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《2018-2019機械工程學科發展報告(機械制造)》已正式出版

2020年,中國機械工程學會及其生產工程分會承擔了中國科協學科發展工程項目,在中國工程院院士、中國機械工程學會副理事長郭東明院士為首席科學家的專家撰寫組,和11個專題小組近百位專家的共同努力下,通過充分收集資料、深入調查研究和嚴謹數據分析,以及多次研討會討論和廣泛征求本學科領域內專家學者的意見的基礎上,形成了《2018-2019機械工程學科發展報告(機械制造)》(以下簡稱《報告》)。

機械制造科學的基本任務,就是為制造業提供所需求的機械制造過程及裝備的新理論、新方法和新技術?,F代機械制造學科和制造技術,是具有很強領域帶動效應的工程科學,不僅研究多領域多學科交叉的基礎性、科學性和創新性等共性問題,同時,可以通過解決企業生產應用中的關鍵科學技術問題,成為推動制造裝備、制造工藝和相關產業發展最有力、最直接的牽引力和原動力。因此,機械制造學科和制造技術,是振興和強大制造業的重要基礎,在國家經濟與社會發展中起著非常重要的作用?!秷蟾妗分饕攀隽私鼛啄晡覈跈C械制造科學研究以及在不同工業領域應用中取得的創新性和標志性研究進展,通過對國內外研究進展進行對比,對今后機械制造理論和應用技術的研究趨勢進行了展望。


1、機械制造學科標志性研究進展

在精密與超精密加工領域,清華大學路新春等建立了大尺寸表面納米級平坦化的加工原理與方法,發明了系列大尺寸超薄硅片納米級無損傷拋光關鍵技術,研制開發出12英寸“干進干出”化學機械拋光(CMP)裝備與成套工藝,實現了IC制造大尺寸晶圓表面的納米級平坦化及納米級缺陷控制。整體技術達到國際先進水平,已在中芯國際等企業實現批量應用,打破了國外高端微電子超精密拋光裝備長期壟斷的局面。


在高效高質加工領域,大連理工大學賈振元等建立了碳纖維復合材料(復材)新切削理論體系,發明的鉆、銑削等九個系列新型復材切削刀具、加工技術及工藝,相比于國外及傳統刀具,加工損傷由毫米量級降至0.1mm以內,刀具壽命提升2-7倍,加工效率提升3-4倍,加工精度提升50%。成果已應用于航天一院、三院、中航工業和中國商飛等企業復材構件的加工制造中。


在非傳統加工領域,華中科技大學邵新宇等提出了大型薄壁曲面激光焊接控形控性技術,發明了大型三維薄壁曲面焊縫形貌在線“測量 —跟蹤 —補償”技術與裝置,實現了汽車車身小變形、低應力、高質量激光焊接。成果已在上海通用、江鈴福特、江淮等企業得到應用。


在微納制造領域,西安交通大學盧秉恒等提出了電場斥力輔助的脫模新方法,建立了大面積嵌入式功能結構的電場輔助掃描填充技術,實現了金屬、低維納米墨水等功能材料對特定微納米孔隙的電場輔助填充;提出了異型微納結構電致流變成形方法和宏觀表面的6英寸晶圓級自動化納米壓印微區控制壓印新方法,實現了表面翹曲起伏的晶圓級基材與柔性模板的均勻接觸,推動納米壓印技術由二維向三維方向發展。


在綠色制造領域,中南大學郭學益等創新開發了廢舊線路板低溫連續熱解新技術,實現了廢舊電路板中有機組元深度碳化與金、銀、銅、鈀等有價金屬的有效富集,以及物料中有機溴、氯的無害轉變與尾氣超低標準排放,有效消除了廢舊電路板中持久性有機污染物;已在江西等9個省(自治區)推廣應用,推動我國再制造產業進入世界先進水平行列。


在仿生制造領域,源于昆蟲蛻變翅膀折疊的靈感,仿生成為從小實體到大展開面的神奇變換機構。天津大學陳焱等創造性地將空間結構代替球面機構,建立了基于過約束空間機構網格的厚板折紙運動學模型,解決了厚板折紙的仿生制造難題。研究成果已用于大型空間可展結構、新型超材料與輕型復合材料、可變形機器人等工程。


在表面功能結構制造領域,華南理工大學湯勇等發明了復雜表面熱功能結構形貌特征設計與可控制造關鍵技術,實現了管外、管內表面熱功能結構高效成形及復雜形貌可控生成等,從根本上解決了管殼式換熱器、空調及照明高能耗以及高鐵的核心絕緣柵雙極型晶體管、衛星數據傳輸及相控陣天線高熱流密度電子芯片熱控問題,在我國相關行業的龍頭企業實現大量應用。


在增材制造領域,華中科技大學史玉升提出基于激光選區燒結增材制造的復雜零件整體鑄造新思路和發明整體鑄造成套技術,突破了航空發動機機匣、航天發動機渦輪泵等高性能復雜零件的整體鑄造難題。成果應用于中國航發、西安航天發動機有限公司等國內外數百家單位,取得了顯著的經濟和社會效益。


在基礎零部件制造領域,中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司聯合北京工業大學石照耀,提出了基于記憶合金流量調節的溫控技術、高精度齒輪拓撲修形技術和高效齒輪配對技術等核心關鍵技術,開發的高鐵列車用齒輪傳動系統溫升降低10度(攝氏)以上,噪聲降低11%,振動得到顯著控制,功率重量比提升10%。


在傳感、檢測與儀器領域,重慶理工大學彭東林提出一種將被測齒輪與傳感器融匯一體的新方法-寄生式時柵技術,采用非接觸、密封的離散測頭線圈直接把被測齒輪、蝸輪、蝸桿、齒條、絲杠等當作均勻分度的“齒柵”,作為新檢測方法的行波產生器件,再用時鐘脈沖作為位移精密測量的基準,從而實現實時、在線、動態精密位移測量。


在智能制造及數字工廠領域,華中科技大學丁漢等針對“大型復雜曲面多機器人高效加工的主動順應與協同控制”科學難題,在涉及磨拋法蘭和力位自律跟蹤、高能效移動機器人機構設計、超大高光反射表面三維測量、多機協同運動規劃和測量加工一體化協同控制等關鍵技術上取得突破,并在中國中車等企業得到推廣應用。


2、國內外對比與發展趨勢

近年來,在國家自然科學基金、國家973/863科技計劃、國家重大重點專項等項目的支持下,機械制造學科領域取得了一系列突出進展和創新成果,為我國制造業提供了大批新理論、新技術和新方法,在國內外產生了重要影響。我國機械制造科學從過去的跟蹤、發展到現在的并跑,有的領域已處于領跑狀態。超精密加工、高質高效加工、特種加工、綠色制造、仿生制造、增材制造、功能表面結構制造等領域已在國際學術界占有一席之地,研究水平總體上已步入國際先進行列。


同時,機械制造學科領域還存在的不少問題和差距,主要體現中國學者提出的機械制造領域的新概念、新理論、新方法和新技術不多;有重要國際影響的機械制造理論、方法和技術較少;在機械制造領域國際學術界有較大影響的中國學者少。我國機械制造的理論、方法和技術對中國制造業的自主創新和自強發展的貢獻不夠顯著。


體現機械制造技術先進性的高端裝備與發達國家相比仍然存在很大差距。我國高檔數控機床、精密超精密加工機床、精密科學儀器、大型民用飛機、大型民用航空發動機、超大規模集成電路芯片及其制造裝備、高檔轎車及其關鍵生產設備與核心技術仍未掌握在自己手中。


制造加工理論、工藝及成套裝備雖然已有重大突破,仍然缺少原創性、系統性的深入研究,有些領域甚至還處于起步階段。例如,我國在航空發動機關鍵構件的制造精度方面已經接近或達到了與國外產品相同的水平,然而制造的關鍵構件服役壽命卻不及國外同類產品的50%,在關鍵構件制造技術方面未能掌握面向高性能制造的表面宏微觀幾何與物理狀態對構件服役影響影響規律,相關基礎數據嚴重缺乏、高性能加工表面狀態設計基礎研究不足。高端裝備研發依然是仿制國外同類型設備為主,缺乏主動設計手段,沒有形成“工藝牽引裝備,裝備支撐工藝”的良性循環。


增材制造基礎研究覆蓋了相當完整的學科方向,但同世界領先水平還有一定差距,近幾年的一些顯著影響增材制造全局的重大技術進步都來自于美歐國家,美國和德國還占據高端增材制造裝備商業化銷售市場的絕對優勢;高端增材制造裝備的核心元器件和商用軟件還依賴進口;以系統級創新設計引領的規?;I應用還主要在美歐國家。


機器人減速器、高速列車主軸承、液氣密封等機械基礎件的性能及質量與國外比較差距仍然較大,高端基礎零部件發展受制于原材料、精密制造裝備、檢測試驗技術及基礎理論與技術前沿研究的落后,與發達國家存在較大差距。檢測測量技術還存在自主創新少、測量精度不高、測量準確性不高、測量效率低等特點,高端儀器設備依賴進口的局面尚未改變,現有國內測量儀器的性能及可靠性指標與國外產品相比差距明顯,測量理論、方法和技術不太適應國家重大工程的需求。制造業智能制造、大數據的獲取、分析和應用、數據化車間及智慧工廠等尚處于初級階段。


3、展望

機械制造學科發展的總趨勢是需求驅動、學科融合和前沿牽引。我國正處在從制造大國向制造強國邁進的征途中,各行業裝備制造以及高性能產品的制造等,都迫切需要機械制造科學提供創新而實用的理論、方法和技術。機械制造學科一方面要與信息科學、生命科學、材料科學、管理科學、納米科學繼續深入的交叉融合,發展和完善仿生及生物制造學、微納制造學、制造管理學和制造信息學。另一方面要與機械學融合,即與機構學、傳動學、摩擦學、結構強度學、設計學、仿生及生物等機械學更深入的融合發展。下一代量子計算機、生物計算機、深地深海深空探測、精準醫療、核聚變、新能源與新材料等科學前沿和未來的需求,都對機械制造科學提出了新的機遇和挑戰。


當前,制造已經處于網絡/信息/智能制造、極端制造、微納制造與生物制造的新時代,網絡環境下具有信息感知、計算分析和決策反饋控制等智能的高端重要裝備和系統的智能制造,不斷快速更新的智能數字網絡多功能集成產品制造,以及制造尺度特大或特小尺度或極端環境極高功能的器件和功能系統的極端制造,高知識含量的信息機電產品、仿生機械產品和微納尺度器件及其產品的制造,將成為制造業發展的重要方向?;谫Y源節約和環境友好的綠色可持續性制造產品的綠色度,將上升為制造競爭力的首要因素。


各領域重點研究內容簡述如下:

精密及超精密加工領域:加強開展超精密加工裝備及其高精度關鍵部件的高品質制造、超精密加工裝備模塊化生產、典型材料及復雜零件超精密加工工藝、超精密加工裝備制造標準等研究。


高質高效加工領域:應用多學科理論和技術手段,不斷完善高質高效加工基礎理論,發現新規律、提出新方法、建立更準確有效的模型,支撐以高質量、高精度、高效率、智能化、綠色化、復合化、高集成化等為特征的高質高效加工裝備、工具和工藝技術的創新發展。


非傳統加工領域:研發多物理場、多工藝復合的激光、超聲、電磁、射流、電子束等非傳統加工的高精可控機制、技術與裝備,實現新型難加工材料的微加工與復雜結構成形,研究3D打印的新方法等新技術與裝備。


微納制造領域:研究功能化大面積納米結構規整平面直接壓印制造、真三維復雜仿生微納結構定域可控制造、復雜曲面、三維多噴頭、多材料電噴印打印制造,以及輕薄化、共形性、表貼式的多功能柔性電子皮膚。


綠色制造領域:研發綠色制造的方法工具平臺、發展再制造產品損傷檢測技術,開發新型綠色材料、節能生產裝備、綠色加工工藝,研發智能再制造拆解及高效清洗工藝,在典型行業和關鍵零部件,推廣綠色制造和再制造技術。


仿生制造領域:重點研究仿生生物制造新技術體系、高端3D、4D機械仿生生物制造,加強成熟度高的仿生生物制造系統的關鍵技術演示驗證及應用,研發重大仿生生物機電產品。


表面功能結構制造領域:揭示表面功能結構有別于宏觀結構的特殊功能的實質以及與宏觀結構作用機制的區別,提出新的表面功能結構制造理論和方法。


增材制造領域:通過增材制造裝備、材料、結構和工藝的重大創新或集成優化,實現更高的尺寸精度、更低的表面粗糙度、更高和更穩定可靠的性能、更大的尺寸和更復雜精微的結構、更高的制造效率和更低的成本、適用更廣泛的材料等,并盡可能追求同時兼顧上述全部或部分優勢。探索微納增材、三維微電子線路、智能結構4D打印等前沿技術。


基礎零部件制造領域:圍繞重大裝備和高端裝備發展的配套需求,以產品突破為主攻方向,密切產需合作,加強基礎技術研究,推動機械基礎件向長壽命、高可靠性、輕量化、減免維修方向發展。


傳感、檢測與儀器領域:科學儀器已遠遠超出“光機電一體化”的范疇,未來智能傳感器會逐步走向集成化、能量獲取自動化、高端需求多樣化的趨勢。需要大量引進日新月異的高新技術,如納米、MEMS、芯片、網絡、自動化、仿生學等新技術。


智能制造及數字工廠:重點突破生產過程智能化、制造裝備智能化、新業態新模式智能化、管理智能化、服務智能化中的基礎理論與共性關鍵技術,建立智慧云制造平臺,加強數字化、網絡化、智能化的深度融合。


機械工程學科發展研究是中國機械工程學會持續開展的學術活動,是機械工程學科各領域發展情況的總結和分析,力求客觀、科學地評價、對比,提出其趨勢和發展策略。努力為從事本領域教學、科研、生產的科技人員,以及國家相關的科研管理和決策部門提供有益的啟迪。2021年中國機械工程學會將繼續開展機械工程學科“成形制造”領域的發展研究,敬請期待我們的研究成果!

(來源:中國工程機械學會)


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