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《2018-2019机械工程学科发展报告(机械制造)》已正式出版

2020年,中国机械工程学会及其生产工程分会承担了中国科协学科发展工程项目,在中国工程院院士、中国机械工程学会副理事长郭东明院士为首席科学家的专家撰写组,和11个专题小组近百位专家的共同努力下,通过充分收集资料、深入调查研究和严谨数据分析,以及多次研讨会讨论和广泛征求本学科领域内专家学者的意见的基础上,形成了《2018-2019机械工程学科发展报告(机械制造)》(以下简称《报告》)。

机械制造科学的基本任务,就是为制造业提供所需求的机械制造过程及装备的新理论、新方法和新技术。现代机械制造学科和制造技术,是具有很强领域带动效应的工程科学,不仅研究多领域多学科交叉的基础性、科学性和创新性等共性问题,同时,可以通过解决企业生产应用中的关键科学技术问题,成为推动制造装备、制造工艺和相关产业发展最有力、最直接的牵引力和原动力。因此,机械制造学科和制造技术,是振兴和强大制造业的重要基础,在国家经济与社会发展中起着非常重要的作用。《报告》主要概述了近几年我国在机械制造科学研究以及在不同工业领域应用中取得的创新性和标志性研究进展,通过对国内外研究进展进行对比,对今后机械制造理论和应用技术的研究趋势进行了展望。


1、机械制造学科标志性研究进展

在精密与超精密加工领域,清华大学路新春等建立了大尺寸表面纳米级平坦化的加工原理与方法,发明了系列大尺寸超薄硅片纳米级无损伤抛光关键技术,研制开发出12英寸“干进干出”化学机械抛光(CMP)装备与成套工艺,实现了IC制造大尺寸晶圆表面的纳米级平坦化及纳米级缺陷控制。整体技术达到国际先进水平,已在中芯国际等企业实现批量应用,打破了国外高端微电子超精密抛光装备长期垄断的局面。


在高效高质加工领域,大连理工大学贾振元等建立了碳纤维复合材料(复材)新切削理论体系,发明的钻、铣削等九个系列新型复材切削刀具、加工技术及工艺,相比于国外及传统刀具,加工损伤由毫米量级降至0.1mm以内,刀具寿命提升2-7倍,加工效率提升3-4倍,加工精度提升50%。成果已应用于航天一院、三院、中航工业和中国商飞等企业复材构件的加工制造中。


在非传统加工领域,华中科技大学邵新宇等提出了大型薄壁曲面激光焊接控形控性技术,发明了大型三维薄壁曲面焊缝形貌在线“测量 —跟踪 —补偿”技术与装置,实现了汽车车身小变形、低应力、高质量激光焊接。成果已在上海通用、江铃福特、江淮等企业得到应用。


在微纳制造领域,西安交通大学卢秉恒等提出了电场斥力辅助的脱模新方法,建立了大面积嵌入式功能结构的电场辅助扫描填充技术,实现了金属、低维纳米墨水等功能材料对特定微纳米孔隙的电场辅助填充;提出了异型微纳结构电致流变成形方法和宏观表面的6英寸晶圆级自动化纳米压印微区控制压印新方法,实现了表面翘曲起伏的晶圆级基材与柔性模板的均匀接触,推动纳米压印技术由二维向三维方向发展。


在绿色制造领域,中南大学郭学益等创新开发了废旧线路板低温连续热解新技术,实现了废旧电路板中有机组元深度碳化与金、银、铜、钯等有价金属的有效富集,以及物料中有机溴、氯的无害转变与尾气超低标准排放,有效消除了废旧电路板中持久性有机污染物;已在江西等9个省(自治区)推广应用,推动我国再制造产业进入世界先进水平行列。


在仿生制造领域,源于昆虫蜕变翅膀折叠的灵感,仿生成为从小实体到大展开面的神奇变换机构。天津大学陈焱等创造性地将空间结构代替球面机构,建立了基于过约束空间机构网格的厚板折纸运动学模型,解决了厚板折纸的仿生制造难题。研究成果已用于大型空间可展结构、新型超材料与轻型复合材料、可变形机器人等工程。


在表面功能结构制造领域,华南理工大学汤勇等发明了复杂表面热功能结构形貌特征设计与可控制造关键技术,实现了管外、管内表面热功能结构高效成形及复杂形貌可控生成等,从根本上解决了管壳式换热器、空调及照明高能耗以及高铁的核心绝缘栅双极型晶体管、卫星数据传输及相控阵天线高热流密度电子芯片热控问题,在我国相关行业的龙头企业实现大量应用。


在增材制造领域,华中科技大学史玉升提出基于激光选区烧结增材制造的复杂零件整体铸造新思路和发明整体铸造成套技术,突破了航空发动机机匣、航天发动机涡轮泵等高性能复杂零件的整体铸造难题。成果应用于中国航发、西安航天发动机有限公司等国内外数百家单位,取得了显著的经济和社会效益。


在基础零部件制造领域,中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司联合北京工业大学石照耀,提出了基于记忆合金流量调节的温控技术、高精度齿轮拓扑修形技术和高效齿轮配对技术等核心关键技术,开发的高铁列车用齿轮传动系统温升降低10度(摄氏)以上,噪声降低11%,振动得到显著控制,功率重量比提升10%。


在传感、检测与仪器领域,重庆理工大学彭东林提出一种将被测齿轮与传感器融汇一体的新方法-寄生式时栅技术,采用非接触、密封的离散测头线圈直接把被测齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条、丝杠等当作均匀分度的“齿栅”,作为新检测方法的行波产生器件,再用时钟脉冲作为位移精密测量的基准,从而实现实时、在线、动态精密位移测量。


在智能制造及数字工厂领域,华中科技大学丁汉等针对“大型复杂曲面多机器人高效加工的主动顺应与协同控制”科学难题,在涉及磨抛法兰和力位自律跟踪、高能效移动机器人机构设计、超大高光反射表面三维测量、多机协同运动规划和测量加工一体化协同控制等关键技术上取得突破,并在中国中车等企业得到推广应用。


2、国内外对比与发展趋势

近年来,在国家自然科学基金、国家973/863科技计划、国家重大重点专项等项目的支持下,机械制造学科领域取得了一系列突出进展和创新成果,为我国制造业提供了大批新理论、新技术和新方法,在国内外产生了重要影响。我国机械制造科学从过去的跟踪、发展到现在的并跑,有的领域已处于领跑状态。超精密加工、高质高效加工、特种加工、绿色制造、仿生制造、增材制造、功能表面结构制造等领域已在国际学术界占有一席之地,研究水平总体上已步入国际先进行列。


同时,机械制造学科领域还存在的不少问题和差距,主要体现中国学者提出的机械制造领域的新概念、新理论、新方法和新技术不多;有重要国际影响的机械制造理论、方法和技术较少;在机械制造领域国际学术界有较大影响的中国学者少。我国机械制造的理论、方法和技术对中国制造业的自主创新和自强发展的贡献不够显著。


体现机械制造技术先进性的高端装备与发达国家相比仍然存在很大差距。我国高档数控机床、精密超精密加工机床、精密科学仪器、大型民用飞机、大型民用航空发动机、超大规模集成电路芯片及其制造装备、高档轿车及其关键生产设备与核心技术仍未掌握在自己手中。


制造加工理论、工艺及成套装备虽然已有重大突破,仍然缺少原创性、系统性的深入研究,有些领域甚至还处于起步阶段。例如,我国在航空发动机关键构件的制造精度方面已经接近或达到了与国外产品相同的水平,然而制造的关键构件服役寿命却不及国外同类产品的50%,在关键构件制造技术方面未能掌握面向高性能制造的表面宏微观几何与物理状态对构件服役影响影响规律,相关基础数据严重缺乏、高性能加工表面状态设计基础研究不足。高端装备研发依然是仿制国外同类型设备为主,缺乏主动设计手段,没有形成“工艺牵引装备,装备支撑工艺”的良性循环。


增材制造基础研究覆盖了相当完整的学科方向,但同世界领先水平还有一定差距,近几年的一些显著影响增材制造全局的重大技术进步都来自于美欧国家,美国和德国还占据高端增材制造装备商业化销售市场的绝对优势;高端增材制造装备的核心元器件和商用软件还依赖进口;以系统级创新设计引领的规模化工业应用还主要在美欧国家。


机器人减速器、高速列车主轴承、液气密封等机械基础件的性能及质量与国外比较差距仍然较大,高端基础零部件发展受制于原材料、精密制造装备、检测试验技术及基础理论与技术前沿研究的落后,与发达国家存在较大差距。检测测量技术还存在自主创新少、测量精度不高、测量准确性不高、测量效率低等特点,高端仪器设备依赖进口的局面尚未改变,现有国内测量仪器的性能及可靠性指标与国外产品相比差距明显,测量理论、方法和技术不太适应国家重大工程的需求。制造业智能制造、大数据的获取、分析和应用、数据化车间及智慧工厂等尚处于初级阶段。


3、展望

机械制造学科发展的总趋势是需求驱动、学科融合和前沿牵引。我国正处在从制造大国向制造强国迈进的征途中,各行业装备制造以及高性能产品的制造等,都迫切需要机械制造科学提供创新而实用的理论、方法和技术。机械制造学科一方面要与信息科学、生命科学、材料科学、管理科学、纳米科学继续深入的交叉融合,发展和完善仿生及生物制造学、微纳制造学、制造管理学和制造信息学。另一方面要与机械学融合,即与机构学、传动学、摩擦学、结构强度学、设计学、仿生及生物等机械学更深入的融合发展。下一代量子计算机、生物计算机、深地深海深空探测、精准医疗、核聚变、新能源与新材料等科学前沿和未来的需求,都对机械制造科学提出了新的机遇和挑战。


当前,制造已经处于网络/信息/智能制造、极端制造、微纳制造与生物制造的新时代,网络环境下具有信息感知、计算分析和决策反馈控制等智能的高端重要装备和系统的智能制造,不断快速更新的智能数字网络多功能集成产品制造,以及制造尺度特大或特小尺度或极端环境极高功能的器件和功能系统的极端制造,高知识含量的信息机电产品、仿生机械产品和微纳尺度器件及其产品的制造,将成为制造业发展的重要方向。基于资源节约和环境友好的绿色可持续性制造产品的绿色度,将上升为制造竞争力的首要因素。


各领域重点研究内容简述如下:

精密及超精密加工领域:加强开展超精密加工装备及其高精度关键部件的高品质制造、超精密加工装备模块化生产、典型材料及复杂零件超精密加工工艺、超精密加工装备制造标准等研究。


高质高效加工领域:应用多学科理论和技术手段,不断完善高质高效加工基础理论,发现新规律、提出新方法、建立更准确有效的模型,支撑以高质量、高精度、高效率、智能化、绿色化、复合化、高集成化等为特征的高质高效加工装备、工具和工艺技术的创新发展。


非传统加工领域:研发多物理场、多工艺复合的激光、超声、电磁、射流、电子束等非传统加工的高精可控机制、技术与装备,实现新型难加工材料的微加工与复杂结构成形,研究3D打印的新方法等新技术与装备。


微纳制造领域:研究功能化大面积纳米结构规整平面直接压印制造、真三维复杂仿生微纳结构定域可控制造、复杂曲面、三维多喷头、多材料电喷印打印制造,以及轻薄化、共形性、表贴式的多功能柔性电子皮肤。


绿色制造领域:研发绿色制造的方法工具平台、发展再制造产品损伤检测技术,开发新型绿色材料、节能生产装备、绿色加工工艺,研发智能再制造拆解及高效清洗工艺,在典型行业和关键零部件,推广绿色制造和再制造技术。


仿生制造领域:重点研究仿生生物制造新技术体系、高端3D、4D机械仿生生物制造,加强成熟度高的仿生生物制造系统的关键技术演示验证及应用,研发重大仿生生物机电产品。


表面功能结构制造领域:揭示表面功能结构有别于宏观结构的特殊功能的实质以及与宏观结构作用机制的区别,提出新的表面功能结构制造理论和方法。


增材制造领域:通过增材制造装备、材料、结构和工艺的重大创新或集成优化,实现更高的尺寸精度、更低的表面粗糙度、更高和更稳定可靠的性能、更大的尺寸和更复杂精微的结构、更高的制造效率和更低的成本、适用更广泛的材料等,并尽可能追求同时兼顾上述全部或部分优势。探索微纳增材、三维微电子线路、智能结构4D打印等前沿技术。


基础零部件制造领域:围绕重大装备和高端装备发展的配套需求,以产品突破为主攻方向,密切产需合作,加强基础技术研究,推动机械基础件向长寿命、高可靠性、轻量化、减免维修方向发展。


传感、检测与仪器领域:科学仪器已远远超出“光机电一体化”的范畴,未来智能传感器会逐步走向集成化、能量获取自动化、高端需求多样化的趋势。需要大量引进日新月异的高新技术,如纳米、MEMS、芯片、网络、自动化、仿生学等新技术。


智能制造及数字工厂:重点突破生产过程智能化、制造装备智能化、新业态新模式智能化、管理智能化、服务智能化中的基础理论与共性关键技术,建立智慧云制造平台,加强数字化、网络化、智能化的深度融合。


机械工程学科发展研究是中国机械工程学会持续开展的学术活动,是机械工程学科各领域发展情况的总结和分析,力求客观、科学地评价、对比,提出其趋势和发展策略。努力为从事本领域教学、科研、生产的科技人员,以及国家相关的科研管理和决策部门提供有益的启迪。2021年中国机械工程学会将继续开展机械工程学科“成形制造”领域的发展研究,敬请期待我们的研究成果!

(来源:中国工程机械学会)


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