為加強我國國防實力，促進我軍裝備的現(xiàn)代化建設(shè)，應(yīng)該不斷地開拓、創(chuàng)新，利用先進的科學技術(shù)，完善、改進我軍裝備的研究、設(shè)計、加工及檢測手段。計算機數(shù)控加工技術(shù)已在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，實踐已經(jīng)證明，數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用不僅大大降低了人們的勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率，更重要的是提高了產(chǎn)品加工質(zhì)量和精度，更能保證產(chǎn)品性能。

1 螺旋槳加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　目前，我海軍裝備在質(zhì)和量上較以前有了長足的進步，常規(guī)潛艇和核潛艇以及主戰(zhàn)艦艇和輔助艦船的數(shù)量明顯增加，但所有螺旋槳均采用比較落后的手工批鏟和單一的螺距規(guī)檢測方法。某型潛艇螺旋槳從毛坯開始批鏟到成形，按一個熟練批鏟工每天工作8 小時計算，需連續(xù)工作三至四個月，不但勞動強度大，加工周期長，生產(chǎn)效率低，而且加工出來的螺旋槳曲面光滑度低，螺距、葉厚、葉寬精度低，誤差較大。因此，潛艇在水中航行時，易產(chǎn)生空泡、振動和噪聲，推進效率和航行速度也受到一定的制約，影響了潛艇作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。

　　隨著科學技術(shù)的進步，螺旋槳數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)在一些國家得到了應(yīng)用，諸如美國、俄羅斯、德國、日本、瑞典等。特別是俄羅斯將數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用于核潛艇螺旋槳的制造后，大大降低了核潛艇水下航行時的振動和噪聲，極大地改善了水下隱蔽性，充分體現(xiàn)出先進性、優(yōu)越性和極強的軍事應(yīng)用價值和效益，在世界上引起了強烈的震動?？梢灶A(yù)見，未來的民用船舶和軍用艦艇螺旋槳加工中，落后的手工批鏟方法必將被數(shù)控加工技術(shù)替代。

2 螺旋槳數(shù)控加工技術(shù)難點分析

　　調(diào)距槳是單片槳葉經(jīng)加工成形后，用葉跟螺栓將葉跟法蘭與曲柄銷盤連接后與槳箍合成為一體的，除了由于葉片形狀復(fù)雜，在槳葉的造型、數(shù)控編程和工裝設(shè)計上存在一些難度外，實現(xiàn)數(shù)控加工的難度不是太大。大側(cè)斜固定螺旋槳屬整體鑄造件，直徑大，葉片多，空間重疊區(qū)域大，吸力面和壓力面均為空間雕塑曲面，導(dǎo)邊、隨邊均采用空間曲線圓滑過渡、葉片頂部收縮到線的構(gòu)造，葉片與槳轂之間過渡圓角半徑由導(dǎo)邊到隨邊不斷變化。因此，大側(cè)斜固定螺旋槳數(shù)控加工的技術(shù)難點體現(xiàn)在如何進行數(shù)控編程，建立螺旋槳的三維模型、刀具路徑的生成及刀具的選擇、提高運行效率和加工質(zhì)量、實現(xiàn)在線精度檢測等工作上，具有較高的技術(shù)含量。

3 數(shù)控加工螺旋槳的基本途徑和條件

　　由于大側(cè)斜固定螺旋槳結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是槳葉相互覆蓋面大，進行數(shù)控加工的難度非常大。必須在充分掌握數(shù)控加工理論及方法的基礎(chǔ)上，利用先進的數(shù)控加工設(shè)備和與之匹配的數(shù)控軟件，通過較高技術(shù)水平的編程人員和數(shù)控機床操作人員的共同努力，才能實現(xiàn)。

　　數(shù)控加工設(shè)備必須兼顧質(zhì)量、精度和效率，同時應(yīng)考慮加工不同直徑螺旋槳的適應(yīng)性。因此，所選的設(shè)備必須具有足夠的工作臺面和回轉(zhuǎn)直徑、多軸聯(lián)動和較高運動精度的特點。例如SKODA 八軸五坐標聯(lián)動數(shù)控落地鏜銑床HCW3（200）NC：X 軸立柱在床身上的移動；Y 軸主軸箱在立柱上的移動；W 軸鉆削軸移動；Z 軸滑枕移動；V 軸工作臺移動；B 軸工作臺旋轉(zhuǎn)；C1 軸數(shù)控萬能銑頭繞Z 軸旋轉(zhuǎn)；A1 軸數(shù)控萬能銑頭繞X 軸旋轉(zhuǎn)(W+Z 合算一個坐標軸) ； 數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK840D。

　　螺旋槳數(shù)控加工的編程是無法用手工完成的，只能采用專業(yè)的編程軟件來完成，例如UnigraphicsNX2。0 編程軟件，該軟件在機械加工行業(yè)應(yīng)用普遍，特別適合葉片、葉輪類復(fù)雜曲面的建模和編程加工。此外，還須配置仿真加工軟件，例如VERICUT5。3。VERICUT 能夠根據(jù)NC 代碼（G 代碼）模擬和驗證多軸銑削加工，對整個加工過程提供全面、準確的碰撞、干涉模擬，便于發(fā)現(xiàn)演示設(shè)計中存在的弱點或錯誤后，確定修改方案，保證實際加工的正確性。同時將設(shè)計模型與制造模型進行比較，計算兩者的差別，打印結(jié)果報告。

　　在人力資源配置上，編程和操作人員必須了解螺旋槳設(shè)計思想，具有一定的螺旋槳造型方面的專長，特別是在導(dǎo)邊、隨邊的過渡圓角、葉跟過渡圓角和頂面收縮到線（或者點）的處理上有較豐富的經(jīng)驗，以便實現(xiàn)整個葉面光滑、順暢過渡，保證螺旋槳的加工質(zhì)量。

4 螺旋槳加工數(shù)控技術(shù)研究的主要內(nèi)容

　　螺旋槳加工數(shù)控技術(shù)研究的主要內(nèi)容是通過編制數(shù)控程序，建立螺旋槳三維模型；實現(xiàn)刀具路徑的生成，合理選擇加工刀具；利用先進的測量方法，實現(xiàn)壓力面、吸力面、導(dǎo)邊圓角、隨邊圓角、根部圓角、抗鳴邊緣、槳轂的數(shù)控加工和在線精度檢測。整個研究過程可分為七個階段。下面以利用SKODA 八軸五坐標聯(lián)動數(shù)控落地鏜銑床HCW3（200）NC、Unigraphics NX2。0 編程軟件、VERICUT5。3 仿真加工軟件為例，說明實現(xiàn)某型大側(cè)斜固定螺旋槳數(shù)控加工的具體過程。

　　4.1 大側(cè)斜固定螺旋槳三維造型

　　通過八軸五坐標聯(lián)動機床對典型零件（螺旋槳葉片）加工過程及結(jié)果的分析，在對機床的功能、精度、三維設(shè)計及造型軟件的了解和掌握的基礎(chǔ)上，根據(jù)圖紙建立大側(cè)斜固定螺旋槳的三維模型。在UG/CAD 模塊中，大側(cè)斜固定螺旋槳的三維造型按下列步驟完成：

　　1）分析葉片上型值點的坐標，建立以XY 平面為螺旋槳的輻射參考平面、Y 方向為螺旋槳的輻射參考線、Z 方向為螺旋槳的回轉(zhuǎn)中心線，坐標原點（0，0，0）為螺旋槳的輻射參考平面與回轉(zhuǎn)中心線的交點的三維坐標系；

　　2）根據(jù)對圖紙中給定的葉片截面型值點的數(shù)據(jù)分析，可以得出哪些型值點是由一簇同心圓剖切螺旋槳葉片后展開到平面上得到，在造型時須將這些型值點還原為空間點；

　　3）采用三階NURBS 曲線，按型值點數(shù)據(jù)構(gòu)造吸力面和壓力面的兩條NURBS 曲線；

　　4）按給定的弦線長度和圓角半徑定義過渡圓角，構(gòu)造過渡圓??；

　　5）利用曲線橋接構(gòu)造出與圓弧和NURBS 曲線都相切的過渡曲線，并保證整個曲線光順圓滑；

　　6）將上述平面曲線按剖切半徑、螺距角等纏繞到圓柱面上，還原為空間曲線，形成纏繞；

　　7）按上述過程重復(fù)構(gòu)造出所有的空間截面曲線；

　　8）以構(gòu)造出的三條空間截面曲線為基礎(chǔ)，構(gòu)造通過這些曲線的空間曲面，并將此曲面向輪轂（或葉跟法蘭）方向延伸，與槳轂（或葉跟法蘭）光順圓滑連接，完成蒙面；

　　9）裁剪上述曲面，并將曲面縫合圍成實體，實現(xiàn)縫圍；

　　10）運用鏡像復(fù)制方法構(gòu)造其他葉片，完成螺旋槳三維造型。

　　4.2 刀具路徑的生成和刀具選擇

　　首先進入CAM 模塊，選擇多軸銑模板。在創(chuàng)建刀具對話框中選擇創(chuàng)建刀具，輸入刀具的參數(shù)及材料；在創(chuàng)建幾何對話框中選定加工零件、毛坯及檢查幾何；在創(chuàng)建刀具路徑對話框中選擇變軸銑，設(shè)定好要加工的曲面；在Cutting 中設(shè)定切削參數(shù)。在Tool Axis 中設(shè)定刀軸向量；其他的如進刀、退刀等輔助設(shè)定在Non-Cutting 中設(shè)置。按照上述方法，生成槳葉葉面及各邊緣加工的刀具路徑。在加工過程中，采用球頭刀或圓刀片面銑刀加工吸力面、壓力面和過渡圓角；采用圓刀片面銑刀加工外邊緣頂面；采用立銑刀加工導(dǎo)、隨邊。

　　4.3 后置處理

　　刀具路徑生成后，在主菜單中選擇ToolOperation NavigatorOutputCLSF，即可輸出刀具位置源文件。刀具位置源文件是一個包含標準APT命令的文本文件，不是數(shù)控程序，需要設(shè)法把刀具位置源文件轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床能執(zhí)行的數(shù)控程序，才能進行零件的數(shù)控加工，這種轉(zhuǎn)換過程稱為后置處理。

　　后置處理過程是對刀具位置源文件的解釋執(zhí)行，對于5 坐標數(shù)控加工，后置處理算法與數(shù)控機床控制器類型、機床運動關(guān)系等因素有關(guān)。按照實際使用的數(shù)控機床的硬件布置和控制系統(tǒng)，通過后置處理程序，將刀具位置源文件轉(zhuǎn)化成NC 代碼，就可以輸出到數(shù)控機床進行零件的加工。

　　4.4 仿真模擬和驗證

　　刀具路徑生成后，利用VERICUT 軟件將編制好的數(shù)控程序按照生成的NC 代碼在計算機上以實體形式模擬刀具路徑，直觀地觀察機床運動和刀具切削過程，準確地檢查機床所有運動部分、刀具、工件和夾具之間是否出現(xiàn)干涉和碰撞。通過調(diào)整，獲得螺旋槳正確的數(shù)控加工方法及過程，驗證各工藝參數(shù)選擇的合理性。將設(shè)計模型與模擬后的制造模型進行比較，并自動計算兩者的差別，確保加工結(jié)果的符合性。經(jīng)過仿真加工和驗證后的NC 代碼才可輸入到機床中，供數(shù)控加工使用。

　　4.5 精度及效率調(diào)節(jié)

　　采用上述方法加工的螺旋槳葉面，型值點誤差可控制在一定范圍以內(nèi)，達到一定的技術(shù)要求。零件的加工誤差涉及編程誤差、機床精度、刀具類型、刀具磨損等因素，而編程誤差、刀具路徑、刀具類型又與加工效率有關(guān)。當精度要求較高時，可以犧牲加工效率，降低編程誤差。另外，在加工葉面時，選用多軸銑中的變軸銑，刀軸有一定的前傾角，采用圓刀片面銑刀加工，這樣切削條件較好，也有助于提高效率。

　　4.6 螺旋槳加工

　　將工件和設(shè)計好的工裝安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上，保證工件回轉(zhuǎn)中心與工作臺回轉(zhuǎn)中心重合，利用數(shù)控銑頭的兩個旋轉(zhuǎn)軸C1 、A1 和三個平移軸X、Y、Z進行數(shù)控加工，利用回轉(zhuǎn)工作臺進行分度，就可完成螺旋槳的數(shù)控加工。

　　4.7 精度檢測

　　螺旋槳的精度檢測分三步進行。

　?。?）采用API 激光跟蹤儀進行加工過程中的在線檢測。API 激光跟蹤儀是由一個先進的、結(jié)構(gòu)緊湊的跟蹤頭、一個控制器、筆記本電腦和連接整個系統(tǒng)的電纜組成。在線測量時，API 激光跟蹤儀在測量軟件包Measurepro 的支持下，根據(jù)加工坐標的基準建立測量坐標系，通過光學靶在葉面上掃描、采樣成千上萬的點，跟蹤頭隨時跟蹤光學靶的空間位置，并將采樣點的數(shù)據(jù)傳給電腦，通過測量軟件包的處理，實時顯示被測量物體的X、Y、Z 坐標值和三個狀態(tài)的轉(zhuǎn)角，將測量點數(shù)據(jù)同已有的CAD 設(shè)計模型相比較后逐點給出偏差值，實現(xiàn)偏差結(jié)果的可視化操作，打印檢測報告，準確判斷加工結(jié)果是否符合設(shè)計要求。

　?。?）螺旋槳加工完成后，采用螺距規(guī)檢查葉面型值點的數(shù)據(jù)。螺距規(guī)是測量螺旋槳螺距、半徑等幾何參數(shù)的精密測量儀器，集光機電為一體，具有空間三個運動方向的自由度（X、Y 和C）。測量時，將螺距規(guī)安裝在螺旋槳轂端面，依靠內(nèi)置的特殊三爪卡調(diào)整中心或用定位孔找準中心，轉(zhuǎn)動滑車上的X 向微動手輪，可實現(xiàn)X 方向的移動；轉(zhuǎn)動測筒上的Y向微動手輪，可實現(xiàn)測桿Y方向的移動；推（拉）動橫臂，可實現(xiàn)圓周方向的旋轉(zhuǎn)運動。測針只要觸及測定點，控制面板上便可顯示出該點的X、Y、C方向的位置的數(shù)據(jù)。

　?。?）采用已設(shè)計加工好的樣板對螺旋槳導(dǎo)邊、隨邊的圓角、抗鳴邊緣及葉片和槳轂的過渡圓角進行檢測測量，以確定邊緣和過渡圓角是否符合圖紙技術(shù)要求。

5 結(jié)語

　　對某型潛艇大側(cè)斜固定螺旋槳采用上述介紹的數(shù)控加工方法進行了加工，經(jīng)檢驗測試，螺旋槳外形及結(jié)構(gòu)尺寸、性能指標均達到了圖紙及技術(shù)要求。與手工批鏟加工方法相比，提高了表面質(zhì)量、加工精度、檢測精度和生產(chǎn)效率。這項研究實現(xiàn)了我軍艦艇螺旋槳加工手段的突破，填補了國內(nèi)用數(shù)控技術(shù)加工船用螺旋槳的空白，縮短了我國與先進國家之間在螺旋槳加工技術(shù)方面的差距，為提高我軍艦艇螺旋槳航行性能，特別是提高潛艇水下航行時螺旋槳的推進效率、降低振動和噪聲、增加隱蔽性方面，具有較高的軍事應(yīng)用價值。