「十年一實驗」是什麼體驗？

作者 | 張雙虎

「胖五」發力，「天問」騰空。火星探測讓我們翹首以待。

鮮為人知的是，有一群人，為「胖五」部件加工進行了20多年研究。

在國家自然科學基金創新研究群體項目「精密製造理論與技術基礎研究」（以下簡稱創新群體項目）支持下，來自大連理工大學的科研團隊面向航空航天、信息電子、能源交通等領域對高性能裝備的重大需求，系統研究了高性能複雜曲面零件精密製造、超高精度表面零件和複合材料構件精密加工、功能性表面層和多尺度微納結構製造等理論與技術，解決了一批高端裝備研製和高性能精密製造難題，成為精密製造領域國際一流的「創新軍團」。

郭東明院士（中）與團隊成員共同研究高性能零件加工工藝 課題組供圖

航天用戶高度認可

「我們特別自豪。到火箭發動機製造廠，看到車間的高端裝備一大片是我們做的。」該創新群體項目負責人、中國工程院院士郭東明的話語中難掩興奮。

運載火箭發動機噴管、燃料箱共底構件的加工製造需滿足導熱、高強、密封等多項高性能要求，若按照原始設計進行常規數控加工，難以滿足加工要求，成為制約我國運載火箭製造的核心難題之一。

「以前，此類零件的加工，火箭製造廠往往採用手工修配、反覆試湊的方式，或要加工出多件來選出一個合格件，這導致火箭關鍵件製造周期長、成品率低，實際應用中可靠性也無法很好地保障。」

團隊成員之一、大連理工大學副教授劉海波說，「隨著我國高密度發射和新航天任務的規劃，這類需求非常迫切。」

上世紀90年代，郭東明意識到，裝備製造已經從以往的以幾何精度要求為主，躍升為以性能要求為主和性能與幾何、材料並重的高端裝備和產品製造。

此後他提出「高性能精密製造」理念，帶領團隊與企業聯合攻關，研發出關聯面形約束的複雜曲面加工等系列工藝，解決了大型薄壁複雜曲面零件精密加工難題。

「現在，我國這類發動機噴管冷卻通道的加工都是採用我們研發的工藝和裝備來完成。」

劉海波說，「應用我們的工藝方法，典型噴管冷卻通道的加工周期可以從50多天壓縮為20天，產品一次合格率達到百分之百。所以，航天企業對我們的認可度非常高。」

十年「種」一顆金剛石磨粒

超精密加工精度往往達納米量級，用金剛石顆粒製作的砂輪進行磨削達到這樣的精度，其難度可想而知。

「看清」磨削過程，搞清楚磨削過程中金剛石磨粒對工件材料的作用以及工件表面的微觀變化，僅僅靠分子動力學仿真等理論分析遠遠不夠，需要結合單顆粒金剛石的劃切實驗來模擬實際磨削，驗證理論模型和分析結果。

「以前的劃切實驗中，金剛石顆粒劃切速度低，與實際加工狀態差別很大，不能反映實際磨削時材料去除狀態。我們提出在實驗砂輪上僅留單顆粒金剛石的納米切深高速劃切方法，不僅劃切速度達到實際磨削速度，而且劃切深度從零開始，由納米量級逐漸增加到微米量級，獲得了深度連續變化的超長劃痕。在此基礎上，就可以對工件表面劃痕周圍材料細微變化進行精確分析。」

郭東明說，「僅這一個實驗，我們就前後進行了十年。」

研究人員一開始通過顯微鏡在金剛石砂輪上選擇留下單顆金剛石磨粒，製備成劃切工具（單顆粒砂輪）來實驗，後來又發現每顆金剛石磨粒的形狀、表面形態都是隨機的，這意味著該實驗不可重複。

「於是，我們就想設計一種具有特定幾何參數的單顆粒金剛石砂輪，採用一系列特殊工藝，將超硬的金剛石顆粒加工成需要的形狀，再『種』到指定位置。」

郭東明說，「這種實驗和分析方法為超精密磨削機理研究提供了先進的實驗手段，對後來的工作幫助很大。」

「泡」在一線開展研究

傳統機械加工中，切削刀具和磨削磨粒的硬度要比工件硬，是以「以硬磨軟」方式去除材料。

但這種方式會造成零件表面損傷，直接影響零件性能。

像製造集成電路的單晶矽片，不僅要求具有高精度超光滑的表面，而且要嚴格控制加工表面損傷。

對硬脆單晶矽材料，採用超硬金剛石砂輪磨削時，即使優化工藝參數，仍然不可避免地產生加工表面損傷。

如何獲得超低損傷表面是硬脆晶體材料超精密磨削麵臨的難題。

「我們想，能不能用比工件軟的磨粒來磨削，這樣可以減小表面損傷。於是，我們引入化學作用，通過化學反應，生成比磨粒還軟的反應膜，這就可以用軟磨粒砂輪去除表面材料，避免磨削損傷。這就是『以軟磨硬』。」

郭東明說，「過去是純機械作用的『硬切』，現在用機械和化學作用相結合的『軟切』，將加工表面損傷降到最低。」

「從2002年開始，我們經過十幾年研究，用『以軟磨硬』的思路開發出超精密磨削新工藝——機械化學磨削工藝，也開發出系列化軟磨料砂輪。應用該工藝方法，我們實現了單晶矽片的超高精度超低損傷磨削。這種方法不但可以用於單晶矽加工，也可以用到藍寶石、碳化矽等硬脆晶體加工上，具有很好的應用前景。」團隊成員之一、大連理工大學教授康仁科說。

和其他研究機構不同，郭東明團隊成員要「泡」在加工車間。

「我們團隊成員的第一個問題要來自企業。」郭東明說，「很多青年教師有1/4的時間都在一線，研究生待在加工車間的時間就更多了。」

2003年，郭東明團隊來到一家企業，發現該企業雖有很好的材料，但加工效果並不理想。

「對於碳纖維樹脂基複合材料等高性能材料來說，如果加工工藝不好，會影響材料性能，甚至根本無法使用。」

團隊學術帶頭人之一、中科院院士賈振元說，「複合材料加工中經常出現分層、撕裂、毛刺等損傷。一有損傷它的性能就降低，這對高端裝備製造來說是致命的。所以郭老師為團隊明確了這一研究方向，我們從基礎研究開始，和企業一起攻關。」

經過大量實驗和分析，研究人員發現力和熱是造成零件加工損傷的主要原因。但加工過程中不可能不受力，也不可能沒有熱量產生。

「到底多大的力最好？多高的溫度影響最小？怎麼來控制力量和溫度？這需要從基礎理論上去尋找答案。」賈振元說。

在國家自然科學基金等項目的支持下，研究人員通過大量實驗，發現局部受力對加工件的影響最小。

同時，加工時「反向剪切」既能大幅度減少損傷，又能將刀具壽命延長3~5倍，同時還大幅度簡化了工藝。

有了深厚基礎研究作後盾，該團隊在精密製造理論與技術方面取得了一系列重大創新成果，多項成果用於重大型號研製與量產。

「在郭老師的帶領下，我們建成了一支有影響力的隊伍。我們和合作單位、相關企業關係密切，通過『產學研用』的配合，我們的隊伍也在實踐磨鍊中成長起來。」賈振元說。

致力「聚焦、貫通和融合」

《中國科學報》：您認為基礎研究在解決應用技術難題上能起到怎樣的作用？

郭東明：解決尖端技術問題不能局限於技術本身，因為突破技術瓶頸往往需要基礎研究的突破作支撐。我們雖然做的是基礎研究，但大部分問題來自生產實踐。

要弄清需求、瞄準問題，就要求拿出一定的時間到企業去深入了解關鍵技術難題是什麼、根源在哪兒，然後凝練出制約技術的基礎理論問題，再進一步思考和研究如何取得突破。

基礎研究積累不夠，會導致遇到技術難題需回過頭來做基礎研究。基礎研究和應用技術之間的關係很緊密，也特別複雜，互相影響甚至是耦合關係，這種複雜的關係單靠企業很難解決問題，往往需要多學科、多領域的人才合作，通過技術牽引下的基礎理論突破來解決。

《中國科學報》：您的研究對我們成為「製造強國」或解決製造業「卡脖子」問題可起到怎樣的作用？

郭東明：要成為製造強國，關鍵是提高我們製造的質量和水平。

工藝上的進步，很大程度上取決於與之相關的基礎研究支持。

我國在高端裝備方面的差距，源於我們對工藝研究和影響技術的基礎理論研究不夠深入、不夠系統。

超高精度加工並非只是簡單的精度提高，影響精度的因素非常多，它牽涉諸多方面，一定程度講，它也是一個系統工程。

要解決「卡脖子」問題、要成為製造強國，首先要解決超高精度製造方面的難題。我國在精密和超精密製造方面目前布局還很不夠，沒有形成系統的力量。

我希望我們在這方面的研究能彌補一部分或解決一部分問題。

《中國科學報》：在超高精度製造方面，目前我們處於什麼水平？團隊下一步的發力點在哪兒？

郭東明：我們雖然實現了「單點突破」，但從總體上說，和先進國家還有差距。

我國裝備製造方面的差距主要體現在製造裝備的性能上。

下一步我們要在聚焦、貫通和融合上做好文章。

一是要聚焦高端，即聚焦高端裝備的性能保證。

所謂高端，就是做出來的裝備性能要高。

以前我們長期聚焦在提高製造精度上，產品性能和精度有關，但並非精度高，性能就一定好。

製造的理念需要從精度躍升到性能上，這也是20多年來，我們從實踐和討論中得到的啟發。

二是瞄準產業，貫通研究和應用。

基礎研究的內容來源於產業的技術問題凝練，以推動技術的突破為目標，只有做好基礎研究，才能推動技術突破。

我們的優勢是各學科人才齊備、基礎研究積累厚實，應該瞄準產業需求、貫通產學研，通過這樣的方式凝練問題、鍛鍊隊伍，提升研究水平。

三是凝聚團隊、融合目標。

我們圍繞高性能製造這一目標，瞄準國家重大需求，通過團隊文化打造團隊凝聚力，將國家目標變成團隊目標，將個人發展與團隊目標融合，最終來解決行業或國家的高性能製造基礎難題。

《中國科學報》 (2020-07-27 第4版 自然科學基金)

編輯 | 趙路

排版 | 郭剛

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