我国机械工程研究进展与展望(2)

　　仪器校准和量值传递是保证精度的最重要基础，叶声华等发明了空间大尺寸测量的现场校准方法和装置。利用多种靶标特殊几何结构和自身基准尺寸，以及在测量空间内不同位置的量值传递关系作为约束条件，建立了全新的现场校准方法和装置，能够在大范围空间进行高分辨率测微仪现场校准；提出了小分束角渥拉斯顿棱镜和直角棱镜作为反射镜的共光路自适应系统，测量结果稳定性好；在上述基础上，提出了基于机器人的柔性视觉现场误差测量技术，已经用于飞机和汽车白车身的高精度制造误差测量。
　　张书练等以其发明的正交偏振激光器为核心技术，研发了多种精密测量仪器。发明了频差大于40MHz双折射双频激光器；研究发现了双折射双频激光器腔调谐的三偏振特性，以此为原理发明了测量位移的"激光器纳米测尺"。
　　谭久彬、赵维谦等在大型超精密仪器研究方面取得了重要突破。提出了基于自身参照原理的仪器运动基准间误差分离方法，发明了一种新误差分离装置，使仪器基准间的位置精度提高一个数量级以上。提出了差动、超分辨、复色和二次共焦扫描测量方法，发明了基于上述方法的多种共焦扫描测量装置和显微镜，使水平、垂直分辨力达到了亚纳米量级。基于上述超精密核心单元技术已经成功地用在我国航天、国防工业和精密装备制造领域；为我国研制出第一台圆柱度和微小深孔测量仪标准装置，使我国具备了在该领域进行量值传递和溯源的能力。
　　秦树人等在虚拟仪器研究中，提出了"智能虚拟控件"概念和原理，建立了信号变换的统一模型，奠定了这一新型仪器模式的理论基础，并在此基础上研制成功了上千种独具特色的虚拟仪器开发系统和可直接用于组建仪器产品的"智能虚拟控件"产品，已经广泛用于教学和科研测量分析中。
　　彭东林发明的"时栅位移传感器及其测试系统"，是精密测量领域少见的原始创新成果。其主要创新包括：提出了精密位移测量"时空转换"思想，把基于空间刻划的精密位移测量转化为简易精确的时间差测量问题；根据上述思想发明了全新原理的时栅位移传感器，用圆周单刻线实现了任意圆周分度精密测量。时栅角位移精密测量仪器的测量精度达0.8"，由于精度高、成本低、稳定性好，已广泛用于各种数字精密角位移测量。
　　孙宝元等提出了新型压电石英传感器及测量技术，成功解决了机械制造中复杂力学量的测量问题。发现了石英晶体切向灵敏度分布规律、石英晶体扭转效应、多次压电感生效应，发明了系列化压电传感器与测量仪并进入国内外市场；研制成功毫秒级瞬态切削力和瞬态切削温度测控系统，解决了高能化爆材料切削加工难题，为生产安全和产品质量保障作出了重要贡献。
　　2.9加工制造学科领域
　　加工制造学科近年来的发展趋势主要是高效、高精度、低成本、少无污染以及柔性数字智能自动化。
　　郭东明、贾振元、康仁科等提出了硬脆材料复杂曲面天线罩精密制造技术与装备。针对天线罩电性能的特殊要求，建立了天线罩综合电性能误差与几何参数补偿量关系的理论模型。提出了一次安装、自动定心、真空夹紧、精密测量、数据处理、逐点可控、加工一体化的精密修磨技术、专用数控系统和数字化修磨装备，实现了任意点、环、带区域按要求去除量逐点可控数字化微米级精度修磨，解决了国防工程中的一项重大科技难题。
　　宓海青等在高速精密磨削加工领域，提出"四点恒线速法"，使非圆轮廓表面磨削力相差十几倍造成的磨削缺陷得以改善，表面质量明显提高；提出了切点跟踪磨削新方法，将磨削点的运动向法向和切向分别投影，把曲轴连杆颈的磨削转化为典型的外圆磨削，解决了曲拐类零件加工造成的效率低和误差大的难题；创新了工程陶瓷延性域磨削工艺，实现了难加工材料的低损伤高效深磨。工程陶瓷一次性进给切深达6mm，材料切除率大于120mm3/s*mm，磨削比大于1670，被磨削工件微裂纹深度小于10pm和无微裂纹。
　　段正澄、邵新宇等在曲轴磨削研究中，发现高速切入磨削端面时，冷却液无法到达磨削区，不满足"薄膜沸腾"理论的适用条件，提出了磨削表面烧伤的形成机理、理论模型、参数优化及控制策略，解决了磨削烧伤的难题。提出了基于被磨削点恒线速运动的凸轮磨削运动方程和非圆柱表面轮廓曲线跟踪插补技术，有效提高了磨削轮廓精度。
　　2.10超精密加工领域
　　微电子、科学工程、国防装备和科学技术的迅速发展，对超精密加工技术提出了新的要求，超精密加工方法和装备不断涌现，加工精度不断提高，有的已经进入了亚纳米或原子级精度。
　　亚纳米级超精表面抛光技术是电子制造中的一项关键技术。雒建斌、路新春、潘国顺等[9]在计算机硬盘基片表面超精化学机械抛光(Chemicalmechanicalpolish,CMP)研究中，提出了超精表面纳米粒子的行为机制，发现了化学与机械作用均衡规律，探索出硬盘基片超精表面新型CMP技术及先进的抛光工艺，使抛光后表面波纹度和粗糙度均低于0.1nm；在计算机磁头表面亚纳米级抛光方面，首次将纳米金刚石颗粒引入磁头表面抛光，解决了抛光液中纳米颗粒分散、改性等技术难点，开发出纳米金刚石抛光液及抛光工艺，使磁头表面粗糙度由原工艺的0.48nm降到0.2nm以下，并去除了划痕、黑点等缺陷。上述超精抛光技术已成功地用于我国电子制造企业。
　　董申等围绕学科前沿和国家重大需求，在超精密加工领域进行了系统高水平研究，研制成功多台国际先进水平的高精密加工装备。在微纳米切削过程的加工机理、刀具磨损破损机制、脆性材料超精密切削去除机制等方面开展了大量的研究工作，目前成功开发多台超精密切削加工专用设备，并已用于激光核聚变关键零件KDP晶体的超精密加工。提出了大气低温等离子体超精密超光滑抛光加工方法，针对单晶桂片的加工试验获得了1.46mm3/min的材料去除量和凡=0.6nm的表面粗糙度，实现了重要零件的亚纳米级化学去除无损伤抛光。
　　李圣怡等在国内率先突破了离子束和磁流变光学抛光技术，建立了磁流体和离子束等可控柔体介质抛光的基础理论，揭示了磁流变和离子束抛光状态下纳米精度表面的形成机理和亚表面质量的变化规律，形成了一整套光学镜面全波段误差控制的工艺路线。2006年研制成功磁流变和离子束抛光设备，可稳定实现平面、球面和非球面镜面形精度方均根(Rootmeansquare,RMS)纳米量级的加工。戴一帆在大型光学零件子口径拼接测量方面的研究取得突破，成功研制了子口径拼接测量工作站，可实现700口径平面及非球面镜的测量。
　　北京机床研究所研制的NAM-800型纳米数控车床是新一代纳米级加工机床，控制系统分辨率为5nm、定位精度为±0.2叫/400mm、重复定位精度为±0.1^m/100mm。北京航空精密机械研究所研制出Nanosys-300非球曲面超精密复合加工系统。
　　2.11表面功能结构领域
　　机械表面功能结构是机械工程学科的新生长点。表面功能结构按功能可分为：粘附表面结构、控制生命物质活动的表面结构、超疏水自洁表面结构、脱附降阻表面结构、疏水减阻表面结构、储油润滑表面结构、仿生降噪表面结构、光信息传输表面结构、光电转换表面结构、人工结构色表面结构、强化传热表面结构、催化反应表面结构等。
　　周明等利用飞秒激光加工技术在K9玻璃表面制备光栅结构，并用流变仪证实了微结构表面滑移的存在。与光滑表面相比，超疏水表面具有明显的减阻效果，且减阻效果与流体粘度有关；采用飞秒激光的方法，在液态光敏树脂中成功制得二维正方晶格光子晶体及波导，同时制备了品质较高的三维木堆型光子晶体。
　　汤勇等采用大刃倾角多齿状新型刀具同时切出多条金属长纤维，并以此纤维为原料，利用烧结工艺制成一种新型高孔隙率大孔径的金属纤维烧结板。该烧结板内部表面具有多茸状粗糙形貌特征，具有高比表面积，这种金属纤维烧结板在甲醇水蒸气重整制氢反应器中得到成功应用。
　　2.12设计学领域
　　复杂机电系统及产品、大型重要装备等的自主创新设计、虚拟仿真设计的理论、方法与技术，是近年来机械设计的重要方向。
　　谭建荣等[10]针对多样性、个性化的定制产品中如何实现千变万化的设计难题，提出并实现了产品配置、变型、进化和递归4项设计技术，实现了将复杂机电产品模糊定制需求转变为产品信息模型的功能定制设计。提出了工程过渡状态、模糊状态、随机状态建模与数字样机集成的仿真设计技术，提出了分数维、整数维、高维相结合的混合维设计建模方法，有效提高了基于数字样机设计的可信度和可用度。
　　圆弧剪刃滚动式剪切机是中厚板剪切重要装备，以前一直是国外装备垄断市场。黄庆学等[11]提出了新型滚切剪非对称曲柄机构设计原理，设计发明了性能优越的中厚板剪切装备，自主设计制造的产品颇具市场竞争力，打破了国外产品的垄断局面。
　　在密封技术领域，王玉明等设计发明了双环带螺旋槽端面密封、双列双叶螺旋槽端面密封以及浮环一螺旋槽组合端面密封，使防颗粒性能、停车密封性能、密封平衡比等性能得到明显改善。
　　谢友柏提出了创新设计过程的核心是知识获取过程的观点。针对现代设计对分布式资源环境依赖性问题，提出了建立在分布智力资源环境基础上的现代设计理论和方法。建设了教育部现代设计与制造网上合作研究中心，支持企业在互联网上合作设计。
　　滕弘飞针对航天器方案设计中解的组合爆炸及多学科设计约束满足等复杂性问题，提出了基于人智一图形一计算的航天器布局设计方法，为航天器等一类大型、高维、动态复杂工程系统方案设计的建模、求解提供了有效方法。
　　韩旭提出了基于计算反求理论的高精度数字化模型的建模方法，提出了适合于复杂装备的结构优化设计技术，应用于高速磨床、汽车零部件的结构优化设计等工程。
　　檀润华等在发明理论TRIZ等方面进行了系统研究，提出了多冲突的定性和定量分析方法与领域解转化技术，归纳了产品创新模糊前端中创新设想4种产生模式。
　　2.13成形制造领域
　　高效、精密、清洁、极端尺度成形制造、数字化、智能化和自动化成形制造仍然是其主要发展方向。
　　快速原型制造(Rapidprototypemanufacturing,
　　RPM)是传统制造向多学科交叉和数字化现代制造发展的最具代表性制造技术。卢秉恒、颜永年、黄树槐等分别对光固化(Stereolithographyapparatus,SLA)、薄材制造(Laminatedobjectmanufacturing,LOM)、丝材溶覆(Fuseddepositionmodeling,FDM)、粉材烧结(Selectedlasersintering,SLS)等[12]方法进行了深入研究，推动了快速成形学科的形成和发展，并在短期内形成了我国的自主技术，应用到汽车、医疗康复工程、农业节水器件等领域，推动了新技术的产业化。
　　针对中高档汽车外覆盖件模具大部分依赖进口的现状，钟志华、李光耀等[12]在汽车覆盖件模具成形理论和技术领域，建立了相对完整的接触碰撞过程仿真理论和方法体系，解决了汽车碰撞安全性和车身冲压工艺分析计算中的共性技术问题。提出了能方便处理接触碰撞过程中大变形畸变的无网格计算格式，在国际上较早实现了三维复杂体积成形过程的无网格仿真。提出了模具冲压成型过程中斜拉延筋新工艺；基于碰撞理论，创建一套从冲压过程数字仿真建模，CAE冲压分析，冲压工艺设计、优化及工艺试验，模具参数优化、到模具结构的设计制造，形成了基于CAD/CAE/CAM-体化的拥有自主知识产权的关键技术与装备，已应用到多家汽车和模具企业，打破了国外对大型覆盖件模具技术垄断的局面。
　　林忠钦等在车身冲压成形过程建模与质量控制研究中，提出了基于相变对材料性能的宏微观耦合的材料本构模型;提出了基于变压边力控制技术，实现成形过程中金属流动的精确控制，建立了高强度钢汽车板精益成形技术体系。大型覆盖件平均废品率由原来5%降到0.5%，促进了国产钢板的广泛应用。
　　胡平考虑了板材在成形过程中的厚度变化，发展了一套更为精确的材料成形分析方法，并开发出相应软件，对国外商用软件进行了二次开发，在工程应用方面取得了良好效果。
　　多场耦合下温度、速度效应与协调控制是大型铝型材等温挤压精确成形过程中迫切需要解决的难题。杨合等采用仿真建模和物理试验相结合的方法，揭示了大型铝型材挤压速度对挤压过程及其温度场变化、挤压速度随挤压行程降低的影响规律；提出了通过控制速度逐段减小实现大型铝型材等温快速挤压过程的技术路线，以及基于大型铝型材挤压过程三维热力耦合有限元建模仿真技术，从而解决了大型铝型材挤压中温度速度效应及协调控制等重大难题，为我国100MN和125MN油压双动铝挤压装备成功研制做出了重要贡献。
　　内高压成形是一项典型的高效、节能、节材、短流程工艺。苑世剑等[13]系统地提出了内高压成形基础理论和工艺关键技术：建立了壁厚分界圆和塑性起皱临界应力理论模型，揭示了成形的缺陷形成机制和壁厚分布规律，发明了"有益皱纹"预制坯和降低成形压力方法，提出了超高压增压器及数字控制等核心技术，成功地研制了国内首台生产用自动化三轴数控内高压成形装备，研制生产了轿车底盘前梁、副车架、排气管件、火箭接头、"神七"舱外服通风管等零件，并在工业生产中得到大批量应用。
　　李明哲研究组对柔模成形的基本理论与实用技术进行了系统研究。在基础理论方面，建立了系统的板材柔模成形理论，提出了分段成形、多道成形、反复成形、闭环成形等柔模成形新工艺，解决了北京奥运会鸟巢建筑中大型钢板弯扭结构件成形的技术难题，并实现了舰艇外壳、高速列车流线型车头覆盖件、颅骨修复体、建筑装饰件、飞机蒙皮以及多种军工产品的多点快速成形，柔模成形设备已出口国外。
　　华林等在环件精密成形研究中，提出了环件轧制咬入孔型、塑性锻透和刚性稳定力学模型，揭示了环件轧制变形的物理机制；确定了环件轧制力、力矩的匹配关系，建立了轧制力能匹配设计方法。提出了环件轧制自激振动力学模型和稳定性条件，揭示了轧辊加工误差、安装误差以及弹性变形对环件精度的影响规律，提出了其精度补偿及在线检测控制方法。应用体积成形理论，发明了滚碾及摆碾设备，成功应用于轴承套的冷压精密成形，大大提高了成形件的强度及制造效率。
　　在激光电弧复合焊接领域，刘黎明提出了一项重要的原创性的焊接技术。他发现了低功率激光诱导电弧等离子体能量增强、积聚的现象及规律，发明了控制和增强激光诱导、增强、激励电弧的关键工艺，提出了基于能源节约型低能耗激光增强电弧复合焊接技术，开发了低功耗激光增强电弧复合焊接集成装备，及配套焊接材料制备工艺及专业设备。2.14高能束加工领域
　　加工尺寸及环境的极端化、加工方法交叉融合、加工技术的精密、高效及数字自动化是其主要研究方向。
　　中科院力学所研制出生产优质冷轧板带所必须的轧辊毛化新技术一YAG激光毛化轧辊技术，在世界上首次实现YAG激光毛化技术成功用于规模生产，该技术核心发明点是研制出特殊声光开关调制技术，使相同功率的YAG脉冲激光器毛化轧辊的频率和毛化粗糙范围提高数倍，提高了轧辊使用寿命。YAG激光毛化技术已成功用于我国各类优质冷轧板生产。
　　姜澜在飞秒激光加工有机材料的研究中，引入量子力学理论，揭示了离子云对激光的聚焦作用，预报了加工出平底沟的可能，得到试验验证，受到国际学术界关注。
　　李力钧、陈根余等发明了一种切割焊接用折叠式准封离型高光束质量千瓦级C〇2激光器，首次实现国产激光器和成套设备应用于汽车白车身的激光焊接和国产大功率高光束质量激光器出口。

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