螺旋桨加工

2021/1/201(Section12)2013-02刘正林2021/1/202第12章螺旋桨制造(PropellerManufacturing)§12.1概述螺旋桨由桨毂和桨叶两部分组成。桨毂与螺旋桨轴相连接，桨叶固定在桨毂外壳上用以产生推力，如图12-1所示。当螺旋桨正车旋转时，桨叶先与水接触的一边称为导边，另一边称为随边。重点：材料和毛坯、螺旋桨加工、螺旋桨成品检验难点：毛坯制作与螺旋桨机械加工图12-1螺旋桨的形状1-随边；2-导边2021/1/203螺旋桨的结构有两种类型：一种是桨叶和桨毂铸成一体的，如图12-2a)所示。其结构简单，桨毂直径较小，重量较轻，效率较高；另一种是桨叶与桨毂制成可拆式或称组合式，如图12-2b)所示，因其桨毂直径较大，故螺旋桨效率较低，其优点是修理方便。由船尾向船首看所见的桨叶面称为叶面，即螺旋桨正车旋转时推水的一面；另一面为叶背，即与船的前进方向相同的一面。图12-2螺旋桨的结构1-叶面；2-叶背2021/1/20412.2螺旋桨的材料和毛坯12.2.1螺旋桨材料螺旋桨是受力较大，并在较恶劣条件下工作的零件。因此，对制造螺旋桨的材料应具有较高的强度、塑性及冲击韧性；良好的抗腐蚀性和抗剥蚀性能；以及良好的铸造工艺性和机械加工性能。船用螺旋桨常用材料主要是金属材料，如锰黄铜、铝青铜、铸铁、钢等。此外也有采用塑料，如尼龙、玻璃钢等。1.锰黄铜锰黄铜是以Cu-Zn为主体组成的多元合金，根据使用要求可添加Mn、Fe、A1、Sn、Ni等金属元素，以改变其性能。属于这类材料的有锰铁黄铜（ZCuZn40Mn3Fe1）、高铝锰铁黄铜；此外还有镍锰铁黄铜等。由于锰黄铜的使用性能较好，目前世界各国用这种材料制造螺旋桨的最多。但抗空泡剥蚀性能差，不适于制造高速船舶螺旋桨。2021/1/2052.铝青铜铝青铜是以Cu-Al为主体的多元合金，其添加金属元素有Mn、Fe、Ni等。属于这类材料的有：高锰铝青铜（ZCuAl8Mnl3Fe3Ni2），相同于英国的BSCMAl和美国的ASTMC95700牌号的铝青铜、镍铝青铜等。铝青铜合金除具有锰黄铜的优点外，还具有疲劳强度高、抗空泡剥蚀性能良好的特点，因此多用于制造大型、高速海船（尤其是舰船）的螺旋浆。其缺点是熔炼浇铸技术要求较高，对于大型铸件应防止粗大的γ2―相析出而引起合金缓冷脆化问题，尤其是Sn铝青铜更应注意这个弊病，应严格控制Sn的含量。2021/1/2063.铸铁铸铁螺旋桨成本低廉、铸造容易、材料来源丰富。但缺点是强度低、质脆，易折断，且易被海水腐蚀，使用寿命短。为了保证一定的强度，往往将桨叶制成比铜合金螺旋桨厚30%~35%，这样使螺旋桨的效率降低。所以这种材料的螺旋桨常用在主机功率小、航速低的小型内河船舶上。属于这种材料有HT200、HT250等。4．铸钢铸钢螺旋桨的强度和冲击韧性均比铸铁好，应用范围也比铸铁螺旋桨广，但铸造时技术条件要求较高，变形较难控制，成形后表面加工又比较困难，故成本较高。同时，铸钢螺旋桨的抗腐蚀性能比铸铁差，海水不仅腐蚀桨叶表面而且常腐蚀到叶片深处成多孔，使表面凸凹不平，缩短使用寿命。因此，这种桨多用作备件或内河船舶上。属于这种材料的有ZG200–400、ZG230–450。2021/1/2075.塑料的应用塑料螺旋桨的材料主要是尼龙（如尼龙6、尼龙610及尼龙1010等）和玻璃钢。玻璃钢是以合成树脂（如环氧树脂等）为粘合剂，以玻璃纤维或织物为增强材料（如无碱无捻粗纱方格玻璃布等）相粘合而成的一种材料。塑料螺旋桨的优点是重量轻，约为同样铜质螺旋桨重量的1/5~1/3，振动和声响小，冲击韧性好，抗腐蚀和抗空泡剥蚀性能好，制造工艺简单、造价较低。缺点是强度和刚度较低，易老化，在载荷长期作用下有蠕变现象。此外，在浅水砂底航道中使用时易磨损。2021/1/20812.2.2螺旋桨毛坯制造1.螺旋桨铸模的造型1)整体盖箱法这种造型方法较简单，桨叶片夹角控制较好，但原材料耗用较多且不易烘干。用于直径小于4m的中、小型螺旋桨。2)托板造型法这种造型方法较复杂，叶片夹角缝容易控制，节约造型材料，但需要配套专用托板和盖板，适用于直径大于4m的大型螺旋桨。3)组芯造型法这种造型的螺距叶厚用实样模控制，尺寸精确，但桨叶片夹角不易控制，适用于批量生产的中、小型螺旋桨。2021/1/209螺旋桨铸模的造型过程大致是：先用刮板和按要求预制好的螺距板刮制螺旋面形成下砂模，并在下砂模面上放置桨叶切面样板制成桨叶模型，然后做出上砂模，烘干砂模后便可进行浇铸。这就是螺旋桨铸模常用的刮板造型。对于大型螺旋桨的铸模，还有采用螺距规造型的方法。这种方法的特点是：不必使用螺距三角板、造型刮板及螺距补砂等工具，仅用螺距规测量螺距的方法就可以直接造型，制作出螺旋桨的螺旋面来，此法可省去大量造型工具，简化造型工艺过程，缩短造型时间，同时还可以减轻工人的劳动强度。2021/1/20102.螺旋桨的浇铸螺旋桨常用的浇铸方法有两种：顶铸法和底铸法。1)底铸法底铸法是广泛应用的一种浇铸方法，此法是在模腔的最低点即桨毂尾端浇入金属液的，然后慢慢上升而充满整个铸型。为了保证铸件的补缩，应使冒口部分金属液能有高温。除在冒口设置保温层外，还可在浇铸过程中，当金属液上升至冒口根部以上时，将金属液改由冒口注入，以便使冒口起充分的补缩作用。底铸法的优点是铸件成品率高，质量较好。其缺点是浇铸系统比较复杂。2021/1/20112)顶铸法顶铸法是将金属液自冒口上方直接注入铸型模腔。这种方法的优点是铸型简单，没有浇铸系统；冒口温度较高，铸件能得到充分补缩；金属液浇注完毕时，铸型各处金属液的温度分布比较合理，具有方向性冷凝的条件。顶铸法的缺点是浇铸时金属液产生飞溅，将卷入空气和杂质，连同熔渣和氧化物流入铸型，致使铸件形成痂皮和疏松等缺陷，影响质量。又由于金属液直接从冒口注入，液体落下一定高度时，可能将铸型内腔冲坏。因此，顶铸法不适于大型螺旋桨的浇铸，而只限于浇铸直径小于1m的小型螺旋桨。2021/1/2012螺旋桨低压铸造，由于铸件质量较好，并可减少加工余量和冒口，因此在生产中得到了推广使用。图12-3所示为螺旋桨低压铸造原理图。在盛有金属液的密封容器1内，通入干燥的压缩空气（或其他惰性气体），使容器中形成一定的压力p。在此压力作用下金属液沿着升液管3上升，并平稳地进入铸型5，整个充型过程都在一定压力作用下进行。同时，模腔4充满后仍保持一定的余压，使之在压力作用下结晶。待浇口冷凝后，放出压缩空气，去除容器内压力，这时升液管内未冷凝的金属液便流回金属液包内，完成一次浇铸。图12-3螺旋桨低压铸造原理图1-密封容器；2-金属液包；3-升液管；4-模腔；5-铸型；6-冷却圈2021/1/201312.3螺旋桨加工12.3.1螺旋桨加工技术要求1.桨毂锥孔和端面精度1)桨毂端面应与锥孔轴线垂直，垂直度误差不大于0.15mm/m。2)桨毂孔加工，当采用环氧树脂粘结剂与锥体装配时，允许锥孔大小端留有30~170mm长的配合环面，其余镗大0.20~0.30mm，以便于配研。当采用液压无键装配时，要求桨毂孔全部为配合面，即锥孔中部无空腔。3)键槽两侧应与桨毂孔轴线平行，当锥孔与轴精配时，键与槽在80%周长上均匀接触，用0.05mm塞尺插不进。2021/1/20142.螺旋桨各部分尺寸精度螺旋桨加工要求分为三级：I级为较高精度，适用于船速高于18kn的海船及其它有特殊要求的船舶；Ⅱ级为中等精度，适用于船速在8～18kn的海船及船速高于10kn的内河船舶；Ⅲ级的公差较大，用于一般船舶。各部分精度要求如下：1）螺旋桨半径R允许偏差为±(0.3%~0.5%)R，对有导流管螺旋桨的半径公差由施工图纸规定。2)叶切面长度li允许偏差为±(1%~2%)li，可测量相应半径处叶切面在螺旋面上的投影弧长（如图12-4所示）。在0.4R以内各截面上的li的公差可加大50%。图12-4叶片切面长度2021/1/20153)螺旋桨的螺距。对总平均螺距H允许偏差为±(0.75%~2.5%)H（H为各桨叶螺距Hi的算术平均值）。对桨叶螺距Hi的偏差为±(0.1%~0.3%)Hi，当等螺距时Hi为各切面螺距hi的算术平均值；当变螺距时Hi则按0.7R处的h0.7R值衡量。对切面螺距hi的偏差为±1.5%~±3.5%hi,hi为各h的算术平均值。对钢质螺旋桨，H、Hi、h、hi的公差可放大50%。4)桨叶切面厚度t的允许上偏差为(+2.0%~+4.0%)t，下偏差为(–1.0%~–2.0%)t。2021/1/20165)桨叶中线的夹角偏差为0.5°。6)桨叶后倾。测量叶面中线在半径0.3R和0.95R处两点桨轴轴线上投影距离的偏差，以直径的百分数计算约为±0.20%~±0.40%，如图12-5所示。对各桨叶间后倾的偏差，测量各桨叶叶面中线在0.5R处沿桨轴方向上投影的偏差，以直径的百分数计约为±0.10%~±0.20%。7)桨叶沿桨毂长度位置的偏差为(1.0%~2.0%)L，L为桨毂长度。8)螺旋桨成品质量偏差一般应不超过理论质量±5%，舰桨按±4%。螺旋桨批量桨的质量差值一般不大于首桨质量M的±(2%M+0.5)(kg)。图12-5桨叶后倾的测量L2021/1/20173.螺旋桨的表面粗糙度1)桨毂锥孔为Ra3.2μm，端面为Ra6.3μm。2)大于0.3R及的桨叶表面：I级的铜质桨叶面为Ra3.2~1.6μm，钢质的为Ra12.5~3.2μm；Ⅱ级的铜质桨叶面为Ra6.3~3.2μm，钢质、铁质的为Ra25~12.5μm；Ⅲ级的铜质桨叶面为Ra25~12.5μm，对钢质、铁质桨叶面的表面粗糙度则不作要求。3)小于0.3R的桨叶表面和桨毂表面：I级的铜质为Ra6.3~3.2μm；钢质为Ra25~6.3μm；Ⅱ级的铜质为Ra25~6.3μm；钢质、铁质为Ra25μm；Ⅲ级的铜质为Ra25μm。4)组合螺旋桨桨毂为Ra25~12.5μm。内河船舶螺旋桨的表面粗糙度数值可适当提高；对叶背的表面粗糙度数值可按照桨叶面的要求适当提高。此外，凡对表面粗糙度无要求的表面也必须达到平整光顺，除净毛刺，倒圆边角。2021/1/201812.3.2螺旋桨机械加工螺旋桨表面机械加工包括桨毂上镗孔和切两端面，桨毂孔加工键槽和桨叶加工等。螺旋桨的锥孔和两端面加工，可在端面或立式车床上进行，也可在镗床或专用镗孔机上进行。加工时，螺旋桨装夹在车床花盘上或机床工作台上，用两次装夹完成。镗孔的同时加工出桨毂的两端面，可保证桨毂锥孔轴线与两端面垂直度精度。由于桨毂圆锥孔是以后的所有检验和平衡的基准，因此在镗孔时应特别注意保证镗孔的加工精度。桨毂键槽的加工，可采用插削或刨削，也可采用专用铣床铣削。桨叶的加工，在单件生产时，大多采用手工进行，先加工叶面，后加工叶背；在成批生产时，用专用机床或数控机床加工。2021/1/20191.手工加工（又称批铲加工）螺旋桨手工加工包括桨叶外形轮廓、桨叶和桨毂外表面加工，修刮轴孔，去除静不平衡和动不平衡质量等。手工加工采用风铲、砂轮和锉刀（或刮刀）等工具进行。加工步骤是根据测量结果，划出加工线，批铲桨叶轮廓，铲除毛坯的铸造表皮，去除多余的金属，打磨桨叶表面使其达到平整光顺和所需的表面粗糙度。螺旋桨的手工加工劳动强度大，耗费工时多且劳动条件极为恶劣，噪声大和粉尘浓度高，严重影响工人的健康。对铸钢铸铁螺旋桨的表面一般不加工；对于低速运输船舶的螺旋桨，一般也只是把桨叶表面铲平整光顺。2021/1/20202.桨叶表面机械加工桨叶表面机械加工专用机床型式很多，有运动调节机床、仿形机床和数控机床等。运动调节机床最常见的是螺旋桨刨床，常用于小型螺旋桨的叶面加工。加工时将螺旋桨固定在心轴上，叶面向上，若桨叶有后倾角，则将被加工螺旋桨也倾斜一角度，即心轴倾斜一角度，如图12-6所示，使桨叶螺旋面的母线