模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 南長(zhǎng)峰

在生產(chǎn)活動(dòng)中，大部分產(chǎn)品的生產(chǎn)都需要使用模具。尤其是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中，模具是重要而特殊的工藝裝備，其設(shè)計(jì)和制造占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造周期的30%左右，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造質(zhì)量、生產(chǎn)周期、制造成本產(chǎn)生直接影響。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)模具具有結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、種類多、批量小、設(shè)計(jì)制造質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，其生產(chǎn)與制造一直是制約發(fā)動(dòng)機(jī)制造周期的瓶頸之一。

模具設(shè)計(jì)技術(shù)

圖1 葉片精鍛模具

隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高，產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，如圖1所示。伴隨模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高以及CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展，模具設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)歷了從依靠人的經(jīng)驗(yàn)和手工制圖到采用計(jì)算機(jī)輔助和自動(dòng)決策設(shè)計(jì)的過(guò)程。CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用對(duì)縮短模具制造周期及提高模具質(zhì)量有著顯著的作用。模具設(shè)計(jì)、制造水平的提高也帶來(lái)產(chǎn)品加工質(zhì)量與效率的不斷提高。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片鍛造模具的發(fā)展中，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，葉片精鍛技術(shù)得到不斷發(fā)展并大量使用，面向葉片精鍛的鍛壓模具設(shè)計(jì)與鍛件設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)逐漸得到應(yīng)用。這對(duì)于縮短葉片精鍛模具設(shè)計(jì)制造周期，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)共享和信息集成，提高工作效率，使設(shè)計(jì)、工藝、加工等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)有重要作用。例如，借助圖2中所示的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片精鍛模CAD系統(tǒng)，可對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的終鍛件、終鍛模、預(yù)鍛件、預(yù)鍛模、擠桿件和擠桿模等進(jìn)行實(shí)體造型，還可實(shí)現(xiàn)平衡角計(jì)算、葉根/葉尖部位延伸、變形抗力中心計(jì)算和棒料積聚工步等工藝計(jì)算。

圖2 葉片精鍛模CAD系統(tǒng)流程

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心渦輪葉片的制造方面，空心渦輪葉片一般采用定向結(jié)晶或單晶凈成形精密鑄造。在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)精鑄渦輪葉片設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，由于模具設(shè)計(jì)的尺寸不夠合理導(dǎo)致精鑄葉片的型面精度低、質(zhì)量不穩(wěn)、廢品率很高的問(wèn)題一直沒(méi)有解決。為了解決精鑄葉片（如圖3所示）成型精度低、質(zhì)量不穩(wěn)、廢品率高等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)（如西北工業(yè)大學(xué)等）相關(guān)機(jī)構(gòu)通過(guò)綜合分析空心渦輪葉片精鑄過(guò)程中的變形情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)空心渦輪葉片精鑄模具的型腔，并開(kāi)發(fā)了空心渦輪葉片模具型腔優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件?？招臏u輪葉片模具型腔優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件功能體系如圖4所示。通過(guò)采用空心渦輪葉片精鑄模具型腔優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以有效減少修模次數(shù)，提高空心渦輪葉片的成形精度。

隨著信息技術(shù)水平的不斷提高，模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)也與產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行了結(jié)合。例如，葉片模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以很好地在PDM環(huán)境下進(jìn)行集成，從而帶來(lái)如下益處：

（1）通過(guò)嚴(yán)格的權(quán)限設(shè)置和產(chǎn)品數(shù)據(jù)集中管理，既保證了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的安全性，又保證了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有效共享，能夠解決重復(fù)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

圖3 精鑄葉片

（2）保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的唯一性，避免由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)不唯一而對(duì)設(shè)計(jì)制造造成的數(shù)據(jù)有效性影響。

（3）能夠根據(jù)多種條件快速查找相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組織產(chǎn)品數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)間直接建立直觀、清楚的關(guān)系。

（4）實(shí)現(xiàn)文件格式、設(shè)計(jì)圖形文件幅面標(biāo)準(zhǔn)化。

（5）嚴(yán)格設(shè)計(jì)流程和更改流程管理，通過(guò)嚴(yán)格的流程控制，保證設(shè)計(jì)和工藝數(shù)據(jù)正確性，提高工作效率。

模具設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)建立在設(shè)計(jì)專家豐富的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性思維過(guò)程，它不僅是參考經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的輔助設(shè)計(jì)，更有在現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)知識(shí)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步積累創(chuàng)新。為實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)的自動(dòng)化與智能化，在模具設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中逐步引入了基于知識(shí)的工程技術(shù)以及推理技術(shù)實(shí)現(xiàn)模具的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)決策的自動(dòng)化。例如，在空心渦輪葉片的模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于案例推理與基于規(guī)則推理相結(jié)合的模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，如圖5所示。其中，基于案例的推理主要用于模具的概念設(shè)計(jì)，而基于規(guī)則的推理設(shè)計(jì)則用于模具細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)。

模具高速加工技術(shù)

圖4 空心渦輪葉片模具型腔優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件功能體系

圖5 渦輪葉片模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)，模具通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類多、批量小，其設(shè)計(jì)和制造周期在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中占有重要比重，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造質(zhì)量、生產(chǎn)周期、制造成本有直接影響。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，模具材料（如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片精鍛模具等）一般為合金鋼并經(jīng)過(guò)淬硬處理。這類材料硬度高、耐磨性好、塑性差、導(dǎo)熱性能差。因此，在切削加工這類材料時(shí)容易出現(xiàn)以下問(wèn)題：（1）單位切削力大、難切削，切削過(guò)程中易產(chǎn)生振動(dòng)。（2）材料導(dǎo)熱系數(shù)小、切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重。（3）淬硬鋼等模具在一定切削速度條件下易產(chǎn)生鋸齒狀切屑，出現(xiàn)切削振動(dòng)，造成模具表面加工質(zhì)量差。

傳統(tǒng)的模具加工方法首先是在退火后進(jìn)行銑削加工，然后進(jìn)行熱處理、磨削或電火花加工，最后進(jìn)行手工打磨和拋光。這種制造方式加工周期長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低。由于高速加工技術(shù)具有加工效率高、精度高、切削力與切削溫度低、加工表面一致性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在模具生產(chǎn)中大量使用。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片精密鍛造模具為例，由于葉片型面為自由曲面，模具型面也為自由曲面，需要采用五軸數(shù)控加工成形。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片模具的制造，高速加工技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)其高效、低成本制造最有效的方法之一。高速加工技術(shù)的應(yīng)用主要包括高速加工機(jī)床、高速加工用刀具技術(shù)以及高速加工冷卻潤(rùn)滑技術(shù)等。高速加工機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基本條件，其重點(diǎn)是考慮機(jī)床的主軸功率、進(jìn)給速度和運(yùn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)加速度。一般情況下，高速加工機(jī)床的主軸功率和進(jìn)給速度是常規(guī)加工的10倍左右，而驅(qū)動(dòng)軸的加速度應(yīng)達(dá)到20m/s2左右。在高速加工技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，刀具技術(shù)起到了非常關(guān)鍵的作用。在選擇高速加工使用的刀具時(shí)，刀具材料應(yīng)具有很好的熱硬性，同時(shí)還要能夠抵抗在高溫、高壓、高速等極端條件下的摩擦磨損。在應(yīng)用高速加工技術(shù)切削具有高硬、高強(qiáng)、耐高溫的難加工材料時(shí)，會(huì)在切削區(qū)域產(chǎn)生很高的切削溫度，加劇刀具的磨損。隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，“高效、低能、環(huán)?！钡睦鋮s潤(rùn)滑技術(shù)（如低溫冷風(fēng)射流、微量潤(rùn)滑、低溫噴霧射流等新型冷卻潤(rùn)滑技術(shù)）逐漸推廣應(yīng)用。

應(yīng)用高速加工技術(shù)加工模具時(shí)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）制造成本低。采用高速加工技術(shù)代替電火花加工成形，可直接加工淬硬后的模具表面。從而節(jié)省了電極加工所需費(fèi)用。此外，由于高速加工技術(shù)具有較高的加工效率和表面加工質(zhì)量，從而可以獲得比電火花更好的加工結(jié)果。（2）模具表面完整性狀態(tài)好。采用高速加工技術(shù)可以避免電火花加工過(guò)程中在模具表面留下的重熔層，高速銑削加工后模具表面一致性好、應(yīng)力狀態(tài)分布較為均勻，表面完整性狀態(tài)好，這對(duì)提高模具的使用壽命有重要意義。（3）生產(chǎn)效率高、周期短。采用高速加工技術(shù)制造模具可以達(dá)到很高的加工精度，同時(shí)可以采用較小直徑的刀具對(duì)模具細(xì)節(jié)特征進(jìn)行加工，從而不需要后續(xù)的手工拋修處理，大大縮短了模具的制造周期。

在采用高速加工技術(shù)進(jìn)行模具的成形時(shí)，一般需要注意以下幾方面問(wèn)題：（1）加過(guò)過(guò)程中保持刀具負(fù)載的均勻性。高速加工過(guò)程中，刀具負(fù)載的不均勻會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程中刀具的破壞或加工效率過(guò)低。因此需要在高速加工過(guò)程中合理規(guī)劃刀具路徑及切削參數(shù)。（2）數(shù)控系統(tǒng)高速加工功能的應(yīng)用。一些數(shù)控系統(tǒng)會(huì)在高速加工過(guò)程中對(duì)加減速進(jìn)行單獨(dú)的處理并提供高速加工循環(huán)指令，如西門(mén)子840D系統(tǒng)中的832循環(huán)指令。（3）合理的刀具懸伸長(zhǎng)度。據(jù)計(jì)算，刀具懸伸長(zhǎng)度每增加20%，刀具的變形就會(huì)增加50%左右，如圖6所示。為減少加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的加工振動(dòng)以及加工變形，應(yīng)采用盡可能短的刀具懸伸長(zhǎng)度。（4）合理的刀具路徑規(guī)劃。在模具高速加工的軌跡生成策略方面，目前的CAM軟件一般都能生成高光順性的圓弧或擺線形式加工軌跡，使得機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)動(dòng)軸的加減速相對(duì)較小、運(yùn)動(dòng)連續(xù)性與平穩(wěn)性較好，從而減少因數(shù)控系統(tǒng)伺服延滯而帶來(lái)的加工誤差，如圖7所示。

模具再制造技術(shù)

圖6 刀尖變形量與刀具懸伸長(zhǎng)度的關(guān)系

圖7 高速加工軌跡

模具在服役過(guò)程中既受到大小與方向復(fù)雜的作用力的反復(fù)作用，又受到冷熱交替變化的影響，工作條件復(fù)雜，不可避免地會(huì)出現(xiàn)磨損、表面開(kāi)裂甚至斷裂等失效形式，特別是一些進(jìn)口模具因局部的損傷而報(bào)廢，需重新制造模具，既增加了成本又浪費(fèi)時(shí)間。模具失效的主要形式有熱開(kāi)裂、磨損和塑性變形等。因此，對(duì)模具進(jìn)行修復(fù)再制造以實(shí)現(xiàn)重用顯得尤為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，再制造技術(shù)可以在模具制造中節(jié)省20%～80%的費(fèi)用，同時(shí)延長(zhǎng)模具使用壽命20%以上。在美國(guó)，通過(guò)模具的再制造技術(shù)每年可節(jié)省2億美元的費(fèi)用。

再制造技術(shù)一般是指對(duì)廢舊產(chǎn)品進(jìn)行高技術(shù)的修復(fù)和改造，主要針對(duì)損壞或?qū)?bào)廢的零部件，在性能失效分析、壽命評(píng)估等分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行再制造工程設(shè)計(jì)，采用一系列相關(guān)的先進(jìn)制造技術(shù)，從而使再制造產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到或超過(guò)新品。由于再制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源的重復(fù)利用，近年來(lái)受到了各國(guó)的廣泛重視。與常規(guī)大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品相比，模具的再制造有其獨(dú)特性：（1）數(shù)量少。模具是專用的且通常數(shù)量單一，而其他產(chǎn)品如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，通常是大規(guī)模生產(chǎn)。這就決定了模具的再制造策略與大規(guī)模制造零件的再制造策略不盡相同。（2）再制造策略。通常對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行再制造是通過(guò)更換磨損/故障部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，回收的零部件材料由于其與產(chǎn)品的一致性被重復(fù)利用。而在模具的再制造過(guò)程中，主要是對(duì)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，采用的技術(shù)主要是焊接和加工技術(shù)。（3）修復(fù)使能技術(shù)。通常采用焊接技術(shù)對(duì)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，然后采用加工技術(shù)對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行加工。（4）不確定性。狀態(tài)和幾何的不確定性使得模具修復(fù)過(guò)程費(fèi)時(shí)且昂貴。模具的修復(fù)再制造過(guò)程中還需要進(jìn)行對(duì)模具狀態(tài)的進(jìn)行評(píng)估和對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。這一切都將導(dǎo)致處理時(shí)間長(zhǎng)，維修費(fèi)用高。模具再制造的主要流程如圖8所示。

圖8 模具再制造流程

目前，用于模具再制造的修復(fù)技術(shù)包括激光焊接技術(shù)、電弧堆焊修復(fù)技術(shù)、電火花修復(fù)和熱噴涂修復(fù)技術(shù)等。面向模具再制造的激光加工具有熔敷熱影響區(qū)小、變形小、層晶粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密，焊接區(qū)域的硬度、耐磨性、耐腐蝕性能好，已廣泛應(yīng)用于各類模具的再制造。此外，由于操作的方便性，激光焊接技術(shù)在模具修復(fù)中大量使用，如圖9所示。電弧堆焊是指利用同材質(zhì)或異種材質(zhì)的金屬熔敷在工件表面，從而獲得特定表面性能和表面尺寸的工藝方法。堆焊是模具修復(fù)中常用的修復(fù)方法，模具嚴(yán)重?fù)p壞（如鍛模大量補(bǔ)焊）時(shí)可采用焊條電弧焊。

（此外，為提高模具修復(fù)的便捷性，德國(guó)開(kāi)發(fā)出一種可移動(dòng)式模具修復(fù)機(jī)床。在使用該機(jī)床進(jìn)行沖壓模具的修復(fù)時(shí)，不需將模具取出即可實(shí)現(xiàn)模具的在位修復(fù)，提高了模具修復(fù)的便捷性。）

壽命預(yù)測(cè)與可靠性保證是模具修復(fù)中的關(guān)鍵。壽命預(yù)測(cè)模型主要有確定性模型和概率模型兩種。確定性模型嘗試通過(guò)考慮系統(tǒng)的物理模型進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，而概率模型通過(guò)監(jiān)測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)剩余壽命。在預(yù)測(cè)模具的剩余壽命時(shí)，經(jīng)常使用基于物理的模型，具體的研究包括模具的磨損建模、失效建模以及壽命預(yù)測(cè)模型。雖然建立了模具的壽命預(yù)測(cè)模型，但是由于存在大量的隨機(jī)因素及不可預(yù)測(cè)因素的存在，可能導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。因此，模具修復(fù)結(jié)果的可靠性分析也是模具再制造技術(shù)需要深入研究的一個(gè)方向。

結(jié)束語(yǔ)

目前的模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)正朝著智能化、綠色化的方向發(fā)展。隨著航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及航空產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的日益加快，模具的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)仍將會(huì)在航空制造業(yè)中發(fā)揮重要作用。