高 性 能 精 密 制 造

郭東明

大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連，116024

0 引言

航空、航天、海洋開發(fā)、深空探測，以及大科學(xué)裝置等國家重大工程的建設(shè)與發(fā)展，對零件提出了一系列前所未有的性能要求。高性能航空發(fā)動機(jī)的研制需要葉片等核心部件更加輕質(zhì)，且具有更高的耐熱溫度和抗疲勞特性。航空、核電等裝備的長期運(yùn)行要求其超大型鍛件、高速運(yùn)動部件等具有優(yōu)異的抗磨損、耐腐蝕、耐疲勞特性，即具備超長使役可靠性。

在工業(yè)裝備輕量化設(shè)計(jì)，以及人工生物組織、功能材料零件等的設(shè)計(jì)中存在大量的宏觀、細(xì)觀，甚至微觀的幾何特征，這對制造技術(shù)提出了更高要求?！蹲匀弧冯s志宣稱摩爾定律將走向盡頭，同時(shí)Intel宣布放棄使用硅制造7 nm線寬器件，面向微電子需求的非硅材料超精密加工已成為現(xiàn)實(shí)問題。

另外，光學(xué)工程、激光通信、紅外探測、激光核聚變等工程領(lǐng)域的高端應(yīng)用，對高性能光學(xué)器件提出了越來越高的性能要求；在無線電導(dǎo)航和探測方面，為滿足隱身、輕量化等要求，設(shè)計(jì)中需采用與蒙皮一體化的共形天線取代依靠俯仰掃描運(yùn)動的導(dǎo)引天線；在電磁波傳輸方面，為提高雷達(dá)搜索效率和精度，需要使用具有頻率選擇功能、帶通/帶隙功能，甚至遵從左手定則的非常規(guī)電磁材料；高精度、高靈敏度水聲探測需要大幅度提高壓電陶瓷傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)化效率，并能夠?qū)崿F(xiàn)嘈雜環(huán)境中的特定音頻信號的快速定位；存在于神話故事中的隱身斗篷(即能夠?qū)崿F(xiàn)可見光隱身)的研制也必須使用能夠?qū)崿F(xiàn)光線負(fù)折射的功能材料；高超聲速飛行器及空天飛機(jī)的氣動加熱問題，對熱氣動彈性主動控制結(jié)構(gòu)、智能熱控結(jié)構(gòu)等提出了更加苛刻的要求；未來飛行器設(shè)計(jì)方面，隱身、主動氣動彈性、智能蒙皮等概念的提出，要求飛機(jī)能夠?qū)鞲?、使能、承載等功能與結(jié)構(gòu)完美結(jié)合；新能源等高技術(shù)領(lǐng)域中，為更好實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、運(yùn)動減阻、防滑、油水分離、自清潔等功能要求，需要采用高性能表面以提高效率。

傳統(tǒng)裝備及零件的設(shè)計(jì)與制造是在選定材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行零件幾何設(shè)計(jì)、公差確定與制造實(shí)現(xiàn)的過程，零件的性能與其尺寸精度往往表現(xiàn)為線性相關(guān)。傳統(tǒng)制造方法按精確設(shè)計(jì)的零件幾何尺寸及公差要求制造出零件，即可滿足零件性能要求。但僅以幾何尺寸公差為關(guān)注點(diǎn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造理念，難以滿足航空、航天、電子技術(shù)等領(lǐng)域一批關(guān)鍵件的高性能制造需求。傳統(tǒng)裝備及零件設(shè)計(jì)制造面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1 高性能零件內(nèi)涵

高性能需求要求零件以透波、傳熱、導(dǎo)流、動力學(xué)等性能為主要制造指標(biāo)，因此，高性能零件具有以下主要特征：①曲面復(fù)雜；②具有材料超硬、超脆、超黏等難加工特征；③精度要求高；④性能受幾何、材料等多因素影響。因此，高性能零件的制造是傳統(tǒng)制造模式難以滿足的，高性能制造成為學(xué)科發(fā)展的迫切需求[1]。

對于零件而言，從不同的角度，可分為不同的類型(表1)。不同類型的交叉組合構(gòu)成了性能多樣的結(jié)構(gòu)功能一體化高性能零件。獲得理想材料零件(IFMC)是人類長久以來的期望，這些零件的特點(diǎn)是：不一定由單一或均質(zhì)材料構(gòu)成(多種材料復(fù)合融合制造)；按照零件的最佳使用功能即材料、結(jié)構(gòu)、功能一體化的要求來設(shè)計(jì)制造，是由理想材料所構(gòu)成的理想材料零件(控制基因仿生生長制造)；制造過程中需要采用增材制造、增減材復(fù)合制造技術(shù)或仿生制造技術(shù)(蓋房子式的制造)。

表1 零件分類方式Tab.1 The classification of parts

在學(xué)科當(dāng)前發(fā)展階段，高性能制造(高性能零件的制造)面臨如下主要問題：零件的幾何精度滿足要求，但其性能指標(biāo)達(dá)不到要求；零件的高性能要求導(dǎo)致材料/結(jié)構(gòu)特殊，或精度要求極高，傳統(tǒng)加工方法往往無能為力或很難加工出符合要求的零件；高性能零件的性能參數(shù)與其幾何和材料特性等參數(shù)間呈非線性關(guān)系，可用公式表達(dá)如下：

Φ=Φ(m,g,a, …)

其中，Φ為性能目標(biāo)；m為材料參數(shù)(函數(shù))；g為幾何參數(shù)；a為工藝相關(guān)參數(shù)。

高性能制造以高端性能的精準(zhǔn)保證為核心，是面向性能的反求制造，是定量定域定式的數(shù)字化制造。

2 高性能制造(高性能零件制造)的分類

2.1 性能與幾何精度為線性關(guān)系的高性能零件制造

2.1.1第Ⅰ類——復(fù)雜結(jié)構(gòu)約束類的精密復(fù)雜曲面零件

復(fù)雜結(jié)構(gòu)約束類的精密復(fù)雜曲面零件主要指復(fù)雜薄壁的低剛度精密零件，如飛機(jī)壁板和框梁、整體渦輪和葉盤、火箭推進(jìn)劑貯箱和火箭發(fā)動機(jī)噴管等。此類零件在制造過程中存在諸多難點(diǎn)，如切削加工過程中存在加工變形、切削干涉或切削顫振，精度難以保證。相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：①加工軌跡優(yōu)化計(jì)算——路徑規(guī)劃與優(yōu)化；②切削力建模計(jì)算——精確預(yù)測與控制；③變形預(yù)測建模計(jì)算——加工變形補(bǔ)償；④加工系統(tǒng)顫振抑制。在飛機(jī)壁板和框梁的加工方面，浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等都開展了大量富有成效的工作[2-5]。在高性能復(fù)雜曲面的精密高效加工方面，大連理工大學(xué)也取得了重要進(jìn)展[6-8]。

下面以火箭共底構(gòu)件、發(fā)動機(jī)噴管和火箭推進(jìn)劑貯箱為例，說明加工此類零件的技術(shù)難度，具體見表2。

表2 典型高性能零件加工難點(diǎn)Tab.2 Difficulties in machining typicalhigh-performance parts

通過采用大型復(fù)雜曲面“測量—曲面再設(shè)計(jì)—數(shù)字化加工”一體化等加工方法，國內(nèi)已研發(fā)出相關(guān)專用裝備并得到應(yīng)用，從而打破了國外技術(shù)封鎖，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

2.1.2第Ⅱ類——難加工材料類的高性能零件

難加工材料類的高性能零件主要是指通過特殊的難加工材料和較高幾何精度來保證高性能的零件，如C/E或C/C復(fù)合材料構(gòu)件、功能陶瓷等脆性材料、高溫合金材料零件等。其加工難點(diǎn)是：材料特性極端，表現(xiàn)為超硬、超脆、超黏或超軟等特性，材料去除機(jī)理不明。其關(guān)鍵技術(shù)包括：材料去除機(jī)理(材料微觀斷裂機(jī)理)，先進(jìn)工藝(多能量耦合的加工工藝)，高性能刀具(刀具結(jié)構(gòu)、材料及處理方法)。

例如，先進(jìn)復(fù)合材料(碳纖維、芳綸纖維)具有比強(qiáng)度高、比剛度高、抗沖擊性和電磁特性好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航天、武器裝備等領(lǐng)域的高性能零部件的制造。但先進(jìn)復(fù)合材料零件加工的主要問題是：加工損傷易發(fā)，加工效率低，缺陷難以預(yù)測，性能難以準(zhǔn)確計(jì)算。先進(jìn)復(fù)合材料零件的性能特征和加工特征見表3。

表3 先進(jìn)復(fù)合材料零件的性能特征和加工特征Tab.3 Machining features and performancefeatures of advanced composite parts

服役可靠性和批產(chǎn)需求對大型復(fù)合材料構(gòu)件的加工質(zhì)量、加工穩(wěn)定性和加工效率提出了極高的要求。如何實(shí)現(xiàn)大型復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)高效加工是一個(gè)國際性的難題，涉及的主要問題包括材料如何去除、損傷如何抑制、溫度如何控制；主要影響因素包括高性能工具、高適應(yīng)性工藝、高性能碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字加工裝備。

2.1.2.1 碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)高效加工技術(shù)

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(以下簡稱“碳纖維復(fù)合材料”)輕質(zhì)、高強(qiáng)度，對于“一克重就是一克金”的航空、航天、交通等領(lǐng)域高端裝備減重增效來說，具有非同尋常的意義。由于碳纖維復(fù)合材料細(xì)觀呈多相混合態(tài)、宏觀層疊、各向異性，加工中在力、熱的作用下，與金屬等各向同性均質(zhì)材料相比，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的失效行為及去除機(jī)理迥異，傳統(tǒng)加工理論和技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高性能要求的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)高效加工，嚴(yán)重制約了碳纖維復(fù)合材料的推廣與應(yīng)用。

大連理工大學(xué)在碳纖維復(fù)合材料切削原理研究方面取得重大突破：揭示了碳纖維復(fù)合材料加工去除機(jī)理和加工損傷產(chǎn)生機(jī)制，建立了適合碳纖維復(fù)合材料加工的新切削理論體系；在碳纖維復(fù)合材料加工損傷抑制原理上，提出了微刃力小化抑制損傷原理，實(shí)現(xiàn)加工過程的“微元去除”；通過巧妙設(shè)計(jì)工具以及切削運(yùn)動的配合，發(fā)明了“反向剪切”原理，實(shí)現(xiàn)表層纖維有效切斷；基于“微元去除”和“反向剪切”原理，先后發(fā)明三類9個(gè)系列的制孔、銑削等加工刀具，加工損傷由原來的幾十毫米、幾毫米量級減至0.1 mm以內(nèi)；在切削工藝研究方面，揭示出碳纖維復(fù)合材料切削質(zhì)量隨溫度的變化規(guī)律，發(fā)明了負(fù)壓逆向冷卻和具有自風(fēng)冷排屑功能的系列加工工藝。

2.1.2.2 先進(jìn)復(fù)合材料零件超聲銑磨工藝

采用普通磨削方法加工航天C/C復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)存在以下問題：磨削力大、溫度高，加工缺陷和熱損傷嚴(yán)重，加工質(zhì)量差；砂輪堵塞嚴(yán)重，使用壽命低；加工效率低。而采用超聲輔助銑磨工藝加工上述復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)，可獲得較好的加工效果，目前，該工藝已在多家企業(yè)得到應(yīng)用[9]。

2.1.2.3 先進(jìn)復(fù)合材料零件切削工藝

飛船返回艙等蜂窩和低密度耐燒蝕復(fù)合材料構(gòu)件在高速銑削和磨削時(shí)存在下述問題：精度低，質(zhì)量差；加工效率低；刀具磨損快；粉塵污染嚴(yán)重。蜂窩芯加工中存在邊緣撕裂，孔格變形、毛刺，以及孔格壓塌等問題。針對此，康仁科等[10]開發(fā)出了蜂窩芯構(gòu)件超聲切削加工技術(shù)及相應(yīng)裝備。

2.1.2.4 先進(jìn)復(fù)合材料零件加工工藝裝備

大連理工大學(xué)研發(fā)出13臺套高性能碳纖維復(fù)合材料數(shù)控加工工藝裝備，成為我國航空航天多個(gè)重點(diǎn)型號關(guān)鍵復(fù)合材料構(gòu)件加工的唯一裝備，實(shí)現(xiàn)了從無法加工或手工加工到低損傷數(shù)字化加工的跨越。相關(guān)成果已在多家企業(yè)應(yīng)用，突破了某新型航天裝備艙段、某飛行器筒段、某系列直升機(jī)旋翼、某重型飛機(jī)調(diào)節(jié)板、大型客機(jī)機(jī)身筒段試驗(yàn)件、高鐵車身試驗(yàn)件等關(guān)鍵復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)高效加工難題，打破了國外封鎖。

上述成果為國家重大工程順利實(shí)施提供了技術(shù)支撐。

2.1.3第Ⅲ類——超高精度類的高性能零件

超高精度類的高性能零件主要指超高精度的微電子/光電子基片和光學(xué)鏡片，長度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器件等。此類零件的加工難點(diǎn)是：如何獲得塑性化(延性域)去除的納米級切深閾值，實(shí)現(xiàn)塑性化加工，避免產(chǎn)生微裂紋損傷；如何通過化學(xué)物理復(fù)合作用，實(shí)現(xiàn)新原理的亞納米級材料去除，獲得無損傷超光滑表面；如何實(shí)現(xiàn)大口徑高面形精度表面高效加工。此類零件的加工目標(biāo)是獲得高表面完整性和超高幾何精度。

2.1.3.1 超高精度表面零件磨削加工

材料去除的脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)制和損傷控制方法研究的目的是獲得超高精度表面，該科學(xué)問題是國際上的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。單點(diǎn)金剛石納米切深劃擦試驗(yàn)是研究材料去除機(jī)理和損傷控制方法的重要手段。目前基于納米壓痕儀、原子力顯微鏡、微移動平臺的納米深度劃擦法的劃擦速度在μm/s和mm/s量級，這與實(shí)際的加工速度m/s量級相差3～6個(gè)數(shù)量級[11]。

針對此，張振宇等[11-12]提出了單點(diǎn)金剛石納米切深高速磨削劃擦新方法。亞微米曲率半徑金剛石針尖制備工藝流程如下：超精密磨削—粗拋—精拋—聚焦離子束。目前，已研制出單顆金剛石磨粒磨削試驗(yàn)裝置，以及亞微米曲率半徑金剛石針尖的可設(shè)計(jì)單顆粒金剛石砂輪，實(shí)現(xiàn)了單粒、單點(diǎn)金剛石砂輪納米磨削深度高速劃擦磨削，獲得了深度由0～1 μm連續(xù)變化的超長劃痕(長深比>105)，可觀測切深變化時(shí)材料的脆性-延性轉(zhuǎn)變；提出了延性域磨削的判斷依據(jù)：塑性切屑+表面/亞表面無微觀裂；發(fā)現(xiàn)了系列新現(xiàn)象，即磨削硅片亞表面無晶體損傷、無高壓相，只有非晶層。

基于脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)制及損傷控制方法，張振宇等[13]研制了超細(xì)金剛石砂輪，提出了機(jī)械化學(xué)磨削新方法[14]，其損傷層厚度僅為50 nm，與理論仿真結(jié)果一致；在主軸進(jìn)給速度為15 μm/min條件下仍然可以將損傷層厚度控制到50 nm，實(shí)現(xiàn)了高效低損傷超精密磨削。

2.1.3.2 大尺寸平面光學(xué)元件超精密加工

藍(lán)寶石窗口和基片超精密加工面臨的問題是：傳統(tǒng)游離磨粒研磨/拋光加工工藝的加工精度和表面質(zhì)量不穩(wěn)定。為此，康仁科等[15]提出了軟磨料機(jī)械化學(xué)磨削新工藝，并開發(fā)了相應(yīng)裝備。

2.1.3.3 超高精度銅表面的超精密加工

高性能銅表面是目前微納器件、合金薄膜和石墨烯生長的重要襯底，如何獲得超平滑無損傷銅表面是超精密加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)有的電化學(xué)拋光技術(shù)(ECP)存在如下問題：表面粗糙度Ra為5～8 nm，無整平能力；實(shí)現(xiàn)可靠供電和保證電場均勻十分困難。

周平等提出的電致化學(xué)拋光(EGCP)技術(shù)[16]利用擴(kuò)散控制反應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)了工件表面材料高點(diǎn)優(yōu)先去除，獲得了超平滑銅表面。EGCP技術(shù)的優(yōu)勢是：表面粗糙度可達(dá)Ra1.35 nm，同時(shí)具有拋光和整平能力；對工件無導(dǎo)電性要求。

2.2 性能與幾何精度為非線性關(guān)系的高性能零件制造

性能與幾何精度為非線性關(guān)系的高性能零件的制造特征是：性能、材料和幾何等參數(shù)間往往呈復(fù)雜的耦合關(guān)系,其間的復(fù)雜關(guān)系建模是實(shí)現(xiàn)科學(xué)制造的關(guān)鍵；定量定域定式的數(shù)字化制造；測量加工一體化的制造過程和相應(yīng)制造裝備；結(jié)構(gòu)、材料、功能一體化。

2.2.1第Ⅳ類——超高性能要求的精密復(fù)雜曲面零件

超高性能要求的精密復(fù)雜曲面零件主要指性能要求特別高、以性能為第一制造指標(biāo)的精密零件，如高性能天線罩、火箭共底構(gòu)件、飛行器氣動彈性縮比風(fēng)洞模型、精密陀螺半球諧振子和高速轉(zhuǎn)子等。

類似天線罩、飛機(jī)氣動彈性模型等高性能零件，其制造已形成了綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)與性能耦合關(guān)系，利用幾何特征調(diào)整修正性能誤差的制造方法。

2.2.1.1 高性能天線罩的精密制造

高性能天線罩的精密制造采用面向電性能的逐點(diǎn)可控去除的精密修磨新工藝，即根據(jù)每個(gè)天線罩的實(shí)際電性能誤差ΔΦ1，通過精密修磨加工陶瓷天線罩內(nèi)廓面，逐點(diǎn)調(diào)整各點(diǎn)幾何厚度Δh，實(shí)現(xiàn)對電性能誤差修正補(bǔ)償，任意區(qū)域去除精度可達(dá)μm級。目前研發(fā)出的幾何和電性能測試、逐點(diǎn)可控精密磨削的成套工藝技術(shù)和系列裝備已用于多種產(chǎn)品的研制和批產(chǎn)，電性能計(jì)算模型與反求軟件已應(yīng)用于十多種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制中。

2.2.1.2 飛行器風(fēng)洞顫振試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圍繞飛行器顫振模型開展的風(fēng)洞試驗(yàn)是飛行器研制過程中的必要環(huán)節(jié)，顫振模型性能的優(yōu)劣是決定風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵因素。根據(jù)相似理論，顫振試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨毚_保幾何外形、多階模態(tài)、剛度特征以及質(zhì)量分布與原機(jī)精確相似，是一種典型的具有高性能精度要求的產(chǎn)品，若以幾何精度為目標(biāo)的金屬制造，往往會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超重(最高可達(dá)100%)，頻率最大誤差也大大超出設(shè)計(jì)要求。

由于復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能和可設(shè)計(jì)性，有學(xué)者立足于結(jié)構(gòu)剛度相似性，提出了復(fù)合材料顫振模型的設(shè)計(jì)方法[17-18]，進(jìn)而針對復(fù)合材料顫振模型性能的制造誤差等問題，基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的增材制造特點(diǎn)，提出了顫振模型的基于負(fù)偏差控制的模型結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)方法和基于局部修正的模型性能誤差修正技術(shù)[19-20]，形成了面向復(fù)合材料顫振模型性能精確性要求的制造理論[21]。

圖1 顫振模型制造技術(shù)流程Fig.1 The technical flow scheme of flutter model

圖2示出了基于局部剛度調(diào)整的模型模態(tài)誤差反求修正加工方法的基本原理,其中，di、θi分別為貼補(bǔ)區(qū)域的鋪層厚度和鋪層角度。

圖2 模型模態(tài)誤差的反求修正方法Fig.2 The error-correction method of the modal model

目前，大連理工大學(xué)已研制成功一系列飛行器顫振試驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲邪ㄎ覈讉€(gè)全機(jī)跨音速顫振模型、某超大展弦比機(jī)翼顫振模型等，并相繼成功應(yīng)用于大型客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、高機(jī)動飛機(jī)、高級教練機(jī)、先進(jìn)無人機(jī)及新型飛行器等的風(fēng)洞試驗(yàn)。

2.2.2第Ⅴ類——基于跨尺度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高性能的零件/器件/微系統(tǒng)

具有跨尺度微納結(jié)構(gòu)的高性能零件/器件指兼具微和小、微和納跨尺度結(jié)構(gòu)特征類零件，此類零件具有表面導(dǎo)熱、導(dǎo)流、吸光等功能，其研究重點(diǎn)包括：微納去除加工機(jī)理、微納沉積加工及微成形、微小及微納器件集成技術(shù)、微納器件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論、微裝配理論與技術(shù)。

2.2.2.1 面向高熱流密度器件散熱的平板微熱管

高熱流密度器件廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、激光加工、大功率LED、宇航工程等領(lǐng)域，最高熱流密度可達(dá)500 W/cm2，故提高導(dǎo)熱能力是高熱流密度微器件設(shè)計(jì)與制造中的關(guān)鍵問題。平板微熱管可通過相變散熱、工質(zhì)循環(huán)，解決高熱流密度點(diǎn)熱源散熱問題。面向高熱流密度器件散熱的平板微熱管的制造難點(diǎn)是：微熱管體積小、工藝復(fù)雜；缺少有效提高工質(zhì)循環(huán)效率的方法；難以實(shí)現(xiàn)工質(zhì)高精度灌注和密封。

為實(shí)現(xiàn)工質(zhì)高效循環(huán)，提高熱輸運(yùn)性能，可采用跨尺度微納集成制造新工藝：制作“貝殼”微結(jié)構(gòu)蓋板，降低表面能；優(yōu)化吸液芯微溝道結(jié)構(gòu)，提高毛細(xì)力；采用納米材料(石墨烯)，選擇性地改性微熱管的吸液芯溝道親水/疏水性能。

2.2.2.2 具有表面宏微跨尺度結(jié)構(gòu)的寬頻天線

寬頻天線是新一代高速飛行器接收電磁波的重要部件，為滿足電氣對稱等高性能要求，需要零件具有復(fù)雜曲面表層宏微跨尺度結(jié)構(gòu)特征。超寬頻復(fù)合螺旋天線是一類典型的復(fù)雜曲面表層宏微跨尺度結(jié)構(gòu)。此類零件的特點(diǎn)是：特征尺寸跨度大(數(shù)十μm至數(shù)百mm)；立體三維結(jié)構(gòu)，圖案復(fù)雜；幾何精度要求高(微米級)；邊緣質(zhì)量要求高(輪廓度)。

錐臺天線的覆層厚度為10 μm，最小特征尺寸為80 μm，對稱度與尺寸誤差要求小于20 μm。傳統(tǒng)采用光刻-粘接工藝制造錐臺天線，粘接對接誤差達(dá)0.5～1 mm，成品率僅10%～20%。

對此，大連理工大學(xué)已研究出“宏微組合式”復(fù)雜曲面表層宏微跨尺度結(jié)構(gòu)制造新工藝，并獲成功應(yīng)用。加工出的超寬頻復(fù)合螺旋天線零件達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求,產(chǎn)品合格率由10%～20%提升到100%。

2.2.2.3 光導(dǎo)航微納敏感器件的仿生設(shè)計(jì)與制造

針對智能移動載體和平臺對自主導(dǎo)航技術(shù)的需求及現(xiàn)有導(dǎo)航技術(shù)的局限,人們對生物復(fù)眼偏振導(dǎo)航機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究[22-24]，并對偏振敏感的跨尺度仿生微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),針對性地開展了單層、多層多方向納米金屬光柵制作及跨尺度集成工藝研究[25-28]，基于所開發(fā)的工藝制造出了納米偏振敏感器件[27，29]，并由此研制出了一種新型抗干擾、高精度、小體積、性能穩(wěn)定的微納仿生偏振導(dǎo)航傳感器原理樣機(jī)[28-29]并應(yīng)用于無人機(jī)導(dǎo)航。

2.2.3第Ⅵ類——具有特殊功能或強(qiáng)化表面層的高性能零件

具有特殊功能或強(qiáng)化表面層的高性能零件(以下簡稱“高性能表面覆層零件”)要求具備耐磨損、抗腐蝕、抗疲勞或抗沖擊等復(fù)合性能。高性能表面層制造體現(xiàn)了高性能零件性能與幾何參數(shù)一體化制造的特點(diǎn)[30-31]。

基于不同表面層的制造工藝原理[31]，此類零件在非平衡的能量與物質(zhì)輸入條件下的加工制造工藝與加工工藝載荷如圖3所示。

非平衡的能量與物質(zhì)輸入條件下加工制造工藝與加工工藝載荷

表面覆層力熱化學(xué)熱-力熱-化學(xué)力-化學(xué)L>0化學(xué)鍍電鍍熱噴涂感應(yīng)熔覆、CVD、PVD、堆焊、ESD、熱浸鍍冷噴涂L=0噴丸滾壓感應(yīng)淬火表面熔凝載能束沖擊強(qiáng)化等離子體刻蝕L<0離子注入離子注滲、滲金屬

圖3高性能表面覆層零件的加工制造工藝
與加工工藝載荷
Fig.3Themanufacturingprocessesandprocessingloadsofhigh-performancesurfacelayerparts

高性能表面覆層零件制造原理的核心是表面完整性的形成機(jī)制、評價(jià)方法和調(diào)控作用，高性能表面覆層零件設(shè)計(jì)制造的理論體系框架是，以基于知識的方法取代實(shí)驗(yàn)迭代的試錯(cuò)法，解決高性能制造的加工制造反問題，所涉及的主要科學(xué)問題包括：

(1) 面向性能制造的核心問題——加工制造反問題，依據(jù)高性能表面覆層零件設(shè)計(jì)所要求的幾何與結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料特性，選擇加工制造的方法和條件；

(2)功能性表面的仿生結(jié)構(gòu)、人工復(fù)合結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料等設(shè)計(jì)理論和表面特性表征原理；

(3)非平衡能量和物質(zhì)輸入條件下高性能表面覆層零件的制造原理與調(diào)控策略；

(4)高性能表面覆層零件檢測與評價(jià)的新原理和新方法。

為解決加工制造反問題，需確定加工工藝載荷的物質(zhì)與能量輸入條件，減控加工工藝的多源耦合約束，構(gòu)建材料加工載荷的應(yīng)力場、溫度場和化學(xué)位場等多場環(huán)境，建立內(nèi)稟的表面完整性變化關(guān)系。高性能表面覆層零件設(shè)計(jì)制造的理論體系如圖4所示[30]。

圖4 高性能表面覆層零件設(shè)計(jì)制造的理論體系Fig.4 The framework for the design and manufacturing of high-performance surface layer parts

在高性能表面履層零件設(shè)計(jì)制造的理論體系框架下，研究者提出面向材料的正則化(material-oriented regularization)方法，求解多源約束的強(qiáng)非線性問題。模型正則化：確定幾何與材料非一致性作用的特征參量；數(shù)據(jù)正則化：確定特征參量與加工制造工藝參數(shù)對應(yīng)關(guān)系(加工過程印記, process signature)。

大連理工大學(xué)針對核主泵關(guān)鍵零件摩擦副使役要求，依據(jù)面向材料正則化方法，發(fā)展了耐磨抗沖擊表面涂層的界面強(qiáng)化制造新原理，通過滿足復(fù)合性能的表界面完整性參數(shù)主動設(shè)計(jì)，調(diào)控耐磨抗沖擊表面覆層非平衡能量和物質(zhì)輸入條件，構(gòu)建了涂層超音速噴涂(HVOF)的材料加工載荷的粒子沉積溫度場、應(yīng)力場和環(huán)境氣氛化學(xué)位場等多場環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了涂層形貌、相結(jié)構(gòu)、成分等表面完整性參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控制造，解決了高硬度涂層水介質(zhì)摩擦磨損條件下涂層表面剝落失效而導(dǎo)致的摩擦副磨損與加劇等問題[32]。同時(shí)，強(qiáng)流脈沖離子束(HIPIB)沖擊加工新方法利用高效率熱-力耦合作用的材料加工載荷，實(shí)現(xiàn)了微觀幾何+成分梯度強(qiáng)化表面的精準(zhǔn)調(diào)控制造，保證了硬質(zhì)合金零部件優(yōu)異的耐磨性能[33-34]。

上述技術(shù)在我國第三代核電裝備自主研制中獲得應(yīng)用。

面向材料的正則化的高性能表面履層零件設(shè)計(jì)制造原理，還應(yīng)用于航天裝備關(guān)鍵鈦合金零件，研究者發(fā)展了碳納米管高度分散的激光熔覆納米復(fù)合涂層制備新方法，解決了鈦合金零件減摩耐磨抗疲勞復(fù)合改性的難題?？蓪?shí)現(xiàn)如下技術(shù)指標(biāo)：具有納米結(jié)構(gòu)且界面冶金結(jié)合的激光熔覆鈦基復(fù)合涂層，顯微硬度大于1000HV，摩擦因數(shù)小于0.2，耐磨性能大大提高。

同樣，針對低溫閥門摩擦副傳統(tǒng)加工方法無法滿足閥門高可靠使役要求的加工制造難題，我國學(xué)者提出了摩擦副減摩耐磨抗蝕表面加工新方法。LEI等[35]研發(fā)出一種基于單相固溶強(qiáng)化機(jī)制的低溫、高效等離子體基低能離子注入表面處理新方法，解決了不銹鋼零件減摩耐磨抗蝕復(fù)合改性的難題，可實(shí)現(xiàn)如下技術(shù)指標(biāo)：改性層無第二相析出，顯微硬度大于1000HV；配副摩擦因數(shù)不大于0.6；通過10萬次摩擦副試件試驗(yàn)。

2.2.4第Ⅶ類——理想材料零件/器件/構(gòu)件(材料結(jié)構(gòu)功能一體化零件)

理想材料零件/器件/構(gòu)件(結(jié)構(gòu)功能一體化零件)是基于數(shù)字化逐點(diǎn)增材制造的理念，并與傳統(tǒng)的去除材料制造技術(shù)及覆層技術(shù)相結(jié)合，充分利用功能梯度材料、超材料、細(xì)觀周期結(jié)構(gòu)材料等設(shè)計(jì)理念及其成果，仿照生物結(jié)構(gòu)，使得制造材料、結(jié)構(gòu)和性能達(dá)到完美結(jié)合的零件。

2.2.4.1 3D打印(增材制造)

3D打印方法可以制造具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件，有效降低結(jié)構(gòu)重量，減少材料浪費(fèi)。3D打印的零件表面質(zhì)量和精度較差，這制約了3D打印方法的高端應(yīng)用。

2.2.4.2 增減材復(fù)合制造

增減材復(fù)合制造，即增材與減材交替進(jìn)行，利用去材方式提高結(jié)構(gòu)精度、去除打印缺陷，可有效解決具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件制造問題。

2.2.4.3 層疊式增材制造

綜合利用復(fù)合材料、二維周期材料、超材料、二維主動材料及含有跨尺度特征的均質(zhì)結(jié)構(gòu)等，進(jìn)行高性能零件的層疊制造。

2.2.4.4 表面及內(nèi)部材料組織精細(xì)可控的高性能零件增材制造

表面及內(nèi)部材料組織精細(xì)可控的高性能零件增材制造可以實(shí)現(xiàn)理想材料零件微觀組織、細(xì)觀結(jié)構(gòu)以及宏觀幾何與性能的同步精確制造。

3 結(jié)語

高性能制造涵蓋的范圍很廣，以保證零件或裝備的性能要求為主要目標(biāo)，其高性能常常與幾何精度、材料、制造工藝過程等諸多因素密切相關(guān)，且呈復(fù)雜關(guān)系，需要性能與材料、結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)的一體化制造，涉及跨尺度、多物理場等條件下的零件尺寸、表面完整性與其性能的關(guān)系建模、基于性能的制造過程控制方法，以及面向極限精度制造的新工藝、新方法探索等諸多方面。制造技術(shù)作為制造業(yè)升級換代的基礎(chǔ)性核心環(huán)節(jié)，其水平直接體現(xiàn)了一個(gè)國家的競爭力。高端裝備零部件的性能已從早期的承載要求擴(kuò)展到聲、光、電、熱、磁等物理特性要求以及表面脫附、減阻、耐磨抗蝕等功能要求，我國在這些高性能零件的制造理念和工藝技術(shù)水平等方面仍有待提高。為了滿足高端裝備的未來發(fā)展要求，高性能制造將是我國制造技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

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