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歼20批量生产的神器!技术被美西法垄断,自动铺

美国F35战斗机能做到2天造一架的速度,歼20能实现批量生产,都离不开一个神器,那就是复合材料自动铺放机床。毫不夸张地说,没有这个机床就造不出波音787这样的大型宽体客机。很多人可能不知道,这个机床在我们的航空航天、汽车、高铁、风电、船舶等领域具有非常重要的战略价值。非常值得大家深入学习了解。今天我就给大家详细的科普一下这个神器。视频版请点这里观看:视频版请点这里观看

歼20批量生产的神器!技术被美西法垄断,自动铺丝机的战略价值

 

大家都知道,歼20现在使用碳纤维复合材料的比例已经到27%了,F22的比例是24%,F35的比例在35%。战斗机如此大量地使用碳纤维复合材料,目的就是为了减轻飞机结构重量、提高飞机的可靠性。

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这几年复合材料在飞机上的应用突飞猛进,应用范围越来越广,用量越来越大,以波音787和空客A350为代表的大型客机,复合材料用量已经占到飞机结构重量的50%,整个机身、机翼结构几乎全部采用了碳纤维复合材料。而且去年咱们就研制成功了T1000这种超高强度的碳纤维,有了国产碳纤维还需要配套加工设备才能造出相应的部件,所以先进的复合材料加工设备就成为歼-20批量生产的关键。

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我们长久以来一直在使用传统的手工铺放方式,需要通过多次压实保障铺层质量。而且手工铺放已经远远不能满足,大尺寸结构件研制生产的需要。当复合材料零件尺寸较大时,人工铺叠难度相应增大、成型效率低、产品质量也难以保障。而使用自动铺放设备既能够大大提高复合材料构件的生产速率,又能够通过精确控制铺放过程中的工艺参数,来提高复合材料构件的精准度。大家稍微想想就知道,人家机器自动化操作比咱们手工操作的效率不知道要高多少倍,这也是以前咱们的飞机难量产的主要原因之一。而且美国也不会允许把这么重要的设备卖给咱们。

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目前这种高端铺放设备的技术被美国,西班牙,法国垄断,值得高兴的是我们打破了国外封锁,研制成功了七轴同步联动的龙门式自动铺丝机,可实现铺丝过程的连续性,最大铺放速度可以达到 30 m / min。咱们这个机床X向行程30米,Y向行程6.5米,能实现最多32束预浸丝束的高效铺叠。尤其在铺放的稳定性和铺放精度上,做到了与国外同类产品相当的水平。相应的国产纤维铺放软件咱们也开发出来了,这个机床是国内目前唯一可以完成,大尺寸复合材料机身壁板研制的高端专用装备,为中国大型飞机的研制提供了强有力的技术保障。

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这里要和大家细说一下,飞机上之所以能这么大面积地使用复合材料,离不开自动铺带ATL和自动铺丝技术AFP的支撑,稍微跟大家说一下如何选择铺放设备,自动铺带机在铺放曲率较小的构件时效率较高,而且废料率低,而自动铺丝机适用于铺放过程中存在弯曲路径的构件或大曲率构件。 卧式铺放设备常用于铺放类回转体构件,龙门式铺放设备可以用于自由开曲面构件或平板构件。立式铺放设备适用于无需模具旋转即可完成铺放的构件,比如机身、机翼等。机器人式自动铺放设备由于具有灵活度高的机械臂,所以适用于曲率变化大的构件。根据所铺工件的类型选取正确的铺放设备,可以节约成本、提高生产效率。

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自动铺丝技术近年来发展迅猛,其工艺原理是由铺丝头将多束预浸丝束,在柔性压辊gǔn 下集束成带后,按照计算机规划的路径进行铺放。预浸丝束窄带在铺放过程可实现单独控制、并可进行转弯,具有较强的曲面适应能力,不仅可以铺放凹面、凸面,还可以实现开口、补强等变厚铺层,纤维角度偏差更小,生产效率更高。波音787、A350的机身结构已全部采用自动铺丝技术进行制造。

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该技术还大量应用在战斗机,比如F-22和F-35,均采用自动铺丝技术制造复合材料进气道。F-35战斗机的低成本就得益于自动铺丝技术,F/A18大黄蜂的机身蒙皮、进气道蒙皮、侧壁板和其他覆盖件也采用了自动铺丝技术制造。还有阿特拉斯 Atlas5型运载火箭防护罩等。

高端的自动铺丝设备是国外军机制造的重要专用装备,具有重要的战略价值。毫不夸张的说,没有自动铺丝技术,很难造出像波音787那样的大型宽体客机,也很难完成F-35那样完美的S形进气道。

美国是这方面技术的开拓者,就拿美国高端特种机床企业Electroimpact(EI)来说,600名员工中有400名是工程师,该公司制造的铺放设备能够以2000英寸/分钟的高速度,在大尺寸复杂物体上铺设复合碳纤维材料,能制造出传统铺丝技术无法实现的大型飞机部件,比如机翼、甚至机身,对于航空产业非常重要。

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波音还引入了该公司创新的龙门式高速铺丝AFP设备,制造蒙皮和翼梁。就这一台设备就2500万美元,这可比一般的大型重型机床贵多了。该公司的自动铺丝机还制造了波音787的机身。

还有我之前视频说过的美国Ingersoll英格索尔公司,比如说蓝色起源就使用了英格索尔的自动铺丝机制造火箭燃料箱,别看铺丝机的大部分市场被西班牙姆托雷斯给吃掉了,可美国在这方面的技术实力可丝毫不逊色于西班牙,毕竟美国是这项技术的发明者,1989年美国辛辛那提Cncinnati 公司设计出第一台自动铺丝系统,并于1990年投入使用,1995年美国英格索尔Ingersoll公司研制出了第一台铺放机。

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这方面技术比较强的还有法国的法孚,给F35也提供了铺丝设备。还有西班牙的姆托雷斯的铺丝机,被大量用于制造波音,空客的客机,还用于制造F35战斗机,C17运输机等飞机。

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我们国家目前自动铺丝设备的研制、生产和实际应用,还与美国,西班牙,法国这样的先进技术强国存在客观差距。尤其是设备上的自动铺丝头等关键功能部件仍然受制于人。不过可喜的是发展势头良好,咱们目前拥有大型国产龙门铺丝设备,国产机器人铺丝设备,在军用领域可以起到国产替代作用,但民用领域依然需要进口西班牙姆托雷斯的铺放设备。咱们要想在今后的发展中迎头赶上,还是需要持续加大对相关产业的支持力度,加强对复合材料应用技术的研究。我后续也会继续跟进相关技术的国产化进程,大家拭目以待。