從實(shí)踐中來 到實(shí)踐中去——訪北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院副院長劉志峰教授

本刊記者/Reporters 李 靜/LI Jing，劉文元/LIU Wenyuan

撰稿/Author 劉文元/LIU Wenyuan

特種加工亦稱“非傳統(tǒng)加工”或“現(xiàn)代加工方法”，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，從而實(shí)現(xiàn)材料被去除、變形 、改變性能或被鍍覆等。特種加工近幾十年發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)加工方式相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此我刊近些年也一直將特種加工技術(shù)列為主題欄目，采訪了不少的專家，從不同的角度來詮釋特種加工的發(fā)展和研究內(nèi)容。本期我刊記者采訪了北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院的副院長劉志峰教授。

校企合作 獲益良多

北京工業(yè)大學(xué)承擔(dān)了一大批包括國家自然科學(xué)基金、“973”計(jì)劃、“863”計(jì)劃、科技支撐計(jì)劃在內(nèi)的國家和北京市重大、重點(diǎn)項(xiàng)目。劉教授作為青年的科研骨干專家，也承擔(dān)了很多的課題研究，其中不乏與企業(yè)合作的項(xiàng)目。其中包括一個(gè)今年年底將要結(jié)題的“大行程（1 100 mm）數(shù)控單向慢走絲線切機(jī)床樣機(jī)研制”，還有一個(gè)正在進(jìn)行中的“高性能電火花成形機(jī)床理論研究及分析”。

談及校企合作的兩個(gè)特種加工項(xiàng)目，劉教授講到，“大行程（1 100 mm）數(shù)控單向慢走絲線切機(jī)床樣機(jī)研制”是與一個(gè)民營企業(yè)共同合作的。目前該企業(yè)用銅絲做慢走絲，精度完全可以達(dá)到μ 級(jí)。而北京工業(yè)大學(xué)則重點(diǎn)解決其中的兩個(gè)問題，首先是在整體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行建模和有限元分析，其次就是重點(diǎn)解決熱造成的變形。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)分析，采集溫度變化所造成上下絲架的未知變化，最后得出銅絲在空間中的變化。而這些數(shù)據(jù)經(jīng)過測(cè)試和分析之后若基本吻合，就可以說建模和所采用的數(shù)據(jù)是可信的，從而總結(jié)銅絲位置隨溫度變化的規(guī)律，然后反饋給系統(tǒng)，因此，硬件方面根本無需調(diào)整，只需在數(shù)控系統(tǒng)中將誤差補(bǔ)償回來即可。

而從“高性能電火花成形機(jī)床理論研究及分析”項(xiàng)目中則可以明顯看出特種加工的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在加工鈦合金等特殊材料時(shí)，盡管傳統(tǒng)的金切機(jī)床可以完成，但是主要靠五軸聯(lián)動(dòng)，公式成本和去除的材料非常多；同時(shí)，刀具還應(yīng)比工件的硬度高，這就對(duì)刀具也提出了更高的要求；盡管最終可以加工出想要的形狀，但一段時(shí)間之后，殘余應(yīng)力的釋放和金屬件的恢復(fù)會(huì)使工件產(chǎn)生形變，并失去原來的表面光潔度和精度。而電火花加工則能加工普通切削加工方法難以切削的材料和復(fù)雜形狀工件；加工時(shí)無切削力；不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝紋等缺陷；工具電極材料無需比工件材料硬；直接使用電能加工，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在表面微細(xì)加工時(shí)效果很好。

劉教授認(rèn)為學(xué)校與企業(yè)的深度合作，對(duì)學(xué)校本身可謂獲益良多。在高校中主要是理論和基礎(chǔ)研究，但研究對(duì)象卻直接來源于企業(yè)。因?yàn)楦咝Ｓ行酆竦睦碚摶A(chǔ)，企業(yè)帶著問題前來咨詢，高?？梢詭退麄儼呀?jīng)驗(yàn)變成方法性的、能長期使用的成果；同時(shí)，也能夠把企業(yè)已經(jīng)做成的事情，通過參量化的設(shè)計(jì)和分析使其變形并用于指導(dǎo)實(shí)踐，保證變形后的實(shí)踐能夠成功。另外，北工大有很豐富的設(shè)計(jì)資源、分析資源和測(cè)試資源，這樣企業(yè)就不需要在這些方面投入很大。

在跟企業(yè)的合作中，學(xué)校最重要的是能得到真實(shí)的問題。因?yàn)樵陬^腦中想到和在文獻(xiàn)中看到的問題與企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題是不同的，后者直接來源于生產(chǎn)實(shí)踐。因此，帶著具有實(shí)踐意義的問題去做項(xiàng)目，而非紙上談兵，不僅對(duì)于培養(yǎng)人才大有裨益，同時(shí)經(jīng)過理論的改造和提升之后，也可以做出高水平的成果。

抓住機(jī)遇 面向未來

傳統(tǒng)的金屬加工機(jī)床分為很多系列，能達(dá)到很高的精度，但是在加工過程中受力和熱的影響非常大，不同材料和刀具的配合與其加工效果密切相關(guān)。而特種加工機(jī)床對(duì)材料范圍屬性的要求較小，對(duì)不同材料的加工性較好，非接觸加工無需接觸工件表面，對(duì)表面殘余應(yīng)力和表面精細(xì)控制很好，并且可以幾種形式混合加工，形成復(fù)合加工工藝，達(dá)到一個(gè)更好的加工效果。劉教授說，這是特種加工的明確優(yōu)勢(shì)，但是也存在加工效率低的問題。例如慢走絲加工機(jī)床、電火花加工機(jī)床等做精加工完全沒問題，但如果批量加工零件時(shí)仍然是傳統(tǒng)加工機(jī)床占優(yōu)勢(shì)，特種加工機(jī)床在效率上有明顯的差距。

在談到中國的特種加工所達(dá)到的水平時(shí)，劉教授引用了“技術(shù)就緒度”的概念，它分為9 級(jí)，國外可能已經(jīng)達(dá)到了7 級(jí)或8 級(jí)，中國目前差距還是非常明顯的。中國出口的特種加工機(jī)床主要是中低端產(chǎn)品，這種情況和金切加工機(jī)床是一樣的。但是這并不能說明中國的特種加工機(jī)床甘為人后。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)加工機(jī)床中數(shù)控系統(tǒng)非常關(guān)鍵，我國傳統(tǒng)加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，質(zhì)量好的基本上都是國外的；而我國特種加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)很多都是自主研發(fā)，所以在這方面完全可以突破、實(shí)現(xiàn)自主化，而不用像傳統(tǒng)加工機(jī)床那樣只是跟著國外跑。但是這個(gè)系統(tǒng)也要涉及到標(biāo)準(zhǔn)、體系和規(guī)范化，目前還沒有確立起來，不像傳統(tǒng)加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的幾大流派已經(jīng)基本定型。所以特種加工機(jī)床領(lǐng)域，在這方面跑在前面，對(duì)于占據(jù)行業(yè)影響力的制高點(diǎn)是非常重要的。

劉教授認(rèn)為特種加工的發(fā)展主要有兩方面值得一提，一是電加工機(jī)床，不僅在歷史上，而且在現(xiàn)在和未來都仍然會(huì)是特種加工機(jī)床行業(yè)的領(lǐng)頭羊。第二個(gè)新增長點(diǎn)則是作為3D 打印基礎(chǔ)的激光加工機(jī)床。

中國正在制定“中國制造2025”規(guī)劃，即到2025年步入制造強(qiáng)國行業(yè)，到2035 年時(shí)趕超德國、日本。然而，中國制造業(yè)大而不強(qiáng)主要有4 個(gè)原因：一是自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)；二是產(chǎn)品質(zhì)量問題還比較突出；三是資源效率利用比較低，能耗比較高，污染比較嚴(yán)重；四是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不是很合理，低端產(chǎn)品產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，高端產(chǎn)品能力比較差。對(duì)于這些問題，一個(gè)產(chǎn)業(yè)、及其制定行動(dòng)的綱領(lǐng)和行動(dòng)的計(jì)劃是可以解決的。我們應(yīng)了解國內(nèi)外特種加工制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，抓住“中國制造2025”這一寶貴的歷史機(jī)遇，將我國的制造業(yè)提升到新的水平，為更好地實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的“中國夢(mèng)”保駕護(hù)航！