為加強(qiáng)我國國防實(shí)力，促進(jìn)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(jìn)的科學(xué)技術(shù)，完善、改進(jìn)我軍裝備的研究、設(shè)計、加工及檢測手段。計算機(jī)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(shí)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(xué)技術(shù)的進(jìn)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(jìn)性、優(yōu)越性和極強(qiáng)的軍事應(yīng)用價值和效益，在世界上引起了強(qiáng)烈的震動。可以預(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(diǎn)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(shí)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(diǎn)體現(xiàn)在如何進(jìn)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(yùn)行效率和加工質(zhì)量、實(shí)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(jìn)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(jìn)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(jī)床操作人員的共同努力，才能實(shí)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(yùn)動精度的特點(diǎn)。例如SKODA 八軸五坐標(biāo)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(biāo)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(jī)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(zhǔn)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(diǎn)或錯誤后，確定修改方案，保證實(shí)際加工的正確性。同時將設(shè)計模型與制造模型進(jìn)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(diǎn)）的處理上有較豐富的經(jīng)驗，以便實(shí)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(shí)現(xiàn)刀具路徑的生成，合理選擇加工刀具；利用先進(jìn)的測量方法，實(shí)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(biāo)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(shí)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(biāo)聯(lián)動機(jī)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(jī)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(diǎn)的坐標(biāo)，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(biāo)原點(diǎn)（0，0，0）為螺旋槳的輻射參考平面與回轉(zhuǎn)中心線的交點(diǎn)的三維坐標(biāo)系；

　　2）根據(jù)對圖紙中給定的葉片截面型值點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，可以得出哪些型值點(diǎn)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(diǎn)還原為空間點(diǎn)；

　　3）采用三階NURBS 曲線，按型值點(diǎn)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)造過渡圓弧；

　　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(shí)體，實(shí)現(xiàn)縫圍；

　　10）運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控程序，才能進(jìn)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(biāo)數(shù)控加工，后置處理算法與數(shù)控機(jī)床控制器類型、機(jī)床運(yùn)動關(guān)系等因素有關(guān)。按照實(shí)際使用的數(shù)控機(jī)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(jī)床進(jìn)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(jī)上以實(shí)體形式模擬刀具路徑，直觀地觀察機(jī)床運(yùn)動和刀具切削過程，準(zhǔn)確地檢查機(jī)床所有運(yùn)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(jìn)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(jī)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(diǎn)誤差可控制在一定范圍以內(nèi)，達(dá)到一定的技術(shù)要求。零件的加工誤差涉及編程誤差、機(jī)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(dāng)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(jìn)行數(shù)控加工，利用回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)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(jìn)行。

　　（1）采用API 激光跟蹤儀進(jìn)行加工過程中的在線檢測。API 激光跟蹤儀是由一個先進(jìn)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(biāo)的基準(zhǔn)建立測量坐標(biāo)系，通過光學(xué)靶在葉面上掃描、采樣成千上萬的點(diǎn)，跟蹤頭隨時跟蹤光學(xué)靶的空間位置，并將采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳給電腦，通過測量軟件包的處理，實(shí)時顯示被測量物體的X、Y、Z 坐標(biāo)值和三個狀態(tài)的轉(zhuǎn)角，將測量點(diǎn)數(shù)據(jù)同已有的CAD 設(shè)計模型相比較后逐點(diǎn)給出偏差值，實(shí)現(xiàn)偏差結(jié)果的可視化操作，打印檢測報告，準(zhǔn)確判斷加工結(jié)果是否符合設(shè)計要求。

　　（2）螺旋槳加工完成后，采用螺距規(guī)檢查葉面型值點(diǎn)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(jī)電為一體，具有空間三個運(yùn)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(zhǔn)中心，轉(zhuǎn)動滑車上的X 向微動手輪，可實(shí)現(xiàn)X 方向的移動；轉(zhuǎn)動測筒上的Y向微動手輪，可實(shí)現(xiàn)測桿Y方向的移動；推（拉）動橫臂，可實(shí)現(xiàn)圓周方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。測針只要觸及測定點(diǎn)，控制面板上便可顯示出該點(diǎn)的X、Y、C方向的位置的數(shù)據(jù)。

　　（3）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(jìn)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(jìn)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(biāo)均達(dá)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(shí)現(xiàn)了我軍艦艇螺旋槳加工手段的突破，填補(bǔ)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(jìn)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(jìn)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。