中航商用航空發(fā)動機有限責任公司 南長峰

在生產(chǎn)活動中，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)動機制造中，模具是重要而特殊的工藝裝備，其設計和制造占整個發(fā)動機設計制造周期的30%左右，對發(fā)動機的制造質(zhì)量、生產(chǎn)周期、制造成本產(chǎn)生直接影響。由于航空發(fā)動機模具具有結(jié)構形狀復雜、種類多、批量小、設計制造質(zhì)量要求高等特點，其生產(chǎn)與制造一直是制約發(fā)動機制造周期的瓶頸之一。

模具設計技術

圖1 葉片精鍛模具

隨著產(chǎn)品結(jié)構復雜程度的提高，產(chǎn)品的模具結(jié)構也越來越復雜，如圖1所示。伴隨模具結(jié)構復雜程度的提高以及CAD/CAE技術的發(fā)展，模具設計技術經(jīng)歷了從依靠人的經(jīng)驗和手工制圖到采用計算機輔助和自動決策設計的過程。CAD/CAE技術的應用對縮短模具制造周期及提高模具質(zhì)量有著顯著的作用。模具設計、制造水平的提高也帶來產(chǎn)品加工質(zhì)量與效率的不斷提高。例如，在航空發(fā)動機葉片鍛造模具的發(fā)展中，隨著技術的不斷發(fā)展，葉片精鍛技術得到不斷發(fā)展并大量使用，面向葉片精鍛的鍛壓模具設計與鍛件設計CAD系統(tǒng)逐漸得到應用。這對于縮短葉片精鍛模具設計制造周期，實現(xiàn)設計制造數(shù)據(jù)共享和信息集成，提高工作效率，使設計、工藝、加工等有機地結(jié)合起來有重要作用。例如，借助圖2中所示的航空發(fā)動機葉片精鍛模CAD系統(tǒng)，可對航空發(fā)動機葉片的終鍛件、終鍛模、預鍛件、預鍛模、擠桿件和擠桿模等進行實體造型，還可實現(xiàn)平衡角計算、葉根/葉尖部位延伸、變形抗力中心計算和棒料積聚工步等工藝計算。

圖2 葉片精鍛模CAD系統(tǒng)流程

在航空發(fā)動機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。在我國航空發(fā)動機精鑄渦輪葉片設計制造過程中，由于模具設計的尺寸不夠合理導致精鑄葉片的型面精度低、質(zhì)量不穩(wěn)、廢品率很高的問題一直沒有解決。為了解決精鑄葉片（如圖3所示）成型精度低、質(zhì)量不穩(wěn)、廢品率高等問題，國內(nèi)（如西北工業(yè)大學等）相關機構通過綜合分析空心渦輪葉片精鑄過程中的變形情況，優(yōu)化設計空心渦輪葉片精鑄模具的型腔，并開發(fā)了空心渦輪葉片模具型腔優(yōu)化設計軟件。空心渦輪葉片模具型腔優(yōu)化設計軟件功能體系如圖4所示。通過采用空心渦輪葉片精鑄模具型腔優(yōu)化設計系統(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。

隨著信息技術水平的不斷提高，模具設計系統(tǒng)也與產(chǎn)品的整個生產(chǎn)平臺進行了結(jié)合。例如，葉片模具設計系統(tǒng)可以很好地在PDM環(huán)境下進行集成，從而帶來如下益處：

（1）通過嚴格的權限設置和產(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，能夠解決重復設計的問題。

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)不唯一而對設計制造造成的數(shù)據(jù)有效性影響。

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

（4）實現(xiàn)文件格式、設計圖形文件幅面標準化。

（5）嚴格設計流程和更改流程管理，通過嚴格的流程控制，保證設計和工藝數(shù)據(jù)正確性，提高工作效率。

模具設計過程是一個建立在設計專家豐富的經(jīng)驗與知識基礎上的創(chuàng)造性思維過程，它不僅是參考經(jīng)驗知識的輔助設計，更有在現(xiàn)有經(jīng)驗知識基礎上的進一步積累創(chuàng)新。為實現(xiàn)模具設計的自動化與智能化，在模具設計發(fā)展過程中逐步引入了基于知識的工程技術以及推理技術實現(xiàn)模具的設計，實現(xiàn)設計決策的自動化。例如，在空心渦輪葉片的模具設計過程中，西北工業(yè)大學開發(fā)了基于案例推理與基于規(guī)則推理相結(jié)合的模具設計系統(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計，而基于規(guī)則的推理設計則用于模具細節(jié)的設計。

模具高速加工技術

圖4 空心渦輪葉片模具型腔優(yōu)化設計軟件功能體系

圖5 渦輪葉片模具設計系統(tǒng)結(jié)構圖

在航空發(fā)動機制造行業(yè)，模具通常結(jié)構復雜、種類多、批量小，其設計和制造周期在航空發(fā)動機制造中占有重要比重，對發(fā)動機的制造質(zhì)量、生產(chǎn)周期、制造成本有直接影響。在航空發(fā)動機中，模具材料（如發(fā)動機葉片精鍛模具等）一般為合金鋼并經(jīng)過淬硬處理。這類材料硬度高、耐磨性好、塑性差、導熱性能差。因此，在切削加工這類材料時容易出現(xiàn)以下問題：（1）單位切削力大、難切削，切削過程中易產(chǎn)生振動。（2）材料導熱系數(shù)小、切削溫度高，刀具磨損嚴重。（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，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行銑削加工，然后進行熱處理、磨削或電火花加工，最后進行手工打磨和拋光。這種制造方式加工周期長、生產(chǎn)效率低。由于高速加工技術具有加工效率高、精度高、切削力與切削溫度低、加工表面一致性好等優(yōu)點，近年來在模具生產(chǎn)中大量使用。以航空發(fā)動機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。對于航空發(fā)動機葉片模具的制造，高速加工技術也是實現(xiàn)其高效、低成本制造最有效的方法之一。高速加工技術的應用主要包括高速加工機床、高速加工用刀具技術以及高速加工冷卻潤滑技術等。高速加工機床是實現(xiàn)高速加工的前提和基本條件，其重點是考慮機床的主軸功率、進給速度和運動軸的驅(qū)動加速度。一般情況下，高速加工機床的主軸功率和進給速度是常規(guī)加工的10倍左右，而驅(qū)動軸的加速度應達到20m/s2左右。在高速加工技術的發(fā)展過程中，刀具技術起到了非常關鍵的作用。在選擇高速加工使用的刀具時，刀具材料應具有很好的熱硬性，同時還要能夠抵抗在高溫、高壓、高速等極端條件下的摩擦磨損。在應用高速加工技術切削具有高硬、高強、耐高溫的難加工材料時，會在切削區(qū)域產(chǎn)生很高的切削溫度，加劇刀具的磨損。隨著高速加工技術的發(fā)展，“高效、低能、環(huán)?！钡睦鋮s潤滑技術（如低溫冷風射流、微量潤滑、低溫噴霧射流等新型冷卻潤滑技術）逐漸推廣應用。

應用高速加工技術加工模具時主要有以下優(yōu)點：（1）制造成本低。采用高速加工技術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用。此外，由于高速加工技術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。采用高速加工技術可以避免電火花加工過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、應力狀態(tài)分布較為均勻，表面完整性狀態(tài)好，這對提高模具的使用壽命有重要意義。（3）生產(chǎn)效率高、周期短。采用高速加工技術制造模具可以達到很高的加工精度，同時可以采用較小直徑的刀具對模具細節(jié)特征進行加工，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進行模具的成形時，一般需要注意以下幾方面問題：（1）加過過程中保持刀具負載的均勻性。高速加工過程中，刀具負載的不均勻會導致加工過程中刀具的破壞或加工效率過低。因此需要在高速加工過程中合理規(guī)劃刀具路徑及切削參數(shù)。（2）數(shù)控系統(tǒng)高速加工功能的應用。一些數(shù)控系統(tǒng)會在高速加工過程中對加減速進行單獨的處理并提供高速加工循環(huán)指令，如西門子840D系統(tǒng)中的832循環(huán)指令。（3）合理的刀具懸伸長度。據(jù)計算，刀具懸伸長度每增加20%，刀具的變形就會增加50%左右，如圖6所示。為減少加工過程中可能出現(xiàn)的加工振動以及加工變形，應采用盡可能短的刀具懸伸長度。（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，使得機床在運行過程中運動軸的加減速相對較小、運動連續(xù)性與平穩(wěn)性較好，從而減少因數(shù)控系統(tǒng)伺服延滯而帶來的加工誤差，如圖7所示。

模具再制造技術

圖6 刀尖變形量與刀具懸伸長度的關系

圖7 高速加工軌跡

模具在服役過程中既受到大小與方向復雜的作用力的反復作用，又受到冷熱交替變化的影響，工作條件復雜，不可避免地會出現(xiàn)磨損、表面開裂甚至斷裂等失效形式，特別是一些進口模具因局部的損傷而報廢，需重新制造模具，既增加了成本又浪費時間。模具失效的主要形式有熱開裂、磨損和塑性變形等。因此，對模具進行修復再制造以實現(xiàn)重用顯得尤為重要。據(jù)統(tǒng)計，再制造技術可以在模具制造中節(jié)省20%～80%的費用，同時延長模具使用壽命20%以上。在美國，通過模具的再制造技術每年可節(jié)省2億美元的費用。

再制造技術一般是指對廢舊產(chǎn)品進行高技術的修復和改造，主要針對損壞或?qū)髲U的零部件，在性能失效分析、壽命評估等分析的基礎上，進行再制造工程設計，采用一系列相關的先進制造技術，從而使再制造產(chǎn)品質(zhì)量達到或超過新品。由于再制造技術實現(xiàn)了對資源的重復利用，近年來受到了各國的廣泛重視。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)動機，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。通常對大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品進行再制造是通過更換磨損/故障部件來實現(xiàn)的，回收的零部件材料由于其與產(chǎn)品的一致性被重復利用。而在模具的再制造過程中，主要是對問題區(qū)域進行修復，采用的技術主要是焊接和加工技術。（3）修復使能技術。通常采用焊接技術對問題區(qū)域進行修復，然后采用加工技術對修復區(qū)域進行加工。（4）不確定性。狀態(tài)和幾何的不確定性使得模具修復過程費時且昂貴。模具的修復再制造過程中還需要進行對模具狀態(tài)的進行評估和對修復區(qū)域進行識別。這一切都將導致處理時間長，維修費用高。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技術包括激光焊接技術、電弧堆焊修復技術、電火花修復和熱噴涂修復技術等。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、層晶粒細小、結(jié)構致密，焊接區(qū)域的硬度、耐磨性、耐腐蝕性能好，已廣泛應用于各類模具的再制造。此外，由于操作的方便性，激光焊接技術在模具修復中大量使用，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。堆焊是模具修復中常用的修復方法，模具嚴重損壞（如鍛模大量補焊）時可采用焊條電弧焊。

（此外，為提高模具修復的便捷性，德國開發(fā)出一種可移動式模具修復機床。在使用該機床進行沖壓模具的修復時，不需將模具取出即可實現(xiàn)模具的在位修復，提高了模具修復的便捷性。）

壽命預測與可靠性保證是模具修復中的關鍵。壽命預測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考慮系統(tǒng)的物理模型進行壽命預測，而概率模型通過監(jiān)測過程數(shù)據(jù)來預測剩余壽命。在預測模具的剩余壽命時，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測模型。雖然建立了模具的壽命預測模型，但是由于存在大量的隨機因素及不可預測因素的存在，可能導致預測結(jié)果與實際結(jié)果相差甚遠。因此，模具修復結(jié)果的可靠性分析也是模具再制造技術需要深入研究的一個方向。

結(jié)束語

目前的模具設計與制造技術正朝著智能化、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，模具的設計與制造技術仍將會在航空制造業(yè)中發(fā)揮重要作用。