面向國家重大戰(zhàn)略需求 聚焦高性能表面精密加工
——走進重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心

[編者按]重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心（以下簡稱“中心”）成立于2005年，依托重慶三磨海達磨床有限公司和重慶大學，以三磨海達專業(yè)技術(shù)研究和豐富的管理及市場運作經(jīng)驗為支撐，結(jié)合重慶大學以碩士、博士及博士后培養(yǎng)建立的產(chǎn)學研流動機制，成為國內(nèi)專注于各類材料表面精密加工以及相關成套裝備工程化研發(fā)及推廣技術(shù)應用研究機構(gòu)，通過不斷加強在材料表面精密加工技術(shù)、磨料與材料表面交互作用機理、精密機床結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化技術(shù)、強力高速高效復合磨削技術(shù)等方面的研究與創(chuàng)新及科技成果轉(zhuǎn)化，為國內(nèi)廣大企業(yè)引進、消化、吸收先進材料表面精密加工技術(shù)提供技術(shù)支撐和服務平臺。

中心概況

中心現(xiàn)有固定科研人員60余人，其中高級職稱20人，享受國務院政府津貼2人。中心注重人才梯隊建設，目前形成了以教授和博導為帶頭人，以博士后、博士生、碩士生為研究主力的科研攻關隊伍和以具有豐富工程經(jīng)驗的科技人員為基礎的生產(chǎn)、工程應用及成果市場轉(zhuǎn)化隊伍。

中心在主任黃云教授的帶領下，以市場為導向，瞄準國外先進技術(shù)和技術(shù)發(fā)展前沿，圍繞涉及材料表面精密加工的共性、關鍵性技術(shù)問題進行技術(shù)開發(fā)和攻關，對具有重要應用前景的科研成果進行系統(tǒng)化、配套化和工程化研究開發(fā)。通過不斷加強在材料表面精密加工技術(shù)、磨料與材料表面交互作用機理、精密機床結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化技術(shù)等方面的研究與創(chuàng)新，以科技成果轉(zhuǎn)化為紐帶，同時聯(lián)合上下游單位，形成既有技術(shù)優(yōu)勢和研發(fā)優(yōu)勢，又重視生產(chǎn)和實現(xiàn)技術(shù)開放服務的運行模式，不斷推出具有高附加值的新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)。

中心注重研究基礎平臺建設，先后投入大量資金進行儀器設備采購、研制、完善和改進，改善材料表面精密加工研究的基礎條件。中心現(xiàn)擁有自行研制的七軸六聯(lián)動高精度數(shù)控砂帶磨床、復雜曲面精密加工裝置、機器人砂帶加工系統(tǒng)等大型裝備以及激光砂帶協(xié)同加工裝置、單顆粒復合磨削系統(tǒng)等基礎研究平臺以及先進的檢測、分析設備。

經(jīng)過十幾年的發(fā)展和建設，中心創(chuàng)建了行業(yè)一流、國內(nèi)知名的材料表面精密加工基地，形成了一支由行業(yè)專家?guī)ь^、骨干教授和青年杰出人才為主的創(chuàng)新型團隊，取得了包括中國機械工業(yè)聯(lián)合會技術(shù)發(fā)明一等獎和中國產(chǎn)學研合作促進會一等獎在內(nèi)的多項國家級和省部級科技獎勵，成為我國表面精密加工領域重要的研發(fā)基地之一。

研究方向及成果

中心先后承擔了國家自然科學重點基金項目、“九五”攻關項目、國家863項目、國家自然科學基金項目、國家重大專項、重慶市科技攻關項目、重慶市重大科技專項在內(nèi)的研究項目30余項。獲中國發(fā)明專利50項、美國專利2項、軟件著作權(quán)3項，形成行業(yè)標準10項，出版專著2部，發(fā)表SCI論文100余篇。研究成果經(jīng)發(fā)動機臺架試驗驗證，提高壓氣機效率2%、降低排氣溫度15℃，實現(xiàn)了發(fā)動機服役性能跨越式提升。保障了我國現(xiàn)役太行、大運等重點型號發(fā)動機逾60種規(guī)格葉片的穩(wěn)定批產(chǎn)?；诤娇瞻l(fā)動機葉片砂帶精密磨削方法與技術(shù)開發(fā)的系列化葉片數(shù)控砂帶磨削裝備在中國航發(fā)沈陽黎明、中國航發(fā)動力、中國航發(fā)成發(fā)、中國航發(fā)南方公司等15家軍民企業(yè)進行了重點推廣應用。項目開發(fā)的系列化裝備躋身葉片精密制造國際高端行列，已在國內(nèi)骨干發(fā)動機制造與維修單位推廣應用40臺套，累計加工葉片300余萬件，完成各種發(fā)動機裝機千余臺。同時，該成果獲中國機械工業(yè)科學技術(shù)一等獎。

中心近5年的研究方向及部分成果簡介如下。

（1）復雜曲面自適應加工關鍵技術(shù)及裝備。針對航空發(fā)動機葉片和整體葉盤等復雜曲面零部件的高性能表面制造需求和難題，開展了復雜曲面變余量自適應砂帶磨削技術(shù)和裝備研制；提出了基于“N軸”的力–位控制砂帶磨削方法，開發(fā)出了七軸六聯(lián)動數(shù)控砂帶磨削機床，實現(xiàn)了葉片復雜曲面的自適應打磨；通過研制葉片加工工藝、進排氣邊拋磨、快速精密檢測、機床監(jiān)控等關鍵技術(shù)和構(gòu)建航空發(fā)動機葉片加工生產(chǎn)線，實現(xiàn)了葉片生產(chǎn)和檢測水平的提升和生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，開發(fā)出了航發(fā)葉片自適應砂帶磨削中心等設備。通過自主研制整體葉盤數(shù)控柔性拋光工藝方法與機床，開發(fā)編程系統(tǒng)，解決了手工拋光效率低、一致性差等問題，實現(xiàn)了國產(chǎn)機床、數(shù)控系統(tǒng)、功能部件、刀具在生產(chǎn)線和整體葉盤拋光的示范應用。同時，解決了葉片和整體葉盤加工嚴重依賴國外數(shù)控機床問題，推動了國產(chǎn)機床在航空發(fā)動機制造領域的深入應用。

（2）機器人打磨關鍵技術(shù)研究。針對航發(fā)整體葉盤葉片的高尺寸精度和高表面完整性，建立了面向整體葉盤型面結(jié)構(gòu)特征的磨具匹配方法的機器人磨削工藝體系，分析了整體葉盤機器人磨削表面完整性的形成機理并揭示了整體葉盤機器人磨削表面完整性特征對其疲勞壽命的影響規(guī)律，提出了面向整體葉盤高性能表面完整性的機器人磨削動態(tài)特性優(yōu)化方法和機器人自動化磨削編程技術(shù)，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的壓氣機整體葉盤高性能表面機器人磨削裝備及系統(tǒng)。通過關鍵技術(shù)的突破、系統(tǒng)軟件的開發(fā)和磨削裝置的研制，為我國航空發(fā)動機制造企業(yè)生產(chǎn)高可靠、長壽命的整體葉盤零件奠定了技術(shù)基礎。

（3）激光砂帶裝備研發(fā)以及仿生微納結(jié)構(gòu)加工。針對電子芯片、火箭導流罩、發(fā)動機葉片、艦船螺旋槳等重大裝備零部件中微納結(jié)構(gòu)表面精密制造的需求，結(jié)合砂帶磨削高效、高表面完整性和超短脈沖激光加工微納結(jié)構(gòu)高精度的優(yōu)勢，提出了“雙傾斜”聚焦的加工方法，開發(fā)了激光砂帶協(xié)同加工技術(shù)，并自主研發(fā)了世界首臺激光砂帶協(xié)同加工裝備。與此同時，基于該設備開展了仿生微納結(jié)構(gòu)加工研究。在分析材料去除模型和超快激光燒蝕的基礎上，形成耦合加工方法和熔擦材料去除模型；進行了激光砂帶協(xié)同加工表面去除機理和表面形貌形成機理研究。目前已經(jīng)初步實現(xiàn)了U形、V形和波浪形等仿生微納結(jié)構(gòu)加工，并在鈦合金、鎳基高溫合金等航空材料上得到應用。

（4）高性能表面加工方法及參數(shù)化調(diào)控。針對砂帶磨削過程當中加工工藝參數(shù)和表面性能參數(shù)協(xié)調(diào)控制問題，基于單顆粒、多顆粒磨削試驗分析了砂帶磨削中材料表面特征的創(chuàng)成規(guī)律，建立多參數(shù)協(xié)同加工調(diào)控模型；針對抗疲勞、降噪、減阻等功能性表面開展多參數(shù)調(diào)控研究，制定特定微結(jié)構(gòu)控制加工工藝方案和路徑軌跡，提出了肋狀仿生減阻及降噪微納結(jié)構(gòu)加工方法，并在螺旋槳等零件上得到了應用；在試驗探究的基礎上提出了超聲振動輔助磨削以及緩進給的抗疲勞表面磨削加工方法；同時搭建了疲勞性能測試的虛擬仿真試驗平臺，可以實現(xiàn)多場耦合下構(gòu)件的疲勞壽命分析；中心探索出來的抗疲勞磨削工藝可以提升葉片疲勞壽命30%，目前已在中國航發(fā)南方公司和中國航發(fā)西航的葉片加工中得到應用。

國內(nèi)外交流合作

國內(nèi)交流合作方面，邀請清華大學、華中科技大學、東北大學、大連理工大學、南京航空航天大學等單位專家學者到中心進行學術(shù)交流50余人次，同時與其中部分高校建立了互派人員進修1～2個月的合作機制。

國際交流合作方面，一方面，中心與美國3M公司、德國LOSER公司、意大利BOSSI公司、法國Saint-Gobain公司等國際知名企業(yè)保持緊密合作關系，并與德國VSM專業(yè)磨具公司聯(lián)合成立了磨削技術(shù)中心。另一方面，中心與新加坡國立大學、英國威斯敏斯特大學、法國圣太田國立工程師學校、荷蘭代爾夫特理工大學、澳大利亞墨爾本大學等世界著名高校和研究院所在人才聯(lián)合培養(yǎng)、技術(shù)聯(lián)合攻關等方面建立了長期穩(wěn)定的合作關系。同時，中心高度重視國際視野的培養(yǎng)，參加各類國際學術(shù)會議200人次。

未來規(guī)劃

中心瞄準國內(nèi)外先進技術(shù)和發(fā)展前沿，面向國家重大戰(zhàn)略需求，聚焦材料表面的精密加工、功能化仿生表面加工，以及新技術(shù)的創(chuàng)新融合研究和市場化應用，力爭到2025年，至少3項高性能表面加工技術(shù)達到國際先進水平；同時加強團隊人才隊伍建設力度，重視年輕人才的培養(yǎng)，吸納優(yōu)秀人才；加強國際交流合作，及時掌握本領域最新發(fā)展動態(tài)，進一步擴大國際影響力，爭取做到引領本行業(yè)發(fā)展。