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：重慶理工大學機械工程學院 作者：張明德 王加林 蘇占領 謝樂
摘要：針對大型船用螺旋槳葉片型面的高精度拋光打磨難題，基于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。為極力減小槳葉型面的波紋度，根據零件的三維幾何模型設計了一種適應于該零件型面特點的連續加工軌跡線，加工過程中為避免接觸輪與槳葉底盤發生碰撞，提出了一種動態調整磨削工具位姿的方法。最后，進行了相關實驗，磨削后槳葉型面的尺寸精度偏差低于0．095ram且表面粗糙度降低明顯，整體加工效果優于手工磨削，較高程度上提高了槳葉型面的磨削質量與效率。
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
螺旋槳是各類大型艦船的核心零／部件之一，在推動船只前進的過程中其所起作用至關重要。螺旋槳葉片主型面是由吸水面、壓水面、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面的彎扭變化有著緊密的關系。為提高螺旋槳的推重比，其型面的拋光打磨工序極為重要。磨削加工一般作為快速提升工件表面質量的最終加工手段之一，砂帶磨削是磨削加工領域里極具代表性的一類分支。得益于其柔性磨削、低磨削殘留應力、工作效率高及剛性沖擊小的特性，故在磨削機理與工作性能層面較砂輪磨削加工相比差異性較大。對于復雜曲面類零件表面的光整加工，砂帶磨削主要有研磨與拋光的作用，輔以附著于布基載體上磨粒微刃的高速旋轉動作，其兼有材料去除的作用。
對于螺旋槳葉片(以下簡稱葉片)表面的精整加工，受限于加工質量、工作效率、加工環境及加工成本等原因，普通的手工磨削方式已不能完全勝任。近年來，國內對于葉片表面的精整加工方法雖已得到不同程度的迭代更新，但較國外發達國家相比還有不小的差距。德日美等發達國家已率先引入數控砂帶磨床對葉片型面進行拋光打磨，并且取得了高質量的磨削效果[1圳。數控砂帶磨床有加工效率高、成本低、柔性大及零件加工一致性高的優點，用數控砂帶磨床代替工人手工作業將是未來復雜曲面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，運用五軸聯動數控砂帶磨床輔以浮動壓力磨頭機構對其表面進行拋光打磨，加工過程中使工件型面與砂帶保持局部貼合狀態以保證磨削過程的持續進行。通過實際的加工實驗證明，磨削后葉片表面的粗糙度明顯降低，尺寸精度也提升明顯。
1、五軸聯動數控砂帶磨床磨削系統
本文研究的數控砂帶磨床磨削系統如圖1所示，主要由浮動壓力系統、葉片型面余量檢測系統等子系統組成。考慮到葉片主型面彎扭變化較大，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。為保證磨削加工動作的持續進行將葉片裝夾在可360?；剞D的工作臺上，葉片的單次裝夾可實現數控機床對其吸水面、壓水面等主型面的連續磨削加工，此過程的實現較大程度上可規避由于裝夾誤差而影響機床的整體磨削加工精度。數控砂帶磨床首先由3個直線軸(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軸可實現磨削工具相對于葉片的上下移動，z軸可實現磨削工具相對于葉片的前后移動。若單純依靠以上3個直線軸的運動，那么數控機床末端磨削工具無法適應葉片型面的彎扭變化，故其必須增設2個旋轉軸(曰軸、C軸)以提升磨削工具的可達性。砂帶磨床磨削系統原理如圖2所示，其中瓦為x軸上限行程，以為x軸下限行程，其余軸以此類推。數控砂帶磨床主要性能指標如表1所示。
圖1數控砂帶磨床磨削系統
圖2數控砂帶磨床磨削系統原理
表1 數控砂帶磨床主要性能指標
2、葉片型面砂帶磨削軌跡規劃及浮動壓力系統
船用螺旋槳葉片主型面主要是由成組空間復雜曲面組成，空間復雜曲面可定義為空間域內的參數曲面，是由一些樣條曲線通過一定非線性映射關系得出的拓撲曲面。與航空發動機葉片不同的是其中間部位呈鼓形，較邊緣部位相比較厚，并且體積龐大、加工時間較長，船用螺旋槳葉片的組成結構如圖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
大型船用螺旋槳葉片傳統的加工工藝路線通常需要經過鑄造、銑削、磨削、檢驗與滾花等幾個主要的加工階段。由于葉片主型面為復雜曲面且銑削后磨削前葉片型面殘留銑削紋路較大，故刀具磨削軌跡布排方式的合理與否對于葉片表面加工質量與加工效率的提升至關重要。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并從葉片根部逐次向上平移開始多個切削行的加工，以此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勻分布的磨削加工刀觸點，如圖4所示。
圖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帶磨床中磨削工具的刀位點Q位于接觸輪中心(如圖5所示)。若給定磨削刀觸點P，結合刀觸點處的法向矢量，v，接觸輪半徑R及砂帶截面厚度日，可以得到理論刀觸點矢量P與刀位點矢量Q坐標分量之間的位置關系表達式：
但實際加工過程中式(1)并不適用，究其原因可歸結為一方面由于接觸輪是柔性材料，其與工件表面接觸時必定會產生一定程度上的變形；另一方面隨著磨削動作的持續進行，附著于砂帶表面上的磨粒隨著磨削時間t的增加會逐漸磨損而間接影響砂帶厚度日。設定砂帶的初始磨損(快速磨損階段)厚度為丁，磨損系數d∈(0，1)，則磨損后砂帶厚度日’為：
兼顧到以上兩方面因素產生的影響，設定機床作業過程中接觸輪的變形量R．∈(0，尺)，以式(1)為基函數結合式(2)，并在此基礎上作出相應變形：
圖5砂帶磨床刀位點坐標及磨削工具局部受力
2．2浮動壓力磨頭系統
為減少實際加工過程中由于磨削壓力過大而引起的過切或者表面殘留波紋度過大現象(如圖6所示)，此數控砂帶磨床配以浮動壓力磨頭系統。浮動壓力系統結構如圖7所示，主要由張緊氣缸、接觸輪、比例閥等重要部件組成。通過控制系統輸入適應于葉片表面的磨削壓力，比例閥可調節張緊氣缸2以改變施加于接觸輪上壓力的大小以達到“隨動磨削”的效果，并可有效降低機床磨削過程中的剛性沖擊現象，張緊氣缸2亦可完成磨削工具的進、退刀動作。浮動壓力系統中，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的砂帶打滑現象。
圖6葉片表面加工缺陷
圖7浮動壓力系統結構
圖5中，砂帶的張緊力F。、F。、砂帶與導向輪之間的摩擦力與氣缸內壁之間摩擦力總和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之間有著緊密的關系，其數學表達式為：
為避免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。所在平面之間產生的夾角p變化幅度非常小并可忽略不計，若輸入張緊氣缸2中的氣體壓力為卸，其有效工作面積為S，則機床作業過程中變化的氣缸張緊力△F，=aps，磨削工具運動到任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、磨削工具位姿葉片根部動態調整方法
螺旋槳葉根圓角部位即葉片主型面與底座過渡部位，由于其空間結構過于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干涉碰撞現象，磨削工具易發生干涉部位如圖8所示。
圖8磨削工具易發生干涉部位
若采用減小磨削工具輪廓尺寸的方法來避免干涉，必然會影響機床加工效率以增加葉片加工成本?；诖爽F狀，本文采用了動態調整磨削工具位姿的方法，如圖9所示。計算出葉片主型面與葉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，依據計算出來的距離動態調整繞刀觸點處法向矢量n旋轉的u向切向矢量t的角度θ。
圖9磨削工具位姿動態調整過程
抽取相交線f：與u向參數線f3作出分析?？紤]到實際葉片根部型面彎曲變化較均勻，所以將其映射X00。Zo平面以便于分析，參數線f，與相交線z：之間的幾何關系如圖10所示。設定搜索方向為．，及凰軸為基線f。，并設定搜索容差為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面實際磨削精度擬定。依據搜索方向l，，搜索所有被離散出來刀觸點列中的峰值點P。，即峰值點P。處皿值最大，以上搜索過程中亦可以得到所有刀觸點處與f3之間的最短距離D。，將所有刀觸點處的最短距離用數列形式表示出來：
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佳轉動角度鞏，結合以上分析過程可以計算出任意刀觸點所需要旋轉的角度θi：
其中Oi的正負須結合峰值點P。綜合考慮，若刀觸點Pi處于R左邊，那么結合實際葉片根部型面特點取Oi的符號為正，反之為負。設定n’為單位化之后刀觸點處的法向矢量，結合微分幾何相關知識可以得到任意刀觸點處旋轉之后的u向參數線切向矢量t7：
圖10參數線f3與相交線f：之間的幾何關系
磨削工具位姿調整分析流程如圖1 1所示。
圖11磨削工具位姿調整分析流
4、加工實驗
實際葉片表面殘留銑削紋路較大，為驗證五軸聯動數控砂帶磨床實際磨削效果，所以將磨削加工實驗分為粗磨、半精磨和精磨進行。
待加工工件為某機械廠生產的西2 500mm側推螺旋槳葉片，材料為錳青銅，葉片表面最厚處達40ram，葉片實際磨削參數如表2所示。
表2葉片實際磨削參數
圖12葉片經過各加工階段之后表面質量效果
葉片表面經過粗加工、半精加工、精加工3個加工階段之后表面質量效果如圖12所示。
由圖12可以看出半精磨較粗磨相比，表面刀具紋路明顯變小，精磨后表面波紋度改善明顯。
為了解實際磨削之后葉片表面尺寸精度與粗糙度數值大小及分布情況，由下至上均勻抽取葉片壓水面上具有代表性的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?？怂箍等鴺藴y量儀將磨削加工后刀觸點處y軸坐標分量所反映的偏差在MATLAB平臺上進行輸出，l，軸坐標分量尺寸偏差如圖13所示，隨著磨削時間的增加，表面偏差波動值逐漸趨于平緩，葉片型面
總體偏差與粗糙度測量結果如表3所示。
表3磨削實驗后測量結果
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％。葉片銑削后磨削前稱重為383．98kg，磨削后稱重為378．20kg，偏差為一1．37％，符合實際加工要求。加之，本文動態調整了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升約9％，并且整體磨削效果較好。
5 、結語
1)本文針對螺旋槳葉片型面結構復雜、表面精整加工后尺寸精度難以把控的特點，創新性地提出了運用五軸聯動數控砂帶磨床對其表面進行高效高精度打磨，機床的工藝靈活性與加工適應性均得到了較高程度的提升。最后進行了實際加工實驗，結果證明葉片型面磨削效果與磨削效率遠高于現階段高強度且磨削質量難以管控的手工作業方式。
2)本文在不犧牲數控砂帶磨床原有加工效率的前提下優化了磨削工具進入葉根圓角難加工區域的位姿形態，使磨削工具的可達磨削區域得到了一定程度上的提升。
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