量體定制大飛機(jī)

矯陽(yáng)

盛夏時(shí)節(jié)，萬(wàn)物繁茂。

7月12日，北京。中國(guó)航空制造技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱航空工業(yè)制造院）一個(gè)科研現(xiàn)場(chǎng)，大型復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型設(shè)備研制項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)帶頭人馮長(zhǎng)征正與技術(shù)人員一起，對(duì)即將交付的幾臺(tái)機(jī)器人式自動(dòng)鋪絲機(jī)，進(jìn)行調(diào)試測(cè)驗(yàn)。

自動(dòng)鋪絲機(jī)可量體定制新型大飛機(jī)，主要用于飛機(jī)大型、復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件的鋪放制造，如飛機(jī)機(jī)身、尾錐等。

2005年，航空工業(yè)制造院開(kāi)啟自主研發(fā)復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)化成型裝備之旅。2022年10月，航空工業(yè)制造院向航空主機(jī)廠交付新一代機(jī)器人式自動(dòng)鋪絲機(jī)。經(jīng)驗(yàn)證，技術(shù)水平比肩世界先進(jìn)，打破了這項(xiàng)技術(shù)長(zhǎng)期受制于人的困境，實(shí)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(dòng)鋪絲技術(shù)與裝備“卡脖子”

輕量化，是飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。

“自重越輕，有效載荷越多，機(jī)動(dòng)性也越強(qiáng)?！瘪T長(zhǎng)征說(shuō)。

飛機(jī)減重，離不開(kāi)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(xì)，卻十分“強(qiáng)壯”。用碳纖維制成的復(fù)合材料，強(qiáng)度是鈦合金的兩三倍、鋁合金的4倍以上。

采用碳纖維，飛機(jī)重量將減輕三成。

自動(dòng)鋪絲機(jī)中的“絲”，即指碳纖維絲束。

先進(jìn)飛機(jī)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàng)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(jī)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(gè)飛機(jī)構(gòu)件形狀。一層0.13毫米，一個(gè)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件最厚要40毫米?！睂O年俊說(shuō)，手工鋪疊低效、精度差、材料浪費(fèi)大。

“20世紀(jì)七八十年代，歐美國(guó)家成功研發(fā)出復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備，從自動(dòng)鋪帶機(jī)，再到自動(dòng)鋪絲機(jī)，新型飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)?！睂O年俊說(shuō)。

作為新飛機(jī)量產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，自動(dòng)鋪絲機(jī)技術(shù)與裝備一直被國(guó)外壟斷并實(shí)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(jī)。

“這是我們的使命?！焙娇展I(yè)制造院院長(zhǎng)李志強(qiáng)說(shuō)。

然而，面對(duì)這片幾乎空白的領(lǐng)域，如何加快國(guó)產(chǎn)鋪絲機(jī)自主研發(fā)？

? 14年，走出一條自主研發(fā)之路

自動(dòng)鋪絲技術(shù)是一塊難啃的“硬骨頭”?！斑@是一項(xiàng)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(guò)0.01毫米?！睂O年俊說(shuō)。

本世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)企業(yè)曾陸續(xù)引進(jìn)幾套自動(dòng)鋪帶機(jī)?！颁亷C(jī)早于鋪絲機(jī)，主要用于結(jié)構(gòu)變化小的飛機(jī)零部件鋪放。”馮長(zhǎng)征說(shuō)。

引進(jìn)的設(shè)備，適用性并不好，稍有改動(dòng)，就無(wú)法使用。后續(xù)維護(hù)不僅要支付高昂的費(fèi)用，還要看國(guó)外專家的臉色。

自主創(chuàng)新是航空強(qiáng)國(guó)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(dòng)鋪帶機(jī)。

“整臺(tái)設(shè)備數(shù)千個(gè)零部件，相互配合差之毫厘就是失敗。我們反復(fù)對(duì)比、驗(yàn)算不同的材料、程序和工藝，不斷進(jìn)行相互適配的參數(shù)試驗(yàn)，終于在3年后造出了自己的工程樣機(jī)，并陸續(xù)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用?！瘪T長(zhǎng)征說(shuō)。

2009年，航空工業(yè)制造院又將眼光瞄向自動(dòng)鋪絲機(jī)。

因構(gòu)件異形，鋪放的絲束必須隨時(shí)變形?！耙虼?，絲束送進(jìn)裁斷、不等寬均勻鋪放絲束，是研制自動(dòng)鋪絲機(jī)最大的難題。”孫年俊說(shuō)。

“先找準(zhǔn)粘合劑，即預(yù)浸料，將‘絲粘在一起，制成1500米長(zhǎng)的預(yù)浸絲束；在保證高速長(zhǎng)距鋪放時(shí)，按設(shè)計(jì)精準(zhǔn)裁剪，使不等寬的絲束不變形?！瘪T長(zhǎng)征說(shuō)。

風(fēng)雨十載。2019年，技術(shù)人員相繼攻克了“絲束送進(jìn)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(jī)制造

2019年，為適應(yīng)國(guó)產(chǎn)飛機(jī)量產(chǎn)的迫切需求，航空工業(yè)制造院大力實(shí)施管理創(chuàng)新，整合各專業(yè)課題組，搭建起一支獨(dú)立的鋪絲機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

完成工程化應(yīng)用，艱辛一如既往。

已交付的鋪絲機(jī)，在“絲束送進(jìn)裁斷”工序中，有一個(gè)關(guān)鍵工具——裁刀。

裁刀十分袖珍，長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)技術(shù)骨干馬志濤足足耗時(shí)兩年。

不同于一塊平板，飛機(jī)大曲率異形構(gòu)件，表面凹凸不平、薄厚不一。

“要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)高速鋪放的預(yù)浸絲束設(shè)置裁斷程序，快速實(shí)行‘裁或‘不裁?！睂O年俊說(shuō)。

這好比彈奏一支樂(lè)曲。同一時(shí)刻，按與不按哪個(gè)琴鍵，必須根據(jù)“樂(lè)譜”瞬間決斷。

鋪放速度每分鐘30米，同一時(shí)刻，毫秒級(jí)內(nèi)，十幾把裁刀要按各自的指令舞出自己的動(dòng)作。裁慢、裁錯(cuò)、“藕斷絲連”、不同步、跟不上鋪放速度……哪個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致停機(jī)，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(dòng)作響應(yīng)多少毫秒？種種難題接踵而至。

“針對(duì)一個(gè)個(gè)難啃的骨頭，我們進(jìn)行的計(jì)算、試驗(yàn)常以數(shù)千次計(jì)。”馬志濤說(shuō)。

一次次失敗，一次次重來(lái)。

歷經(jīng)兩年攻堅(jiān)，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(dá)精度達(dá)±2毫米。

一把袖珍裁刀，僅是研制鋪絲機(jī)六大難題中的一關(guān)。

“3年來(lái)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(gè)難題，終于讓我們自主研制的高端自動(dòng)鋪絲機(jī)能夠成功應(yīng)用于飛機(jī)制造?！睂O年俊說(shuō)。

看著科研現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)即將交付的自動(dòng)鋪絲機(jī)，李志強(qiáng)信心滿懷地說(shuō)：“我們將持續(xù)提升航空制造裝備技術(shù)，始終心系國(guó)之大者，實(shí)現(xiàn)更多高端裝備自主化、國(guó)產(chǎn)化?！?/p>