一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法

摘要

本发明属于螺旋桨制备工艺相关技术领域，更具体地，涉及一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法，包括：(i)对螺旋桨构件进行针对性的分区处置，得到桨毂部分和桨叶部分；(ii)对两种不同部分，基于不同的原理来规划设计制造路径；其中桨毂采用平面切片和偏置填充方式规划得到路径，桨叶采用柱面切片和偏置填充方式规划得到路径；(iii)依照所完成的不同制造路径，采用电弧熔丝增材制造工艺进行相应的组合加工。本发明还公开了相应的螺旋桨构件产品。通过本发明，不仅能够与螺旋桨构件的复杂三维构造特征更好地相适应，使得电弧熔丝增材制造螺旋桨的精度和外形轮廓控制得更好，而且能够显著提高最终产品的尺寸精度，同时大大缩短其制造周期。

权利要求

1.一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(i)螺旋桨三维模型的建立及分区

针对作为待加工对象的螺旋桨构件，生成其三维点云，并在空间坐标系中拟合建立对应的三维模型；接着，对此三维模型进行针对性的分区处置，其中整个螺旋桨桨毂被单独设定为第一区域，而位于螺旋桨桨毂侧部的各个螺旋桨桨叶分别被设定为彼此独立的多个第二区域；

(ii)不同分区的特定路径规划设计

针对第一区域和多个第二区域，基于不同的原理来规划设计制造路径：其中对于第一区域而言，首先采用平面切片的方式得到螺旋桨桨毂的内外轮廓，其中该平面切片所用切平面被定义为与螺旋桨桨毂轴线始终保持垂直的平面，然后计算在该切平面上桨毂的内外轮廓，再由外轮廓逐渐偏置直至内轮廓，由此随着所述切平面随着切割高度的逐渐提升而完成整个螺旋桨桨毂的路径规划；而对于多个第二区域而言，首先采用柱面切片的方式将各个桨叶部分分割为多个轮廓，其中该柱面切片所用圆柱切面被定义为与所述螺旋桨桨毂同轴的圆柱面，然后计算在该圆柱切面上螺旋桨桨叶的轮廓，再从轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整，由此随着圆柱面的半径随着切片高度逐渐提升而逐个完成所有螺旋桨桨叶的路径规划；

(iii)基于电弧熔丝增材制造的最终成型

依照步骤(ii)所完成的螺旋桨桨毂及桨叶的制造路径，采用电弧熔丝增材制造工艺进行相应的组合加工，进而获得所需的螺旋桨构件产品。

2.如权利要求1所述的一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，对于所述螺旋桨桨毂而言，在其外轮廓逐渐偏置直至内轮廓的过程中，每次的偏移量设定为2.5mm。

3.如权利要求1或2所述的一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，对于所述螺旋桨桨叶而言，在其轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整的过程中，采用柱面周向填充和柱面轴向填充交替进行的方式来执行：其中所述柱面周向填充被定义为将轮廓内部的点集按照轮廓圆周方向坐标值一致的次序连接起来，然后沿着桨毂轴线方向逐渐偏移的填充方式；而所述柱面轴向填充被定义为将轮廓内部的点集按照轮毂轴线方向坐标值一致的次序连接起来，然后沿着桨毂圆周方向逐渐偏移的填充方式。

4.如权利要求3所述的一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，对于所述螺旋桨桨叶而言，在其轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整的过程中，每次的偏移量设定为2.5mm。

5.如权利要求1或2所述的一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，在步骤(iii)中，所述电弧熔丝增材制造工艺的关键工艺参数包括焊接速度、焊接电流、焊接电压和送丝速度，并且与所选用的丝材保持对应。

6.如权利要求3所述的一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，在步骤(iii)中，所述电弧熔丝增材制造工艺的关键工艺参数包括焊接速度、焊接电流、焊接电压和送丝速度，并且与所选用的丝材保持对应。

7.一种螺旋桨构件产品，其采用如权利要求1-6任意一项所述的电弧熔丝增材制造方法而制得。

说明书

一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于螺旋桨制备工艺相关技术领域，更具体地，涉及一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法。

背景技术

[0002] 螺旋桨构件在我国的船舶、航空和能源等多个领域具有很重要的地位，在船舶、飞机和风力发电机等大型设备中，是动力系统的核心部件之一，其制造质量直接影响这些设备的性能。目前，大型螺旋桨的制造一般涉及螺旋桨三维建模、模具制作、材料熔炼、浇注、数控加工等众多工艺，并存在周期长、准确性差、制造成本高等缺点，很难保证螺旋桨的高精度和高性能要求。

[0003] 对于构成螺旋桨构件制备最为核心步骤之一的铸造工艺来说，传统上通常采用刮板结合螺距板造下型，木模心或砂模心造上型，但由于铸造模心制作困难，周期长，尺寸精度难以保证，不仅导致螺旋桨生产周期长，也难以保证其尺寸精度和外形轮廓。为此，近年来已经逐渐引入电弧熔丝增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)技术来制备螺旋桨构件，即采用电弧作为热源，将金属丝材熔化逐层堆积从而制造出工件。与传统铸造技术相比，电弧熔丝增材制造在装备方面具有无需模具，加工柔性程度高，制造周期短，易于实现数字化制造的特点。

[0004] 然而，进一步的研究表明，在采用电弧熔丝增材技术生产螺旋桨的现有技术中，其制造路径规划普遍为平面切片方式，对切片技术的研究也集中在平面切片提升量的自适应算法方面；其中自适应平面切片根据工件表面的复杂程度，复杂表面平面提升量小，简单表面平面提升量大。但是对于具有更复杂的空间曲面的螺旋桨来说，尤其在打印螺旋桨桨毂和桨叶的相贯处等特定区域时，无论采取等厚度平面切片或者自适应平面切片的方式都会出现在同一高度得到多道轮廓的情况。在该情况下，在打印桨叶叶根的过程中会多次起弧和熄弧，由于电弧在起弧和熄弧时极其不稳定，从而降低了螺旋桨的尺寸精度，也会导致叶根处残余应力变大，这些都不利于螺旋桨的使用。相应地，本领域亟需做出进一步的研究改进，以便更好地满足对螺旋桨构件制造更高质量和更高效率的需求。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上不足之处和改进需求，本发明提供了一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法，其中通过紧密结合螺旋桨构件自身的产品构造特点及特定成型需求，对其进行针对性重新分区的设计，并且进一步采用柱面切片和平面切片工艺相结合的全新加工路线来执行电弧熔丝增材制造成型过程，相应不仅可显著提高电弧熔丝增材制造螺旋桨构件的尺寸精度，大大缩短了其制造周期，而且有效避免了打印桨叶叶根时的起弧和熄弧现象，因而尤其适用于具备复杂空间曲面的各类螺旋桨高精度加工用途。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

[0007] (i)螺旋桨三维模型的建立及分区

[0008] 针对作为待加工对象的螺旋桨构件，生成其三维点云，并在空间坐标系中拟合建立对应的三维模型；接着，对此三维模型进行针对性的分区处置，其中整个螺旋桨桨毂被单独设定为第一区域，而位于螺旋桨桨毂侧部的各个螺旋桨桨叶分别被设定为彼此独立的多个第二区域；

[0009] (ii)不同分区的特定路径规划设计

[0010] 针对第一区域和多个第二区域，基于不同的原理来规划设计制造路径：其中对于第一区域而言，首先采用平面切片的方式得到螺旋桨桨毂的内外轮廓，其中该平面切片所用切平面被定义为与螺旋桨桨毂轴线始终保持垂直的平面，然后计算在该切平面上桨毂的内外轮廓，再由外轮廓逐渐偏置直至内轮廓，由此随着所述切平面随着切割高度的逐渐提升而完成整个螺旋桨桨毂的路径规划；而对于多个第二区域而言，首先采用柱面切片的方式将各个桨叶部分分割为多个轮廓，其中该柱面切片所用圆柱切面被定义为与所述螺旋桨桨毂同轴的圆柱面，然后计算在该圆柱切面上螺旋桨桨叶的轮廓，再从轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整，由此随着圆柱面的半径随着切片高度逐渐提升而逐个完成所有螺旋桨桨叶的路径规划；

[0011] (iii)基于电弧熔丝增材制造的最终成型

[0012] 依照步骤(ii)所完成的螺旋桨桨毂及桨叶的制造路径，采用电弧熔丝增材制造工艺进行相应的组合加工，进而获得所需的螺旋桨构件产品。

[0013] 作为进一步优选地，对于所述螺旋桨桨毂而言，在其外轮廓逐渐偏置直至内轮廓的过程中，每次的偏移量优选设定为2.5mm。

[0014] 作为进一步优选地，对于所述螺旋桨桨叶而言，在其轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整的过程中，优选采用柱面周向填充和柱面轴向填充交替进行的方式来执行：其中所述柱面周向填充被定义为将轮廓内部的点集按照轮廓圆周方向坐标值一致的次序连接起来，然后沿着桨毂轴线方向逐渐偏移的填充方式；而所述柱面轴向填充被定义为将轮廓内部的点集按照轮毂轴线方向坐标值一致的次序连接起来，然后沿着桨毂圆周方向逐渐偏移的填充方式。

[0015] 作为进一步优选地，对于所述螺旋桨桨叶而言，在其轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整的过程中，每次的偏移量优选设定为2.5mm。

[0016] 作为进一步优选地，在步骤(iii)中，所述电弧熔丝增材制造工艺的关键工艺参数包括焊接速度、焊接电流、焊接电压和送丝速度等，并且与所选用的丝材保持对应。

[0017] 作为进一步优选地，在步骤(ii)中，所述柱面切片的提升量保持不变，并且其大小优选被设定为与单道堆积层的余高相等。

[0018] 作为进一步优选地，所述螺旋桨构件譬如为舰船用推进螺旋桨。

[0019] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0020] 1、通过紧密结合螺旋桨构件自身的产品构造特点及特定成型需求，本发明不仅对其进行了重新的分区设计，更重要的是还基于随形切片的机理，针对螺旋桨桨毂和桨叶分别引入了不同的切面分层路径规划；相应地，较多的实际测试表明，其能够与螺旋桨构件的复杂三维构造特征更好地相适应，并从最终产品来看能够显著提高电弧熔丝增材制造的尺寸精度，同时大大缩短其制造周期；

[0021] 2、本发明所重新设计的分区及切面分层规划能够更好地对电弧增材制造工艺参数进行优化处置，使得各关键工艺参数更为精准地与打印区域相适应，因而尤其适用于各类复杂曲面的螺旋桨构件制造过程，并有效避免了打印桨叶叶根时频繁的起弧和熄弧现象。

附图说明

[0022] 图1是按照本发明所构建的螺旋桨电弧熔丝增材制造工艺方法的具体工艺流程图；

[0023] 图2是按照本发明的一个优选实施例，用于显示螺旋桨桨毂平面切片及偏置填充的原理示意图；

[0024] 图3是作为示范性解释说明，用于具体显示在实际操作中针对螺旋桨桨叶STL文件执行柱面切片及获得的局部三角形面片计算交点的原理示意图；

[0025] 图4是按照本发明所获得的螺旋桨桨叶轮廓打印路径示意图；

[0026] 图5a和图5b分别是作为示范性补充说明，用于具体显示在实际操作中针对螺旋桨桨叶STL文件执行柱面切片时，可能出现的局部三角形面片计算交点的特殊情况示意图；

[0027] 图6是按照本发明所获得的螺旋桨桨叶填充路径示意图；

[0028] 图7是按照本发明的一个优选实施例，用于显示按照本发明所获得的螺旋桨桨叶柱面周向填充示意图；

[0029] 图8是按照本发明的一个优选实施例，用于显示按照本发明所获得的螺旋桨桨叶柱面径向填充示意图

具体实施方式

[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0031] 图1是按照本发明所构建的铸造工艺参数优化方法的整体过程示意图。如图1所示，显示了按照本发明所构建的螺旋桨电弧熔丝增材制造工艺方法的具体工艺流程图。与现有技术相比，其关键改进之处在于，针对螺旋桨复杂构件的构造特征进行研究并提出了针对性的分区设计，而且进一步就不同的分区采用了不同的分层填充路径规划；相应地，大量的实际测试表明，能够使得电弧熔丝增材制造螺旋桨的整个加工精度和外形轮廓控制得更好，在实际打印时便于操控，适应性强；此外，本发明在显著提高最终产品成形精度的同时还能够大大缩短制造周期。

[0032] 下面将对这些步骤逐一进行具体解释说明。

[0033] 首先，第一是螺旋桨三维模型的建立及分区步骤。

[0034] 针对作为待加工对象的螺旋桨构件，生成其三维点云，并在空间坐标系中拟合建立对应的三维模型；接着，对此三维模型进行针对性的分区处置，其中整个螺旋桨桨毂被单独设定为第一区域，而位于螺旋桨桨毂侧部的各个螺旋桨桨叶分别被设定为彼此独立的多个第二区域。

[0035] 更具体而言，在实际操作中，譬如可将螺旋桨平面图纸中二维型值点转换为空间三维点云文件，并且获得待打印螺旋桨的三维建模。接着，螺旋桨型值点的点云文件格式譬如被导入，并将同一高度的点拟合成样条曲线并光顺曲线。接着，螺旋桨型值点坐标可转换生成螺旋桨空间三维特征点的点云文件，然后导入并且将同一高度的点拟合成样条曲线并且光顺曲线。最后，通过不同高度的空间曲线组，可拟合得到螺旋桨桨叶片体，将片体缝合之后得到螺旋桨桨叶实体，由此螺旋桨三维模型建立完成。

[0036] 以上具体处理过程为本领域所熟知，因此在此不再赘述。作为关键处理要点，本发明中对螺旋桨三维模型进行区域划分；其中螺旋桨桨毂为一个独立区域；螺旋桨每一个桨叶作为一个独立区域。这种分区依据主要是考虑到该构件属于复杂空间曲面，通过将作为相对简单规格曲面的螺旋桨桨毂划分为独立区域，同时将具备对称性及曲面复杂性特征的每个螺旋桨桨叶单独划分为一个区域，这样能够便于在后续打印路径规划及实际打印处理时均能够更好地把控轮廓特性，并充分结合构造特点来开展更具加工精度的成型过程。

[0037] 接着，第二是不同分区的特定路径规划设计步骤。

[0038] 针对第一区域和多个第二区域，基于不同的原理来规划设计制造路径：其中对于第一区域而言，首先采用平面切片的方式得到螺旋桨桨毂的内外轮廓，其中该平面切片所用切平面被定义为与螺旋桨桨毂轴线始终保持垂直的平面，然后计算在该切平面上桨毂的内外轮廓，再由外轮廓逐渐偏置直至内轮廓，由此随着所述切平面随着切割高度的逐渐提升而完成整个螺旋桨桨毂的路径规划；而对于多个第二区域而言，首先采用柱面切片的方式将各个桨叶部分分割为多个轮廓，其中该柱面切片所用圆柱切面被定义为与所述螺旋桨桨毂同轴的圆柱面，然后计算在该圆柱切面上螺旋桨桨叶的轮廓，再从轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整，由此随着圆柱面的半径随着切片高度逐渐提升而逐个完成所有螺旋桨桨叶的路径规划；

[0039] 更具体而言，如图2所示，对于已经完成分区的螺旋桨桨毂而言，在本发明中对其进行平面切片的处理，得到螺旋桨桨毂内外轮廓。同时，将外轮廓逐渐偏置直至内轮廓，偏移量优选为2.5mm。实际打印过程中首先打印内外轮廓以保证桨毂尺寸精度，然后再进行偏置填充。

[0040] 作为本发明的关键改进之一，如图3示范性所示，对于已经完成分区的各个螺旋桨桨叶而言，在本发明中对其进行柱面切面的处理。

[0041] 具体如图3和图4所示，切面为半径随着切片高度逐渐提升的圆柱面，提升高度优选为在选定工艺参数的情况下单道堆积层的余高，一般为2.0mm-3.0mm，在本实施例中提升高度为2.0mm。为了更具体地给予解释说明，本发明结合图例说明如下。在实际操作中，柱面切片过程中可利用圆柱切面与螺旋桨模型STL文件中三角形面片相交来计算轮廓打印路径。其实现算法具体如下：(1)定义圆柱切面。在切片程序中，采用定义垂直于轮毂轴线上的O和O1两点坐标和半径R来确定圆柱切面；(2)判断STL模型中三角形面片是否与圆柱切面相交，将所有与切面存在交点的三角形面片存入一个集合中；(3)对所求三角形面片集合逐个求交。然后利用下面的公式求得P点坐标；(4)当求出当前圆柱切面与STL文件的所有交点后，按照顺序依次连接，即得到轮廓边缘打印路径。

[0042]

[0043]

[0044] 下面将结合图进一步说明上述计算交点过程中的一些特殊情况。如图5a所示，三角形面片与圆柱切面有且仅有一个交点；在计算交点之前，会判断三角形面片的每个顶点到轴线的距离D是否等于半径R，若有且仅有一个顶点满足条件，则将此点存入交点集合中。此外如图5b所示，三角形面片的一条边在圆柱切面上，若存在两个顶点到轴线的距离D等于R，则将拥有这两个顶点的边排除，计算三角形面片的另外两条边与圆柱切面的交点并将其存入交点集合中。

[0045] 接着，如图6所示，在求得桨叶轮廓路径之后，本发明可利用一种在圆柱面上“画网格”的方法来计算扫描填充路径。计算填充路径的过程中，偏移量为2.5mm，也就是网格的边长均为2.5mm，由此求出在圆柱切面上轮廓内点集的坐标。

[0046] 作为本发明的另一关键改进，按照本发明的一个优选实施例，填充方式分为两种：柱面周向填充和柱面轴向填充。柱面周向填充如图7所示，将所求点集按照圆周方向坐标值一致的顺序连接起来，并且逐渐偏移直到轮廓内部被填充完整。柱面轴向填充如图8示，柱面轴向填充即将所求点集按照轴线方向坐标值一致的顺序连接起来，并且逐渐偏移直到轮廓内部被填充完整。进一步优选的，填充路径的点集会在轮廓边缘向内缩进2.5mm，以便于在堆积过程中，轮廓层与填充层的有效搭接。相应地，在实际制造螺旋桨的过程中，通过采用柱面轴向填充和柱面周向填充交替进行的方式进行打印，以保证螺旋桨构件性能的各向同性。

[0047] 最后，是基于电弧熔丝增材制造的最终成型步骤。

[0048] 依照以上步骤完成的螺旋桨桨毂及桨叶的制造路径，采用电弧熔丝增材制造工艺进行相应的组合加工，进而获得所需的螺旋桨构件产品。

[0049] 更具体而言，可对所述的分层切片路径进行机器人语言的转化，得到机器人运动焊接指令。接着，将所述的机器人运动焊接指令导入机器人控制平台，采用与螺桨电弧熔丝增材制造选用丝材相对应的工艺参数进行螺旋桨加工制造。在本实施例中，所用工艺参数优选分别为，焊接电流：135A；焊接电压：18V；送丝速度：60mm/s；焊接速度：8mm/s。

[0050] 综上，本发明路径规划过程中采用了以圆柱面为切面的曲面切片路径规划方式，是一种根据螺旋桨构件本身截面特征来进行路径规划的方法，该方法基于随形切片原理，不仅提高了电弧熔丝增材制造螺旋桨构件的尺寸精度，而且极大的缩短了螺旋桨制造周期。

[0051] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。