四叶螺旋桨五坐标加工专用夹具设计及数控加工仿真(11)
必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。
气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算：
T=Ctρn2D4
P=Cpρn3D5
η=J•Ct/Cp
式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其 中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨性能的主要依据之一。
从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较 低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。
因此，螺旋桨工作动力主要来源于螺旋桨叶片，在制造过程中，叶片曲面的加工对于螺旋桨的使用起着至关重要的作用。
图5 四叶螺旋桨图
由于螺旋桨工作特性，周向布满叶片，因此加工时周向无法固定，所以夹具的设计只能从轴向进行考虑。故提出如下几个方案：
方案一：图6 夹具一
考虑到螺旋桨的周向无法固定，因此只能选择螺旋桨的底面作为参考面。使用支承板限制其Z方向移动自由度、X方向转动自由度和Y方向转动自由度；心轴限制其X方向的移动自由度、Y方向的移动自由度，X方向的转动自由度和Y方向的转动自由度；螺母起紧固作用。
因此可见，此方案能对螺旋桨进行加工，但是在装夹过程中，出现了重复定位的情况，属于过定位。工件定位时，一个自由度同时被两个或两个以上的约束点所限制，成为过定位。由于过定位肯恩会破坏定位，所以过在加工过程中，通常情况下是不允许的。因此要对方案一进行改善。
方案二：图7 夹具2
在方案一的基础上，在底部添加一组滑块，起自位支承作用，以消除过定位对加工带来的影响，解决过定位的同时，新的问题出现先了，单用一个螺母进行径向的紧固，夹紧力略小，周向也没有其他夹紧机构，在加工过程中可能出现隐患；此外由于螺旋桨叶片是上下两面不规则的曲面，在加工过程中，首先要对其一面进行加工，加工完毕后，要取下翻转，重新装夹并加工，在此过程中，有一个二次装夹的过程，因此如果装夹的位置与第一次装夹的位置有所偏差，会影响叶片的流线曲面的形状，影响螺旋桨的质量和工作性能，故在加工二次装夹时，必须对螺旋桨进行定位。
方案三：图8-1 夹具3-1 方案四：
图8-2 夹具3-2
鉴于上述两种方案的不足之处，方案三、四对夹具进行改进，针对前两种方案中考虑到的不足，方案三、四在方案一和二的基础上进行了大胆创新：方案三使用双螺母对径向进行预紧，单螺母在加工时由于机械振动会减小其预紧力，因此使用双螺母自锁预紧，保证径向的预紧力；心轴和滑块组合改成可胀心轴和键组合，既解决了过定位问题，也解决了二次装夹的定位问题，是一个理想的专用夹具。此外，考虑到在五轴加工中心加工时，摆动幅度较大，因此方案四在方案三进行了优化，增加三爪卡盘对周向进行夹紧，保证工件在加工时轴向的位置偏差；也是一个不错的专用夹具。