螺旋槳金剛石砂帶磨削試驗研究*

張炳昌， 李 忠

(中國船舶重工集團， 衡遠科技有限責任公司， 重慶 404100)

船用螺旋槳是現代船舶中應用最為廣泛的推進器，它靠槳葉旋轉來提供推進力，具有較高的推進效率，其設計和制造水平影響了整機的工作性能、效率以及噪聲等。船用螺旋槳的直徑較大，且螺旋槳葉片是由復雜空間曲面組成的工件，其型面屬于大型復雜曲面，設計與制造難度較高。對螺旋槳的加工方法及其裝備的研究一直是制造業中有待攻克的難題[1]。

針對螺旋槳葉片特有的復雜曲面，隨著自動化技術的快速發展，出現了一大批以提高螺旋槳葉片表面質量為目的的數控加工技術和數控加工機床。VICKERS[2]在1977年就利用計算機輔助技術進行了螺旋槳表面的計算，并進行了球頭刀加工螺旋槳的相關研究。由于螺旋槳的加工參數是依據以前的經驗數據來確定的，為此KUO等[3-4]研究了螺旋槳葉片曲面在不同半徑處的法向曲率、主曲率、第一主方向和第二主方向，并在此基礎上建立了銑刀參數、加工步距和加工行距的數學模型，為加工參數的確定提供了可靠的理論依據。YOUN等[5]在五軸聯動機床上采用球頭刀加工螺旋槳，將螺旋槳的加工過程分為粗加工、半精加工和精加工3步，先計算檢查向量以生成精加工時的刀具軌跡，然后根據經驗得到最終的刀具矢量。德國Metabo公司生產的MTS1000-6CNC六軸砂帶磨床能夠實現復雜曲面的仿形磨削、恒壓力磨削和數控磨削[6]。王知行等[7]研究了用并聯機床加工整體螺旋槳葉片的技術和加工整體螺旋槳的工藝方案，提出了加工螺旋槳的并串聯多軸數控加工系統，分析了螺旋槳數控加工的工藝過程，同時介紹了螺旋槳加工的刀具軌跡編程和加工仿真的方法和過程。任秉銀等[8]就螺旋槳葉片曲面數控加工效率低的現象將球頭銑刀應用于螺旋槳的加工中，通過給出一般螺旋槳葉片工作面的方程，應用微分幾何理論推導了數控加工所用球頭銑刀的最大允許半徑、走刀步長以及切削行距的計算公式，給出了根據刀具運動包絡面計算實際加工誤差的方法。楊春強等[1]研制出了四軸聯動的螺旋槳數控砂帶磨床，并討論了不同參數對螺旋槳葉片的影響，為螺旋槳砂帶磨削工藝提供了依據。

隨著數控技術和計算機技術的發展，目前國內外許多企業開始采用各式的數控機床對船用螺旋槳葉片進行加工[9]。砂帶磨削以其獨特的優勢，成為加工復雜型面的一種重要方法。特別是電鍍金剛石砂帶，作為一種新型的柔性磨削工具，克服了傳統砂帶壽命短、耐磨性差、抗拉強度小等缺點，具有一系列傳統磨削工具無法比擬的優良性能，被廣泛應用在玻璃、陶瓷、單晶硅、多晶硅、合成材料、硬質合金及鋁合金等多種硬脆材料復雜形面的磨削加工領域中[10-14]。

本文中，介紹一種用電鍍金剛石砂帶加工螺旋槳的方法，并通過單因素試驗分析各工藝參數對螺旋槳表面粗糙度的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料及試驗參數

試驗選用某型號螺旋槳，如圖1所示。該螺旋槳主要參數由表1所示；該螺旋槳材料為鎳鋁青銅合金，其化學成分如表2所示。

圖1 螺旋槳

試驗使用定制的電鍍金剛石砂帶和鋯剛玉砂帶。其中金剛石為SMD40型，粒度號為230/270(粒徑63～53 μm)；鋯剛玉類型為557F，粒度號為P230/270。砂帶尺寸均為周長3 500 mm，寬30 mm。

表1 該螺旋槳主要參數

表2 材料組成成分

1.2 試驗設備和條件

試驗在重慶三磨海達磨床有限公司研發的船用定槳數控銑磨復合機床上進行，如圖2所示。該機床由底座、橫向滑板、二級旋轉臺、磨頭總成、旋轉主軸、縱向升降臺、主軸動力系統組成；電機功率為 1 500 W，最大主軸轉速為2 800 r/min，當接觸輪直徑為300 mm時，砂帶線速度可以在0～42 m/s通過變速器任意調節。采用如圖3所示的具有浮動壓力的磨頭，可以很大程度地提高磨削精度，改善磨削效果，同時減少加工過程中的砂帶拋磨振動現象和拋磨過程中工件發熱問題。

圖2 船用螺旋槳銑磨復合機床

圖3 浮動壓力磨頭

定義完成螺旋槳一只槳葉一面磨削為一次磨削。用北京時代之峰科技有限公司的TR200 型手持式粗糙度儀檢測加工后螺旋槳葉片表面的粗糙度，粗糙度測量儀的最佳取樣長度為0.25 mm，垂直于磨削方向檢測磨削表面粗糙度。探針材質為高純度金剛石(99.99%)，測量過程如圖4所示。

圖4 葉片粗糙度測量

1.3 試驗方案

試驗以工件表面粗糙度和砂帶壽命為評價指標，通過單因素試驗對磨削工藝參數進行優化。

基于螺旋槳的曲面特征和加工要求，對螺旋槳加工采用等殘留高度法與參數線法相結合的方法規劃砂帶加工軌跡，其軌跡如圖5所示。砂帶磨削具體試驗參數如表3所示。

圖5 機床加工路徑

表3 試驗參數

2 試驗結果及分析

試驗在加工過后的螺旋槳表面進行，加工前后對比如圖6所示。圖6a為螺旋槳毛坯，圖6b為加工過后的螺旋槳表面。

圖6 螺旋槳槳面比較

為了了解實際加工之后的螺旋槳葉片表面粗糙度的數值大小及分布情況。在螺旋槳葉盆表面由上到下均勻地選取具有代表性的7條V向參數線，采用TR200型手持式粗糙度儀進行檢測，所得數據取平均值。

圖7是2種砂帶在進給速度為20 mm/s、磨削壓力5 N時，砂帶線速度和表面粗糙度的關系圖。從圖7可以看出：2種砂帶加工后表面粗糙度值均隨砂帶線速度的增大而減小，且二者趨勢幾乎一致。這是因為隨著砂帶線速度的提高，單位時間內進入磨削區的磨粒數增多，單顆磨粒切削深度變小，工件表面變形小，工件與磨粒的接觸時間縮短，減小了工件因磨粒耕犁形成的隆起高度以及熱塑性變形，因而工件粗糙度值隨之減小。

圖7 帶線速度與表面粗糙度的關系

圖8是2種砂帶在線速度20 m/s，磨削壓力15 N時，磨削進給速度和表面粗糙度的關系圖。從圖8可以看出：隨磨削進給速度增大，工件表面粗糙度值略有增大，且二者趨勢一致。

圖9是2種砂帶在線速度為20 m/s、砂帶進給速度為20 mm/s時，磨削壓力和表面粗糙度的關系圖。從圖9可以看出：表面粗糙度隨磨削壓力的增大而減小，但超過一定壓力后反而增大。

通過上述分析可知：在相同參數條件下的金剛石砂帶和鋯剛玉砂帶磨削后的工件表面粗糙度幾乎一致，且磨削工藝參數的最優水平組合為砂帶線速度30 m/s，磨削進給速度20 mm/s，磨削壓力15 N，這時的磨削質量最好。試驗中還發現，同等磨削參數條件下，1根金剛石砂帶平均能磨削該螺旋槳槳葉的3/4，而鋯剛玉砂帶則只能磨削槳葉的1/3，金剛石砂帶的壽命明顯長于鋯剛玉砂帶，增幅為125%。

圖8 磨削進給速度與表面粗糙度的關系

圖9 磨削壓力與表面粗糙度的關系

3 結論

工件表面粗糙度值隨著砂帶線速度的增加而減小，隨著磨削進給速度的增大而增大，隨著磨削壓力的增大而減小，但超過一定壓力會導致表面粗糙度增大；最優工藝參數組合為砂帶線速度30 m/s，磨削進給速度20 mm/s，磨削壓力15 N。

金剛石砂帶和鋯剛玉砂帶在各工藝參數下對螺旋槳表面粗糙度的規律基本一致；相同磨削參數下，金剛石砂帶相較鋯剛玉砂帶具有更長的壽命，增加了125%。