以執著精神為帆 挺進超精密制造深海
——記深圳大學機電與控制工程學院副研究員張國慶

當李克強總理就中國尚造不出“圓珠筆頭”問題提問“中國制造”，能生產飛機汽車，卻生產不了小小筆頭的“尷尬”讓自古至今以“制造強國”為發展目標的中國情何以堪？大數據、云計算、物聯網的應用能否幫助中國制造向中國“智造”順利轉變，從而邁向中高端制造行列？我們的科研工作者用實際行動做出了肯定的回答。同時，隨著《中國制造2025》的出臺，實現制造強國的“三步走”目標也應運而生：第一步，到2025年邁入制造強國行列；第二步，到2035年中國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平；第三步，到新中國成立一百年時，綜合實力進入世界制造強國前列。而要實現這三個目標，離不開高精尖的創新科研支撐，離不開老一輩科研工作者的厚重經驗，更離不開新一代科研工作者的踏實奮進。

張國慶，深圳大學特聘副研究員，新時代科研工作者的代表，擁有對科研工作的飽滿熱情，遠離繁華世界的喧囂浮躁，秉持著一顆平凡的科研心，走出了一條不凡的超精密加工技術攻關之路。

精密超精密加工技術的首次提出是在20世紀60年代的美國，并且伴隨著航天、宇航等產業的技術需求而得到飛速發展。在此不久后，日本便成立了超精密加工技術委員會并制定了相應發展規劃。到20世紀90年代初期，歐洲實施了一系列的聯合研究與發展計劃，加強和推動精密超精密加工技術的發展。我國也是在20世紀80、90年代的過渡時期開始進行超精密加工技術基礎研究，此時我國航空、航天等軍工行業的發展對零部件的加工精度和表面質量都提出了更高的要求。

進入21世紀以來，超精密加工技術更是得到迅猛發展。其中超精密飛刀銑削作為一種新型的超精密多軸聯動銑削技術得到廣泛應用。該技術通過安裝在主軸上的金剛石刀具的旋轉切削以及刀具與工件之間的多軸聯動，可以直接加工出具有亞微米級尺寸精度和納米級表面粗糙度的復雜微納結構表面，在復雜光學微結構產品的制造中具有舉足輕重的作用。

然而超精密飛刀銑削同樣存在缺陷，其復雜的切削機制使得加工過程中工件的安裝校準和加工參數的選擇調試十分耗時。為了獲得精密而復雜的加工表面，需要多層、多列及多旋轉周期切削的配合，通常加工一個光學部件需要幾天、幾周甚至幾個月的加工周期。如果在加工過程中出現的刀具磨損使得加工的表面質量無法被接受，則是對先前長時間的參數設置時間和加工時間的極大浪費，同時大大降低切削加工的效率。

張國慶在香港理工大學工業與系統工程學系攻讀博士學位期間就開展了“超精密飛刀銑削中刀具磨損檢測的理論與實驗研究”，并以其作為博士畢業課題進行了深入探討，也因此積累了豐富的理論和科研經驗。博士畢業后，他主持了國家自然科學基金項目“超精密飛刀銑削刀具磨損及工件表面特征創成的在線評估新方法研究”，提出只有在超精密飛刀銑削過程中實現刀具工作狀態的在線評估，及時發現刀具磨損及其對加工表面的影響，才能切實提高切削加工效率。

項目研究中，張國慶帶領課題組根據超精密飛刀銑削的間斷性切削機制以及加工過程中切屑形貌、刀具磨損特征和加工表面形貌特征之間的內在關系，首次提出一種基于切屑形貌的刀具磨損特征及工件表面特征創成的在線評估方法。該方法的創新之處在于不僅可以實現不同階段刀具磨損特征的在線評估，還能在不停止切削的情況下精確辨識出刀具磨損的形態與位置，為后續的決策提供依據。多次試驗證明，該方法可以有效減小刀具磨損對加工表面質量的影響，提升切削加工效率。這些成果的取得不禁讓張國慶和課題組成員對未來的深入研究信心百倍。

而在超精密加工領域，張國慶和課題組成員還涉足另一熱點研究領域，即微納結構功能表面制造技術的研究。據了解，微結構功能表面具有特定的拓撲形狀，其表面微結構具有紋理結構規則、高深寬比、幾何特性確定等特點，這些表面微結構使得元件具有某些特定的功能，可以傳遞材料的物理、化學性能等。因此當前很多超精密加工科研工作者都在積極探討如何實現功能表面結構的設計與制造，通過在零件表面設計和加工不同形狀的微結構，提高零部件力學、光學、電磁學、聲學等功能，拓展微納制造的重要應用領域。

關于微納結構功能表面的研究，張國慶承擔了深圳市“孔雀技術創新”科研項目“基于超精密加工的仿生微納結構表面制備技術”研究課題，主要帶領課題組研究多尺度微納結構功能表面的高效制備技術。期間為了切實為微納結構功能表面的加工制造提供有價值的參考，課題組深入分析了多尺度運動超精密飛刀加工運動學特征，建立了多尺度運動超精密飛刀加工的切削運動模型，分析了加工及測量過程中微納結構形狀精度的影響因素。通過理論與實驗研究，不僅掌握了多尺度微納結構功能表面加工的刀具運動軌跡規劃，開發了多尺度運動超精密飛刀切削系統以及多自由度高頻振動硬件系統，還對微納結構功能表面的制造以及精度的改善提供技術指引。

雖然在國內外超精密加工技術領域，張國慶課題組的規模不大，研究方向也常常受到局限，但從短短幾年內已經發表多篇SCI論文并在多個國際會議上做報告來看，他們始終走在某些領域的前沿。如今他們正在矢志開展單點金剛石切削難加工材料的加工工藝、超精密加工過程的智能監測及特殊功能表面加工工藝相關研究，并集中力量發展優勢學科，形成學科高峰，以期解決軍民領域的重大科學問題。

在大學進行基礎研究的同時，張國慶還積極聯系相關企業，進行產學研合作。張國慶認為，目前國內大學和企業的區別在于，大學要充當企業的智庫，做一些前沿、非盈利的科學研究，而企業要將科研成果轉化為工程應用，真正實現科研的價值。而他愿意做大學和企業之間的溝通橋梁，將自己的卓越理念、前瞻性眼光融到更加實用的科研創新中，帶領自己的團隊繼續積極探索，推動學科建設和科研創新協同發展，為祖國的創新強國夢盡一份綿薄之力！