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。眼下,威海光威精密机械有限公司作为链主企业,正着力研发自动加工设备,加快补齐产业短板。
无论是翱翔蓝天的飞机,还是遨游太空的飞船,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到9倍,重量却只有四分之一,而要让一缕缕碳丝变成精密部件,加工装备至关重要。
光威精密机械团队正在进行相关测试工作。纪哲/摄
“普通的机床是利用金属材料进行一个车削或者是铣削的减材过程,而我们碳纤维的成型工艺需要通过多层铺叠来实现材料增厚,再通过高温固化形成一个零件。”光威精密机械副总工程师白贤荣介绍。
相较于手工铺放,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。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,光威精密机械决心开展自主研发。
“10年前,我们能够自己研发碳纤维装备,通过不断改进和迭代实现成功,而现在,我们在碳纤维发展后期的装备应用上也有信心。同时,企业也有责任和义务保障航空航天制品发展所需要的装备应用。”光威精密机械总经理侯焕斌说。
为攻克关键技术,光威精密机械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。
“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。”白贤荣说。
摆在工程师面前的,不仅要补齐这个空白,还要尽可能保证碳纤维长度。碳纤维越长,最终部件的力学性能越好。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测试,而每平方米的综合价格高达2800元。“我们通过反复测试,可以使铺层厚度控制在正负0.1毫米内,也就是一张纸的厚度,整个面都很均匀。”白贤荣介绍。
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。研发团队经过一年半时间,改进切刀结构,又通过改善材质继续提高切刀寿命,如今连续生产几个星期都没问题。
历时5年多打磨,光威精密机械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。光威精机生产的自动铺丝设备已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。(Hi威海客户端记者 谢菁)