當(dāng)一架架飛機(jī)翱翔于蒼穹之上，世人皆為其壯美雄姿所震撼，卻鮮少有人知道，它的“身上”存在著數(shù)十萬(wàn)個(gè)精度要求0.02毫米的連接孔。
每一個(gè)孔都是飛行安全的支點(diǎn)，毫厘之差就會(huì)埋下安全隱患。然而飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、材料多樣，以機(jī)翼為例，在部裝環(huán)節(jié)往往僅有不到1米的空間，還有很多肋板阻礙，如何在如此狹小空間中實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料/金屬?gòu)?qiáng)異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的高效率、高質(zhì)量鉆孔作業(yè)，是世界各國(guó)面臨的技術(shù)難題。
近日，大連理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)7年時(shí)間，研發(fā)出了一個(gè)只有A4紙大小的智能化加工裝備，它能在0.1秒內(nèi)識(shí)別不同材料并匹配參數(shù)，加工精度最高達(dá)IT7級(jí)，效率提高3倍以上，為大國(guó)高端航空裝備的研制與批產(chǎn)提供了保障。
“看見我們?cè)O(shè)計(jì)制作的裝備真正應(yīng)用在飛機(jī)上，我知道所有的努力有了答案?！睂W(xué)生團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、大連理工大學(xué)博士研究生常宇豪說(shuō)。
一次講座的啟發(fā)
2018年，剛剛進(jìn)入大連理工大學(xué)的常宇豪參加了一場(chǎng)關(guān)于復(fù)合材料加工的科普講座，報(bào)告人正是后來(lái)大連理工大學(xué)的校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士賈振元。
“從賈振元院士的報(bào)告中，我了解到復(fù)合材料在飛機(jī)應(yīng)用的重要性，尤其是輕質(zhì)高強(qiáng)材料能夠讓飛機(jī)飛得又快、又遠(yuǎn)。我當(dāng)時(shí)就對(duì)飛機(jī)制造產(chǎn)生了濃厚的興趣，想著有朝一日可以親身參與其中?！背Ｓ詈阑貞浧甬?dāng)時(shí)的場(chǎng)景，仍然十分激動(dòng)，這場(chǎng)報(bào)告成為了一名大一學(xué)生的“科學(xué)啟航”，讓他堅(jiān)定了未來(lái)的發(fā)展道路，并進(jìn)入大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開始了進(jìn)一步學(xué)習(xí)。
在學(xué)習(xí)過(guò)程中，他也漸漸了解到，在自動(dòng)化如此普及的今天，我們國(guó)家飛機(jī)上仍有許多零部件需要靠手工制作，而國(guó)外的許多飛機(jī)已經(jīng)通過(guò)小型加工裝備實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)、全自動(dòng)化生產(chǎn)，產(chǎn)能是我國(guó)的5倍以上。
帶著心中的疑惑，他們找到了導(dǎo)師王福吉教授?！跋拗骑w機(jī)生產(chǎn)的不僅僅是加工先進(jìn)材料的刀具，還有加工裝備。雖然國(guó)外在這方面領(lǐng)先很多，但是我相信你們只要努力，也能一樣做好。”這給了團(tuán)隊(duì)很大的信心，他們每天琢磨，什么樣的自動(dòng)化加工裝備才能適用于飛機(jī)呢？
一架飛機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要在各種條件下加工近百萬(wàn)個(gè)孔。傳統(tǒng)制孔機(jī)床多為大型“包容式”結(jié)構(gòu)，需要將被加工的零部件包裹在其中，而面對(duì)飛機(jī)內(nèi)部狹小空間的限制，傳統(tǒng)“包容式”的機(jī)床便無(wú)法滿足加工需求。并且，航空材料強(qiáng)度高、種類多、差異大，加工難度極高，加之現(xiàn)有加工技術(shù)不智能，往往面對(duì)不同材料不能自主匹配參數(shù)，導(dǎo)致加工經(jīng)常產(chǎn)生損傷、超差的問題，甚至?xí)a(chǎn)生數(shù)十億元零部件的報(bào)廢損失。
在仔細(xì)觀察飛機(jī)構(gòu)造后，團(tuán)隊(duì)想到了啄木鳥：“它們可以抓在樹干上打洞，不用把樹干摘下來(lái)再工作。如果‘制孔’也能變革加工模式，將固定在地面上的‘包容式’加工，變?yōu)橹苯庸潭ㄔ诹慵系摹隗w’加工，就能夠像啄木鳥一樣，靈巧且智能的完成打洞制孔?！?span style="display:none">MEd即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
這樣的想法非常新穎，卻面臨著很多困難。“首先就是小型化難?，F(xiàn)有的制孔方式大多需要工人拿著氣鉆在飛機(jī)上人工鉆孔，這樣加工效率比較低，并且容易產(chǎn)生超差現(xiàn)象。我們就想著設(shè)計(jì)一款能拿在手里便攜式的自動(dòng)化制孔設(shè)備，并且集成冷卻、低頻振動(dòng)制孔、數(shù)字化控制等功能，這么多功能集成在A4大小的尺寸里難度還是比較大的?！眻F(tuán)隊(duì)成員費(fèi)浩航告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
并且，鈦合金等高強(qiáng)度材料的制孔過(guò)程需要“進(jìn)一下、退一下”，這樣會(huì)導(dǎo)致切削力波動(dòng)極大，使得設(shè)備的穩(wěn)定控制成為難題。
他們隨即找到賈振元院士，說(shuō)出了自己的想法和遇到的困難。賈院士立馬給出了“破解之法”：“我鼓勵(lì)大家出差到現(xiàn)場(chǎng)，學(xué)生們只有深入一線、真正知道現(xiàn)場(chǎng)工人和工況的需求才能做出好設(shè)備?！?span style="display:none">MEd即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
團(tuán)隊(duì)與賈振元院士（中）合影。受訪者供圖
在飛機(jī)上“制孔”
在賈振元院士的認(rèn)可與鼓勵(lì)下，團(tuán)隊(duì)先后去到了許多飛機(jī)制造企業(yè)，在成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、哈爾濱飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任等主機(jī)廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，終于發(fā)現(xiàn)了突破口。
團(tuán)隊(duì)在企業(yè)實(shí)地調(diào)研與交流。受訪者供圖
“我們一年大概有一百多天時(shí)間都‘泡’在企業(yè)里，終于想到了一種空間降維式傳動(dòng)方案，它主要是通過(guò)差動(dòng)行星輪系將旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)解耦，并且單零件多功能設(shè)計(jì)，讓所需的零件成功裝進(jìn)一張A4紙大小的裝備里，工人們可以提著它到處工作，其加工能力較此前大幅提升，加工一個(gè)孔效率達(dá)到人工的3倍以上?！眻F(tuán)隊(duì)成員劉賀鑫提到。
“并且，團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)老師付饒教授還建議我們采用一種新的分析方法，在基于末端反求便攜式裝備的精度與剛度上做分析，這讓我們成功找到了裝備內(nèi)部影響精度、剛度的關(guān)鍵零件，使得設(shè)備主軸回轉(zhuǎn)誤差變小，可以達(dá)到精密機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)?！?span style=";; text-align: justify; text-wrap: wrap;">費(fèi)浩航介紹道。
正當(dāng)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)呼一口氣的時(shí)候，新的困難隨即而來(lái)。他們?cè)诠S大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在加工單層材料時(shí)，精度可以達(dá)到IT8級(jí)，但是加工疊層時(shí)復(fù)材孔徑偏差總會(huì)很大，而且還會(huì)導(dǎo)致操作人員燒傷的現(xiàn)象，這一下子難住了這個(gè)年輕的學(xué)生團(tuán)隊(duì)。
經(jīng)驗(yàn)豐富的導(dǎo)師立刻給出了新的建議：“這是參數(shù)不匹配造成的。給兩層、三層的材料鉆孔，很難知道下面材料的具體參數(shù)，但是只有知道下層材料的種類、位置、厚度自動(dòng)調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工，所以我們的裝備要具備智能化匹配最優(yōu)加工參數(shù)的功能。”
因此，他們又吸納了控制學(xué)院的研究生朱煬爽加入。有了控制領(lǐng)域相關(guān)的知識(shí)，這個(gè)擁有多學(xué)科交叉的團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了力、扭、振三源信息感知模塊，發(fā)明了雙驅(qū)動(dòng)同步預(yù)測(cè)控制算法，并建立了10萬(wàn)+的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，通過(guò)火眼金睛的“透視”算法，能夠在0.1秒內(nèi)識(shí)別材料與加工狀態(tài)，并切換至最優(yōu)參數(shù)，最終加工的成品率達(dá)到了100%。
從零到一再到無(wú)窮大
裝備不斷完善的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也開始將產(chǎn)品逐步推向市場(chǎng)。他們自豪地給裝備“打廣告”：“以往加工使用的機(jī)床價(jià)格昂貴、設(shè)計(jì)復(fù)雜，只有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間專業(yè)培訓(xùn)的高級(jí)人才才能操作。我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的設(shè)備操作門檻低，原有產(chǎn)線上的普通工人都能使用，工人師傅只需連接線路，將工具裝夾到對(duì)應(yīng)加工位置，一鍵啟動(dòng)即可自動(dòng)加工。相較于工人手工加工，加工單孔耗時(shí)由5分鐘減至0.5分鐘，并將加工精度提升1級(jí)?！?span style="display:none">MEd即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
2023年6月16日，這是團(tuán)隊(duì)畢生難忘的日子。他們成功在飛機(jī)一個(gè)接口處鉆下了第一個(gè)孔?？粗僮魅藛T熟練運(yùn)用加工裝備，并且大大提升了加工的效率，團(tuán)隊(duì)的小伙伴們興奮不已：“那天是我們第一次真正實(shí)地參與到飛機(jī)的制作中，干到了凌晨4點(diǎn)，但是我們沒有一點(diǎn)困意，激動(dòng)得睡不著覺，現(xiàn)在飛機(jī)肯定上天了。”
“通宵裝飛機(jī)”后團(tuán)隊(duì)成員的朋友圈。受訪者供圖
親手組裝飛機(jī)上天，大家都感觸頗深?！拔覀儚谋究齐A段就能接觸到服務(wù)國(guó)家重大需求的項(xiàng)目，能夠來(lái)到生產(chǎn)一線發(fā)現(xiàn)問題、思考方法、動(dòng)手實(shí)踐，讓我們?cè)谶@么小年紀(jì)了解到大有可為的科研前景，我們是十分幸運(yùn)的，這些離不開學(xué)校提供的平臺(tái)、課題組導(dǎo)師的教導(dǎo)?！眻F(tuán)隊(duì)成員郝澤源說(shuō)。
“我們的控制與驅(qū)動(dòng)電路板都是自主設(shè)計(jì)的?！敝鞜f(shuō)。得益于團(tuán)隊(duì)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)群與加工全過(guò)程自主性，他們研發(fā)的全系列設(shè)備組件國(guó)產(chǎn)化率均在95%以上，特殊要求下可做到零件100%國(guó)產(chǎn)。
2018年至今，大連理工大學(xué)這支學(xué)生團(tuán)隊(duì)共產(chǎn)出了28項(xiàng)發(fā)明專利、5項(xiàng)軟著、8篇高水平論文等成果。
目前團(tuán)隊(duì)研發(fā)的系列智能化靈巧加工裝備，已經(jīng)成功應(yīng)用于航空裝備的制造中，加工能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，還可推廣到航天、船舶、車輛、能源等領(lǐng)域的高端裝備的制造中。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備利用智能化裝備信息可溯源的特點(diǎn)，構(gòu)建數(shù)字化工廠，提升調(diào)度效率，讓工人使用起來(lái)更快捷，讓飛機(jī)“鉆孔”更安全。
“從零到一很難，但是從一到無(wú)窮大更難，我們正在一點(diǎn)點(diǎn)努力，盼望著星星之火最終燎原。”付饒教授說(shuō)。
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