为加强我国国防实力，促进我军装备的现代化建设，应该不断地开拓、创新，利用先进的科学技术，完善、改进我军装备的研究、设计、加工及检测手段。计算机数控加工技术已在世界范围内广泛应用于不同的领域，实践已经证明，数控加工技术的应用不仅大大降低了人们的劳动强度，提高了劳动生产率，更重要的是提高了产品加工质量和精度，更能保证产品性能。
1 螺旋桨加工技术现状及发展趋势
目前，我海军装备在质和量上较以前有了长足的进步，常规潜艇和核潜艇以及主战舰艇和辅助舰船的数量明显增加，但所有螺旋桨均采用比较落后的手工批铲和单一的螺距规检测方法。某型潜艇螺旋桨从毛坯开始批铲到成形，按一个熟练批铲工每天工作8 小时计算，需连续工作三至四个月，不但劳动强度大，加工周期长，生产效率低，而且加工出来的螺旋桨曲面光滑度低，螺距、叶厚、叶宽精度低，误差较大。因此，潜艇在水中航行时，易产生空泡、振动和噪声，推进效率和航行速度也受到一定的制约，影响了潜艇作战效能的发挥。
随着科学技术的进步，螺旋桨数控加工技术已经在一些国家得到了应用，诸如美国、俄罗斯、德国、日本、瑞典等。特别是俄罗斯将数控加工技术应用于核潜艇螺旋桨的制造后，大大降低了核潜艇水下航行时的振动和噪声，极大地改善了水下隐蔽性，充分体现出先进性、优越性和极强的军事应用价值和效益，在世界上引起了强烈的震动。可以预见，未来的民用船舶和军用舰艇螺旋桨加工中，落后的手工批铲方法必将被数控加工技术替代。
2 螺旋桨数控加工技术难点分析
调距桨是单片桨叶经加工成形后，用叶跟螺栓将叶跟法兰与曲柄销盘连接后与桨箍合成为一体的，除了由于叶片形状复杂，在桨叶的造型、数控编程和工装设计上存在一些难度外，实现数控加工的难度不是太大。大侧斜固定螺旋桨属整体铸造件，直径大，叶片多，空间重叠区域大，吸力面和压力面均为空间雕塑曲面，导边、随边均采用空间曲线圆滑过渡、叶片顶部收缩到线的构造，叶片与桨毂之间过渡圆角半径由导边到随边不断变化。因此，大侧斜固定螺旋桨数控加工的技术难点体现在如何进行数控编程，建立螺旋桨的三维模型、刀具路径的生成及刀具的选择、提高运行效率和加工质量、实现在线精度检测等工作上，具有较高的技术含量。
3 数控加工螺旋桨的基本途径和条件
由于大侧斜固定螺旋桨结构复杂，特别是桨叶相互覆盖面大，进行数控加工的难度非常大。必须在充分掌握数控加工理论及方法的基础上，利用先进的数控加工设备和与之匹配的数控软件，通过较高技术水平的编程人员和数控机床操作人员的共同努力，才能实现。
数控加工设备必须兼顾质量、精度和效率，同时应考虑加工不同直径螺旋桨的适应性。因此，所选的设备必须具有足够的工作台面和回转直径、多轴联动和较高运动精度的特点。例如SKODA 八轴五坐标联动数控落地镗铣床HCW3（200）NC：X 轴立柱在床身上的移动；Y 轴主轴箱在立柱上的移动；W 轴钻削轴移动；Z 轴滑枕移动；V 轴工作台移动；B 轴工作台旋转；C1 轴数控万能铣头绕Z 轴旋转；A1 轴数控万能铣头绕X 轴旋转(W+Z 合算一个坐标轴) ； 数控系统SINUMERIK840D。
螺旋桨数控加工的编程是无法用手工完成的，只能采用专业的编程软件来完成，例如UnigraphicsNX2。0 编程软件，该软件在机械加工行业应用普遍，特别适合叶片、叶轮类复杂曲面的建模和编程加工。此外，还须配置仿真加工软件，例如VERICUT5。3。VERICUT 能够根据NC 代码（G 代码）模拟和验证多轴铣削加工，对整个加工过程提供全面、准确的碰撞、干涉模拟，便于发现演示设计中存在的弱点或错误后，确定修改方案，保证实际加工的正确性。同时将设计模型与制造模型进行比较，计算两者的差别，打印结果报告。
在人力资源配置上，编程和操作人员必须了解螺旋桨设计思想，具有一定的螺旋桨造型方面的专长，特别是在导边、随边的过渡圆角、叶跟过渡圆角和顶面收缩到线（或者点）的处理上有较丰富的经验，以便实现整个叶面光滑、顺畅过渡，保证螺旋桨的加工质量。
4 螺旋桨加工数控技术研究的主要内容
螺旋桨加工数控技术研究的主要内容是通过编制数控程序，建立螺旋桨三维模型；实现刀具路径的生成，合理选择加工刀具；利用先进的测量方法，实现压力面、吸力面、导边圆角、随边圆角、根部圆角、抗鸣边缘、桨毂的数控加工和在线精度检测。整个研究过程可分为七个阶段。下面以利用SKODA 八轴五坐标联动数控落地镗铣床HCW3（200）NC、Unigraphics NX2。0 编程软件、VERICUT5。3 仿真加工软件为例，说明实现某型大侧斜固定螺旋桨数控加工的具体过程。
4.1 大侧斜固定螺旋桨三维造型
通过八轴五坐标联动机床对典型零件（螺旋桨叶片）加工过程及结果的分析，在对机床的功能、精度、三维设计及造型软件的了解和掌握的基础上，根据图纸建立大侧斜固定螺旋桨的三维模型。在UG/CAD 模块中，大侧斜固定螺旋桨的三维造型按下列步骤完成：
1）分析叶片上型值点的坐标，建立以XY 平面为螺旋桨的辐射参考平面、Y 方向为螺旋桨的辐射参考线、Z 方向为螺旋桨的回转中心线，坐标原点（0，0，0）为螺旋桨的辐射参考平面与回转中心线的交点的三维坐标系；
2）根据对图纸中给定的叶片截面型值点的数据分析，可以得出哪些型值点是由一簇同心圆剖切螺旋桨叶片后展开到平面上得到，在造型时须将这些型值点还原为空间点；
3）采用三阶NURBS 曲线，按型值点数据构造吸力面和压力面的两条NURBS 曲线；
4）按给定的弦线长度和圆角半径定义过渡圆角，构造过渡圆弧；
5）利用曲线桥接构造出与圆弧和NURBS 曲线都相切的过渡曲线，并保证整个曲线光顺圆滑；
6）将上述平面曲线按剖切半径、螺距角等缠绕到圆柱面上，还原为空间曲线，形成缠绕；
7）按上述过程重复构造出所有的空间截面曲线；
8）以构造出的三条空间截面曲线为基础，构造通过这些曲线的空间曲面，并将此曲面向轮毂（或叶跟法兰）方向延伸，与桨毂（或叶跟法兰）光顺圆滑连接，完成蒙面；
9）裁剪上述曲面，并将曲面缝合围成实体，实现缝围；
10）运用镜像复制方法构造其他叶片，完成螺旋桨三维造型。
4.2 刀具路径的生成和刀具选择
首先进入CAM 模块，选择多轴铣模板。在创建刀具对话框中选择创建刀具，输入刀具的参数及材料；在创建几何对话框中选定加工零件、毛坯及检查几何；在创建刀具路径对话框中选择变轴铣，设定好要加工的曲面；在Cutting 中设定切削参数。在Tool Axis 中设定刀轴向量；其他的如进刀、退刀等辅助设定在Non-Cutting 中设置。按照上述方法，生成桨叶叶面及各边缘加工的刀具路径。在加工过程中，采用球头刀或圆刀片面铣刀加工吸力面、压力面和过渡圆角；采用圆刀片面铣刀加工外边缘顶面；采用立铣刀加工导、随边。
4.3 后置处理
刀具路径生成后，在主菜单中选择ToolOperation NavigatorOutputCLSF，即可输出刀具位置源文件。刀具位置源文件是一个包含标准APT命令的文本文件，不是数控程序，需要设法把刀具位置源文件转换成指定数控机床能执行的数控程序，才能进行零件的数控加工，这种转换过程称为后置处理。
后置处理过程是对刀具位置源文件的解释执行，对于5 坐标数控加工，后置处理算法与数控机床控制器类型、机床运动关系等因素有关。按照实际使用的数控机床的硬件布置和控制系统，通过后置处理程序，将刀具位置源文件转化成NC 代码，就可以输出到数控机床进行零件的加工。
4.4 仿真模拟和验证
刀具路径生成后，利用VERICUT 软件将编制好的数控程序按照生成的NC 代码在计算机上以实体形式模拟刀具路径，直观地观察机床运动和刀具切削过程，准确地检查机床所有运动部分、刀具、工件和夹具之间是否出现干涉和碰撞。通过调整，获得螺旋桨正确的数控加工方法及过程，验证各工艺参数选择的合理性。将设计模型与模拟后的制造模型进行比较，并自动计算两者的差别，确保加工结果的符合性。经过仿真加工和验证后的NC 代码才可输入到机床中，供数控加工使用。
4.5 精度及效率调节
采用上述方法加工的螺旋桨叶面，型值点误差可控制在一定范围以内，达到一定的技术要求。零件的加工误差涉及编程误差、机床精度、刀具类型、刀具磨损等因素，而编程误差、刀具路径、刀具类型又与加工效率有关。当精度要求较高时，可以牺牲加工效率，降低编程误差。另外，在加工叶面时，选用多轴铣中的变轴铣，刀轴有一定的前倾角，采用圆刀片面铣刀加工，这样切削条件较好，也有助于提高效率。
4.6 螺旋桨加工
将工件和设计好的工装安装在回转工作台上，保证工件回转中心与工作台回转中心重合，利用数控铣头的两个旋转轴C1 、A1 和三个平移轴X、Y、Z进行数控加工，利用回转工作台进行分度，就可完成螺旋桨的数控加工。
4.7 精度检测
螺旋桨的精度检测分三步进行。
（1）采用API 激光跟踪仪进行加工过程中的在线检测。API 激光跟踪仪是由一个先进的、结构紧凑的跟踪头、一个控制器、笔记本电脑和连接整个系统的电缆组成。在线测量时，API 激光跟踪仪在测量软件包Measurepro 的支持下，根据加工坐标的基准建立测量坐标系，通过光学靶在叶面上扫描、采样成千上万的点，跟踪头随时跟踪光学靶的空间位置，并将采样点的数据传给电脑，通过测量软件包的处理，实时显示被测量物体的X、Y、Z 坐标值和三个状态的转角，将测量点数据同已有的CAD 设计模型相比较后逐点给出偏差值，实现偏差结果的可视化操作，打印检测报告，准确判断加工结果是否符合设计要求。
（2）螺旋桨加工完成后，采用螺距规检查叶面型值点的数据。螺距规是测量螺旋桨螺距、半径等几何参数的精密测量仪器，集光机电为一体，具有空间三个运动方向的自由度（X、Y 和C）。测量时，将螺距规安装在螺旋桨毂端面，依靠内置的特殊三爪卡调整中心或用定位孔找准中心，转动滑车上的X 向微动手轮，可实现X 方向的移动；转动测筒上的Y向微动手轮，可实现测杆Y方向的移动；推（拉）动橫臂，可实现圆周方向的旋转运动。测针只要触及测定点，控制面板上便可显示出该点的X、Y、C方向的位置的数据。
（3）采用已设计加工好的样板对螺旋桨导边、随边的圆角、抗鸣边缘及叶片和桨毂的过渡圆角进行检测测量，以确定边缘和过渡圆角是否符合图纸技术要求。
5 结语
对某型潜艇大侧斜固定螺旋桨采用上述介绍的数控加工方法进行了加工，经检验测试，螺旋桨外形及结构尺寸、性能指标均达到了图纸及技术要求。与手工批铲加工方法相比，提高了表面质量、加工精度、检测精度和生产效率。这项研究实现了我军舰艇螺旋桨加工手段的突破，填补了国内用数控技术加工船用螺旋桨的空白，缩短了我国与先进国家之间在螺旋桨加工技术方面的差距，为提高我军舰艇螺旋桨航行性能，特别是提高潜艇水下航行时螺旋桨的推进效率、降低振动和噪声、增加隐蔽性方面，具有较高的军事应用价值。
(审核编辑: 智汇张瑜)
