圖為機器人式自動鋪絲機。 受訪單位供圖
【出奇“制”勝】
盛夏時節(jié)，萬物繁茂。
7月12日，北京。中國航空制造技術(shù)研究院(以下簡稱“航空工業(yè)制造院”)一個科研現(xiàn)場，大型復(fù)合材料自動鋪放成型設(shè)備研制項目團隊帶頭人馮長征正與技術(shù)人員一起，對即將交付的幾臺機器人式自動鋪絲機，進行調(diào)試測驗。
自動鋪絲機可量體定制新型大飛機，主要用于飛機大型、復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件的鋪放制造，如飛機機身、尾錐等。
2005年，航空工業(yè)制造院開啟自主研發(fā)復(fù)合材料構(gòu)件自動化成型裝備之旅。2022年10月，航空工業(yè)制造院向航空主機廠交付新一代機器人式自動鋪絲機。經(jīng)驗證，技術(shù)水平比肩世界先進，打破了這項技術(shù)長期受制于人的困境，實現(xiàn)了“材料+工藝+設(shè)備+軟件”技術(shù)體系全鏈條貫通。
不能被自動鋪絲技術(shù)與裝備“卡脖子”
輕量化，是飛機先進性的重要標(biāo)志之一。
“自重越輕，有效載荷越多，機動性也越強。”馮長征說。
飛機減重，離不開碳纖維復(fù)合材料。
每根碳纖維直徑約5微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的十二分之一。雖細，卻十分“強壯”。用碳纖維制成的復(fù)合材料，強度是鈦合金的兩三倍、鋁合金的4倍以上。
采用碳纖維，飛機重量將減輕三成。
自動鋪絲機中的“絲”，即指碳纖維絲束。
先進飛機，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，關(guān)鍵部件制造匯聚各種工藝。
在航空工業(yè)制造院項目總師孫年俊的記憶里，十幾年前，用碳纖維復(fù)合材料造飛機部件，都是靠工人手工鋪疊，遇到大型構(gòu)件、復(fù)雜構(gòu)件就犯難。
“一層一層鋪疊，做成一個飛機構(gòu)件形狀。一層0.13毫米，一個飛機復(fù)合材料構(gòu)件最厚要40毫米。”孫年俊說，手工鋪疊低效、精度差、材料浪費大。
“20世紀(jì)七八十年代，歐美國家成功研發(fā)出復(fù)合材料自動鋪放設(shè)備，從自動鋪帶機，再到自動鋪絲機，新型飛機復(fù)合材料構(gòu)件實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。”孫年俊說。
作為新飛機量產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，自動鋪絲機技術(shù)與裝備一直被國外壟斷并實行技術(shù)封鎖。
不能被“卡脖子”!航空工業(yè)制造院技術(shù)人員下定決心，加快自主研制鋪絲機。
“這是我們的使命。”航空工業(yè)制造院院長李志強說。
然而，面對這片幾乎空白的領(lǐng)域，如何加快國產(chǎn)鋪絲機自主研發(fā)？
14年，走出一條自主研發(fā)之路
自動鋪絲技術(shù)是一塊難啃的“硬骨頭”。“這是一項綜合技術(shù)，涉及材料、工藝、設(shè)備及軟件，協(xié)同精準(zhǔn)度誤差不能超過0.01毫米。”孫年俊說。
本世紀(jì)初，國內(nèi)企業(yè)曾陸續(xù)引進幾套自動鋪帶機。“鋪帶機早于鋪絲機，主要用于結(jié)構(gòu)變化小的飛機零部件鋪放。”馮長征說。
引進的設(shè)備，適用性并不好，稍有改動，就無法使用。后續(xù)維護不僅要支付高昂的費用，還要看國外專家的臉色。
自主創(chuàng)新是航空強國的必由之路。
自2005年起，航空工業(yè)制造院技術(shù)人員從有限的資料著手，自主研制自動鋪帶機。
“整臺設(shè)備數(shù)千個零部件，相互配合差之毫厘就是失敗。我們反復(fù)對比、驗算不同的材料、程序和工藝，不斷進行相互適配的參數(shù)試驗，終于在3年后造出了自己的工程樣機，并陸續(xù)實現(xiàn)工程化應(yīng)用。”馮長征說。
2009年，航空工業(yè)制造院又將眼光瞄向自動鋪絲機。
因構(gòu)件異形，鋪放的絲束必須隨時變形。“因此，絲束送進裁斷、不等寬均勻鋪放絲束，是研制自動鋪絲機最大的難題。”孫年俊說。
“先找準(zhǔn)粘合劑，即預(yù)浸料，將‘絲’粘在一起，制成1500米長的預(yù)浸絲束；在保證高速長距鋪放時，按設(shè)計精準(zhǔn)裁剪，使不等寬的絲束不變形。”馮長征說。
風(fēng)雨十載。2019年，技術(shù)人員相繼攻克了“絲束送進裁斷以及鋪放的張力、溫度、壓力、精度”關(guān)鍵技術(shù)。
前后14年，他們成功走出一條自主研發(fā)之路。
3年，成功應(yīng)用于飛機制造
2019年，為適應(yīng)國產(chǎn)飛機量產(chǎn)的迫切需求，航空工業(yè)制造院大力實施管理創(chuàng)新，整合各專業(yè)課題組，搭建起一支獨立的鋪絲機研發(fā)團隊。
完成工程化應(yīng)用，艱辛一如既往。
已交付的鋪絲機，在“絲束送進裁斷”工序中，有一個關(guān)鍵工具——裁刀。
裁刀十分袖珍，長18毫米、寬8毫米、厚0.8毫米，大小約為小手指甲蓋的一半。
為研發(fā)這把袖珍裁刀，團隊技術(shù)骨干馬志濤足足耗時兩年。
不同于一塊平板，飛機大曲率異形構(gòu)件，表面凹凸不平、薄厚不一。
“要達到設(shè)計要求，必須對高速鋪放的預(yù)浸絲束設(shè)置裁斷程序，快速實行‘裁’或‘不裁’。”孫年俊說。
這好比彈奏一支樂曲。同一時刻，按與不按哪個琴鍵，必須根據(jù)“樂譜”瞬間決斷。
鋪放速度每分鐘30米，同一時刻，毫秒級內(nèi)，十幾把裁刀要按各自的指令舞出自己的動作。裁慢、裁錯、“藕斷絲連”、不同步、跟不上鋪放速度……哪個環(huán)節(jié)出問題，都會導(dǎo)致停機，造成鋪放質(zhì)量缺陷。難!
選什么材質(zhì)的刀？硬度多少合適？斷的方式是裁、剪還是斬？動作響應(yīng)多少毫秒？種種難題接踵而至。
“針對一個個難啃的骨頭，我們進行的計算、試驗常以數(shù)千次計。”馬志濤說。
一次次失敗，一次次重來。
歷經(jīng)兩年攻堅，匹配絲束裁切參數(shù)的裁刀最終研發(fā)成功。前面絲束裁斷后，后續(xù)絲束重復(fù)送達精度達±2毫米。
一把袖珍裁刀，僅是研制鋪絲機六大難題中的一關(guān)。
“3年來，研發(fā)團隊先后解決了鋪絲設(shè)備位置失準(zhǔn)、速度失恒、張力失穩(wěn)、斷絲失離(分而不離)、算法失靈等多個難題，終于讓我們自主研制的高端自動鋪絲機能夠成功應(yīng)用于飛機制造。”孫年俊說。
看著科研現(xiàn)場內(nèi)即將交付的自動鋪絲機，李志強信心滿懷地說：“我們將持續(xù)提升航空制造裝備技術(shù)，始終心系國之大者，實現(xiàn)更多高端裝備自主化、國產(chǎn)化。”
