


這兩天,中國制造又有好消息。
全球最大1230噸蒙皮拉伸機,在廣東河源成功通過驗收。
不僅噸位大,加工精度更是達到驚人的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,還能配合骨架發(fā)揮作用。
舉個例子就好理解了。
很多人可能不知道,飛機機身、機翼其實是空心的。
實心的太重,哪怕飛機能飛起來,也會消耗大量燃料,飛不遠(yuǎn)。
在制造飛機時,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。
熟悉飛機發(fā)展史的讀者,可能會提出疑問,萊特兄弟駕駛的飛機,只有骨架,沒有蒙皮。

為什么飛機發(fā)展到今天,就需要有蒙皮呢?
{jz:field.toptypename/}其實,飛機只有骨架也能飛,但會導(dǎo)致風(fēng)阻大的問題。
包了蒙皮之后,機身和機翼外表光滑溜溜的,不但能保持飛機外形完整,根據(jù)伯努利原理,機翼的升力更大,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,有時還兼有一定的支撐作用,也是飛機的“筋骨”。
機翼要產(chǎn)生并且承受巨大的升力,機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特別結(jié)實的整體,能用最輕的重量達到最大的強度。

可以這么說,就因為有了蒙皮,飛行器才能飛得更高、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)實的前提下,能多薄就多薄,能多輕就多輕。
其次就是堅固。
蒙皮必須扛冷又扛熱。
高空飛機,零下50度,皮不能凍脆。航天飛機返回時和空氣摩擦能產(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。

蒙皮的出現(xiàn),讓飛機實現(xiàn)了高強度與輕量化的平衡。
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)蒙皮的機器,就是蒙皮拉伸機。
蒙皮拉伸機,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。
還是拿飛機舉例,為了減少阻力,飛機機身和機翼的蒙皮都是流線型的光滑曲面,機身是筒形,機翼也可以看成是扁筒。

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,飛機機身和機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,這就是蒙皮拉伸機的用武之地了。
蒙皮拉伸機的工作步驟和原理,簡單來說有點像“抻面”。

機器工作的第一步是夾持。
機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。

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,會故意“過度拉伸”一點點,作為補償來應(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,蒙皮拉伸機通過縱向拉伸和橫向拉伸的配合,輔以工作臺面的頂升運動,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。
為了實現(xiàn)這種毫米級高精度要求,如今的工藝設(shè)計普遍會在電腦里先建立一個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)化夾鉗的運動軌跡、拉伸速度等參數(shù)。
在實際拉伸過程中,壓力傳感器會實時采集數(shù)據(jù)反饋給控制器,莊閑和app一旦發(fā)現(xiàn)異常能及時調(diào)整或報警,確保成型過程穩(wěn)定可控。

就廣義的蒙皮制造加工的操作流程來看,蒙皮機并非必需。
人工加上簡易機械輔助,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,人工及輔助設(shè)備的“湊合”,根本無法達標(biāo)。
像航空航天、高鐵等領(lǐng)域用到的蒙皮,對精度、強度要求高,也只有蒙皮機才能規(guī)模化制造。
所以說,蒙皮機,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口。
不僅價格高昂到咋舌,普通一臺小幾百噸拉力的進口設(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)機構(gòu)和企業(yè)先從維修國外設(shè)備入手,再逐步跨進制造領(lǐng)域,消化吸收國外先進技術(shù)。
經(jīng)過多年經(jīng)驗積累,逐步摸索出核心技術(shù)。
與此同時,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,我國在蒙皮拉伸機領(lǐng)域迎來了自主化的重大進展。
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,設(shè)備投入使用三年,就為沈飛某機型完成了100多個復(fù)雜曲面的蒙皮成型加工。
2018年,商用型號600T蒙皮拉伸機正式發(fā)布。

十年過去,天鍛的蒙皮拉伸機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,我國的蒙皮拉伸機技術(shù)再次升級,國產(chǎn)首臺1200噸大型蒙皮拉伸機在西安航空基地正式簽約落戶,國產(chǎn)大飛機蒙皮實現(xiàn)低成本生產(chǎn)制造。
2022年,生產(chǎn)基地順利建成完工。

尤其是這次的世界最大1230噸蒙皮拉伸機,更是讓中國從跟跑者,成為領(lǐng)跑者。
這臺機器由廣東邁諾工業(yè)技術(shù)有限公司聯(lián)合中國重型機械研究院、吉林大學(xué)等科研院所力量歷時三年研發(fā),最大噸位1230噸壓力為全球第一,加工精度達0.1毫米級,遠(yuǎn)超傳統(tǒng)設(shè)備0.5毫米上限,實現(xiàn)“毫米級完美”成型。
尤為驚喜的是,拉伸機采用“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,實現(xiàn)飛機蒙皮與高鐵車頭等不同材質(zhì)構(gòu)件的“一機通用”。
要領(lǐng)跑,意味著必須有過硬的技術(shù)實力。
比如這次的研發(fā)團隊,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度的蒙皮,難以滿足C929寬體客機等大型機型的需求。
針對這個問題,研發(fā)團隊采用“四缸同步驅(qū)動”技術(shù),左右兩側(cè)各有兩個液壓缸,把設(shè)備噸位提升至1230噸。

同時靠有限元分析技術(shù)優(yōu)化機架結(jié)構(gòu),用高強度合金鋼焊接機架,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。
既實現(xiàn)了大噸位拉力,又保障了高負(fù)載下設(shè)備運行的穩(wěn)定性,能加工從支線客機到寬體客機、先進戰(zhàn)機的全類型蒙皮。
傳統(tǒng)蒙皮拉伸機只有單一成型模式,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,機器適配性差,直接導(dǎo)致效率變低。
針對這個痛點,研發(fā)團隊全球首創(chuàng)“雙模成型”技術(shù)并實現(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,還能實時調(diào)整拉伸力、模具角度等參數(shù)。
加工C919機翼S型蒙皮時,40分鐘完成加工,比進口設(shè)備精度提高3倍,還徹底擺脫了對人工經(jīng)驗的依賴。
對于蒙皮成型精度不足、數(shù)字化適配與實時響應(yīng)等難題,研發(fā)團隊也給出了令人滿意的解決方案。
中國蒙皮拉伸機,開始領(lǐng)跑世界了。

蒙皮拉伸機最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是航空制造。
蒙皮拉伸機的技術(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,可實現(xiàn)年產(chǎn)100架以上國產(chǎn)大飛機所需的蒙皮類零件,突破了產(chǎn)能瓶頸。
國產(chǎn)1230噸蒙皮拉伸機可為C919、后續(xù)的C929、運20及多種戰(zhàn)斗機的制造提供保障。再復(fù)雜的蒙皮咱也能自己生產(chǎn),飛機設(shè)計更加游刃有余。
在高端建筑方面,蒙皮拉伸機實現(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)計方案變成現(xiàn)實。
以往需要一年半工期的科技館曲面構(gòu)件項目,如今僅需兩個月。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,讓中國制造更強。