當(dāng)一架架飛機翱翔于蒼穹之上，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)十萬個精度要求0.02毫米的連接孔。
每一個孔都是飛行安全的支點，毫厘之差就會埋下安全隱患。然而飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、材料多樣，以機翼為例，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現(xiàn)復(fù)合材料/金屬強異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的高效率、高質(zhì)量鉆孔作業(yè)，是世界各國面臨的技術(shù)難題。
近日，大連理工大學(xué)團隊歷時7年時間，研發(fā)出了一個只有A4紙大小的智能化加工裝備，它能在0.1秒內(nèi)識別不同材料并匹配參數(shù)，加工精度最高達IT7級，效率提高3倍以上，為大國高端航空裝備的研制與批產(chǎn)提供了保障。
“看見我們設(shè)計制作的裝備真正應(yīng)用在飛機上，我知道所有的努力有了答案?！睂W(xué)生團隊負責(zé)人、大連理工大學(xué)博士研究生常宇豪說。
一次講座的啟發(fā)
2018年，剛剛進入大連理工大學(xué)的常宇豪參加了一場關(guān)于復(fù)合材料加工的科普講座，報告人正是后來大連理工大學(xué)的校長、中國科學(xué)院院士賈振元。
“從賈振元院士的報告中，我了解到復(fù)合材料在飛機應(yīng)用的重要性，尤其是輕質(zhì)高強材料能夠讓飛機飛得又快、又遠。我當(dāng)時就對飛機制造產(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)時的場景，仍然十分激動，這場報告成為了一名大一學(xué)生的“科學(xué)啟航”，讓他堅定了未來的發(fā)展道路，并進入大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院的全國重點實驗室開始了進一步學(xué)習(xí)。
在學(xué)習(xí)過程中，他也漸漸了解到，在自動化如此普及的今天，我們國家飛機上仍有許多零部件需要靠手工制作，而國外的許多飛機已經(jīng)通過小型加工裝備實現(xiàn)了半自動、全自動化生產(chǎn)，產(chǎn)能是我國的5倍以上。
帶著心中的疑惑，他們找到了導(dǎo)師王福吉教授。“限制飛機生產(chǎn)的不僅僅是加工先進材料的刀具，還有加工裝備。雖然國外在這方面領(lǐng)先很多，但是我相信你們只要努力，也能一樣做好?！边@給了團隊很大的信心，他們每天琢磨，什么樣的自動化加工裝備才能適用于飛機呢？
一架飛機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要在各種條件下加工近百萬個孔。傳統(tǒng)制孔機床多為大型“包容式”結(jié)構(gòu)，需要將被加工的零部件包裹在其中，而面對飛機內(nèi)部狹小空間的限制，傳統(tǒng)“包容式”的機床便無法滿足加工需求。并且，航空材料強度高、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)十億元零部件的報廢損失。
在仔細觀察飛機構(gòu)造后，團隊想到了啄木鳥：“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。”
這樣的想法非常新穎，卻面臨著很多困難?！笆紫染褪切⌒突y?，F(xiàn)有的制孔方式大多需要工人拿著氣鉆在飛機上人工鉆孔，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)計一款能拿在手里便攜式的自動化制孔設(shè)備，并且集成冷卻、低頻振動制孔、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。”團隊成員費浩航告訴《中國科學(xué)報》。
并且，鈦合金等高強度材料的制孔過程需要“進一下、退一下”，這樣會導(dǎo)致切削力波動極大，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”：“我鼓勵大家出差到現(xiàn)場，學(xué)生們只有深入一線、真正知道現(xiàn)場工人和工況的需求才能做出好設(shè)備?！?span style="display:none">cs5即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
團隊與賈振元院士（中）合影。受訪者供圖
在飛機上“制孔”
在賈振元院士的認可與鼓勵下，團隊先后去到了許多飛機制造企業(yè)，在成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司、沈陽飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司、哈爾濱飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任等主機廠現(xiàn)場調(diào)研，終于發(fā)現(xiàn)了突破口。
團隊在企業(yè)實地調(diào)研與交流。受訪者供圖
“我們一年大概有一百多天時間都‘泡’在企業(yè)里，終于想到了一種空間降維式傳動方案，它主要是通過差動行星輪系將旋轉(zhuǎn)與進給運動解耦，并且單零件多功能設(shè)計，讓所需的零件成功裝進一張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，加工一個孔效率達到人工的3倍以上?！眻F隊成員劉賀鑫提到。
“并且，團隊的指導(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，可以達到精密機床的標(biāo)準(zhǔn)?！?span style=";; text-align: justify; text-wrap: wrap;">費浩航介紹道。
正當(dāng)團隊長呼一口氣的時候，新的困難隨即而來。他們在工廠大量實驗后發(fā)現(xiàn)，在加工單層材料時，精度可以達到IT8級，但是加工疊層時復(fù)材孔徑偏差總會很大，而且還會導(dǎo)致操作人員燒傷的現(xiàn)象，這一下子難住了這個年輕的學(xué)生團隊。
經(jīng)驗豐富的導(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、厚度自動調(diào)整才能實現(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?！?span style="display:none">cs5即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
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，這個擁有多學(xué)科交叉的團隊自主研發(fā)了力、扭、振三源信息感知模塊，發(fā)明了雙驅(qū)動同步預(yù)測控制算法，并建立了10萬+的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，通過火眼金睛的“透視”算法，能夠在0.1秒內(nèi)識別材料與加工狀態(tài)，并切換至最優(yōu)參數(shù)，最終加工的成品率達到了100%。
從零到一再到無窮大
裝備不斷完善的同時，團隊也開始將產(chǎn)品逐步推向市場。他們自豪地給裝備“打廣告”：“以往加工使用的機床價格昂貴、設(shè)計復(fù)雜，只有經(jīng)過長時間專業(yè)培訓(xùn)的高級人才才能操作。我們團隊研發(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，將工具裝夾到對應(yīng)加工位置，一鍵啟動即可自動加工。相較于工人手工加工，加工單孔耗時由5分鐘減至0.5分鐘，并將加工精度提升1級。”
2023年6月16日，這是團隊畢生難忘的日子。他們成功在飛機一個接口處鉆下了第一個孔?？粗僮魅藛T熟練運用加工裝備，并且大大提升了加工的效率，團隊的小伙伴們興奮不已：“那天是我們第一次真正實地參與到飛機的制作中，干到了凌晨4點，但是我們沒有一點困意，激動得睡不著覺，現(xiàn)在飛機肯定上天了。”
“通宵裝飛機”后團隊成員的朋友圈。受訪者供圖
親手組裝飛機上天，大家都感觸頗深?！拔覀儚谋究齐A段就能接觸到服務(wù)國家重大需求的項目，能夠來到生產(chǎn)一線發(fā)現(xiàn)問題、思考方法、動手實踐，讓我們在這么小年紀(jì)了解到大有可為的科研前景，我們是十分幸運的，這些離不開學(xué)校提供的平臺、課題組導(dǎo)師的教導(dǎo)?！眻F隊成員郝澤源說。
“我們的控制與驅(qū)動電路板都是自主設(shè)計的?！敝鞜f。得益于團隊自主知識產(chǎn)權(quán)群與加工全過程自主性，他們研發(fā)的全系列設(shè)備組件國產(chǎn)化率均在95%以上，特殊要求下可做到零件100%國產(chǎn)。
2018年至今，大連理工大學(xué)這支學(xué)生團隊共產(chǎn)出了28項發(fā)明專利、5項軟著、8篇高水平論文等成果。
目前團隊研發(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，加工能力達到國際先進水平，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，團隊準(zhǔn)備利用智能化裝備信息可溯源的特點，構(gòu)建數(shù)字化工廠，提升調(diào)度效率，讓工人使用起來更快捷，讓飛機“鉆孔”更安全。
“從零到一很難，但是從一到無窮大更難，我們正在一點點努力，盼望著星星之火最終燎原。”付饒教授說。
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