十年一实验是什么体验?

作者: 张双虎

来源: 中国科学报

发布日期: 2020-07-27

大连理工大学科研团队在国家自然科学基金支持下,进行了20多年的精密制造研究,解决了运载火箭发动机喷管等多项高性能零件加工难题,成为精密制造领域的国际一流“创新军团”。团队通过“高性能精密制造”理念,研发出关联面形约束的复杂曲面加工等系列工艺,解决了大型薄壁复杂曲面零件精密加工难题。

“胖五”发力,“天问”腾空。火星探测让我们翘首以待。鲜为人知的是,有一群人,为“胖五”部件加工进行了20多年研究。

在国家自然科学基金创新研究群体项目“精密制造理论与技术基础研究”支持下,来自大连理工大学的科研团队面向航空航天、信息电子、能源交通等领域对高性能装备的重大需求,系统研究了高性能复杂曲面零件精密制造、超高精度表面零件和复合材料构件精密加工、功能性表面层和多尺度微纳结构制造等理论与技术,解决了一批高端装备研制和高性能精密制造难题,成为精密制造领域国际一流的“创新军团”。

运载火箭发动机喷管、燃料箱共底构件的加工制造需满足导热、高强、密封等多项高性能要求,若按照原始设计进行常规数控加工,难以满足加工要求,成为制约我国运载火箭制造的核心难题之一。

上世纪90年代,郭东明意识到,装备制造已经从以往的以几何精度要求为主,跃升为以性能要求为主和性能与几何、材料并重的高端装备和产品制造。此后他提出“高性能精密制造”理念,带领团队与企业联合攻关,研发出关联面形约束的复杂曲面加工等系列工艺,解决了大型薄壁复杂曲面零件精密加工难题。

超精密加工精度往往达纳米量级,用金刚石颗粒制作的砂轮进行磨削达到这样的精度,其难度可想而知。研究人员一开始通过显微镜在金刚石砂轮上选择留下单颗金刚石磨粒,制备成划切工具(单颗粒砂轮)来实验,后来又发现每颗金刚石磨粒的形状、表面形态都是随机的,这意味着该实验不可重复。

传统机械加工中,切削刀具和磨削磨粒的硬度要比工件硬,是以“以硬磨软”方式去除材料。但这种方式会造成零件表面损伤,直接影响零件性能。对硬脆单晶硅材料,采用超硬金刚石砂轮磨削时,即使优化工艺参数,仍然不可避免地产生加工表面损伤。

“我们想,能不能用比工件软的磨粒来磨削,这样可以减小表面损伤。于是,我们引入化学作用,通过化学反应,生成比磨粒还软的反应膜,这就可以用软磨粒砂轮去除表面材料,避免磨削损伤。这就是‘以软磨硬’。”郭东明说,“过去是纯机械作用的‘硬切’,现在用机械和化学作用相结合的‘软切’,将加工表面损伤降到最低。”

和其他研究机构不同,郭东明团队成员要“泡”在加工车间。“我们团队成员的第一个问题要来自企业。”郭东明说,“很多青年教师有1/4的时间都在一线,研究生待在加工车间的时间就更多了。”

在国家自然科学基金等项目的支持下,研究人员通过大量实验,发现局部受力对加工件的影响最小。同时,加工时“反向剪切”既能大幅度减少损伤,又能将刀具寿命延长3~5倍,同时还大幅度简化了工艺。

解决尖端技术问题不能局限于技术本身,因为突破技术瓶颈往往需要基础研究的突破作支撑。要弄清需求、瞄准问题,就要求拿出一定的时间到企业去深入了解关键技术难题是什么、根源在哪儿,然后凝练出制约技术的基础理论问题,再进一步思考和研究如何取得突破。

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