研發(fā)先進(jìn)制造技術(shù) 服務(wù)天津工業(yè)發(fā)展
——走進(jìn)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

科研條件

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有研發(fā)面積1600m2、大型設(shè)備50多臺(tái)（件），儀器設(shè)備總資產(chǎn)8000余萬元。重點(diǎn)購置了精密與特種加工設(shè)備、切削測試儀器、材料分析儀器、分析與仿真軟件，加工裝備主要包括牧野、DMG、GF等世界著名機(jī)床企業(yè)的三軸/五軸高速加工中心、自動(dòng)生產(chǎn)單元、線切割和電火花加工機(jī)床等，切削測試儀器主要包括奇石樂、德國西門子LMS等著名品牌的旋轉(zhuǎn)切削測力計(jì)、臺(tái)式切削測力計(jì)、高精度紅外成像儀、高性能振動(dòng)應(yīng)變測試系統(tǒng)、高速攝像機(jī)、掃描電鏡、電弧離子鍍膜機(jī)、高功率脈沖磁控濺射系統(tǒng)、高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、超景深顯微鏡等。儀器設(shè)備國內(nèi)領(lǐng)先，部分設(shè)備處于國際先進(jìn)水平。

實(shí)驗(yàn)室的“高效高精加工技術(shù)及其裝備”天津市創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)，共有專職科研人員31人，其中教授9人、副教授8人，天津市高校學(xué)科領(lǐng)軍人才2人、中青年骨干創(chuàng)新人才5人，天津市“131”創(chuàng)新型人才4人，天津市高層次創(chuàng)新科技領(lǐng)軍人才1人，天津市特聘教授青年學(xué)者2人，天津市優(yōu)秀教師1人。

研究方向及特色

實(shí)驗(yàn)室在高速精密加工工藝研究、高速切削機(jī)理研究、高檔數(shù)控機(jī)床研發(fā)和新型精密傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究。

針對(duì)航空航天、國防、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域的難加工材料/結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室開展了高效高精加工理論、工藝技術(shù)及其裝備研究，承擔(dān)了多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金、國家科技重大專項(xiàng)、天津市的重大專項(xiàng)和自然科學(xué)基金等縱向課題，以及企業(yè)委托課題。在切削動(dòng)力學(xué)理論、高速切削機(jī)理、刀具涂層、高檔數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能、數(shù)控齒輪嚙合理論、精密/超精密加工工藝、快刀伺服、靜壓技術(shù)、精密RV減速機(jī)制造技術(shù)以及摩擦、磨損與潤滑等方向形成特色。

重要課題及科研成果

近5年，實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)“863”計(jì)劃等國家級(jí)課題50余項(xiàng)，省部級(jí)課題40余項(xiàng)，其他縱向課題30余項(xiàng)，企業(yè)委托課題100余項(xiàng)，總經(jīng)費(fèi)近億元；獲天津市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)6項(xiàng)、三等獎(jiǎng)4項(xiàng)，天津市專利金獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表論文300余篇，其中SCI/EI檢索210余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利40余項(xiàng)。

在高效加工機(jī)理及工藝方面，重點(diǎn)開展了絕熱剪切變形與仿真、切削動(dòng)力學(xué)、切削動(dòng)靜變形預(yù)測與控制、超聲加工等理論的深入研究。依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于損傷力學(xué)的高速切削鋸齒形切屑及動(dòng)態(tài)切削力預(yù)測”，提出基于線性擾動(dòng)分析的高速切削絕熱剪切臨界條件預(yù)測模型，考慮壓應(yīng)力影響和高速切削的變形特點(diǎn)，通過線性擾動(dòng)分析獲得的非經(jīng)驗(yàn)性絕熱剪切臨界條件判據(jù)，為高速切削參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)?；凇版u合金電塑性變形機(jī)理與電脈沖輔助切削技術(shù)研究”等國家及省部級(jí)項(xiàng)目，開展了難加工材料/結(jié)構(gòu)高效率高精度加工方法和理論研究。探索了聲-電協(xié)同加工與鎢合金表面創(chuàng)成、表面形貌演變規(guī)律、刀具磨損、精度和性能映射等新原理，突破了超硬大比重合金材料高表面完整性加工關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)建了考慮塑-脆轉(zhuǎn)化的玻璃材料的超聲輔助磨削的切削力統(tǒng)一模型。提出了基于切削過程振動(dòng)主動(dòng)控制策略與被動(dòng)控制策略協(xié)同的薄壁零件加工控制新方法。開發(fā)了基于柔性支撐主動(dòng)控制思想的薄壁零件的切削振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了零件切削過程中靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變形的在線補(bǔ)償。

在先進(jìn)刀具涂層研究方面，依托“含氧Zr-B-N納米復(fù)合刀具涂層的結(jié)構(gòu)和性能研究及機(jī)理分析”等國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，采用“納米復(fù)合+多層復(fù)合+功能梯度”混合式涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，研制AlCrSiN/AlCrSiON多層納米復(fù)合涂層及功能梯度涂層和CrSiN/MoS2自潤滑刀具涂層；自創(chuàng)“硼氮化物涂層成分反向設(shè)計(jì)”方法，建立了涂層微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制和預(yù)氧化機(jī)制，發(fā)明用于高速切削高溫合金的多尺度Zr-BO-N刀具涂層制備工藝，創(chuàng)新性地將硼氮化物用于刀具涂層，性能超過國外同類產(chǎn)品。

在高檔數(shù)控機(jī)床研發(fā)方面，結(jié)合國家重大專項(xiàng)、天津市的重大專項(xiàng)和自然科學(xué)基金等縱向課題，以及企業(yè)委托課題，重點(diǎn)針對(duì)齒輪加工機(jī)床開展研究。在機(jī)床整機(jī)性能優(yōu)化方面，采用整機(jī)靜動(dòng)剛度正向設(shè)計(jì)方法，攻克整機(jī)靜剛度快速建模和評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)，掌握了整機(jī)/功能部件靜剛度匹配設(shè)計(jì)方法、T型床身三點(diǎn)支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、考慮末端動(dòng)剛度為約束的整機(jī)質(zhì)量匹配設(shè)計(jì)方法。圍繞智能主軸、進(jìn)給系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、在線測量技術(shù)等，開展了大型數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)主軸靜壓軸承技術(shù)、液壓伺服主驅(qū)動(dòng)和伺服讓刀耦合聯(lián)動(dòng)技術(shù)、任意螺旋角電子螺旋導(dǎo)軌設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)、螺旋進(jìn)給、等切削力自適應(yīng)圓周進(jìn)給等加工工藝技術(shù)以及基于機(jī)器視覺與人工智能的齒輪在線測量技術(shù)的研發(fā)，解決高端數(shù)控機(jī)床高速、高精度等方面的重大共性技術(shù)問題。

在新型精密傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方面，主持國家“863計(jì)劃”的“機(jī)器人用RV-6AII減速器”項(xiàng)目；參與承擔(dān)了國家“863計(jì)劃”的“工業(yè)機(jī)器人高精度高效率減速機(jī)開發(fā)”項(xiàng)目。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器高精度/精度保持性能、高剛度、高可靠性、高承載能力需求，開展了RV減速器傳動(dòng)精度設(shè)計(jì)方法、關(guān)鍵零件加工/整機(jī)裝配工藝、靜動(dòng)特性測試等研究，提出了減速器專用非標(biāo)薄壁軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)、精度分析與綜合方法，開發(fā)了關(guān)鍵零件專用加工刀具，研制了國內(nèi)首臺(tái)高精度誤差測量儀器，揭示了減速器精度損失機(jī)理，攻克了RV減速器關(guān)鍵零件刮齒技術(shù)、零件組配優(yōu)化技術(shù)。經(jīng)過多年的技術(shù)積累與沉淀，已掌握RV減速器設(shè)計(jì)制造成套關(guān)鍵技術(shù)，助力工業(yè)機(jī)器人國產(chǎn)化進(jìn)程。

科技成果轉(zhuǎn)化

在航空航天高效加工領(lǐng)域，提出火箭大型壁板加工精度控制策略和進(jìn)給速度優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了制造工藝智能編程和制造過程的在線檢測，突破了核心技術(shù)。提出基于切削振動(dòng)主動(dòng)與被動(dòng)的協(xié)同控制技術(shù)，以最大材料去除率、齒距特性等影響下的最佳穩(wěn)定性水平為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化加工參數(shù)，明顯提高無顫振加工的效率。上述成果已應(yīng)用于新一代運(yùn)載火箭長征五號(hào)和長征七號(hào)等型號(hào)工程的研發(fā)。

在國產(chǎn)機(jī)床工業(yè)軟件開發(fā)領(lǐng)域，針對(duì)格里森螺旋錐齒輪加工機(jī)床瓶頸“格里森螺旋錐齒輪加工調(diào)整技術(shù)（TCA）”，建立了螺旋錐齒輪大小輪加工嚙合的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了工程實(shí)用化螺旋錐齒輪TCA軟件，用于加工參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化計(jì)算，提高了機(jī)床的加工性能，技術(shù)水平達(dá)到了美國格林森公司機(jī)床水平，攻克了制約國產(chǎn)螺旋錐齒輪加工機(jī)床40余年的“卡脖子”技術(shù)難題。

在刀具涂層技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)明的AlCrSiN/AlCrSiON多層復(fù)合涂層、AlCrSiN/MoS2自潤滑涂層，攻克了大載荷斷續(xù)切削鈦合金垂尾大梁、鎢鉬合金制品時(shí)刀具易崩刃的難題，刀具壽命相比國外同類先進(jìn)產(chǎn)品提高2～3倍，切削溫度降低40℃以上。相關(guān)成果已在國內(nèi)軍工、機(jī)械制造領(lǐng)域和刀具生產(chǎn)企業(yè)廣泛應(yīng)用，獲2019年天津市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

在新型精密傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件領(lǐng)域，授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng)，核心技術(shù)在中船重工707研究所進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。研制的RV15、RV30等全系列減速機(jī)達(dá)到國際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。與天津?qū)殰Z精工集團(tuán)等企業(yè)聯(lián)合承擔(dān)4項(xiàng)天津市重大專項(xiàng)，已建成國內(nèi)領(lǐng)先的智能機(jī)器人焊接生產(chǎn)線，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。獲天津市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

對(duì)外交流與合作

實(shí)驗(yàn)室注重對(duì)外交流與合作，與中國通用技術(shù)集團(tuán)、天津航天長征火箭制造有限公司、安泰天龍鎢鉬科技有限公司、國家超級(jí)計(jì)算天津中心、天津?qū)殰Z精工集團(tuán)有限公司等單位深入開展科教融合合作，作為聯(lián)盟秘書長單位組建“天津高端加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”。與中國科學(xué)院、國家機(jī)械科學(xué)總院、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、山東大學(xué)等科研院所和高校也建立了良好的合作關(guān)系。今年將承辦第九屆高速與復(fù)合加工國際會(huì)議，進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室影響力。