碳纤维被誉为当代“新材料之王”。但这种材料特殊的加工成型方式,需要专用设备,研发难度高,光威作为链主企业正着力研发自动加工设备,加快补齐产业短板。
无论是风驰电掣的战斗机、运输载客的民航飞机,还是遨游太空的神舟飞船,直冲云霄的时刻,重量是决定性能的关键指标。有数据统计,“航天器每减重1公斤,经济效益就增加近10万美元”,在材料选择过程中,碳纤维的表现格外亮眼,它的强度是钢的7-9倍,重量却只有1/4。而要让一缕缕碳丝变成精密部件,加工装备至关重要。
威海光威精密机械有限公司副总工程师白贤荣:“普通的机床它是利用金属材料,进行一个车削或者是铣削的减材过程。我们碳纤维的成形工艺,通过多层铺叠来实现我们材料增厚,再通过高温固化形成一个零件。”
相比于手工铺放,自动化装备的效率能提升20倍左右。但由于航空航天市场专业性强、研发难度大,世界上生产航空航天用自动铺丝设备的企业只有欧美的4、5家。在过去,要想在飞机上使用碳纤维,设备只能依赖进口。核心装备受制于人,作为国内碳纤维生产的头部企业,光威决心开展自主研发。
威海光威精密机械有限公司总经理侯焕斌:“在10年前,我们能够自己研发碳纤维的装备,通过不断地去改进,不断去迭代,实现成功。那么我们相信在碳纤维发展后期的装备应用上,我们也有信心。同时,我们也有责任和义务,将整个航空航天制品发展所需要的装备应用,来进行保障。”
为攻克关键技术,光威组建了一支涵盖机械设计、电气自动化、数控系统、软件开发等多领域的复合型研发团队。他们首先要解决曲面铺放轨迹规划的难题,来满足航空部件依据空气动力学设计,曲度变化大、结构复杂的特点。
威海光威精密机械有限公司副总工程师白贤荣:“ 像S进气道这种高级曲面,它会出现一个扇形。 开始端如果是A4纸大小,结束端会扩大一倍。因为丝数没有变化,始终保持一定的宽度,势必到末端会产生一个空白三角区域。”
摆在工程师面前的,不仅要补齐这个空白,还要尽可能得保证碳纤维长度,只有碳纤维越长,最终部件的力学性能才越好。选择最优方案,团队尝试了几万次,使用上万平方米的碳纤维布料去测试,而每平米的综合价格高达2800元。团队利用测地线原理,通过算法设计出增减丝系统。当空白三角区域的宽度超过5毫米时,设备自动执行增丝指令填补空缺。
威海光威精密机械有限公司副总工程师白贤荣:“在缝隙逐渐扩大的情况下,这个位置,我们进行了增纱(丝)。通过错层算法,我们可以使铺层的厚度,控制在正负0.1毫米内,也就是一张纸的厚度,整个面都很均匀。”
然而新的难题很快又出现了,频繁增减丝造成刀片磨损,几百次后就需要更换。每更换一次需要半个多小时,严重耽误生产进度。
威海光威精密机械有限公司电气工程师王鹏云:“经过一年半的时间,我们改进切刀的结构,又通过改善切刀的材质继续提高切刀寿命,现在的寿命可以说连续干几个星期的工作没有问题。”
经过5年多打磨,光威生产的自动铺丝设备,经过山东省装备制造业协会认定,整体技术达到国内领先水平,如今光威精机生产的自动铺丝设备已经应用到航空航天领域,助力国内相关企业实现了批量化生产和标准化加工。