广东省高端装备制造及精密制造的摩擦学研究进展*

黄 兴，谭桂斌,2※

（1.广州机械科学研究院有限公司，国家橡塑密封工程技术研究中心/广东省工业摩擦学企业重点实验室，广州 510535；2.广东工业大学机电工程学院，广州 510006）

0 引言

广东省机械工程学会摩擦学分会创建于1980年，今年恰逢创立40 周年。针对高端机床、能源电力、石油化工、海洋、交通等高技术工业和国防装备需求，工业界将摩擦学知识和先进技术用于提高机电设备的效率、减少事故发生、延长使用寿命、提高机器系统和装备的可靠性等。过去30 余年，由于强烈的社会需求及高科技迅猛发展的原因，中国从2010 年开始制造业规模跃居世界第一，装备制造业显著地带动了中国摩擦学不断进步。从国际角度看，中国摩擦学的发展与我国的GDP 速度相似，逐步从高速度增长跨越到高质量发展，在国际摩擦学研究领域的权重正在快速增加。在此，本文聚焦几个重要发展方向，如高端机床摩擦学、基础部件摩擦学、智能摩擦学、精密电子制造摩擦学、纳米摩擦发电、绿色摩擦与润滑等方面进行回顾，介绍了广东省在相关领域主要研究进展，并对未来进行了展望。

1 高端数控机床

1.1 精密机床摩擦学的研究

1959 年，组建广州机床研究所（广州机械科学研究院的前身，简称广研院），进行热带高温、高湿气候的出口援外机床结构与核心零部件润滑密封防护的研究[1-3]。20世纪60年代起，广研院、北京机床研究所、大连组合机床研究所等，是当时国家机械部直属一类的机床综合研究所。

1959 年，陈克栋先生从上海机床厂调入当时第一机械工业部广州机床研究所，1961 年起创建和领导精密机床的静压轴承研究室，提出了滑阀节流及薄膜节流式静压支承技术，主持国家攻关项目——大型静压轴承测试基地，是中国最早的大型静压轴承寿命实验室（图1）；1963年，陈克栋等组织广研院、上海机床厂、无锡机床厂、机械科学研究院等单位在无锡市举行第一次机床静压轴承技术会议。从1970 年起，陈克栋、钟洪团队等对静压轴承的过渡过程、动刚度、油膜厚度、油膜压力等进行了系统的研究，应用电子计算机辅助进行了精密机床、精密机械等静压轴承及动静压轴承的设计计算，成果在精密机床（如高精度车床、精密磨床、重型机床等）、地震试验台、水轮发电机、轧钢机、航天设备动特性试验台等得到应用，1972 年出版《流体静压轴承设计计算》，1978 年在机械工业出版社出版的《液体静压技术原理及应用》，列入“机械工业技术革新技术改造选编”，2007 年出版了行业工具书籍《液体静压动静压轴承设计使用手册》。2009年在我国摩擦学分会成立30周年时，陈克栋先生入选“摩擦学杰出贡献奖”（广东省唯一当选）。

图1 广研院研制的机床静压轴承寿命试验台

1977 年9 月，中国机械工程学会秘书长、原机械工业部总工程师陶亨咸院士、许绍高副秘书长等安排，中国摩擦学界历史上第一次到联邦德国考察交流，8人代表团的团长是广东省第一机械厅厅长孙毅（曾任武汉重型机床厂总工程师兼第一副厂长等），副团长是广研院汪德涛，6 名队员分别是西安交大谢友柏，广研院林亨耀，北京机床所张世莹、张永祥，武汉材保所赵源，长春汽车所张铮。1979 年3 月18 日—25 日，第二次全国摩擦磨损润滑学会议在广州举行，期间，中国机械工程学会摩擦学分会第一届理事会选举成立，孙毅为第一届理事长，陈克栋为第一届理事会副秘书长。1979年5月8 日—21 日，应中国机械工程学会的邀请，英国机械工程学会副主席、国际摩擦学理事会主席H.Jost 博士率领了英国摩擦学6人代表团到中国交流，第一站在广州市考察了广研院静压轴承实验室，中国机械工程学会陶亨咸院士、副秘书长许绍高等专程在广州陪同考察；此后，H.Jost 博士等6 人还到机械部武汉材保所、石油部北京石科院等开展30 多场交流会[4-6]。1980 年9 月，广东省机械工程学会摩擦学分会在肇庆成立，陈克栋被聘任为第一届理事长，孙毅为名誉理事长，汪德涛、戴雄杰、广廷洪为第一届副理事长。这是我国省市级的第一个摩擦学学术团体。

1.2 润滑防护的研究

20世纪60年代，我国最早的润滑可靠性与高湿热环境试验基地在广研院建立。1963年起，“全国精密机床会战”规划中的精密重型机床的润滑与密封研究由广研院主持完成；在1964年开发了我国最早“导轨粘/滑特性试验台和光栅式爬行测试仪”，研制了我国第一批“吉山牌”四球磨损试验机等（图2），成果整体转让到厦门试验机厂；1971年，广研院编著我国首部《精密机床的润滑》。1976年创立《润滑与密封》科技期刊[1-3]。汪德涛与林亨耀等编著、出版了多部工具书籍，促进机械润滑技术等推广和应用[7-9]。为解决精密机床、精密机械、电子设备等“漏油、漏水、漏气”等工程难题，机械部先后在广东成立“机械工业橡胶密封产品质量监督检测中心”（1986年）、“机械工业机床液压元件产品质量监督检测中心”（1989年）、“机械工业油品检验评定中心”（1997年），负责行业内百余个厂家的液压及密封件质量抽查、工艺检查、技术指导等工作。1992 年成立“机械工业橡胶塑料密封标准化技术委员会”。

图2 广研院研制国内第一批四球磨损试验机

伴随精密模具与精密加工产业转移到广东，深圳大学李积彬团队与伍晓宇团队等[10-13]在挤压成形工艺润滑、模具微细加工等方面的研究成果在广东数十家企业中获得应用；汤皎宁团队等[14-15]依托于深圳市特种功能材料重点实验室，提出耐磨防腐的功能镀层技术等。汕头大学程西云团队等[16-17]，开展了功能梯度涂层的防腐及摩擦学研究。广东省新材料研究所林松盛等[18-20]，开发了模具制造等的真空镀膜与真空喷涂技术。哈尔滨工业大学（深圳）杜建军团队等[21-23]的气体润滑轴承技术在航天、石化、机床等企业中获得应用。

1.3 绿色润滑技术与超低摩擦的研究

国家“六五”、“七五”期间，为赶超发达国家高性能切削、磨削液等技术，广研院开展了适于中国国情的工艺润滑研究，开发出多品种的切削液、磨削液、攻丝液、钻削液、插齿液、精磨液等；支撑了我国精密机械、精密机床等产业发展，在我国第一次提出“切削液使用规范”，主导制定的国家标准包括：GB/T 6144-1985 《合成切削液》，GB/T 32812-2016《金属加工业有毒有害物质的限量要求》等；机械行业标准有JB/T 7453-1994 《微乳化切削液》，JB/T 4323.2-1999《水基金属清洗剂及其试验方法》等。戴恩期等[24-26]开展了环境友好润滑技术等研究，研发了系列清洁切削润滑产品。近几年，深圳清华大学研究院潘国顺团队等[27-28]提出绿色精密加工新技术、新方法，组建“广东省光机电一体化重点实验室”，开展纳米摩擦学、纳米润滑及抛光材料等研究；2019 年，清华大学张晨辉教授以超滑新体系的发现和液体超滑机理探索等创新性成果，获得了腾讯基金会等授予的首届“科学探索奖”，5年奖金300万元。清华大学郑泉水团队2008年在世界上首次实验实现了微米尺度结构超滑，2013 年负责的《纳米界面超润滑检测技术与机理研究》获国家973项目资助，《介观尺度结构超滑力学模型与方法》获得2018年国家自然科学基金重大项目资助；在2018 年9 月，深圳清华大学研究院超滑技术研究所创建，由清华大学与深圳市共同投资组建，清华大学郑泉水院士与马明团队等负责筹建，这是全球第2个聚焦超滑技术的研究所，同年4月美国阿贡国家实验室成立了全球第1个“超滑研究中心”。2019年10月，郑泉水团队等组织的第二届超滑国际研讨会在深圳市坪山区举行，是超滑领域的国际研讨会首次在广东省举行，探索超滑技术在新一代信息电子、高端数控机床、航天探测、信息存储等领域更多的应用[29-31]。

2 重大关键基础零部件

2.1 高端装备大型密封系统研究

高端装备视为工业的“心脏”，重大核心密封件被誉为“心脏瓣膜”，属于世界前沿的高精尖技术，在国民经济建设、国家安全和尖端科学技术发展中占据着非常重要的战略地位。密封作为高端精密设备“心脏瓣膜”，如果“瓣膜”漏了、坏了，出现大型设备恶性事故，可能导致整机设备瘫痪。

1975 年机械工业部批准广州机床研究所密封润滑研究室开展基础部件摩擦学等研究，1976 年起研制O 型圈转鼓式冷冻修边技术及装备，1981 年实现丁腈橡胶密封圈注压工艺技术。1984年，广研院黄兴、董武团队等[32-33]提出了流体动力油封的有限元分析与寿命预测方法，开发了多种回流油封新产品、新工艺，在数百家大型柴油机发电厂及电力装备等应用。2006 年起，机械工业橡塑密封重点实验室、国家橡塑密封工程技术研究中心等重点平台先后在广州落户，广研院负责了“十一五”、“十二五”、“十三五”期间国家科技支撑计划、国家04专项、国家重点研发计划等项目，与清华大学等“产学研”长期合作，实现了大型及特大型密封的数字化仿真设计、减摩降损材料、动态密封寿命评定、整体成型装备等共性技术突破，全面攻克了材料延寿、正向设计、寿命预测、成型加工等工程科技难题[34-39]，制修订的国家/行业标准近30项，配套我国大型数控冲压机床、高端油膜轴承、巨型水电机组、大型风电机组、全断面盾构机等高端密封件，成功打破了国外技术垄断。如图3所示，广研院在国际上首次实现了直径13.3 m多唇异形密封件、直径3.8 m模压橡胶密封件整体式一次成形制造，成果在8万吨/4万吨模锻压机、三峡水电站、葛洲坝电站、向家坝电站、10 MW 风电设备、大型冶金装备及国防装备等“大国重器”中安全可靠运行。

图3 广研院为三峡水电站提供的直径13.3 m整体式密封圈以及风电设备的直径3.8 m模压密封圈

2.2 基础件摩擦学理论研究

谭桂斌[40-42]研发了密封安全完整性的设计控制技术，开发了润滑密封耦合摩擦学系统的诊断评价、检测监测等关键技术，提出了严苛环境和受限工况下自润滑仿生密封模拟试验及其安全服役检验检测技术体系。黄乐[43-44]针对大型民机的作动器、特种车辆油缸等复杂工况，基于多尺度多场耦合的密封性能混合润滑仿真模型，开发了橡塑动密封数字化设计软件平台。李国一[45-46]提出了高温、高速、高压密封工况用长寿命、高可靠橡塑材料的设计制备技术。

自20世纪80年代起，华南理工大学戴雄杰、王涛、朱文坚教授等[47-50]研究车辆制动材料与技术，1984年首部著作《摩擦学基础》出版，1992 年《摩擦制动器原理、结构与设计》出版；此外，陈扬枝团队等[51-52]开展齿轮摩擦磨损的研究，首部著作《线齿轮》出版；屈盛官团队、李小强团队[53-54]开展了粉末冶金特种合金的磨损劣化规律及关键零部件成形特性等研究。黄平团队[55-56]在机械设计理论与摩擦学等方向培养博士、硕士近60名，出版了教材与著作十余部，创建了国家级机械设计教学平台、国家级实验教学示范中心、国家级虚拟仿真实验教学中心等，获得国家级教学成果奖、国家级精品课程、国家级教学团队、国家级教学名师、国家级规划教材等荣誉称号，为国家和行业培养了优秀的人才队伍。

3 高端电子制造

在2018 与2019 年，中国进口芯片分别约合3 120 亿美元及3 040亿美元，占全球集成电路市场约60%。广东省是我国电子制造业最发达地区，是精密电子制造大省，作为战略性产业，迫切需要通过多学科、跨领域、跨地域技术合作等，解决“卡脖子”痛点难题。

3.1 纳米级表面抛光研究

在20世纪90年代，全球电子制造产业逐步转移、集聚到我国珠三角等地区。例如，全球最大的计算机磁盘、磁头制造商SAE 集团，在东莞市投资多条生产线。清华大学雒建斌、温诗铸团队[57-61]从1999 年前后，将纳米摩擦学引入到计算机磁盘润滑和表面超精密加工领域，开展纳米金刚石颗粒在润滑过程的微抛光基础研究。此后，摩擦学国家重点实验室在深圳设立了微纳工程研究室，“北京本部”进行前瞻性、理论性和尝试性的基础研究，而“深圳分部”进行快速反应的应用实践研究，真正将实验室研究和企业现场实验紧密结合[62-64]；2003 年起，雒建斌团队负责了两项“国家973 项目”——《高性能电子产品设计制造精微化、数字化新原理和新方法（资助号：2003CB716200）》，《超大规模集成电路制造装备基础问题研究（资助号：2009CB724200）》，负责了国家基金委“创新群体项目”《微纳制造中的表面/界面行为与控制技术》，已连续3次滚动支持；深圳清华大学研究院负责了“973 项目”——《高性能LED 制造与装备中的关键基础问题（资助号：2011CB013100G）》，潘国顺、温诗铸等[65]完成了子课题。从2000 年左右起，雒建斌、路新春、潘国顺、温诗铸等[66-68]与珠三角地区等的电子制造企业紧密合作，成功将摩擦学引入到计算机磁盘磁头及磁盘基片的表面抛光等的精密加工过程，在表面亚纳米级抛光等技术打破了国外垄断；近10年来，拓展到磁盘化学机械抛光、晶圆化学机械平坦化研究、LED 基片抛光研究、芯片制造CMP 装备等众多领域，为芯片制造行业解决“卡脖子”问题等提供了关键装备技术支撑。另外，雒建斌、路新春团队等主持的成果《计算机硬盘磁头、磁盘表面抛光与改性研究》获2005年教育部科技进步一等奖，《超精表面抛光、改性和测试技术及其应用研究》获2008年国家科技进步二等奖；《芯片制造抛光装备与成套工艺》获2019 年中国机械工业科学技术奖（技术发明）特等奖；《摩擦过程的微粒行为和作用机制》获2018年国家自然科学二等奖等重要奖励。2020年8月，雒建斌院士以《摩擦中微粒作用机制及超滑机理》获2020年度陈嘉庚科学奖（技术科学奖）。

3.2 高端印刷电路板的精细钻削研究

高端印制电路板被誉为电子工业基石，我国印制电路板产值约占全球53%。针对高端电路板钻削刀具易磨损、易弯曲、易断裂和微孔群质量差等行业痛点难题，广东工业大学王成勇团队[69-71]实现了低温冷却微量润滑与钻削温度测试工艺技术，揭示微细孔加工刀具磨损/断裂失效机理，提出了微细刀具氮化物纳米润滑涂层制备技术，与重点企业合作突破了微细刀具材料、大长径比刀具设计制造以及微孔群加工工艺等技术。组建了广东省印制电子电路制造工程技术研究中心、广东省印制电子电路产业技术创新联盟等平台。王成勇团队等主持的成果《高端印制电路板高效高可靠性微细加工技术与应用》获2019年国家科技进步二等奖；《难加工硬脆性碳素零部件的高速精密加工关键技术及应用》获2014年广东省科技进步一等奖，《硬脆材料切削、磨削与抛光加工方面的研究》获2009年广东省自然科学二等奖等重要荣誉。

3.3 微纳表界面与摩擦学的研究

2013 年起，刁东风、范雪团队等[72-73]组建了深圳大学纳米表面科学与工程研究所，围绕纳米表面设计——制造——检测——传感——应用开展多学科交叉融合，开展电子/离子辐照下纳米结构化表面设计制造与传感及其超低摩擦电子学等研究，应用到新一代信息技术与智能制造装备等；2020 年，刁东风教授当选日本工程院外籍院士。近10年，华南理工大学苏峰华团队等[74-75]，开展机械表面功能薄膜材料及纳米摩擦学研究，为新能源汽车、航空、航天等关键构件耐磨防护等；广州大学赖添茂等[76]研究了微纳米尺度粘着摩擦的新规律，进行微机械系统、微传感器等摩擦学设计。广东工业大学王启民团队等[77]进行纳米复合薄膜材料研究，开展高温硬质耐磨涂层、超硬材料刀具等研究应用。广州大学刘晓初团队等[78]进行轴承表面强化研磨理论与技术研究。此外，在纳米润滑技术、仿生润滑技术、薄膜润滑技术、绿色润滑及机器人润滑技术等的研究方向，广研院组织编写了工具书籍《润滑技术手册》[79]。

4 智能技术

摩擦及其引发的磨损是最普遍又最具挑战性的物理现象之一，且与能源和精密制造等紧密相关。面向在役机械装备摩擦、润滑、磨损、振动等海量的、瞬态的异构数据，它们是未来企业生产数字化、网络化、智能化变革的数字资产，合理运用工业互联网、人工智能等先进技术，可提升企业及产业综合竞争力。智能摩擦学科学与技术，是在经典摩擦学与先进数字技术等深度融合发展，是人工智能的落地场景之一。

4.1 摩擦润滑安全监测及预警的研究

1980 年起广研院在国内率先采用光谱、铁谱与理化分析相结合的手段，对大型柴油机发电厂进行全面的摩擦学监测诊断，为电力、钢铁、机床、矿山企业等提供了润滑磨损安全预警与失效预报等服务[80-83]。广研院在1989 年牵头与筹建“广东省柴油机发电专业委员会”，1999 年成立“机械工业橡塑密封工程研究中心”，2006年成立“广东省机械装备公共实验室”，2011 年组建“广东省工业摩擦学重点实验室”，2012年创建“中国企业润滑管理高峰论坛”，2013年获批“广东省工业润滑材料与设备状态监测工程技术研究中心”，2017年获批“工业摩擦润滑技术国家地方联合工程研究中心”等，通过共性技术平台及人才队伍等建设运行，服务于国内外的大型企业、科研机构、高等院校等，支撑了制造业的高质量发展。贺石中等[84-85]开展了润滑磨损的诊断判据研究，实现润滑可靠性技术应用。近10 年来，贺石中团队等[86-91]开展远程在线油液监测与离线油液监测信息融合的润滑安全智能预警体系研究，自主研发的智能润滑监测系统在企业设备安全运维的推广应用。2019年12月，贺石中等研发的“重大装备润滑安全远程监控与智能运维系统”入选了2020年广东省智能制造试点示范项目，获得了“2019 年首届中国工业互联网大赛”二等奖等，融合运用了工业人工智能、大数据、工业互联网等先进数字技术，促进了工业企业数字化智能化转型升级。

4.2 精密构件制造的磨损状态监控研究

目前，广东是全球智能手机、消费电子等精密构件及超精密复杂组件的生产制造基地，需要不断满足工业应用的高效切削刀具等。富士康1988年在广东深圳投资了第一个生产基地，逐步建立了30余个科技工业园区。近几年，富士康工业互联网股份有限公司等投入了数十亿元研发资金，在切削刀具设计方面实现了经验数字化、出图自动化、个性定制化等，利用多元异构数据采集实现了精密刀具自动化智能设计、智能生产，依托于富士康工业云（Fii Cloud）等平台，帮助用户企业监测刀具磨损状况和健康状况等，在企业应用中的精密刀具成本降低16%；此外，该团队“一站式”精密刀具磨削APP，获得了“2019 年中国工业互联网大赛”一等奖，入选了国家工信部“2019 年工业互联网APP 优秀解决方案”等，牵头和筹建“广东省智能化精密工具创新中心”等，积极推动行业的数字化、智能化转型升级。

5 结论与建议

摩擦学在解决国家重大工程和装备关键问题中发挥了重要作用。从我国摩擦学研究角度看，北方以基础学科为主，南方科技应用及成果实施转化较强。从产业集聚角度看，需要相关政府部门、高等院校、行业服务机构、大型工业企业、金融投资机构等紧密联系，汇聚国内外的创新要素，开展粤港澳大湾区科技与创新合作，重点推动摩擦学科技成果等的工程应用。具体而言，相关建议包括：

（1）利用广东省在新一代信息技术、高端装备制造及精密制造、绿色石化、数字经济、汽车制造等先进制造业产业集群的优势，积极采用新一代人工智能、大数据、云计算、5G、区块链等先进数字技术，促进装备制造业的摩擦学技术融合及应用等。例如，建设工业互联网、大数据中心等数字化共享平台，为大型企业的摩擦学知识普及、工程应用与人才培养等，提供科学、可靠、高效的技术服务。

（2）在高端医疗器械、手术机器人、生物医用材料制品及植入器械等，仍然有大量的表界面及摩擦学科学和技术难题；广东省在健康服务业规模接近1万亿元，例如，在康复辅助器具、新型智能康复系统与设备及关键制药装备、健康穿戴装备等产业，有关的机械表界面与摩擦学技术问题也亟待攻克。

（3）摩擦学技术有助于节能降耗减排、保护生态环境等，这适合于我国生态文明建设的战略需求。围绕海洋摩擦学与海洋能源、绿色摩擦学与绿色润滑产业等，建议在国际科技合作方面，进一步加强国内外的创新资源与人才集聚，促进绿色制造行业高质量发展，也帮助建设绿色“一带一路”与能源合作。

致谢：对中国机械工程学会摩擦学分会、广东省机械工程学会摩擦学分会等的历届理事会、领导与同仁们，对国内外摩擦学家的长期合作、关心、帮助等致以崇高的谢意。