造出全球最大蒙皮機(jī)，中國終于掌握這個(gè)“命門”

這兩天，中國制造又有好消息。

全球最大1230噸蒙皮拉伸機(jī)，在廣東河源成功通過驗(yàn)收。

不僅噸位大，加工精度更是達(dá)到驚人的0.1毫米級。

這臺“大國重器”的誕生，將如何助推中國制造業(yè)？

介紹蒙皮機(jī)之前，先說說什么是蒙皮。

簡單來講，蒙皮就是“給骨架穿外衣”，讓東西有完整的外形的同時(shí)，還能配合骨架發(fā)揮作用。

舉個(gè)例子就好理解了。

很多人可能不知道，飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼其實(shí)是空心的。

實(shí)心的太重，哪怕飛機(jī)能飛起來，也會消耗大量燃料，飛不遠(yuǎn)。

在制造飛機(jī)時(shí)，先搭好金屬骨架，再把薄薄的鋁合金板固定在骨架上，以形成空心結(jié)構(gòu)。

固定在骨架上的板，就是蒙皮。

熟悉飛機(jī)發(fā)展史的讀者，可能會提出疑問，萊特兄弟駕駛的飛機(jī)，只有骨架，沒有蒙皮。

萊特兄弟制造的飛機(jī)，當(dāng)時(shí)機(jī)身和機(jī)翼均沒有蒙皮

為什么飛機(jī)發(fā)展到今天，就需要有蒙皮呢？

其實(shí)，飛機(jī)只有骨架也能飛，但會導(dǎo)致風(fēng)阻大的問題。

包了蒙皮之后，機(jī)身和機(jī)翼外表光滑溜溜的，不但能保持飛機(jī)外形完整，根據(jù)伯努利原理，機(jī)翼的升力更大，飛起來還又快又省油。

對現(xiàn)代的航空航天領(lǐng)域來說，蒙皮可不只是飛行器的一張皮，有時(shí)還兼有一定的支撐作用，也是飛機(jī)的“筋骨”。

機(jī)翼要產(chǎn)生并且承受巨大的升力，機(jī)身還要承受空氣壓力，這些力如果光靠骨架消化，很快就會散架。

蒙皮貼上去，使得飛行器成了一個(gè)特別結(jié)實(shí)的整體，能用最輕的重量達(dá)到最大的強(qiáng)度。

現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)翼縱剖面圖

可以這么說，就因?yàn)橛辛嗣善ぃw行器才能飛得更高、飛得更快，甚至飛出地球去。

追求極速的航空航天領(lǐng)域，對蒙皮的要求也極高。

首先是足夠輕。

在航空航天領(lǐng)域，重量既是金錢也是生命。

這層蒙皮在保證結(jié)實(shí)的前提下，能多薄就多薄，能多輕就多輕。

其次就是堅(jiān)固。

蒙皮必須扛冷又扛熱。

高空飛機(jī)，零下50度，皮不能凍脆。航天飛機(jī)返回時(shí)和空氣摩擦能產(chǎn)生驚人的高溫，這層皮也不能化。

此外，再輕再薄也得能抗造。

一架飛機(jī)要用幾十年，起起落落幾萬次。

每次起飛降落，皮都要被巨大的力量“吹一吹”。日子久了，金屬會疲勞變形。

這層皮不能動輒出現(xiàn)裂紋，最好還能抵擋空中冰雹的撞擊，以及抵御極端情況下飛鳥的碰撞。

高鐵車身也用到蒙皮

蒙皮的出現(xiàn)，讓飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與輕量化的平衡。

正因如此，除了航空航天外，蒙皮還廣泛應(yīng)用于潛艇、高速列車、建筑等諸多領(lǐng)域。

生產(chǎn)蒙皮的機(jī)器，就是蒙皮拉伸機(jī)。

蒙皮拉伸機(jī)，顧名思義，就是通過拉伸設(shè)備對金屬板材施加可控力，使其發(fā)生塑性變形并定型，生產(chǎn)出復(fù)雜曲面的金屬板面加工件。

還是拿飛機(jī)舉例，為了減少阻力，飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼的蒙皮都是流線型的光滑曲面，機(jī)身是筒形，機(jī)翼也可以看成是扁筒。

C919飛機(jī)

就現(xiàn)代工藝來說，把鋁合金板材像紙一樣卷成筒并不難，但應(yīng)力會很大。

通俗地講，就是容易“崩開”。

所以，飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼不同位置那些弧度不同的鋁合金外殼，需要特殊的加工工藝，這就是蒙皮拉伸機(jī)的用武之地了。

蒙皮拉伸機(jī)的工作步驟和原理，簡單來說有點(diǎn)像“抻面”。

拉伸機(jī)原理簡圖

機(jī)器工作的第一步是夾持。

機(jī)器兩邊巨大的拉伸頭，像鉗子一樣緊緊地咬住金屬板材的兩端——可以把這想象為抻面的兩只手。

拉伸頭夾住板材

第二步是預(yù)拉伸與拉伸成型。

讓兩端的拉伸頭向相反方向施加一個(gè)巨大且勻速遞增的拉力，相當(dāng)于抻面的過程。

第三步則是卸載與回彈補(bǔ)償。

當(dāng)板材拉伸并完全貼合模具后，緩慢地卸去拉力。

不過，在拉伸時(shí)，會故意“過度拉伸”一點(diǎn)點(diǎn)，作為補(bǔ)償來應(yīng)對材料的回彈現(xiàn)象，使板材的形狀剛好是設(shè)計(jì)要求的精確曲面。

值得注意的是，和抻面的單向施力不同，蒙皮拉伸機(jī)通過縱向拉伸和橫向拉伸的配合，輔以工作臺面的頂升運(yùn)動，使板材產(chǎn)生復(fù)雜的多曲率變形，精準(zhǔn)地貼合模具型面。

為了實(shí)現(xiàn)這種毫米級高精度要求，如今的工藝設(shè)計(jì)普遍會在電腦里先建立一個(gè)虛擬的拉形過程模型，預(yù)先模擬分析材料流動、應(yīng)力分布和回彈，從而優(yōu)化夾鉗的運(yùn)動軌跡、拉伸速度等參數(shù)。

在實(shí)際拉伸過程中，壓力傳感器會實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)反饋給控制器，一旦發(fā)現(xiàn)異常能及時(shí)調(diào)整或報(bào)警，確保成型過程穩(wěn)定可控。

蒙皮拉伸機(jī)傳統(tǒng)上屬于航天航空專用設(shè)備

就廣義的蒙皮制造加工的操作流程來看，蒙皮機(jī)并非必需。

人工加上簡易機(jī)械輔助，熱壓成型設(shè)備等方式，也可以制造出蒙皮。

只不過，這些方式僅適用于小批量、低精度的簡單產(chǎn)品，一致性很差，適配性弱，長期成本高。

同時(shí)滿足高精度、規(guī)模化、復(fù)雜工況的高端產(chǎn)品復(fù)合需求時(shí)，人工及輔助設(shè)備的“湊合”，根本無法達(dá)標(biāo)。

像航空航天、高鐵等領(lǐng)域用到的蒙皮，對精度、強(qiáng)度要求高，也只有蒙皮機(jī)才能規(guī)模化制造。

所以說，蒙皮機(jī)，對現(xiàn)代工業(yè)來說是無可替代的。

早年，蒙皮拉伸裝備基本依賴進(jìn)口。

不僅價(jià)格高昂到咋舌，普通一臺小幾百噸拉力的進(jìn)口設(shè)備，一臺也要1億多近2億元人民幣，而且在技術(shù)開發(fā)、設(shè)備安裝、售后服務(wù)方面都處處受制于人。

為了破局，國內(nèi)的研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)先從維修國外設(shè)備入手，再逐步跨進(jìn)制造領(lǐng)域，消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)。

經(jīng)過多年經(jīng)驗(yàn)積累，逐步摸索出核心技術(shù)。

與此同時(shí)，北京航空制造工程研究所（簡稱中航工業(yè)制造所）從2002年起就在國內(nèi)率先開展了柔性多點(diǎn)模具蒙皮拉形研究，為后續(xù)的技術(shù)突破奠定了基礎(chǔ)。

任何超越都是厚積薄發(fā)。

最近十年，我國在蒙皮拉伸機(jī)領(lǐng)域迎來了自主化的重大進(jìn)展。

2015年，天津天鍛成功自主研發(fā)出第一代600噸數(shù)控蒙皮拉伸機(jī)，設(shè)備投入使用三年，就為沈飛某機(jī)型完成了100多個(gè)復(fù)雜曲面的蒙皮成型加工。

2018年，商用型號600T蒙皮拉伸機(jī)正式發(fā)布。

600T蒙皮拉伸機(jī)全景圖

十年過去，天鍛的蒙皮拉伸機(jī)已迭代升級到第四代。

這預(yù)示著國產(chǎn)設(shè)備的崛起，更直接迫使國外同類設(shè)備在中國市場的中標(biāo)價(jià)格從1.3億直降到7000萬，降幅超過40%，一舉打破國外設(shè)備的壟斷。

2020年，我國的蒙皮拉伸機(jī)技術(shù)再次升級，國產(chǎn)首臺1200噸大型蒙皮拉伸機(jī)在西安航空基地正式簽約落戶，國產(chǎn)大飛機(jī)蒙皮實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)制造。

2022年，生產(chǎn)基地順利建成完工。

1200噸大型蒙皮拉伸機(jī)生產(chǎn)線

尤其是這次的世界最大1230噸蒙皮拉伸機(jī)，更是讓中國從跟跑者，成為領(lǐng)跑者。

這臺機(jī)器由廣東邁諾工業(yè)技術(shù)有限公司聯(lián)合中國重型機(jī)械研究院、吉林大學(xué)等科研院所力量歷時(shí)三年研發(fā)，最大噸位1230噸壓力為全球第一，加工精度達(dá)0.1毫米級，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)設(shè)備0.5毫米上限，實(shí)現(xiàn)“毫米級完美”成型。

尤為驚喜的是，拉伸機(jī)采用“雙模成型”技術(shù)，突破了單模成型在異形構(gòu)件加工中的局限，通過動態(tài)調(diào)整成型壓力與溫度梯度，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)蒙皮與高鐵車頭等不同材質(zhì)構(gòu)件的“一機(jī)通用”。

要領(lǐng)跑，意味著必須有過硬的技術(shù)實(shí)力。

比如這次的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，就解決了包括大噸位驅(qū)動及高負(fù)載穩(wěn)定在內(nèi)的不少核心難題。

對蒙皮拉伸機(jī)來說，噸位決定加工能力，而此前國際同類設(shè)備上限僅1000噸，且大噸位拉力下容易出現(xiàn)機(jī)架變形、液壓壓力波動大等問題，導(dǎo)致無法加工超大尺寸和超高強(qiáng)度的蒙皮，難以滿足C929寬體客機(jī)等大型機(jī)型的需求。

針對這個(gè)問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用“四缸同步驅(qū)動”技術(shù)，左右兩側(cè)各有兩個(gè)液壓缸，把設(shè)備噸位提升至1230噸。

藍(lán)色為同側(cè)的兩個(gè)液壓裝置 圖片來源：央視新聞?lì)l道

同時(shí)靠有限元分析技術(shù)優(yōu)化機(jī)架結(jié)構(gòu)，用高強(qiáng)度合金鋼焊接機(jī)架，將變形量控制在0.05毫米以內(nèi)；搭配自主研發(fā)的“恒壓變量泵”液壓系統(tǒng)，讓壓力波動小于0.5MPa。

既實(shí)現(xiàn)了大噸位拉力，又保障了高負(fù)載下設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，能加工從支線客機(jī)到寬體客機(jī)、先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的全類型蒙皮。

傳統(tǒng)蒙皮拉伸機(jī)只有單一成型模式，要么適合簡單曲面的“拉伸成型”，要么適合復(fù)雜曲面的“拉彎成型”，加工不同曲面蒙皮需更換設(shè)備或模具，機(jī)器適配性差，直接導(dǎo)致效率變低。

針對這個(gè)痛點(diǎn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)全球首創(chuàng)“雙模成型”技術(shù)并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

先通過激光掃描獲取蒙皮3D模型，再由AI算法自動分析材料特性和曲面曲率，自主選擇最優(yōu)成型模式，還能實(shí)時(shí)調(diào)整拉伸力、模具角度等參數(shù)。

加工C919機(jī)翼S型蒙皮時(shí)，40分鐘完成加工，比進(jìn)口設(shè)備精度提高3倍，還徹底擺脫了對人工經(jīng)驗(yàn)的依賴。

對于蒙皮成型精度不足、數(shù)字化適配與實(shí)時(shí)響應(yīng)等難題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)也給出了令人滿意的解決方案。

中國蒙皮拉伸機(jī)，開始領(lǐng)跑世界了。

蒙皮拉伸機(jī)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是航空制造。

蒙皮拉伸機(jī)的技術(shù)突破，讓中國將航空制造的“命門”掌握在自己手中，確保國家戰(zhàn)略項(xiàng)目的自主權(quán)和供應(yīng)鏈安全。

其次是效率的提高。

西安興航航空建成的生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)100架以上國產(chǎn)大飛機(jī)所需的蒙皮類零件，突破了產(chǎn)能瓶頸。

國產(chǎn)1230噸蒙皮拉伸機(jī)可為C919、后續(xù)的C929、運(yùn)20及多種戰(zhàn)斗機(jī)的制造提供保障。再復(fù)雜的蒙皮咱也能自己生產(chǎn)，飛機(jī)設(shè)計(jì)更加游刃有余。

在高端建筑方面，蒙皮拉伸機(jī)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面構(gòu)件高效、低成本加工，那些“不可能”的建筑設(shè)計(jì)方案變成現(xiàn)實(shí)。

以往需要一年半工期的科技館曲面構(gòu)件項(xiàng)目，如今僅需兩個(gè)月。不但壓縮工期，還降低了成本。

在新能源汽車領(lǐng)域，蒙皮拉伸機(jī)也有用武之地。汽車外殼的加工、電池包的結(jié)構(gòu)件，都可以使用金屬蒙皮。

成本打下來，競爭力就上去。

蒙皮拉伸機(jī)，讓中國制造更強(qiáng)。