ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ

ВЫБОР МАТЕРИАЛА

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

БАЛАНСИРОВКА ВОЗДУШНОГО ВИНТА

ОТДЕЛКА И ПОКРАСКА ВИНТА

Аэросани, аэроглиссеры, всевозможные аппараты на воздушной подушке, экранопланы, микросамолеты и микроавтожиры, различные вентиляторные установки и другие машины не могут действовать без воздушного винта (пропеллера). Поэтому каждый энтузиаст технического творчества, задумавший построить одну из перечисленных машин, должен научиться изготовлять хорошие воздушные винты.

А поскольку в любительских условиях их проще всего делать из дерева, речь пойдет только о деревянных пропеллерах. Однако следует учесть, что по деревянному (если он окажется дачным) можно изготовить совершенно аналогичные винты из стеклопластика (методом формования в матрицу) или металла (отливкой).

Наибольшее распространение благодаря своей доступности получили двухлопастные винты из целого куска древесины (рис. 1). Трех и четырехлопастные воздушные винты сложнее в изготовлении.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Из какого дерева лучше всего сделать винт? Такой вопрос часто задают читатели. Отвечаем: выбор дерева прежде всего зависит от назначения и размеров винта.

Винты, предназначенные для двигателей большей мощности (порядка 15—30 л. с), также можно изготовлять из монолитных брусков твердой породы, но требования к качеству древесины в этом случае повышаются. При выборе заготовки следует обращать внимание на расположение годичных колец в толще бруска (оно хорошо просматривается по торцу, рис. 2-А), отдавая предпочтение брускам с горизонтальным или наклонным расположением слоев, выпиленным из той части ствола, Которая ближе к коре. Естественно, что заготовка не должна иметь сучков, кривослоя и других пороков.

Рис. 2. Заготовки воздушного винта

Если подходящего по качеству монолитного бруска найти не удалось, придется склеить заготовку из нескольких более тонких дощечек, толщиной 12—15 мм каждая. Такой способ изготовления винтов был широко распространен на заре развития авиации, и его можно назвать «классическим». По соображениям прочности рекомендуется применять дощечки из древесины разных пород (например, береза и красное дерево, береза и красный бук, береза и ясень), имеющие взаимно пересекающиеся слои (рис. 2-Б). Винты, изготовленные из клееных заготовок, после окончательной обработки имеют очень красивый внешний вид.

Некоторые опытные специалисты клеят заготовки из многослойной авиафанеры марки БС-1, толщиной 10—12 мм, собирая из нее пакет нужных размеров. Однако рекомендовать этот способ широкому кругу любителей мы не можем: слои шпона, расположенные поперек винта, при обработке могут образовать трудно устранимые неровности и ухудшить качество изделия. Концы лопастей винтов, изготовленных из фанеры, получаются весьма хрупкими. Кроме того, у высокооборотного винта в корне лопастей действует очень большая центробежная сила, доходящая в некоторых случаях до тонны и более, а в фанере поперечные слои на разрыв не работают. Поэтому фанеру можно применять только после расчета площади корневого сечения лопасти (1 см2 фанеры выдерживает на разрыв около 100 кг, а 1 см2 сосны — 320 кг.) Винты приходится утолщать, а это ухудшает аэродинамическое качество.

В ряде случаев ребро атаки воздушного винта закрывают полоской тонкой латуни, так называемой оковкой. Она крепится к кромке мелкими шурупами, головки которых после зачистки опаиваются оловом, чтобы предотвратить самоотворачивание.

Гребной винт «незацепляйка» на станке с ЧПУ

Здравствуйте! Недавно ко мне пришел дядя с просьбой сделать гребной винт к его новому мотору для небольшой лодки. Об этом и пойдет речь.

Ну что ж, дядю расстраивать не хотелось, так что надо браться за этот проект… Задача состояла в следующем: изготовить двухлопастной винт из алюминия, отмасштабировав по наружному диаметру со 140мм до 180мм, и развернуть направление лопастей в противоположную сторону, то есть сделать зеркальное исполнение относительно образца.

Реализация виделась следующей: оцифровать образец, сделать 3D модель зеркальной, подогнать под требуемый размер и запустить изготовление на станке с ЧПУ.

Сразу возник вопрос про оцифровку, конечно, было бы самым простым решением воспользоваться 3D сканером, но ценник переводит это решение в разряд сложных. Остается вариант делать все руками (на большее фантазии не хватило).

Присел за одну из программ для 3D моделирования и начал творить. Моделька получилась с первого раза, достаточно неплохая, но профиль сечения лопасти прямой, а не аэродинамический.

На данном этапе решил не заморачиваться с прорисовкой, так как эту модель еще как-то надо изготовить из алюминия. Заготовку алюминиевого сплава нужного диаметра и высоты найти не так уж просто и дешево, да и станок у меня слабоват для обработки металла, а обрабатывать такую объемную заготовку со съемом по 0,1 мм тоже нет никакого желания.

В общем, было предложено сделать модель из дерева (или чего-то подобного), доработать ее руками, если это потребуется, а после уже отдать в литейную мастерскую, где по нашей модели отольют конечную деталь из алюминия. Ценник озвучили более-менее удовлетворяющий. Далее стал продумывать изготовление модели на станке, так как требовалась обработка с двух сторон. Уменьшил масштаб модели, чтобы помещалась в имеющуюся у меня заготовку.

В ArtCAM создал G-code, за начало координат принял центр заготовки. В качестве заготовки взял кусок сосновой доски толщиной 50 мм, нашел в ней центр и закрепил на станке, с боков упер прижимами.

Запустил черновую обработку концевой фрезой диаметром 6 мм, по окончанию поменял фрезу на чистовую коническую с радиусом 1,5 мм. Провел чистовую обработку, после чего выявились некоторые недочеты по работе станка (но про это возможно будет другой пост).

Как не странно, первая сторона получилась на удивление хорошо. Теперь предстояло перевернуть заготовку. Для этого деталь приклеил к тонкой фанерке обработанной стороной, и привернул к станку в то же отверстие с начальными координатами. Фанерку прижал пластиковыми прижимами.

Запустил обработку: черновая, чистовая. Все прошло хорошо, единственное немного отгибало лопасти ближе к кончикам, так как там самое тонкое место. На большой модели этого уже не будет, может даже придется подклеить стоечки для большей жесткости.

Резюмирую: до этого у меня не было опыта в двухсторонней обработке, считаю, что для первого раза получилась вполне хорошая поделка, не без мелких косяков конечно, но куда же без них. Далее предстоит работа над полноценной моделью, но сначала хочется доделать 3D модель и станок, так как, в ходе работы были выявлены некоторые недочеты.

P.S.: Каждый из нас художник и видит по-своему. Я сделал так, как увидел. Уверен, что вариантов сделать как-то иначе очень много.

Всем спасибо за внимание!

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

По чертежу воздушного винта прежде всего необходимо изготовить металлические или фанерные шаблоны — один шаблон вида сверху (рис. 3-А), один шаблон вида сбоку и двенадцать шаблонов профиля лопасти, которые будут нужны для проверки винта на стапеле.

Рис. 3. Последовательность изготовления винта

Заготовку винта (брусок) нужно тщательно отфуговать, соблюдая размер со всех четырех сторон. Затем наносят осевые линии, контуры шаблона вида сбоку (рис. 3-Б) и удаляют лишнюю древесину, сначала маленьким топором, потом рубанком и рашпилем. Следующая операция — обработка по контуру вида сверху. Наложив шаблон лопасти на заготовку (рис. 3-В) и укрепив его временно гвоздиком по центру втулки, обводят шаблон карандашом. Затем поворачивают шаблон строго на 180° и обводят вторую лопасть. Лишняя древесина удаляется на ленточной пиле, если ее нет — ручной выкружной мелкозубой пилой. Эта работа должна быть выполнена очень точно, поэтому торопиться не следует.

Изделие, приобрело очертания винта (рис. 3-Г). Теперь начинается самая ответственная часть работы — придание лопастям нужного аэродинамического профиля. При этом следует помнить, что одна сторона лопасти плоская, другая выпуклая.

Главный инструмент для придания лопастям нужного профиля — остро отточенный, хорошо присаженный топор. Это отнюдь не значит, что выполняемая работа — «топорная»: топором можно делать чудеса. Достаточно вспомнить знаменитые Кижи!

Древесину удаляют последовательно и не спеша, сначала делая мелкие короткие натесы во избежание отщепления по слою (рис. 3-Г). Полезно иметь также небольшой двухручный стружок. На рисунке показано, как можно ускорить и облегчить работу по обтесыванию профильной части лопасти, сделав несколько пропилов мелкозубой ножовкой. Выполняя эту операцию, надо быть очень осторожным и не пропилить глубже, чем требуется.

После грубой обработки лопастей винт доводится до кондиции рубанками и рашпилями с проверкой в стапеле (рис. 4-А).

Рис.4. Стапель и шаблоны профилей лопасти

Для изготовления стапеля (рис. 4) надо найти доску, равную по длине винту и достаточно толстую для того, чтобы в ней можно было сделать поперечные пропилы глубиной 20 мм для установки шаблонов. Центральный стержень стапеля изготовляется из твердого дерева, его диаметр должен соответствовать диаметру отверстия в ступице винта. Стержень вклеивается строго перпендикулярно к поверхности стапеля. Надев на него винт, определяют количество древесины, которое предстоит удалить для соответствия лопасти шаблонам профиля. Выполняя эту работу в первый раз, нужно быть очень терпеливым и осторожным. Умение приобретается не сразу.

После того как нижняя (плоская) поверхность лопасти будет окончательно доведена по шаблонам, начинается доводка верхней (выпуклой) поверхности. Проверка ведется с помощью контршаблонов, как показано на рисунке 4-Б. От тщательности выполнения этой операции зависит качество винта. Если неожиданно выяснится, что одна лопасть получилась немного тоньше другой — а это часто бывает у неопытных мастеров, — придется соответственно уменьшить толщину противоположной лопасти, в противном случае и весовая и аэродинамическая балансировки винта будут нарушены. Мелкие изъяны можно исправить наклейкой кусочков стеклоткани («заплаток») или подмазкой мелкими древесными опилками, замешенными на эпоксидной смоле (эту мастику в просторечии называют хлебом).

При зачистке поверхности деревянного винта следует учитывать направление волокон древесины; строгание, циклевку и ошкуривание можно вести только «по слою» во избежание задиров и образования шероховатых участков. В некоторых случаях, помимо цикли, хорошую помощь при отделке винта могут оказать стеклянные осколки.

Опытные столяры после ошкуривания натирают поверхность гладким, хорошо отполированным металлическим предметом, сильно нажимая на него. Этим они уплотняют поверхностный слой и «заглаживают» оставшиеся на нем мельчайшие царапины.

Технология изготовления деревянного винта аэросаней

Для изготовления блочных деревянных воздушных винтов применяют твердые прямослойные сорта древесины без, сучков и гнили — дуб, клен, ясень, бук и др. Не рекомендуется делать винт из целой болванки, так как он со временем может покоробиться и значительно исказить свою первоначальную форму. Лучше всего болванку для винта склеить из тонких (10—12 мм) досок — дрок. Чтобы предотвратить коробление такой болванки, доски до склейки должны быть хорошо высушены. Клеить их нужно внутренней стороной древесины друг к другу, веером (рис. 70, а).

Склейку желательно производить казеиновым клеем с выдержкой болванки под прессом (можно под грузом или под затяжкой струбцинами) не менее двух-трех суток.

Размеры болванки должны соответствовать габаритным размерам будущего винта с небольшим припуском.

Болванку прежде всего опиливают по контурам винта. Для этого из фанеры вырезают в соответствии с размерами чертежа шаблоны контуров винта по его двум проекциям (рис. 70, б).

По шаблонам размечают болванку, строго соблюдая совпадение осей на болванке и шаблонах. Размеченную болванку обрезают по контурам (рис. 70, в) и просверливают центральное отверстие, по которому в дальнейшем будут центрировать винт. Отверстие разделывают точно перпендикулярно плоскости болванки. Если уже изготовлена промежуточная деталь — втулка винта, посредством которой его будут крепить на ведущий вал, то окончательно обрабатывают торцы втулки и на нее устанавливают на болтах болванку винта.

Для точной обработки лопастей необходимо изготовить стапель и шаблоны всех сечений (дужек) лопасти.

Стапелем может служить толстая, сухая, хорошо отфугованная доска размером не меньше 2/3 длины винта. На ней размечают ось винта и наносят риски в местах установки контрольных сечений — дужек.

На стапель необходимо установить точно по оси винта осевой штырь, который будет имитировать вал винта. На этот штырь надевают болванку винта так, чтобы она не легла вплотную на стапель. Для этого осевой штырь ставят на подкладку.

На каждое контрольное сечение лопасти изготовляют шаблон, состоящий из двух частей — нижней 1 и верхней 2.

Все нижние шаблоны должны рассчитываться по их высоте от плоскости стапеля с учетом толщины подкладки, подложенной под осееой штырь. Если этого не сделать, то изготовить винт с необходимой точностью не удастся.

Верхний шаблон должен точно подходить и центрироваться по нижнему шаблону, для чего при изготовлении его припиливают по контрольным площадкам нижнего шаблона и на обоих шаблонах одновременно наносят контрольные риски. Устанавливают нижний шаблон на стапеле между деревянными брусками.

Рис. 70. Технологическая схема изготовления блочного деревянного воздушного винта.

Обработку лопастей ведут последовательно, контролируя правильность только одним шаблоном, то есть изготовленным в одном экземпляре для каждого сечения. Шаблоны для контроля сечения дужек желательно изготовить из толстого дюралюминия толщиной 3—5 мм.

Перед началом обработки лопасти надо убедиться, что болванка винта на осевом штыре не имеет люфта. Одновременно следует проверить (по произвольно выбранным точкам на болванке) отсутствие перекоса болванки на стапеле.

Грубо обработанный винт зачищают обломками стекла и шкуркой, добиваясь хорошего прилегания к его поверхности контрольных шаблонов сечений.

Балансировка винта

. Балансировка винта является одним из важных этапов его изготовления. Это особенно относится к винтам многооборотным и изменяемого шага. У последних лопасти и значительное количество деталей изменяют свое положение в пространстве во время работы, что может нарушать аэродинамическую и весовую симметрию винта.

В эксплуатации плохо сбалансированный винт вызывает тряску и вибрацию моторной установки и корпуса. Это может привести к разбалтыванию крепежных деталей, появлению трещин в узлах и трубах силовых элементов конструкции и к преждевременному износу двигателя, оборудования и самого винта.

Весовая несбалансированность характеризуется сдвигом центра тяжести винта с оси его вращения, благодаря чему центробежные силы на одной лопасти будут больше, чем на другой.

Величина весовой несбалансированности выражается в граммах на радиусе винта в 1 м. Замеряют ее и устраняют на ножевом балансирном приспособлении.

Несбалансированность весовых моментов определяется непараллельностью малой главной оси инерции винта с осью его вращения.

Причины весовой несбалансированности: отклонение размеров деталей от нормальных (даже в случае их изготовления в пределах допусков) и искажение формы лопастей под нагрузкой центробежными силами. Весовую несбалансированность проверяют на балансировочном приспособлении, изготовленном из двух хорошо отфугованных досок и тщательно выверенных при установке по уровню. Несбалансированность аэродинамических сил определяется из условия, что силы сопротивления вращению отдельных лопастей неодинаковы, а несбалансированность моментов аэродинамических сил — из условия, что моменты силы тяги отдельных лопастей относительно оси вращения неодинаковы.

Причиной аэродинамической несбалансированности является отклонение углов установки отдельных лопастей и их сечений, изменяющих аэродинамические характеристики отдельных участков на лопасти и лопасти в целом. Проверяют аэродинамическую несбалансированность на стапеле путем точной подгонки контрольных сечений лопасти по одному и тому же шаблону для всех лопастей.

Балансировка при изготовлении винта проводится не менее трех-четырех раз (после изготовления винта и его зачистки, после шпаклевки и оклейки материей, после нанесения каждого слоя краски).

Если винт дает весовые отклонения, их можно устранить нанесением дополнительного слоя краски на более легкую лопасть (для деревянного винта) или зачисткой шкуркой более тяжелой лопасти (для металлического винта)*

Окрашивают винт масляной краской по слою грунтовки. После нанесения не менее двух тонких слоев краски винт полируют и покрывают масляным лаком.

Концы деревянных лопастей для обеспечения прочности их рабочей кромки оковывают тонким металлическим листом латуни или нержавеющей стали.

БАЛАНСИРОВКА

Изготовленный винт должен быть тщательно отбалансирован, то есть приведен в такое состояние, когда вес его лопастей совершенно одинаков. В противном случае при вращении винта возникает тряска, которая может повлечь за собой разрушение жизненно важных узлов всей машины.

На рисунке 5 изображено простейшее приспособление для балансировки винтов. Оно позволяет выполнить балансировку с точностью до 1 г — этого практически достаточно в любительских условиях.

Рис. 5. Простейшее приспособление для проверки балансировки винта

Практика показала, что даже при очень тщательном изготовлении винта вес лопастей получается неодинаковым. Это происходит по разным причинам: иногда вследствие разного удельного веса комлевой и верхней частей бруска, из которого изготовлен винт, или разной плотности слоев, местной узловатости и т. п.

Как быть в этом случае? Подгонять лопасти по весу, сострагивая с более тяжелой какое-то количество древесины, нельзя. Надо утяжелять более легкую лопасть, вклепывая в нее кусочки свинца (рис. 6). Балансировку можно считать законченной, когда винт будет оставаться неподвижным в любом положении лопастей относительно балансировочного приспособления.

Рис. 6. Балансировка винта путем вклепывания кусочков свинца в более легкую лопасть

Не менее опасно биение винта. Схема проверки пропеллера на биение показана на рисунке 7. При вращении на оси каждая лопасть должна проходить на одинаковом расстоянии от контрольной плоскости или угла.

Рис. 7. Схема проверки винта на биение