Изготовление моделей гребных винтов с использованием технологий Delcam plc

Борис Басков, Вячеслав Саитов

Построение компьютерного образа поверхности модели гребного винта

Установка модели гребного винта на технологическом поворотном столе

Механообработка моделей гребных винтов

Организация процесса обработки

Одной из научно-технических проблем совершенствования характеристик современных судов является создание эффективных гребных винтов.

Производство натурных гребных винтов, представляющих собой сложные конструкции диаметром до 7 метров и весом до 50 тонн, — трудоемкий и дорогостоящий процесс, поэтому перед изготовлением натурного винта нового типа проводятся гидродинамические исследования на модели. Детальное проектирование гребных винтов осуществляется в научно-технических организациях, имеющих экспериментальную базу для проведения модельных испытаний гребного винта.

Основным требованием к моделям гребных винтов является точность соответствия изготовленного профиля лопастей спроектированным, которая, в свою очередь, определяет достоверность информации, получаемой при их испытании.

Диапазон диаметров моделей находится в пределах от 150 до 350 мм, количество лопастей — до 13. Толщина лопастей моделей может изменяться в пределах от 0,1 мм на кромках до 8-10 мм на корневом сечении у ступицы. Диаметр ступицы обычно составляет 25-30% диаметра винта. Модели гребных винтов изготавливаются путем литья из мягких сплавов, таких как баббит, силумин, латунь, с последующей механической обработкой.

На рынке гидродинамических исследований проектов предъявляются высокие требования к точности (± 0,05 мм) и срокам изготовления (один месяц) моделей гребных винтов.

В ЦНИИ имени академика А.Н.Крылова работы по совершенствованию технологии изготовления моделей гребных винтов на базе интегрированной CAD/CAM-системы DUCT5 фирмы Delcam plc (Великобритания) и многокоординатного фрезерного станка с ЧПУ фирмы Mandelli (Италия) начаты в 1997 году.

Несмотря на то что DUCT5 является системой общего машиностроительного назначения, ее возможности в создании прикладных командных файлов позволили эффективно решать задачи построения компьютерного образа и механообработки модели гребного винта на станке с ЧПУ.

Построение компьютерного образа поверхности модели гребного винта

Данные для построения компьютерного образа модели гребного винта представляются в виде теоретического чертежа и таблицы координат профилей сечения. Для построения удовлетворительной по качеству поверхности лопасти винта необходимо 37-45 точек на каждое сечение. Количество сечений (10-15) определяется геометрией винта. Компьютерный образ лопасти модели гребного винта строится по сечениям и направляющей. Такая форма построения поверхности удобна для моделирования спрямленной поверхности лопасти. Данные вводятся в командный файл определенного формата, запуск которого из системы DUCT выполняет построение спрямленной поверхности лопасти модели гребного винта.

Качество построенной поверхности оценивается технологом-программистом визуально, с помощью закраски по кривизне, и в случае необходимости производится редактирование поверхности. Редактирование заключается в изменении формы продольных линий вблизи кончика лопасти и формы сечений вблизи входной и выходной кромок. Для удобного и наглядного выполнения редактирования были написаны командные файлы, позволяющие изменять форму продольных и поперечных линий, не перемещая опорные точки поверхности.

У некоторых моделей гребных винтов концевое сечение представляет собой точку. В этом случае для построения поверхности приходится заменять точку сечением, отступающим от конца лопасти на величину погрешности обработки (примерно 0,05 мм). Продольные линии построенной таким образом лопасти сходятся в сечении (рис. 1). При закрашивании лопасти по кривизне наблюдается нерегулярность построенной поверхности в зоне кончика лопасти (рис. 2). Причиной этого является ограниченная точность представления данных на персональном компьютере, поэтому при механообработке приходится оставлять зону на расстоянии 2-3 мм от кончика лопасти для ручной доводки.

Сечения построенной и отредактированной поверхности лопасти «наворачиваются» на цилиндры соответствующего радиуса. Далее строятся ступица, галтельный переход и остальные лопасти, что не представляет никакой сложности. Пример построенной в DUCT5 поверхности семилопастной модели гребного винта со сложной геометрией лопасти представлен на рис. 3.

Установка модели гребного винта на технологическом поворотном столе

Отличительной особенностью технологии изготовления моделей гребных винтов в ЦНИИ имени академика А.Н.Крылова является обработка моделей с одной установки.

Обработка моделей производится на 5-координатном фрезерном станке с ЧПУ (три линейные координаты и две угловые — поворот стола и наклон шпинделя). Для обеспечения всестороннего доступа инструмента при обработке модели последняя размещается над поверхностью поворотного стола на вершине металлической стойки, жестко закрепленной на поворотном столе. Вертикальное перемещение шпинделя станка составляет 1100 мм, углы наклона шпинделя — от +70 до –130°, угол поворота стола ±360° — все это позволяет выполнить обработку лопастей модели с нагнетающей и засасывающей сторон, не переворачивая саму модель, и исключить погрешность переустановки.

Система базирования модели в координатах станка следующая:

·ось вращения модели гребного винта совмещается с осью вращения поворотного стола;

·плоскость ступицы устанавливается параллельно плоскости поворотного стола.

Для установления соответствия между координатами модели и станка в файле смещения (offset file) ЧПУ по каждой координате фиксируется числовое значение смещения опорной точки модели относительно абсолютного нуля станка.

При изготовлении модели винта из формозадающей заготовки процесс «вписывания» модели в заготовку осуществляется с помощью прохождения «пристрелочных» управляющих программ по нагнетающей и засасывающей сторонам всех лопастей. Изменением параметров в файле смещения добиваются идентичности следа фрезы на всех лопастях. Процесс «пристрелки» зависит от точности геометрии формозадающей заготовки, занимает определенное время и усложняется с увеличением количества лопастей.

При изготовлении модели винта из цилиндрической заготовки упрощается и ускоряется процесс литья и исключается процесс «пристрелки», что следует принять во внимание при принятии решения относительно формы заготовки.

Механообработка моделей гребных винтов

Специфика механообработки моделей гребных винтов обусловлена их геометрией:

• перекрытие лопастей ограничивает возможность позиционирования инструмента;
• консольность лопасти выдвигает требования к режимам обработки, обеспечивающим снижение вибрации и исключение деформации.

Широкие возможности DUCT5 по механообработке — такие как задание различных стратегий движения фрезы при черновой, получистовой и чистовой обработке, задание геометрии и размеров обрабатывающего инструмента, задание режимов обработки — упрощают технологию получения управляющих программ для станка с ЧПУ. Особо следует отметить контроль на «зарезание» поверхности и «столкновение» с оснасткой, без которых полностью обработать модель гребного винта на станке с ЧПУ невозможно.

Черновая обработка модели осуществляется в 3- или 5-координатной обработке с фиксированными угловыми координатами, что существенно сокращает время обработки на станке по сравнению с полной 5-координатной обработкой. Обработка осуществляется по всей поверхности нагнетающей и засасывающей сторон с припуском до 2 мм. На рис. 4 представлена черновая обработка четырехлопастной модели винта из цилиндрической заготовки, для которой управляющие программы разработаны с помощью CAM-системы PowerMILL¹ . Для сокращения времени изготовления черновая обработка производится двумя станками одновременно.

Получистовая и чистовая обработка модели осуществляется «зонно-ступенчатым» методом. Суть метода в том, что обработка нагнетающей и засасывающей сторон выполняется по зонам, от кромок к центру и от кончика лопасти к ступице, по управляющим программам с припусками (ступеньками) от 1,5 до 0,1 мм. Для каждой зоны устанавливаются границы обработки и определяются углы поворота стола и наклона шпинделя. Определение углов наклона шпинделя и поворота стола осуществляется путем подбора вариантов с последующими расчетом траектории фрезы и проверкой на «зарезание» поверхности и «столкновение» с оснасткой.

Получистовая и чистовая обработка модели гребного винта предполагает снятие по 0,5-0,1 мм материала — начиная с зон входной и выходной кромок (ширина зон 3-4 мм) с нагнетающей и засасывающей сторон продольными проходами инструмента в направлении от ступицы до кончика. Затем осуществляется поочередная обработка засасывающей и нагнетающей сторон лопасти по сечениям зонами шириной 5-15 мм от кончика лопасти к ступице, при этом оставляют припуск (0,1 мм) на ручную доводку и полировку.

Организация процесса обработки

Качественное изготовление модели во многом зависит от организации процесса обработки. Большое количество программ (около 200), строгая очередность их разработки и выполнения на станке требуют согласованности действий технолога-программиста и оператора станка с ЧПУ. Снизить вероятность ошибки позволяет учет разработки управляющих программ и их выполнения на станке с ЧПУ. Для этого используется карта механообработки — схематическое изображение зон обработки с краткой информацией о программах и режимах обработки.

Для контроля за движением фрезы во время обработки модели оператор станка с ЧПУ обеспечен графическими средствами для предварительного просмотра траектории движения фрезы по управляющей программе.

В системе DUCT5 были изготовлены различные типы винтов, в частности:

• модель трехлопастного суперкавитирующего гребного винта (рис. 5);
• модель девятилопастного импеллера (рис. 6);
• модель тринадцатилопастного спрямляющего аппарата водометного движителя (рис. 7).

Применение системы DUCT5 для изготовления моделей гребных винтов позволяет:

• сократить время, повысить точность и качество изготовления моделей гребных винтов;
• изготавливать модели гребных винтов и лопастных систем моделей водометных движителей с геометрией лопастей любой сложности;
• предъявлять заказчику компьютерный образ модели гребного винта и вносить необходимые изменения в геометрию винта до начала механической обработки;
• изготавливать модели из цилиндрических заготовок;
• применять для механообработки моделей стандартные фрезы.

«САПР и графика» 4'2001