本站原创【摘 要 】本文讨论了螺旋桨叶片的生成原理,推导出了构成螺旋桨叶片的一些参数之间的关系,分析了用多轴联动的数控机床加工叶片的方法,为制造数控加工工艺和编制加工程序创造了方便条件.
【关 键 词 】螺旋桨；数控加工；讨论分析
An analysis method of NC machining of spiral blades
Jiamusi Coal Mining Machinery Co., LTD
Jiao Xilai
（Jiamusi Heilongjiang, postcode 154002）
Abstract： Generating principle of the propeller blades were discussed in this paper, derived the form of the relationship between some parameters of the propeller blades, analyzed with multi-axis linkage CNC machine tool processing blade method, to manufacture NC machining process and processing program to create a convenient conditions.
Keyword：Propeller Numerical control processing Discussion and analysis
1.前言
随着工业技术的发展,数控加工技术在机械制造和装备工业中应用的越来越广泛,数控机床是某些工厂企业中不可少的设备,尤其是对一些形状复杂的高次曲面加工.数控机床就更充分发挥出优势来.本文仅就对用数控机床对螺旋桨叶片的加工作简要的分析,分析编程前的数学处理方法和相关参数之间的关系,这对制造数控加工工艺和编制数控加工程序是十分必要的.
2.叶面形成的原理
螺旋面,helicoidal surface,通常指多条线与一圆柱面相交,并同时绕此柱面之轴作等速旋转和等速轴向和径向移动时所形成的曲面（图1）.螺旋桨是由多个螺旋叶片组成,而每个叶片又由一族柱面螺旋线组成.如果组成叶片的柱面螺旋线之螺旋角为Φ,那么螺旋叶片就是由相同螺旋角、不同半径的圆柱面上的柱面螺旋线组成.设于某一半径Ri相对应的叶片面上的一条螺旋线,那么整个叶片面则由不同半径的诸多这样的螺旋线沿轴线升高和沿径向连续变化而生成.
3.加工机理分析
图2给出了一个螺旋叶片上与半径为Ri圆柱面上的一条柱面螺旋线在叶面上长为AB,我们讨论在数控机床上AB线是如何加工的,大家知道在数控机床上多数是用直线加工的方法来完成曲线加工的.即将曲线AB上分成诸多小的直线段,用这些小的直线来逼近曲线,其数学意义是用一个函数逼近另一个函数,若MN为曲线AB上一小段直线,则可用诸多小直线来逼近曲线,共要小折线段小到加工精度允许的范围内便可.若设计曲线方程为f（x、y、z、θ）,θ为绕Z轴极坐标转角,即数控机床的C轴,可以找到另一个函数Φ（x、y、z、θ）,就使得|f（x、y、z、θ）-Φ（x、y、z、θ）|<ε,这样Φ（x、y、z、θ）就逼近f（x、y、z、θ）,即用多条折线MN来逼近螺旋线AB.
在数控机床上,线段MN是在半径为Ri的圆柱面上C坐标旋转△与Z坐标位移△Z的合成.在XOY平面上可用极坐标表示,半径为极径,极径在XOY平面上转了△θ角的过程中,螺旋线在柱面Z轴方向上升高△Z图3b
式（1）给出了C轴转了△θ角后直线MN与曲线螺旋角及Z轴位移△Z的关系,这也确定了在加工过程中与Ri柱面相对应的C轴转角△θ、Z轴升高△Z、插补直线段MN之间的关系,进而可按工艺要求确定C轴转角的角速度和Z轴位移的速度,为编程提供依据.
如果在设计图纸上与半径为Ri柱面绕C轴转一周对应的螺旋线长为ab,ap为圆周长（图4）
大家知道叶面线仅为整个螺旋线长的一部分,AB是与半径Ri相对应绕C轴回转并同时沿Z轴上升所形成的螺旋线长（叶片尺寸）若其转角为θ,可得：
这便得出了某处叶片在螺旋角Φ确定后与转角θ的关系,同理由（3）、（4）知：
式（5）给出了极角、极径、线长、螺旋角之间的数学表达式,为确定工艺参数和编程提供了数学的定量条件.
4.具体加工过程
从上分析可知,在完成与Ri圆柱面对应的AB后刀具径向移动了△X,移动半径由Ri增为Ri+1,再加工与AB相邻的另一条叶型条线,这样连续加工下去,当Ri增加至要求尺寸可形成整个曲面,通常叶面曲率半径较大,所以常采用端面铣刀加工,以提高生产效率并简化程序,为保证铣刀端面始终与曲面贴合,铣刀在移动上升的同时还应做由坐标A（绕X轴）和坐标B（绕Y轴）形成的θ1和α1做摆角运动,该摆角在直角坐标系中的X、Y轴有附加运动,以保证铣刀端面中心始终位于编程值所规定的位置上.
5.结语
1、本文分析的方法,可供工厂企业的工程技术人员在用加工中心机床加工螺旋桨叶片进行数字处理时参考之.
2.要完成螺旋叶片的加工,需用多轴联动数控机床,本文仅针对5轴立式加工中心进行分析的.
3.文中的一些公式可供工程技术人员选择工艺参数和编程时参考.由于我们水平有限,文中若有不当敬请指正.