基于UG12.0的螺旋桨叶片五轴加工之铣削策略探讨

2022-02-28 10:39张桂花谢正
内燃机与配件 2022年5期
关键词:精加工螺旋桨曲面

张桂花 谢正

摘要: 为优质高效的加工螺旋桨,本文分析了螺旋桨叶片加工的难点,通过选择五轴联动加工方式,并基于UG12.0对比了不同铣削策略,得到了优化的刀轨,确定了工艺方案,经生产实践证明,加工工艺正确可行。

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.

关键词: UG12.0;螺旋桨;五轴加工;铣削策略

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

中图分类号:TG54                                      文献标识码:A                                  文章编号:1674-957X(2022)05-0106-03

0  引言

螺旋桨是大型轮船、潜艇等重型动力机械的核心部

件[1],其划水产生作用力与反作用力推动船舶推进器前进,其加工精度直接影响整机的噪音、机动性和速度,螺旋桨的设计和制造仍然制约着我国航空、航天、船舶、汽轮机等领域的发展,是渴望突破的卡脖子技术。

因螺旋桨的叶片是复杂的空间螺旋面,叶片重叠部分、浆根、桨毂区域一直是加工的难点,特别是大型的螺旋桨加工,不但直径大而且壁薄,同时加工时位置精度要求高,装配精度要求高,更是难上加难。传统的加工方法采用“砂型铸造-手工打磨-样板检测”的制造工艺[2],螺旋桨叶片很容易发生变形,加工精度难以保证,且制造效率低,生产环境恶劣。随着CAM技术的发展和五轴数控加工中心的推广应用,螺旋桨等复制曲面零件采用五轴联动加工方式,大大提高了螺旋桨叶片的加工精度和表面质量,极大了减少了产品的加工时间,提升了生产效率,进而有效地降低了整机水下航行时的振动和噪声。本文研究应用UG12.0对螺旋桨叶片进行三维造型,结合叶片流体力学选择合适的铣削策略,优化刀轨,确定工艺方案和生成加工程序,并在五轴数控加工中心上加工验证。

1  基于UG12.0的螺旋桨三维建模

螺旋桨三维建模的难点仍然是叶片,特别是创建空间曲线串[3]。

①识读图纸,在XY平面绘制界面用拉伸的方法生成桨毂。

②根据技术要求,叶片中性面为分别位于?覫40 和?覫88的两条导程为145、104的两条螺旋线形成的直纹面,用螺旋线命令创建?覫40,螺距为145,长度为14的螺旋线,用同样的方法创建?覫88,螺距为104,长度为14的螺旋线,注意螺旋方向要一致,接着将螺旋线的两端用曲线连接,形成空间曲线串,再用艺术曲面创建空间螺旋面

片体。

③用曲面加厚生成叶片实体。

④将叶片用阵列功能生成阵列叶片。

⑤合并桨毂与叶片,并对浆尖和浆根边进行边倒圆,就生成了螺旋桨的三维模型,如图1所示。

2  基于UG12.0的螺旋桨叶片铣削策略设计

2.1 设计工装夹具与毛坯

为了减少装夹误差,尽可能在一次装夹中加工到位,考虑到通用夹具装夹可靠与走刀空间问题,设计了专用的工装夹具如图2所示,将螺旋桨装入芯轴,顶部用螺栓紧固,芯轴与过渡盘用螺栓联结,过渡盘通过螺栓固定在五轴转台上。

螺旋桨毛坯采用棒料,先在车床上加工出台阶轴和芯轴孔,作为螺旋桨叶片毛坯。

2.2 加工内容分析

基于螺旋桨的流场计算[1]可知,叶面为压力面,流体与叶面的相互作用力大,对表面质量要求较高,否则会产生振动与噪声;叶背为吸力面,流体与叶背之间的相互作用力较小,可提高加工效率;根据加工要求的不同,将螺旋桨叶片分为叶面曲面、叶背曲面和桨毂三个区域进行加工,如图3所示。

2.3 刀具选择分析

通过分析零件图纸,浆根处最小凹圆半径为2mm,粗加工是考虑高效原则,尽可能选择直径大的刀具,但直径越大,在叶背曲面处和浆根圆角处残留的余量越多,综合考虑加工余量的均匀,粗加工选择d8的立铣刀,再根据最小凹圆半径选择d4的立铣刀进行二次开粗;为保证叶面表面加工余量均匀,根据曲面形状选择d6的球刀进行半精加工,精加工考虑优质原则,根据最小曲率半径选择Φ4球刀。

2.4 粗加工策略选择分析

粗加工階段应尽可能去除绝大部分余量,选择UG12.0中mill_contour的型腔铣削策略,设置刀具和切削参数,点选叶面曲面、桨毂和叶背曲面指定切削区域,将螺旋桨视图旋转至叶面曲面、桨毂和叶背曲面正对观察者方向,如图3所示,再以垂直于视图方向定义刀轴,定义切削层和非切削移动,生成刀轨,接着将刀轨阵列生成另两个刀轨,如图4所示。

由于所选刀具无法浆根圆角处进刀,残留余量较多,为获得均匀的加工余量,需要进行二次开粗,用同样的方法选择型腔铣策略,更改刀具和切削参数,再参考粗加工刀具即可生成如图5所示刀轨。

2.5 半精加工策略选择分析

通过姜昕亚等[1]研究表面缺陷对螺旋桨表面的局部流体流动的影响可知,当流体机械表面刀痕与流体流动方向一致时,表面刀痕对流体的影响降到最低,还可以在一定程度上对流体有一定引导作用;而当流体流动方向与刀痕方向垂直时,表面加工质量对流体局部流动的影响最大,容易诱发振动与噪声。应用杨兴隆等[4]研究成果,考虑到水流方向,刀具轨迹方向需要与桨叶剖面平行,也就是说螺旋桨旋转时,桨叶的加工轨迹在正俯视的状态下应该是由一系列同心圆构成。

①叶面曲面的半精加工策略。

要生成与桨叶剖面平行的同心圆,选择UG12.0中的mill_multi-axis的可变轮廓铣策略,设置刀具与切削参数,选择曲面区域驱动方法,点选叶面曲面为指定驱动几何体,定义切削方向,选择与桨叶剖面平行的方向,刀轴采用相对于驱动体的方法,设置侧倾角,生成如图6所示刀轨。若曲面驱动方法中的切削方向选择垂直于桨叶剖面的方向,则生成如图7所示刀轨,虽然也可以加工,得到的质量也一样,但刀痕方向与流体流动方向垂直,容易诱发振动与噪声,切忌。

②葉背曲面的半精加工策略。

叶背曲面也考虑水流方向,采用同样的铣削策略,选择叶背曲面为指定驱动几何体,定义与桨叶剖面平行的切削方向,刀轴更改为指定矢量方式,生成如图8所示刀轨。

③桨毂的半精加工策略。

桨毂区域刀轨方向与叶面曲面方向一致,顺着水流方向,同样选择可变轮廓铣削策略,定义桨毂曲面为指定驱动几何体,选择顺着水流方向为切削方向,通过相对于驱动体定义刀轴,则生成如图9所示刀轨。

2.6 精加工策略选择分析

精加工策略与半精加工策略一致,只是切削参数不同,为了获得更高的表面质量,切削步距更多,生成的刀轨更密,如图10所示。

2.7 刀轨仿真与后处理

生成的刀轨与实际加工的五轴数控加工中心、工装夹具会否发生碰撞和过切、超行程等问题,可在UG12.0进行机床仿真,进行碰撞和过切检查,并观察模拟加工过程。若无报警,则进行最后的后处理,选择实际加工所用的后处理文件,生成加工程序。

3  螺旋桨叶片铣削策略的验证

选择BC轴的HMU20的小五轴数控加工中心试切验证铣削策略,得到的螺旋桨试切件如图12所示。由此可知,刀轨简洁可行,无碰撞和过切现象,能满足零件各项技术要求,很好的解决了螺旋桨叶片难加工的问题,其铣削策略可在同类零件的加工难题中推广应用,具有一定的实践意义。

参考文献:

[1]姜昕亚,喻道远.螺旋桨加工刀具路径规划[J].机械设计与制造,2014(11):82-84.

[2]黄科.大型定距螺旋桨多轴数控加工刀具轨迹规划[M].华中科技大学硕士学位论文,2011:1.

[3]王件华.基于PowerMill的螺旋桨叶片五轴加工应用[J].轻工科技,2021(11):57-58.

[4]杨兴隆,吴永钢,付海,刘锐.螺旋桨关键工序数控加工[J].智能智造,2021(6):71-73.

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