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，大型復合材料自動鋪放成型設備研制項目團隊帶頭人馮長征正與技術人員一起，對即將交付的幾臺機器人式自動鋪絲機，進行調試測驗。
自動鋪絲機可量體定制新型大飛機，主要用于飛機大型、復雜復合材料構件的鋪放制造，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)復合材料構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，技術水平比肩世界先進，打破了這項技術長期受制于人的困境，實現(xiàn)了“材料+工藝+設備+軟件”技術體系全鏈條貫通。
不能被自動鋪絲技術與裝備“卡脖子”
輕量化，是飛機先進性的重要標志之一。
“自重越輕，有效載荷越多，機動性也越強。”馮長征說。
飛機減重，離不開碳纖維復合材料。
每根碳纖維直徑約5微米，相當于一根頭發(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，復合材料結構設計復雜，關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，用碳纖維復合材料造飛機部件，都是靠工人手工鋪疊，遇到大型構件、復雜構件就犯難。
“一層一層鋪疊，做成一個飛機構件形狀。一層0.13毫米，一個飛機復合材料構件最厚要40毫米。”孫年俊說，手工鋪疊低效、精度差、材料浪費大。
“20世紀七八十年代，歐美國家成功研發(fā)出復合材料自動鋪放設備，從自動鋪帶機，再到自動鋪絲機，新型飛機復合材料構件實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。”孫年俊說。
作為新飛機量產(chǎn)的關鍵技術，自動鋪絲機技術與裝備一直被國外壟斷并實行技術封鎖。
不能被“卡脖子”!航空工業(yè)制造院技術人員下定決心，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
自動鋪絲技術是一塊難啃的“硬骨頭”。“這是一項綜合技術，涉及材料、工藝、設備及軟件，協(xié)同精準度誤差不能超過0.01毫米。”孫年俊說。
本世紀初，國內企業(yè)曾陸續(xù)引進幾套自動鋪帶機。“鋪帶機早于鋪絲機，主要用于結構變化小的飛機零部件鋪放。”馮長征說。
引進的設備，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)制造院技術人員從有限的資料著手，自主研制自動鋪帶機。
“整臺設備數(shù)千個零部件，相互配合差之毫厘就是失敗。我們反復對比、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。
“先找準粘合劑，即預浸料，將‘絲’粘在一起，制成1500米長的預浸絲束；在保證高速長距鋪放時，按設計精準裁剪，使不等寬的絲束不變形。”馮長征說。
風雨十載。2019年，技術人員相繼攻克了“絲束送進裁斷以及鋪放的張力、溫度、壓力、精度”關鍵技術。
前后14年，他們成功走出一條自主研發(fā)之路。
3年，成功應用于飛機制造
2019年，為適應國產(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，飛機大曲率異形構件，表面凹凸不平、薄厚不一。
“要達到設計要求，必須對高速鋪放的預浸絲束設置裁斷程序，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，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，都會導致停機，造成鋪放質量缺陷。難!
選什么材質的刀？硬度多少合適？斷的方式是裁、剪還是斬？動作響應多少毫秒？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。
“3年來，研發(fā)團隊先后解決了鋪絲設備位置失準、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用于飛機制造。”孫年俊說。
看著科研現(xiàn)場內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，始終心系國之大者，實現(xiàn)更多高端裝備自主化、國產(chǎn)化。”
