當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。然而飛機內部結構緊湊、材料多樣，以機翼為例，在部裝環節往往僅有不到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復合材料/金屬強異質疊層結構的高效率、高質量鉆孔作業，是世界各國面臨的技術難題。
近日，大連理工大學團隊歷時7年時間，研發出了一個只有A4紙大小的智能化加工裝備，它能在0.1秒內識別不同材料并匹配參數，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提供了保障。
“看見我們設計制作的裝備真正應用在飛機上，我知道所有的努力有了答案。”學生團隊負責人、大連理工大學博士研究生常宇豪說。
一次講座的啟發
2018年，剛剛進入大連理工大學的常宇豪參加了一場關于復合材料加工的科普講座，報告人正是后來大連理工大學的校長、中國科學院院士賈振元。
“從賈振元院士的報告中，我了解到復合材料在飛機應用的重要性，尤其是輕質高強材料能夠讓飛機飛得又快、又遠。我當時就對飛機制造產生了濃厚的興趣，想著有朝一日可以親身參與其中。”常宇豪回憶起當時的場景，仍然十分激動，這場報告成為了一名大一學生的“科學啟航”，讓他堅定了未來的發展道路，并進入大連理工大學機械工程學院的全國重點實驗室開始了進一步學習。
在學習過程中，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通過小型加工裝備實現了半自動、全自動化生產，產能是我國的5倍以上。
帶著心中的疑惑，他們找到了導師王福吉教授。“限制飛機生產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先很多，但是我相信你們只要努力，也能一樣做好。”這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？
一架飛機的內部結構十分復雜，需要在各種條件下加工近百萬個孔。傳統制孔機床多為大型“包容式”結構，需要將被加工的零部件包裹在其中，而面對飛機內部狹小空間的限制，傳統“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，加之現有加工技術不智能，往往面對不同材料不能自主匹配參數，導致加工經常產生損傷、超差的問題，甚至會產生數十億元零部件的報廢損失。
在仔細觀察飛機構造后，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，變為直接固定在零件上的‘在體’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。“首先就是小型化難。現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，并且容易產生超差現象。我們就想著設計一款能拿在手里便攜式的自動化制孔設備，并且集成冷卻、低頻振動制孔、數字化控制等功能，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”，這樣會導致切削力波動極大，使得設備的穩定控制成為難題。
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場，學生們只有深入一線、真正知道現場工人和工況的需求才能做出好設備。”
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，在成都飛機工業（集團）有限責任公司、沈陽飛機工業（集團）有限責任公司、哈爾濱飛機工業（集團）有限責任等主機廠現場調研，終于發現了突破口。
團隊在企業實地調研與交流。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與進給運動解耦，并且單零件多功能設計，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。”團隊成員劉賀鑫提到。
“并且，團隊的指導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部影響精度、剛度的關鍵零件，使得設備主軸回轉誤差變小，可以達到精密機床的標準。”費浩航介紹道。
正當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現，在加工單層材料時，精度可以達到IT8級，但是加工疊層時復材孔徑偏差總會很大，而且還會導致操作人員燒傷的現象，這一下子難住了這個年輕的學生團隊。
經驗豐富的導師立刻給出了新的建議：“這是參數不匹配造成的。給兩層、三層的材料鉆孔，很難知道下面材料的具體參數，但是只有知道下層材料的種類、位置、厚度自動調整才能實現高質量加工，所以我們的裝備要具備智能化匹配最優加工參數的功能。”
因此，他們又吸納了控制學院的研究生朱煬爽加入。有了控制領域相關的知識，這個擁有多學科交叉的團隊自主研發了力、扭、振三源信息感知模塊，發明了雙驅動同步預測控制算法，并建立了10萬+的高質量數據集，通過火眼金睛的“透視”算法，能夠在0.1秒內識別材料與加工狀態，并切換至最優參數，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、設計復雜，只有經過長時間專業培訓的高級人才才能操作。我們團隊研發的設備操作門檻低，原有產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。看著操作人員熟練運用加工裝備，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。“我們從本科階段就能接觸到服務國家重大需求的項目，能夠來到生產一線發現問題、思考方法、動手實踐，讓我們在這么小年紀了解到大有可為的科研前景，我們是十分幸運的，這些離不開學校提供的平臺、課題組導師的教導。”團隊成員郝澤源說。
“我們的控制與驅動電路板都是自主設計的。”朱煬爽說。得益于團隊自主知識產權群與加工全過程自主性，他們研發的全系列設備組件國產化率均在95%以上，特殊要求下可做到零件100%國產。
2018年至今，大連理工大學這支學生團隊共產出了28項發明專利、5項軟著、8篇高水平論文等成果。
目前團隊研發的系列智能化靈巧加工裝備，已經成功應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、能源等領域的高端裝備的制造中。未來，團隊準備利用智能化裝備信息可溯源的特點，構建數字化工廠，提升調度效率，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。
本文鏈接：他們用A4紙大小裝備給飛機“打孔”http://m.sq15.cn/show-11-21209-0.html
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