CN109108577A - 基于精密铸造的螺旋桨制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，涉及船舶技术领域，其技术方案要点是：包括步骤S1：通过精密铸造法铸造螺旋桨叶片；步骤S2：将叶片加热；步骤S3：将叶片放入对应形状的模具内进行热挤压；步骤S4：将叶片打磨抛光；步骤S5：将叶片定位于桨毂上；步骤S6：将叶片与桨毂焊接固定；步骤S7：对螺旋桨进行热处理工序；步骤S8：在螺旋桨上进行机加工；步骤S9：打磨抛光螺旋桨表面。本螺旋桨制造工艺通过精密铸造法，能直接形成尺寸精度高的螺旋桨叶片，极大地减少了后续的加工工序；通过热挤压和热处理工序，生产出的螺旋桨强度、韧性较高；本工艺的可实施性高，克服了不锈钢材质的螺旋桨难以生产制造的问题。

Description

基于精密铸造的螺旋桨制造工艺

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，特别涉及基于精密铸造的螺旋桨制造工艺。

背景技术

螺旋桨是船舶的重要部件，用于将船舶发动机输出的转矩转换为推力，以推动船舶航行。随着造船工业的不断发展，现代船舶向大型化和高速化发展，船舶对螺旋桨的性能要求不断提高。

长期以来船用螺旋桨材料多选用铜或铜锌合金，具有切削加工方便、不易锈蚀的特点，但铜材料的螺旋桨强度和硬度有限，螺旋桨与石头、浮木碰撞时容易产生严重变形甚至断裂。目前，能够取代铜合金的不锈钢螺旋桨的优势逐渐凸显，不锈钢材质的螺旋桨具有更高的硬度和强度，韧性与屈服点也较铜质的螺旋桨有较大提升，因此不锈钢螺旋桨能设计成较轻的重量，提高船舶的航速，节能省油。

但将不锈钢制成螺旋桨的工艺与铜质螺旋桨不互通，主要区别点在于：1、不锈钢浇铸时的流动性差；2、两者的硬度、切削性能存在较大差异。目前不锈钢螺旋桨的制造仍处于测试阶段，生产困难且难以实现大批量生产。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，具有可实施性高、能够实现不锈钢螺旋桨的大批量生产的优势。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，包括以下步骤：

步骤S1：通过精密铸造法铸造螺旋桨叶片，形成规定厚度和边缘形状的叶片胚料；

步骤S2：将叶片加热至1100～1300℃；

步骤S3：将加热后的叶片放入对应形状的模具内，然后用液压机进行热挤压；

步骤S4：将叶片打磨、抛光；

步骤S5：取预先制造好的不锈钢桨毂，将叶片定位于桨毂上，同时调整好螺距、螺旋角度；

步骤S6：将叶片与桨毂焊接固定；

步骤S7：对螺旋桨进行热处理工序；

步骤S8：在螺旋桨上进行机加工、线切割，以形成标准尺寸的端面和孔；

步骤S9：对螺旋桨表面进行打磨、抛光。

通过上述技术方案，步骤S1通过精密铸造法，能克服传统的不锈钢铸造领域中形位误差大的缺点，能直接形成具有渐变的板面厚度、边缘厚度及板面弧度的螺旋桨叶片，极大地减少了后续的加工工序；步骤S4、S8、S9对螺旋桨的切割量均较小，实施快捷；步骤S3通过热挤压，提高了叶片的强度和刚度；加热后的叶片便于产生形变，使液压机能够可靠工作，且叶片的形状不易回弹。综上，本螺旋桨制造工艺能实现不锈钢螺旋桨的制造，且本工艺的可实施性高，能够实现不锈钢螺旋桨的大批量生产，生产出的螺旋桨综合性能较好。

优选的，还包括步骤S10：对螺旋桨进行动平衡试验。

通过上述技术方案，动平衡性能是螺旋桨工作时的重要参数，动平衡试验用于检验螺旋桨的动平衡是否达标，不达标时需要打磨掉螺旋桨特定部位的部分金属。

优选的，所述步骤S10在动平衡试验台上进行，步骤S10完成后回到步骤S9，之后在步骤S9和步骤S10间不断循环，直至动平衡试验合格后，将螺旋桨从动平衡试验台上取下完成生产。

通过上述技术方案，不满足动平衡性能时，在特定的桨叶位置打磨掉部分金属后再次进行试验，直至动平衡试验合格后，将螺旋桨从动平衡试验台上取下完成生产。重复循环的步骤S9和S10能确保打磨完成后的螺旋桨仍能满足动平衡性能，且螺旋桨无需频繁吊运。

优选的，所述步骤S3时，分三次对叶片进行热挤压，每次热挤压的压力递增。

通过上述技术方案，热挤压时若直接施加较大的力，叶片表面容易产生不规则变形；热挤压时若施力过小，对叶片强度的提升不够明显。本工艺采用分三次、且压力递增的热挤压方式，一方面使叶片表面逐渐形成更为致密的结构，叶片表面能够保持平整、均一状态；另一方面在每次热挤压间，叶片有供应力舒缓的时间，能够降低叶片的残余内应力。

优选的，所述步骤S3时，三次热挤压的压力从前往后依次为叶片重力的5倍、8倍、10倍。

通过上述技术方案，热挤压的压力为叶片重力的5倍、8倍、10倍时，在能保持叶片表面平整的前提下，对叶片强度的提升较为显著。

优选的，所述步骤S3时，液压机的加压方向沿竖直方向，步骤S3包括步骤S31和步骤S32：

步骤S31：将叶片放入第一模具内进行热挤压，然后将热挤压后的叶片从第一模具内取出；步骤S32：将叶片放入第二模具内重新热挤压，叶片在第一模具、第二模具内的板面朝向相反。

通过上述技术方案，热挤压时，叶片较大的自重会对热挤压过程造成影响，即叶片的两个板面受力不同；步骤S3采用第一模具和第二模具分别对叶片进行两次挤压，能在一定程度上克服叶片两板面受力不同造成的影响，使叶片两板面的热挤压质量趋向一致。

优选的，所述步骤S31完成时，将叶片重新加热至1100～1300℃，然后执行步骤S32。

通过上述技术方案，步骤S31完成时叶片的温度会产生较大下降，重新加热具有必要性；重新加热后的叶片便于产生形变，使步骤S32能够可靠进行。

优选的，所述步骤S7包括步骤S71：调质工序：将螺旋桨加热至750～800℃后淬火，然后加热至500～650℃进行高温回火，保温2h后降至室温。

通过上述技术方案，调质工序使螺旋桨兼具较好的强度与韧性。

优选的，所述步骤S7还包括步骤S72：回火工序：将螺旋桨加热至220～250℃后保温4h，随后降至室温。

通过上述技术方案，此为低温回火，用于进一步消除螺旋桨的内应力，提高螺旋桨的韧性并稳定尺寸。

综上所述，本发明对比于现有技术的有益效果为：

1、本工艺的可实施性高，克服了不锈钢材质的螺旋桨难以生产制造的问题；

2、通过热挤压和热处理工序，生产出的螺旋桨强度、韧性较高；

3、通过精密铸造法，能直接形成尺寸精度高的螺旋桨叶片，极大地减少了后续的加工工序。

附图说明

图1为实施例的步骤S3的示意图，主要突出第一模具、第二模具的区别。

附图标记：1、第一模具；11、上模；12、下模；2、第二模具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

一种基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，包括以下步骤：

步骤S1：通过精密铸造法铸造螺旋桨叶片。

本实施例中的精密铸造法为熔模铸造工艺，熔模铸造工艺是用易熔材料(例如蜡料或塑料)制成可熔性模型，在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧，铸型或型壳经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到铸件。

通过熔模铸造工艺，能克服传统的不锈钢铸造领域中形位误差大的缺点，能直接形成具有渐变的板面厚度、边缘厚度及板面弧度的螺旋桨叶片，极大地减少了后续的加工工序。

步骤S2：将叶片加热至1100～1300℃。此过程是将叶片送入加热炉内完成的，加热完成后的叶片呈通红状态。

步骤S3：将加热后的叶片放入对应形状的模具内，然后用液压机进行热挤压(即锻压)，液压机的加压方向均沿竖直方向；步骤S3包括步骤S31和步骤S32。

步骤S31：如图1所示，将叶片放入第一模具1内进行热挤压。第一模具1包括上模11和下模12，上模11和下模12包围的型腔形状与设计好的叶片形状一致；液压机加压时，叶片在上模11和下模12的压紧力作用下厚度缩小，使叶片的材质趋向于致密，从而提升叶片的强度和韧性，另一方面使叶片的形位尺寸更为精准。

热挤压完成时，将叶片从第一模具1内取出，然后将叶片送回加热炉内重新加热至1100～1300℃。加热后的叶片便于产生形变，使热挤压过程能够可靠进行，且叶片的形状不易回弹。

步骤S32：将重新加热后的叶片放入第二模具2内重新热挤压；步骤S31完成时叶片的温度会产生较大下降，重新加热具有必要性。第二模具2与第一模具1的区别点仅在于：第二模具2形成的型腔形状与第一模具1形成的型腔形状呈上下对称，叶片在第一模具1、第二模具2内的板面朝向相反。

热挤压时，叶片较大的自重会对热挤压过程造成影响，即叶片的两个板面受力不同；步骤S3采用第一模具1和第二模具2分别对叶片进行两次挤压，能在一定程度上克服叶片两板面受力不同造成的影响，使叶片两板面的锻压质量趋向一致。

上述步骤S31和步骤S32时，均分三次对叶片进行热挤压，每次热挤压的压力递增，从前往后依次为叶片重力的5倍、8倍、10倍，每次热挤压后模具分离，再进行下次热挤压。

热挤压时，分次对叶片施加压力的实验数据如下表1所示：

表1：

上述实验得出的裂纹数量为经多次实验得出的平均值。根据表1的实验数据，第一次加压为叶片重力的5倍、第二次加压为叶片重力的8倍、第三次加压为叶片重力的10倍均接近叶片表面能够保持平整的极限压力。则热挤压的压力从前往后依次为叶片重力的5倍、8倍、10倍时，在能保证不损坏叶片表面的前提下，显著地提升叶片的致密程度和结构强度，热挤压工序能够高效地执行。

热挤压时若直接施加较大的力，叶片表面容易产生不规则变形；热挤压时若施力过小，对叶片强度的提升不够明显。本工艺采用分三次、且压力递增的热挤压方式，一方面使叶片表面逐渐形成更为致密的结构，叶片表面能够保持平整、均一状态；另一方面在每次热挤压间，叶片有供应力舒缓的时间及空间，能够降低叶片的残余内应力；且最终对叶片强度的提升较为显著。

步骤S4：将热挤压后的叶片打磨、抛光，以去除热挤压后的毛刺、余料；打磨、抛光可由打磨机、抛光机实现。

步骤S5：取预先制造好的不锈钢桨毂，将叶片定位于桨毂上，同时调整好螺距、螺旋角度；定位时由吊运设备辅助工作，人员通过点焊的方式进行定位。不锈钢桨毂为圆筒形或圆柱形，不锈钢桨毂的形状规则且壁厚较大，可由铸造直接成型，不锈钢桨毂的生产过程在此不作赘述。每个桨毂上的叶片数量为多个且关于桨毂的轴线呈圆周阵列分布。

步骤S6：将叶片与桨毂焊接固定；本实施例中的焊接方式为氩弧焊，焊丝为实心不锈钢焊丝。

步骤S7：对螺旋桨进行热处理工序，步骤S7包括步骤S71和步骤S72。

步骤S71：调质工序：将螺旋桨加热至750～800℃后淬火，然后加热至500～650℃进行高温回火，保温2h后降至室温。调质工序使螺旋桨兼具较好的强度与韧性。

步骤S72：回火工序：将螺旋桨加热至220～250℃后保温4h，随后降至室温。此为低温回火，用于进一步消除螺旋桨的内应力，提高螺旋桨的韧性并稳定尺寸。

步骤S8：在螺旋桨上进行机加工、线切割，以形成标准尺寸的端面和孔；端面用于与毂帽或船体配合，孔用于与轴或堵头等零件配合。由于螺旋桨的桨毂尺寸已基本准确，线切割为小幅度的切割调整，所以步骤S8不会耗费过多时间。

步骤S9：对螺旋桨表面进行打磨、抛光。此次抛光、打磨针对螺旋桨整体包括叶片、桨毂和焊接部位，使螺旋桨表面光滑，以降低螺旋桨与水接触时的摩擦阻力。

步骤S10：对螺旋桨进行动平衡试验，动平衡试验在动平衡试验台上进行。动平衡试验台通过转轴***桨毂内并驱动螺旋桨转动，同时通过传感器收集螺旋桨转动时的振动、轴线偏移信号，从而判断螺旋桨的动平衡性能是否达标。

步骤S10在动平衡试验台上进行，步骤S10完成后回到步骤S9，之后在步骤S9和步骤S10间不断循环；不满足动平衡性能时，在特定的桨叶位置打磨掉部分金属后再次进行试验，直至动平衡试验合格后，将螺旋桨从动平衡试验台上取下完成生产。重复循环的步骤S9和S10能确保打磨完成后的螺旋桨仍能满足动平衡性能，且螺旋桨无需频繁吊运。

综上，本螺旋桨制造工艺能实现不锈钢螺旋桨的制造，且本工艺的可实施性高，能够实现不锈钢螺旋桨的大批量生产，生产出的螺旋桨综合性能较好。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (9)

1.一种基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，其特征是：包括以下步骤：

步骤S1：通过精密铸造法铸造螺旋桨叶片，形成规定厚度和边缘形状的叶片胚料；

步骤S2：将叶片加热至1100～1300℃；

步骤S3：将加热后的叶片放入对应形状的模具内，然后用液压机进行热挤压；

步骤S4：将叶片打磨、抛光；

步骤S5：取预先制造好的不锈钢桨毂，将叶片定位于桨毂上，同时调整好螺距、螺旋角度；

步骤S6：将叶片与桨毂焊接固定；

步骤S7：对螺旋桨进行热处理工序；

步骤S8：在螺旋桨上进行机加工、线切割，以形成标准尺寸的端面和孔；

步骤S9：对螺旋桨表面进行打磨、抛光。

2.根据权利要求1所述的基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，其特征是：还包括步骤S10：对螺旋桨进行动平衡试验。

3.根据权利要求2所述的基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，其特征是：所述步骤S10在动平衡试验台上进行，步骤S10完成后回到步骤S9，之后在步骤S9和步骤S10间不断循环，直至动平衡试验合格后，将螺旋桨从动平衡试验台上取下完成生产。

4.根据权利要求1所述的基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，其特征是：所述步骤S3时，分三次对叶片进行热挤压，每次热挤压的压力递增。

5.根据权利要求4所述的基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，其特征是：所述步骤S3时，三次热挤压的压力从前往后依次为叶片重力的5倍、8倍、10倍。

6.根据权利要求1所述的基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，其特征是：所述步骤S3时，液压机的加压方向沿竖直方向，步骤S3包括步骤S31和步骤S32：

步骤S31：将叶片放入第一模具(1)内进行热挤压，然后将热挤压后的叶片从第一模具(1)内取出；

步骤S32：将叶片放入第二模具(2)内重新热挤压，叶片在第一模具(1)、第二模具(2)内的板面朝向相反。

7.根据权利要求6所述的基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，其特征是：所述步骤S31完成时，将叶片重新加热至1100～1300℃，然后执行步骤S32。

8.根据权利要求1所述的基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，其特征是：所述步骤S7包括步骤S71：调质工序：将螺旋桨加热至750～800℃后淬火，然后加热至500~650℃进行高温回火，保温2h后降至室温。

9.根据权利要求8所述的基于精密铸造的螺旋桨制造工艺，其特征是：所述步骤S7还包括步骤S72：回火工序：将螺旋桨加热至220～250℃后保温4h，随后降至室温。