖12葉（yè）片經（jīng）過各加工階段之後表麵質量效果

葉片表麵（miàn）經過粗加工、半精加工、精加工3個加工階段（duàn）之後表（biǎo）麵質量（liàng）效果如圖12所示。

由圖12可以看（kàn）出半精磨較粗磨相比，表麵刀具紋路明顯變小，精磨後（hòu）表麵波紋度改善明顯。

為了解實（shí）際磨削（xuē）之後葉片表麵尺寸精度與粗糙（cāo）度數值大（dà）小及分（fèn）布情況（kuàng），由下至（zhì）上均勻抽取葉片（piàn）壓水麵（miàn）上具有代表（biǎo）性（xìng）的5條u向參數線，分別提取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（kāng）三坐標測量儀將磨削加工後刀觸點處y軸坐標分量所反映的偏差在MATLAB平台上進行（háng）輸（shū）出，l，軸坐標分量尺寸（cùn）偏差如圖13所示，隨著磨削時間的增加，表麵偏差波動值逐漸趨於平緩，葉片型麵

總體偏差與粗糙度測量結果如表3所示。

表3磨削實驗後測量結果

葉片理論要求重量為383．45kg且重量偏差不超過原有重量的±4％。葉片銑削後磨削前稱重為383．98kg，磨（mó）削後稱重為378．20kg，偏差為一1．37％，符合（hé）實際加工要求。加之，本文動態調整了（le）葉根圓角區域的接觸輪位姿，使磨削工具的可達磨削區域提（tí）升約9％，並且整體（tǐ）磨削效（xiào）果較好。

5 、結語

1)本（běn）文針對螺旋（xuán）槳葉片型麵結構複雜、表麵精整加（jiā）工後尺寸精度（dù）難以把控的特點，創新性地提出了運用五軸聯動數控砂帶磨床對其表麵（miàn）進行（háng）高效高精度打磨，機床的（de）工藝靈活性與加工適應性均得到（dào）了較高程度的（de）提升。最後進行了實（shí）際（jì）加工（gōng）實驗，結果證明葉（yè）片型麵（miàn）磨削效果（guǒ）與磨削效率遠高於現階段高強度且磨削質量難以管控的手工作業方式。

2)本（běn）文（wén）在不犧牲數控砂帶磨床原有加工效率的前提（tí）下優化了磨削工具進入葉根圓角難（nán）加工（gōng）區域的（de）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（shàng）的提升。

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