厚積薄發(fā)，致力于特種加工發(fā)展——訪上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院的教授趙萬生

本刊記者/Reporter 李 靜/LI Jing

趙萬生：男，1957年5月生。1989年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院教授、博導(dǎo)，密西根學(xué)院副院長。主要學(xué)術(shù)兼職：中國機(jī)械工程學(xué)會理事，中國機(jī)械工程學(xué)會電加工分會副理事長。主要科研方向：特種加工技術(shù)，基于特種加工的微制造技術(shù)，機(jī)電一體化技術(shù)。

1987年1月至1988年11月在日本東京大學(xué)做“外國人博士研究員”。1996年5月至1998年5月在美國University of Nebraska-Lincoln做訪問教授。隨后，在國內(nèi)承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)及面上項(xiàng)目、國防先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部863重點(diǎn)項(xiàng)目、04重大專項(xiàng)、教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人才培養(yǎng)基金、航天及寶鋼等企業(yè)委托科研項(xiàng)目多項(xiàng)，在多軸聯(lián)動復(fù)雜曲面電火花加工技術(shù)、在微細(xì)特種加工、開放式體系結(jié)構(gòu)的特種加工數(shù)控系統(tǒng)、鏡面電火花加工、分層式電火花銑削加工、電火花加工智能控制、電火花軋輥毛化技術(shù)研究領(lǐng)域取得多項(xiàng)研究成果，獲得國家發(fā)明專利10余項(xiàng)，獲省部級科技進(jìn)步一、二、三等獎各1項(xiàng)。同時，在教書育人上，培養(yǎng)博士研究生84人、其中69人已獲博士學(xué)位，培養(yǎng)碩士研究生78人、已獲碩士學(xué)位71人。

1990年被國務(wù)院學(xué)位辦、國家教委評為“做出突出貢獻(xiàn)的中國博士學(xué)位獲得者”，1998年被評為航天工業(yè)總公司“有突出貢獻(xiàn)的中青年專家”。1999年獲教育部 “跨世紀(jì)優(yōu)秀人才培養(yǎng)基金”資助。獲教育部高等學(xué)校優(yōu)秀骨干教師，航天總公司跨世紀(jì)學(xué)術(shù)和科技帶頭人等稱號。在國內(nèi)外期刊、會議上共發(fā)表學(xué)術(shù)論文150余篇，其中被SCI/EI收錄80余篇。主編副主編專著、教材4本。

上海交通大學(xué)其前身是近代中國歷史最為悠久的大學(xué)之一，清末洋務(wù)派政治家、實(shí)業(yè)家和福利事業(yè)家盛宣懷于1896年創(chuàng)建的南洋公學(xué)，經(jīng)過百余年的不懈努力，如今的上海交大已經(jīng)成為一所“綜合性、研究型、國際化”的國內(nèi)一流、國際知名大學(xué)。在上海交大閔行校區(qū)里，在碧綠、清澈和平靜的思源湖畔，筆者采訪了上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院的趙萬生教授。

趙教授承擔(dān)了多項(xiàng)國家重點(diǎn)項(xiàng)目，并在特種加工方面取得了多項(xiàng)研究成果。特種加工亦稱“非傳統(tǒng)加工”，泛指用電能、熱能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機(jī)械能等能量達(dá)到去除或增加材料的加工方法。特種加工是近幾十年發(fā)展迅速的新工藝,與傳統(tǒng)加工方式相比在一些難加工領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢，是對傳統(tǒng)加工工藝方法的重要補(bǔ)充與發(fā)展, 其加工范圍不受材料物理、機(jī)械性能的限制，能加工任何傳統(tǒng)方式難以加工的材料，特種加工的方法也比較容易復(fù)合形成新的工藝方法，便于推廣應(yīng)用。目前仍在繼續(xù)研究開發(fā)和改進(jìn)。趙教授在特種加工工藝、微細(xì)特種加工技術(shù)和基于Linux的特種加工數(shù)控系統(tǒng)方面研究的尤其深入。

項(xiàng)目，時有精進(jìn)

電火花加工一直被認(rèn)為是慢工藝。趙教授及其團(tuán)隊(duì)十幾年來一直致力于如何提高放電加工的效率。在基礎(chǔ)研究過程中偶然發(fā)現(xiàn)了“尾狀放電痕”這一特殊現(xiàn)象，通過理論分析和計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)了“流體動力斷弧”機(jī)制，即可以利用高液流體控制電弧移動并將其切斷。這樣就可以用電弧放電替代火花作為能量場，并用流場控制電弧，在斷弧瞬間爆炸性去除熔融的工件材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種新的加工方法可以獲得非常高的材料去除率。趙教授團(tuán)隊(duì)將這一新的加工方法稱為“基于流體動力斷弧的高速電弧放電加工方法”，或簡稱為“高速電弧放電加工”。與傳統(tǒng)的電火花加工方法相比，高速電弧放電加工采用具有更高能量密度的電弧放電而不是火花放電來實(shí)現(xiàn)材料的蝕除；與其他利用電弧進(jìn)行材料去除的工藝方法相比，高速電弧放電加工可使用特殊設(shè)計(jì)的成形電極實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制多孔內(nèi)充液，從而獲得三維復(fù)雜型腔的沉入式加工能力，因此具有更廣泛的應(yīng)用前景。初步實(shí)驗(yàn)表明，對于鎳基高溫合金等難切削材料，高速電弧放電加工的材料去除率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的電火花加工，甚至高于銑削加工。該方法的特點(diǎn)是加工效率高，并且能量利用率也是傳統(tǒng)加工的3倍以上，整個加工成本可大幅降低。趙教授說該方法也得到國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。該方法目前主要適用于難切削材料的高效粗加工方面。

趙教授還談到了另一研究方向的進(jìn)展情況，即閉式葉盤和葉盤類零件的加工工藝問題。由于該類零件本身也都是由高溫合金等難切削材料構(gòu)成，因此其加工工藝問題是一個難點(diǎn)。首先是電極的設(shè)計(jì)、電極的空間運(yùn)動軌跡規(guī)劃問題；其次是加工裝備的核心技術(shù)問題——特別是多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)。我國的特種加工機(jī)床擁有量不少，也具有大規(guī)模生產(chǎn)能力，但是由于在高端設(shè)備方面國外對我們是禁運(yùn)的，因此我們與國外發(fā)達(dá)國家仍有一定的差距。經(jīng)過863重點(diǎn)項(xiàng)目、重大專項(xiàng)的實(shí)施，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，使得多軸聯(lián)動電火花加工機(jī)床裝備的整體水平得到了大幅度提升，同國外裝備水平間的差距已經(jīng)越來越小了，從裝備到加工工藝，很多關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)有所突破，技術(shù)鏈條亦得以完善。我國生產(chǎn)的多軸聯(lián)動電火花加工機(jī)床已經(jīng)用于航空航天發(fā)動機(jī)零部件等高端產(chǎn)品的制造了。

科研，不畏創(chuàng)新

作為先進(jìn)制造技術(shù)的組成部分，特種加工技術(shù)與數(shù)控技術(shù)并成為其兩大支柱。在我國，特種加工機(jī)床產(chǎn)量世界第一。數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的“大腦”，其在特種加工中的應(yīng)用也是非常值得一提的。為此，趙教授給筆者詳細(xì)講解了一個數(shù)控系統(tǒng)核心技術(shù)——新型插補(bǔ)方法的發(fā)明過程。通過控制線切割機(jī)床的XY軸和UV軸兩個平面運(yùn)動，可以加工出“天圓地方”等上下異形的直紋面。但以往的方法都是要利用成百上千條小線段來逼近。能否用一種全新插補(bǔ)方法直接精密插補(bǔ)出此類直紋面？但這僅是一個理想的加工方式，并沒有人做過。帶著這個問題趙教授仔細(xì)了解了現(xiàn)有的各種插補(bǔ)方法，結(jié)論是按照已由的插補(bǔ)方法和思路，確實(shí)都無法實(shí)現(xiàn)上述想法。但是趙教授是一個喜歡挑戰(zhàn)的人，憑借自己的興趣，通過大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，最終找到了一種全新的方法，就是“單位弧長增量法”，每一次進(jìn)給都是沿著曲線走一個單位弧長，將各種曲線和直線都作為廣義的“曲線”來對待，在弧長上進(jìn)行度量，形成一個統(tǒng)一的參照系，這樣就可以完全按照比例關(guān)系進(jìn)行多軸聯(lián)動插補(bǔ)了。這一新的插補(bǔ)方法已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證，不僅可以用來加工直紋面，還可以對各類曲線進(jìn)行直接精確插補(bǔ)，并且可以用于控制六軸聯(lián)動的電火花加工電極軌跡與姿態(tài)的同時插補(bǔ)。

素養(yǎng)，師其長技

清朝魏源的《海國圖志》中提到的“師夷長技以制夷”，在當(dāng)代雖再無當(dāng)年的那種強(qiáng)烈的民族感情，但對一個始終要自強(qiáng)的國家來說，這種學(xué)習(xí)態(tài)度是值得肯定的。上個世紀(jì)80年代，趙教授曾經(jīng)在日本有過一段學(xué)習(xí)工作的經(jīng)歷，90年代曾經(jīng)在美國Nebraska-Lincoln大學(xué)非傳統(tǒng)制造中心做過客座教授。趙教授認(rèn)為這些經(jīng)歷，提升了個人的國際化能力，在這段時間里交到很多業(yè)內(nèi)朋友。同行們認(rèn)真做事的精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，都非常值得我們正處工業(yè)化過程中的國家學(xué)習(xí)，這些都是必備的工業(yè)化素養(yǎng)。發(fā)展過程中的國家，在標(biāo)準(zhǔn)、制度、法規(guī)等方面沒有收到足夠的重視，例如安全意識、實(shí)驗(yàn)中一絲不茍的嚴(yán)密性及邏輯性。另外在人才培養(yǎng)方面也有不同，我國的高端人才培養(yǎng)主要依靠學(xué)校，與技術(shù)發(fā)展水平不同步，由于科研與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合不緊密，經(jīng)常會造成學(xué)非所用。在目前的市場經(jīng)濟(jì)中，人才的培養(yǎng)與市場的發(fā)展也不同步，很多學(xué)生定位不準(zhǔn)，很難投身到真正的科研中去。這不僅是特種加工行業(yè)存在的問題，其實(shí)也是整個制造業(yè)存在的問題，不過趙教授說隨著近些年國家一系列政策的出臺，相信這種情況一定會有所改變。

矛盾，似是而非

在以往的采訪中，筆者每次都會問到校企合作的問題，在本次采訪中也不例外，趙教授對此也有自己獨(dú)到的見解。他說，一項(xiàng)新的技術(shù)被研發(fā)出來，其實(shí)研究人員是非常希望能夠盡快地將其應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中的，這樣才能看到不足，才能更好地進(jìn)行下一步的研究。但是在當(dāng)下，企業(yè)又非常希望所得到的研究成果可以直接使用并立刻產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。這其實(shí)是一個矛盾，如何解決這個矛盾需要企業(yè)與院校的共同努力，需要科研人員與工程技術(shù)人員的合作。二者要互相信任、相互支持，深入溝通，發(fā)現(xiàn)問題并且共同去解決。目前我國的學(xué)校企業(yè)在這方面已經(jīng)做了不少工作，再加上政府的支持，政策的引導(dǎo)，相信我國的制造行業(yè)會發(fā)展很快，做大做強(qiáng)將不再只浮于表面、是一句口號，我國會真正地成為制造強(qiáng)國。

限于篇幅，趙教授在采訪中講到的很多東西都未能一一完全展現(xiàn)給讀者，但一場采訪下來，趙教授給筆者的感受是:這是一名真正的學(xué)者，又不僅僅是學(xué)者。