不懈努力 攻克技術(shù)難題——訪北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院關(guān)佳亮教授
2014-04-27 13:07:04Reporter李靜LIJing
制造技術(shù)與機床 2014年7期
本刊記者/Reporter 李靜/LI Jing
關(guān)佳亮：男，1964年生，北京工業(yè)大學(xué)教授。曾經(jīng)在1990～1995年在哈爾濱理工大學(xué)現(xiàn)代制造研究所從事科研和教育工作；1990～1992年從事對俄經(jīng)貿(mào)工作，先后擔(dān)任俄文翻譯、總經(jīng)理助理和部門經(jīng)理等職；然后在哈爾濱工業(yè)大學(xué)和大連理工大學(xué)攻讀博士以及博士后；2000開始一直在北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院從事科研和教育工作，擔(dān)任碩士生導(dǎo)師。
曾獲全國第十一屆磨削技術(shù)會議優(yōu)秀論文獎、北京工業(yè)大學(xué)第三屆青年教師優(yōu)秀論文一等獎。現(xiàn)任中國機械工程金屬切削刀具協(xié)會切削先進技術(shù)研究分會委員會委員、中日超精密加工會議(CJUMP)學(xué)術(shù)委員會委員、光整加工及表面技術(shù)國際會議(ICSFT)學(xué)術(shù)委員會委員、國家“211工程”學(xué)科平臺建設(shè)項目“面向納米級精度超精密磨削技術(shù)的研究”的項目負責(zé)人。
本期的技術(shù)主題是特種加工技術(shù)，北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院的關(guān)佳亮教授恰好近期正在進行幾項相關(guān)的的課題研究，為此，我刊記者采訪了關(guān)教授。關(guān)教授最近可謂忙碌，他的幾個和企業(yè)合作的科研課題同時展開，其中有與北京工研精機股份有限公司聯(lián)合申報的國家科技重大專項《大直徑端面透鏡模具超精密加工機床及加工工藝的研究》，以及《特殊晶體材料單點金剛石飛刀切削超精密機床及加工工藝的研究》，還有與北京衛(wèi)星制造廠合作的預(yù)研項目《典型難加工材料精密/超精密加工技術(shù)的研究》。
扎實做課題
提到技術(shù)研究，課題的話題，關(guān)教授侃侃而談，充滿了自信。他給我們分別詳細介紹了目前的幾個重點課題。
《大直徑端面透鏡模具超精密加工機床及加工工藝的研究》主要研究目標(biāo)為：針對太陽能發(fā)電站集熱元件、超薄背投電視屏幕以及高精度大尺寸同心圓零件加工的迫切需求，研制出一臺大直徑端面微結(jié)構(gòu)超精密加工機床（最大直徑≧ф2.0 m），實現(xiàn)菲涅爾透鏡模具加工。通過開展大面積微結(jié)構(gòu)加工關(guān)鍵技術(shù)的研究，實現(xiàn)清潔、環(huán)保、節(jié)能等零件的高效、精密加工，并在用戶生產(chǎn)中實現(xiàn)應(yīng)用。該課題是由北京工研精機股份有限公司負責(zé)機床總體設(shè)計，包括基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)，關(guān)鍵部件研制等；北京工業(yè)大學(xué)主要負責(zé)大直徑菲涅爾透鏡模具超精密加工工藝技術(shù)的理論和實驗研究?，F(xiàn)階段已完成課題申報目標(biāo)要求，完成大直徑菲涅爾透鏡模具超精密加工工藝及理論的研究，提高了切削效率、降低了刀具的磨損，可有效地提高模具的加工表面質(zhì)量，為大直徑菲涅爾透鏡模具加工奠定了理論基礎(chǔ)。
《特殊晶體材料單點金剛石飛刀切削超精密機床及加工工藝的研究》主要是開發(fā)完成采用金剛石單點加工方法，對于特殊晶體材料進行單點飛刀切削加工的超精密機床，以滿足航空、航天領(lǐng)域零件加工的需要，形成此類機床的小批量生產(chǎn)能力。關(guān)教授說道，目前這項課題也取得了一些成果。
另外一個《典型難加工材料精密/超精密加工技術(shù)的研究》則是結(jié)合北京衛(wèi)星制造廠在航空航天關(guān)鍵零部件生產(chǎn)過程中遇到的鈮合金、鈦合金和SiCp/Al等難加工材料加工制造難題而設(shè)立的。SiCp/Al（鋁基碳化硅）復(fù)合材料具有高比強度和比模量、耐磨損、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定等一系列優(yōu)點，己成為鋁合金、部分鈦合金、鈹合金的最佳替代材料，被廣泛應(yīng)用在航空、航天、汽車等領(lǐng)域。傳統(tǒng)切削加工過程中，鋁合金基體局部熔化，生成積屑瘤，使刀具前角大大減小，增加了前刀面磨損，同時基體中的SIC粉末硬度、強度都很高，進一步增大了對刀具的磨損，致使刀具在短時間內(nèi)變鈍，造成粗糙度下降，難以獲得高質(zhì)量的加工表面，相應(yīng)的形位、尺寸公差很難保證。關(guān)教授說針對這一加工難題，采用在線電解修整ELID（Electrolytic In-process Dressing）金屬基超硬磨料超微細粒度砂輪的超精密鏡面磨削技術(shù)，利用在線電解的微量修整作用，使得微米級、亞微米級甚至納米級超微細粒度砂輪在磨削過程中始終保持良好的切削性，充分發(fā)揮了超微細粒度砂輪穩(wěn)定的微量切削作用，實現(xiàn)了工程陶瓷、光學(xué)玻璃、硬質(zhì)合金、單晶硅、鐵氧體、模具鋼等諸多難加工材料的高效超精密鏡面磨削，表面粗糙度可達Ra3～5 nm。該技術(shù)具有效率高、精度高、表面質(zhì)量好、加工裝置簡單及加工材料適應(yīng)性廣等特點，實現(xiàn)了以磨代研、代拋的工藝革命，被國際上最權(quán)威的制造技術(shù)組織——CIRP評價為“21世紀(jì)的超精密加工技術(shù)”。
嚴謹談理論
關(guān)教授說自上世紀(jì)60年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，很多工業(yè)部門的尖端科技產(chǎn)品向高精度、高速度等方向發(fā)展，所使用的材料愈來愈難加工，零件形狀愈來愈復(fù)雜，表面精度、粗糙度和某些特殊要求也愈來愈高。使用傳統(tǒng)的加工技術(shù)已經(jīng)難以實現(xiàn)，因此在生產(chǎn)中便出現(xiàn)了一些特種加工方法。如電火花加工、電化學(xué)加工、激光加工、超聲加工和化學(xué)加工等。它們的共同特點是不主要依靠機械能，而且工具硬度可以低于被加工材料的硬度。所以就整體而言，特種加工可以加工任何硬度、強度、韌性、脆性的金屬或非金屬材料，且專長于加工復(fù)雜、微細表面和低剛度零件，同時有些加工還可以用于進行超精加工、鏡面光整加工和納米級（原子級）加工。
關(guān)教授還說特種加工與一般機械切削加工相比，有其獨特的優(yōu)點，在某種場合上，它是一般機械切削加工的補充，擴大了機械加工的領(lǐng)域。比如不用機械能，與加工對象的機械性能無關(guān)，利用熱能、化學(xué)能、電化學(xué)能等，來加工各種硬、軟、脆、熱敏、耐腐蝕、高熔點、高強度、特殊性能的金屬和非金屬材料。特種加工是非接觸加工，不一定需要工具，有的雖使用工具，但與工件不接觸， 因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使剛性極低元件及彈性元件得以加工。另外可以進行微細加工，工件表面質(zhì)量高，有些特種加工 ，如超聲、電化學(xué)、水噴射、磨料流等，加工余量都是微細進行，故不僅可加工尺寸微小的孔或狹縫，還能獲得高精度、極低粗糙度的加工表面。特種加工也不存在加工中的機械應(yīng)變或大面積的熱應(yīng)變，可獲得較低的表面粗糙度，其熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化等均比較小，尺寸穩(wěn)定性好。
但是關(guān)教授也說了我們也不能完全拋棄傳統(tǒng)技術(shù)，現(xiàn)代工藝中采取兩種或兩種以上的不同類型的能量可相互組合形成新的復(fù)合加工，其綜合加工效果更加明顯，且便于推廣使用。
大膽談?wù)雇?/h2>
在談到特種加工技術(shù)的發(fā)展趨勢時，關(guān)教授說廣泛采用自動化技術(shù)、利用計算機實現(xiàn)對特種加工設(shè)備的控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)的自動控制，建立特種加工的系統(tǒng)，這是當(dāng)前特種加工的主要發(fā)展趨勢，開發(fā)由不同特種加工技術(shù)復(fù)合而成的加工方法， 以揚長避短提高經(jīng)濟效益和生產(chǎn)率，另外還應(yīng)著重于新的工藝方法的研究，不斷提高加工工藝水平?？紤]到一些特種加工技術(shù)對環(huán)境的污染問題，必須要著重解決廢渣、廢氣、廢液的 “三廢”轉(zhuǎn)化問題，向“綠色”工業(yè)及可持續(xù)發(fā)展工業(yè)轉(zhuǎn)化。
在世界經(jīng)濟一體化的進程中，制造技術(shù)不斷汲取、滲透和融合計算機、信息、自動化、材料、生物及現(xiàn)代管理等方面的成果，使傳統(tǒng)意義上的制造技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，形成了現(xiàn)代先進制造技術(shù)的新體系。微納制造、3D打印等眾多新興的先進制造技術(shù)推動著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并使制造業(yè)產(chǎn)生歷史性的變革。將這些先進制造技術(shù)綜合應(yīng)用于制造業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、在線檢測、營銷服務(wù)和管理的全過程，以實現(xiàn)信息化、自動化、智能化、柔性化、生態(tài)化生產(chǎn)。我們應(yīng)抓住機遇，了解我國機械制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，把握現(xiàn)代機械制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，使我國現(xiàn)代制造業(yè)與世界發(fā)達國家站在同一起跑線上，取得更大的社會和經(jīng)濟效益。
