匠心獨(dú)運(yùn) 雕琢“中國(guó)制造”

賈振元(右二)和團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室工作。 (資料圖片)

大連理工大學(xué)有這樣一支科研團(tuán)隊(duì)，他們?cè)谔祭w維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工領(lǐng)域堅(jiān)持自主創(chuàng)新，走出了一條產(chǎn)學(xué)研合作的新路。1月8日，這支以大連理工大學(xué)教授賈振元為首的科研團(tuán)隊(duì)?wèi){借“高性能碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)高效加工技術(shù)與裝備”項(xiàng)目摘取2017年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

直面難題

傳統(tǒng)加工方式嚴(yán)重制約了碳纖維復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。為此，賈振元團(tuán)隊(duì)研究多學(xué)科交叉融合，開(kāi)辟了適應(yīng)碳纖維復(fù)合材料加工的新理論體系

民航客機(jī)結(jié)構(gòu)重量每降低1%，其油耗可減少3%至4%;高鐵每減重1%，其能耗可減少6%至7%……

對(duì)于“一克重就是一克金”的高端裝備領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，不管是天上飛的，還是地上跑的，只有減輕重量，才能提高結(jié)構(gòu)效率、提升裝備性能。

為此，一場(chǎng)由“減重”而引發(fā)的先進(jìn)材料之爭(zhēng)早已蔓延全球。“碳纖維復(fù)合材料作為高端裝備領(lǐng)域減重增效的優(yōu)選材料，其用量越多，表明裝備性能越先進(jìn)。”賈振元說(shuō)。

然而，工藝技術(shù)的滯后難以支撐材料的創(chuàng)新運(yùn)用，這讓碳纖維復(fù)合材料一經(jīng)亮相就遇上了不小的難題。賈振元告訴經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者，傳統(tǒng)加工只能采取手工方式，低質(zhì)低效，加工構(gòu)件極易出現(xiàn)毛刺、撕裂和分層等損傷，并且加工損傷是隨機(jī)的、不可控的，達(dá)不到碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的高性能要求，嚴(yán)重制約了材料的推廣應(yīng)用。

“從2005年到2009年，我們雖然也曾較好地解決了若干航空航天企業(yè)復(fù)合材料構(gòu)件加工中遇到的難題，但是加工質(zhì)量提升到一定程度就受限，原因在于工程中沿用的是傳統(tǒng)金屬等均質(zhì)材料切削理論，但碳纖維復(fù)合材料的特性和結(jié)構(gòu)與之完全不同，是典型的難加工材料。”團(tuán)隊(duì)骨干高航說(shuō)。

經(jīng)過(guò)反復(fù)研討，賈振元果斷提出：“必須突破傳統(tǒng)金屬等均質(zhì)材料切削理論體系的束縛，開(kāi)辟和建立適應(yīng)碳纖維復(fù)合材料加工的新理論體系、從理論到工程同時(shí)解決問(wèn)題的研究思路。”

要建立理論體系，必須在前人的基礎(chǔ)上有所突破。實(shí)踐上的難題倒逼賈振元團(tuán)隊(duì)在基礎(chǔ)理論研究上開(kāi)疆拓土，重新打造一番新天地。為此，團(tuán)隊(duì)加大材料、力學(xué)、機(jī)械等多學(xué)科交叉融合的研究力度，從碳纖維復(fù)合材料特性上和材料去除過(guò)程中徹底弄清楚加工損傷產(chǎn)生的原因，進(jìn)而研究低損傷加工的原理和構(gòu)件高性能的保證方法。

啃硬骨頭，打攻堅(jiān)戰(zhàn)。終于，賈振元團(tuán)隊(duì)在一系列關(guān)鍵環(huán)節(jié)取得了突破，揭示出碳纖維復(fù)合材料去除機(jī)理和加工損傷的形成機(jī)制，提出了針對(duì)碳纖維復(fù)合材料加工的切削理論，建立了切削力和切削過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真模型，實(shí)現(xiàn)了切削理論的源頭創(chuàng)新。

突破應(yīng)用

賈振元團(tuán)隊(duì)嘗試工藝創(chuàng)新，研發(fā)出13臺(tái)套數(shù)控加工工藝裝備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，成為我國(guó)航空航天多個(gè)重點(diǎn)型號(hào)復(fù)合材料構(gòu)件加工的關(guān)鍵裝備

“國(guó)外大公司花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)與時(shí)間，耗時(shí)耗力，最后摸索出的經(jīng)驗(yàn)是企業(yè)的核心機(jī)密，不會(huì)告訴我們。”賈振元說(shuō)，“我們要想在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)從跟跑、并跑到領(lǐng)跑，沒(méi)有基礎(chǔ)研究作支撐，不可能實(shí)現(xiàn)”。

有了扎實(shí)的理論創(chuàng)新作后盾，再埋頭鉆研實(shí)踐應(yīng)用，就完全是一番“柳暗花明又一村”的景象。

賈振元團(tuán)隊(duì)提出了微刃力小化抑制損傷原理，在一個(gè)個(gè)螺旋槽切削刃上開(kāi)出分屑槽，形成微齒，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的“微元去除”;通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)工具以及切削運(yùn)動(dòng)的配合，發(fā)明了“反向剪切原理”，實(shí)現(xiàn)了表層纖維有效切斷。此外，還研制出9個(gè)系列的制孔、銑削等刀具，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料高質(zhì)加工，壽命高于進(jìn)口刀具2倍至7倍，價(jià)格僅為1/6至1/4。

不僅如此，他們大膽嘗試工藝創(chuàng)新，發(fā)明了在位隨行加工方法、低應(yīng)力柔性工裝和隨動(dòng)除塵裝置，研發(fā)出13臺(tái)套數(shù)控加工工藝裝備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，成為我國(guó)航空航天多個(gè)重點(diǎn)型號(hào)復(fù)合材料構(gòu)件加工的關(guān)鍵裝備。

自2010年起，新研制的技術(shù)裝備和刀具開(kāi)始投入應(yīng)用，使復(fù)合材料加工損傷由原來(lái)的厘米、毫米量級(jí)減至0.1毫米以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)法加工或手工加工到低損傷數(shù)字化加工的跨越，加工技術(shù)躍升至國(guó)際領(lǐng)先水平。

高航告訴經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者，有一次，他帶著學(xué)生鮑永杰到一家航空企業(yè)推廣他們的刀具，企業(yè)不相信刀具性能，硬是提出“讓刀具連續(xù)加工100個(gè)孔”的考題。師徒倆就在現(xiàn)場(chǎng)拿來(lái)復(fù)材板，實(shí)實(shí)在在地鉆出100個(gè)孔，每個(gè)孔都很光滑，最終贏得了企業(yè)的信任。

如今，基礎(chǔ)理論和加工技術(shù)雙向護(hù)航，讓一把把滿載匠心巧思的刀具和系列加工工藝技術(shù)與裝備書(shū)寫(xiě)著“中國(guó)制造”的傳奇——

某新型航天裝備艙段，某飛行器構(gòu)件異形深腔，某航空裝備機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的大厚板邊緣輪廓及超大孔，某系列直升機(jī)旋翼及尾端，大型客機(jī)機(jī)身筒段復(fù)材/鋁疊層驗(yàn)證件，高鐵復(fù)材車(chē)身試驗(yàn)件……這些大國(guó)重器關(guān)鍵構(gòu)件的加工難題都被賈振元團(tuán)隊(duì)一一攻克，為國(guó)家重大裝備、重點(diǎn)型號(hào)研制、定型及批量生產(chǎn)作出了突出貢獻(xiàn)，已成功應(yīng)用于航天一院、航天三院、中航工業(yè)和商飛等企業(yè)。

找準(zhǔn)方向

賈振元團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，搞科研要加大原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究，形成企業(yè)需求拉動(dòng)，搭建起基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品研制的一條創(chuàng)新鏈

“做科研要找對(duì)路子。”這是賈振元時(shí)常掛在嘴邊的一句話：“刻苦的人很多，關(guān)鍵在于找準(zhǔn)方向。道走對(duì)了，可能事半功倍;道走錯(cuò)了，你費(fèi)大力氣、繞大圈子也不一定成功。”

“我們的難點(diǎn)在于弄清楚問(wèn)題是怎么產(chǎn)生的。由于影響碳纖維復(fù)合材料加工損傷的因素非常復(fù)雜，加工產(chǎn)生損傷的形式多種多樣，整個(gè)研究過(guò)程都充滿挑戰(zhàn)。”團(tuán)隊(duì)成員王福吉說(shuō)，“無(wú)論是創(chuàng)建理論研究模型還是發(fā)明新工具、設(shè)計(jì)新工藝，都要經(jīng)過(guò)成百上千次實(shí)驗(yàn)”。

此項(xiàng)技術(shù)發(fā)明從理論到實(shí)踐，在研究方式與研究方法上獲得了多個(gè)“首次”，持續(xù)創(chuàng)新貫穿于賈振元團(tuán)隊(duì)每位成員的研究過(guò)程。

“賈老師桌上總是放著各種關(guān)于復(fù)合材料的書(shū)，只要一有時(shí)間，他就會(huì)找相關(guān)研究生和教師一起探討項(xiàng)目技術(shù)方案和存在的問(wèn)題。”王福吉回憶道。

身兼大連理工大學(xué)副校長(zhǎng)一職的賈振元不忘初心，堅(jiān)守在科研一線。但也只有他自己知道這其中的責(zé)任和壓力有多大，“我甚至連吃飯時(shí)、睡覺(jué)前都在琢磨課題的研究”。

凝聚眾力突破國(guó)家重大需求難題，這是賈振元團(tuán)隊(duì)一貫秉承的科研態(tài)度。賈振元告訴記者：“搞科研一定要服務(wù)國(guó)家重大需求。”這種意識(shí)來(lái)自他30多年堅(jiān)持深入企業(yè)、服務(wù)生產(chǎn)一線的深切感悟，“我們工科教師如果單純從學(xué)校角度搞研發(fā)，沒(méi)有企業(yè)應(yīng)用拉動(dòng)，研究成果就很難‘落地’，可能撂荒在實(shí)驗(yàn)室里，沒(méi)有形成生產(chǎn)力”。

與企業(yè)合作，選擇研究目標(biāo)很重要。“搞科研要加大原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究，去解決企業(yè)、行業(yè)‘卡脖子’的問(wèn)題，形成企業(yè)需求拉動(dòng)，搭建起基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品研制的一條創(chuàng)新鏈。”賈振元說(shuō)。