不懈努力 攻克技术难题——访北京工业大学机械工程与应用电子技术学院关佳亮教授

本刊记者/Reporter 李静/LI Jing

关佳亮：男，1964年生，北京工业大学教授。曾经在1990～1995年在哈尔滨理工大学现代制造研究所从事科研和教育工作；1990～1992年从事对俄经贸工作，先后担任俄文翻译、总经理助理和部门经理等职；然后在哈尔滨工业大学和大连理工大学攻读博士以及博士后；2000开始一直在北京工业大学机械工程与应用电子技术学院从事科研和教育工作，担任硕士生导师。

曾获全国第十一届磨削技术会议优秀论文奖、北京工业大学第三届青年教师优秀论文一等奖。现任中国机械工程金属切削刀具协会切削先进技术研究分会委员会委员、中日超精密加工会议(CJUMP)学术委员会委员、光整加工及表面技术国际会议(ICSFT)学术委员会委员、国家“211工程”学科平台建设项目“面向纳米级精度超精密磨削技术的研究”的项目负责人。

本期的技术主题是特种加工技术，北京工业大学机械工程与应用电子技术学院的关佳亮教授恰好近期正在进行几项相关的的课题研究，为此，我刊记者采访了关教授。关教授最近可谓忙碌，他的几个和企业合作的科研课题同时展开，其中有与北京工研精机股份有限公司联合申报的国家科技重大专项《大直径端面透镜模具超精密加工机床及加工工艺的研究》，以及《特殊晶体材料单点金刚石飞刀切削超精密机床及加工工艺的研究》，还有与北京卫星制造厂合作的预研项目《典型难加工材料精密/超精密加工技术的研究》。

扎实做课题

提到技术研究，课题的话题，关教授侃侃而谈，充满了自信。他给我们分别详细介绍了目前的几个重点课题。

《大直径端面透镜模具超精密加工机床及加工工艺的研究》主要研究目标为：针对太阳能发电站集热元件、超薄背投电视屏幕以及高精度大尺寸同心圆零件加工的迫切需求，研制出一台大直径端面微结构超精密加工机床（最大直径≧ф2.0 m），实现菲涅尔透镜模具加工。通过开展大面积微结构加工关键技术的研究，实现清洁、环保、节能等零件的高效、精密加工，并在用户生产中实现应用。该课题是由北京工研精机股份有限公司负责机床总体设计，包括基础技术研发，关键部件研制等；北京工业大学主要负责大直径菲涅尔透镜模具超精密加工工艺技术的理论和实验研究。现阶段已完成课题申报目标要求，完成大直径菲涅尔透镜模具超精密加工工艺及理论的研究，提高了切削效率、降低了刀具的磨损，可有效地提高模具的加工表面质量，为大直径菲涅尔透镜模具加工奠定了理论基础。

《特殊晶体材料单点金刚石飞刀切削超精密机床及加工工艺的研究》主要是开发完成采用金刚石单点加工方法，对于特殊晶体材料进行单点飞刀切削加工的超精密机床，以满足航空、航天领域零件加工的需要，形成此类机床的小批量生产能力。关教授说道，目前这项课题也取得了一些成果。

另外一个《典型难加工材料精密/超精密加工技术的研究》则是结合北京卫星制造厂在航空航天关键零部件生产过程中遇到的铌合金、钛合金和SiCp/Al等难加工材料加工制造难题而设立的。SiCp/Al（铝基碳化硅）复合材料具有高比强度和比模量、耐磨损、热膨胀系数小、尺寸稳定等一系列优点，己成为铝合金、部分钛合金、铍合金的最佳替代材料，被广泛应用在航空、航天、汽车等领域。传统切削加工过程中，铝合金基体局部熔化，生成积屑瘤，使刀具前角大大减小，增加了前刀面磨损，同时基体中的SIC粉末硬度、强度都很高，进一步增大了对刀具的磨损，致使刀具在短时间内变钝，造成粗糙度下降，难以获得高质量的加工表面，相应的形位、尺寸公差很难保证。关教授说针对这一加工难题，采用在线电解修整ELID（Electrolytic In-process Dressing）金属基超硬磨料超微细粒度砂轮的超精密镜面磨削技术，利用在线电解的微量修整作用，使得微米级、亚微米级甚至纳米级超微细粒度砂轮在磨削过程中始终保持良好的切削性，充分发挥了超微细粒度砂轮稳定的微量切削作用，实现了工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金、单晶硅、铁氧体、模具钢等诸多难加工材料的高效超精密镜面磨削，表面粗糙度可达Ra3～5 nm。该技术具有效率高、精度高、表面质量好、加工装置简单及加工材料适应性广等特点，实现了以磨代研、代抛的工艺革命，被国际上最权威的制造技术组织——CIRP评价为“21世纪的超精密加工技术”。

严谨谈理论

关教授说自上世纪60年代以来，随着科学技术的快速发展，很多工业部门的尖端科技产品向高精度、高速度等方向发展，所使用的材料愈来愈难加工，零件形状愈来愈复杂，表面精度、粗糙度和某些特殊要求也愈来愈高。使用传统的加工技术已经难以实现，因此在生产中便出现了一些特种加工方法。如电火花加工、电化学加工、激光加工、超声加工和化学加工等。它们的共同特点是不主要依靠机械能，而且工具硬度可以低于被加工材料的硬度。所以就整体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度零件，同时有些加工还可以用于进行超精加工、镜面光整加工和纳米级（原子级）加工。

关教授还说特种加工与一般机械切削加工相比，有其独特的优点，在某种场合上，它是一般机械切削加工的补充，扩大了机械加工的领域。比如不用机械能，与加工对象的机械性能无关，利用热能、化学能、电化学能等，来加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。特种加工是非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触， 因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。另外可以进行微细加工，工件表面质量高，有些特种加工 ，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。特种加工也不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。

但是关教授也说了我们也不能完全抛弃传统技术，现代工艺中采取两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果更加明显，且便于推广使用。

大胆谈展望

在谈到特种加工技术的发展趋势时，关教授说广泛采用自动化技术、利用计算机实现对特种加工设备的控制系统、电源系统的自动控制，建立特种加工的系统，这是当前特种加工的主要发展趋势，开发由不同特种加工技术复合而成的加工方法， 以扬长避短提高经济效益和生产率，另外还应着重于新的工艺方法的研究，不断提高加工工艺水平。考虑到一些特种加工技术对环境的污染问题，必须要着重解决废渣、废气、废液的 “三废”转化问题，向“绿色”工业及可持续发展工业转化。

在世界经济一体化的进程中，制造技术不断汲取、渗透和融合计算机、信息、自动化、材料、生物及现代管理等方面的成果，使传统意义上的制造技术有了质的飞跃，形成了现代先进制造技术的新体系。微纳制造、3D打印等众多新兴的先进制造技术推动着科学技术的发展，并使制造业产生历史性的变革。将这些先进制造技术综合应用于制造业产品的研发设计、生产制造、在线检测、营销服务和管理的全过程，以实现信息化、自动化、智能化、柔性化、生态化生产。我们应抓住机遇，了解我国机械制造技术的发展现状，把握现代机械制造技术的发展趋势，使我国现代制造业与世界发达国家站在同一起跑线上，取得更大的社会和经济效益。