研發(fā)先進制造技術(shù) 服務(wù)天津工業(yè)發(fā)展
——走進天津市高速切削與精密加工重點實驗室

科研條件

實驗室現(xiàn)有研發(fā)面積1600m2、大型設(shè)備50多臺（件），儀器設(shè)備總資產(chǎn)8000余萬元。重點購置了精密與特種加工設(shè)備、切削測試儀器、材料分析儀器、分析與仿真軟件，加工裝備主要包括牧野、DMG、GF等世界著名機床企業(yè)的三軸/五軸高速加工中心、自動生產(chǎn)單元、線切割和電火花加工機床等，切削測試儀器主要包括奇石樂、德國西門子LMS等著名品牌的旋轉(zhuǎn)切削測力計、臺式切削測力計、高精度紅外成像儀、高性能振動應(yīng)變測試系統(tǒng)、高速攝像機、掃描電鏡、電弧離子鍍膜機、高功率脈沖磁控濺射系統(tǒng)、高溫摩擦磨損試驗機、超景深顯微鏡等。儀器設(shè)備國內(nèi)領(lǐng)先，部分設(shè)備處于國際先進水平。

實驗室的“高效高精加工技術(shù)及其裝備”天津市創(chuàng)新科研團隊，共有專職科研人員31人，其中教授9人、副教授8人，天津市高校學科領(lǐng)軍人才2人、中青年骨干創(chuàng)新人才5人，天津市“131”創(chuàng)新型人才4人，天津市高層次創(chuàng)新科技領(lǐng)軍人才1人，天津市特聘教授青年學者2人，天津市優(yōu)秀教師1人。

研究方向及特色

實驗室在高速精密加工工藝研究、高速切削機理研究、高檔數(shù)控機床研發(fā)和新型精密傳動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等領(lǐng)域進行了深入的研究。

針對航空航天、國防、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域的難加工材料/結(jié)構(gòu)，實驗室開展了高效高精加工理論、工藝技術(shù)及其裝備研究，承擔了多項國家自然科學基金、國家科技重大專項、天津市的重大專項和自然科學基金等縱向課題，以及企業(yè)委托課題。在切削動力學理論、高速切削機理、刀具涂層、高檔數(shù)控機床動態(tài)性能、數(shù)控齒輪嚙合理論、精密/超精密加工工藝、快刀伺服、靜壓技術(shù)、精密RV減速機制造技術(shù)以及摩擦、磨損與潤滑等方向形成特色。

重要課題及科研成果

近5年，實驗室承擔“863”計劃等國家級課題50余項，省部級課題40余項，其他縱向課題30余項，企業(yè)委托課題100余項，總經(jīng)費近億元；獲天津市科技進步二等獎6項、三等獎4項，天津市專利金獎1項。發(fā)表論文300余篇，其中SCI/EI檢索210余篇，申請發(fā)明專利40余項。

在高效加工機理及工藝方面，重點開展了絕熱剪切變形與仿真、切削動力學、切削動靜變形預(yù)測與控制、超聲加工等理論的深入研究。依托國家自然科學基金項目“基于損傷力學的高速切削鋸齒形切屑及動態(tài)切削力預(yù)測”，提出基于線性擾動分析的高速切削絕熱剪切臨界條件預(yù)測模型，考慮壓應(yīng)力影響和高速切削的變形特點，通過線性擾動分析獲得的非經(jīng)驗性絕熱剪切臨界條件判據(jù)，為高速切削參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。基于“鎢合金電塑性變形機理與電脈沖輔助切削技術(shù)研究”等國家及省部級項目，開展了難加工材料/結(jié)構(gòu)高效率高精度加工方法和理論研究。探索了聲-電協(xié)同加工與鎢合金表面創(chuàng)成、表面形貌演變規(guī)律、刀具磨損、精度和性能映射等新原理，突破了超硬大比重合金材料高表面完整性加工關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)建了考慮塑-脆轉(zhuǎn)化的玻璃材料的超聲輔助磨削的切削力統(tǒng)一模型。提出了基于切削過程振動主動控制策略與被動控制策略協(xié)同的薄壁零件加工控制新方法。開發(fā)了基于柔性支撐主動控制思想的薄壁零件的切削振動主動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了零件切削過程中靜態(tài)和動態(tài)變形的在線補償。

在先進刀具涂層研究方面，依托“含氧Zr-B-N納米復(fù)合刀具涂層的結(jié)構(gòu)和性能研究及機理分析”等國家自然科學基金項目，采用“納米復(fù)合+多層復(fù)合+功能梯度”混合式涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，研制AlCrSiN/AlCrSiON多層納米復(fù)合涂層及功能梯度涂層和CrSiN/MoS2自潤滑刀具涂層；自創(chuàng)“硼氮化物涂層成分反向設(shè)計”方法，建立了涂層微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控機制和預(yù)氧化機制，發(fā)明用于高速切削高溫合金的多尺度Zr-BO-N刀具涂層制備工藝，創(chuàng)新性地將硼氮化物用于刀具涂層，性能超過國外同類產(chǎn)品。

在高檔數(shù)控機床研發(fā)方面，結(jié)合國家重大專項、天津市的重大專項和自然科學基金等縱向課題，以及企業(yè)委托課題，重點針對齒輪加工機床開展研究。在機床整機性能優(yōu)化方面，采用整機靜動剛度正向設(shè)計方法，攻克整機靜剛度快速建模和評估關(guān)鍵技術(shù)，掌握了整機/功能部件靜剛度匹配設(shè)計方法、T型床身三點支撐優(yōu)化設(shè)計方法、考慮末端動剛度為約束的整機質(zhì)量匹配設(shè)計方法。圍繞智能主軸、進給系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、在線測量技術(shù)等，開展了大型數(shù)控機床工作臺主軸靜壓軸承技術(shù)、液壓伺服主驅(qū)動和伺服讓刀耦合聯(lián)動技術(shù)、任意螺旋角電子螺旋導(dǎo)軌設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)、螺旋進給、等切削力自適應(yīng)圓周進給等加工工藝技術(shù)以及基于機器視覺與人工智能的齒輪在線測量技術(shù)的研發(fā)，解決高端數(shù)控機床高速、高精度等方面的重大共性技術(shù)問題。

在新型精密傳動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方面，主持國家“863計劃”的“機器人用RV-6AII減速器”項目；參與承擔了國家“863計劃”的“工業(yè)機器人高精度高效率減速機開發(fā)”項目。針對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)減速器高精度/精度保持性能、高剛度、高可靠性、高承載能力需求，開展了RV減速器傳動精度設(shè)計方法、關(guān)鍵零件加工/整機裝配工藝、靜動特性測試等研究，提出了減速器專用非標薄壁軸承優(yōu)化設(shè)計、精度分析與綜合方法，開發(fā)了關(guān)鍵零件專用加工刀具，研制了國內(nèi)首臺高精度誤差測量儀器，揭示了減速器精度損失機理，攻克了RV減速器關(guān)鍵零件刮齒技術(shù)、零件組配優(yōu)化技術(shù)。經(jīng)過多年的技術(shù)積累與沉淀，已掌握RV減速器設(shè)計制造成套關(guān)鍵技術(shù)，助力工業(yè)機器人國產(chǎn)化進程。

科技成果轉(zhuǎn)化

在航空航天高效加工領(lǐng)域，提出火箭大型壁板加工精度控制策略和進給速度優(yōu)化方法，實現(xiàn)了制造工藝智能編程和制造過程的在線檢測，突破了核心技術(shù)。提出基于切削振動主動與被動的協(xié)同控制技術(shù)，以最大材料去除率、齒距特性等影響下的最佳穩(wěn)定性水平為優(yōu)化目標，優(yōu)化加工參數(shù)，明顯提高無顫振加工的效率。上述成果已應(yīng)用于新一代運載火箭長征五號和長征七號等型號工程的研發(fā)。

在國產(chǎn)機床工業(yè)軟件開發(fā)領(lǐng)域，針對格里森螺旋錐齒輪加工機床瓶頸“格里森螺旋錐齒輪加工調(diào)整技術(shù)（TCA）”，建立了螺旋錐齒輪大小輪加工嚙合的數(shù)學模型，開發(fā)了工程實用化螺旋錐齒輪TCA軟件，用于加工參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化計算，提高了機床的加工性能，技術(shù)水平達到了美國格林森公司機床水平，攻克了制約國產(chǎn)螺旋錐齒輪加工機床40余年的“卡脖子”技術(shù)難題。

在刀具涂層技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)明的AlCrSiN/AlCrSiON多層復(fù)合涂層、AlCrSiN/MoS2自潤滑涂層，攻克了大載荷斷續(xù)切削鈦合金垂尾大梁、鎢鉬合金制品時刀具易崩刃的難題，刀具壽命相比國外同類先進產(chǎn)品提高2～3倍，切削溫度降低40℃以上。相關(guān)成果已在國內(nèi)軍工、機械制造領(lǐng)域和刀具生產(chǎn)企業(yè)廣泛應(yīng)用，獲2019年天津市科技進步二等獎。

在新型精密傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件領(lǐng)域，授權(quán)發(fā)明專利11項，核心技術(shù)在中船重工707研究所進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。研制的RV15、RV30等全系列減速機達到國際先進水平，填補了國內(nèi)空白。與天津?qū)殰Z精工集團等企業(yè)聯(lián)合承擔4項天津市重大專項，已建成國內(nèi)領(lǐng)先的智能機器人焊接生產(chǎn)線，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟和社會效益。獲天津市科技進步二等獎2項，三等獎1項。

對外交流與合作

實驗室注重對外交流與合作，與中國通用技術(shù)集團、天津航天長征火箭制造有限公司、安泰天龍鎢鉬科技有限公司、國家超級計算天津中心、天津?qū)殰Z精工集團有限公司等單位深入開展科教融合合作，作為聯(lián)盟秘書長單位組建“天津高端加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”。與中國科學院、國家機械科學總院、天津大學、上海交通大學、西安交通大學、山東大學等科研院所和高校也建立了良好的合作關(guān)系。今年將承辦第九屆高速與復(fù)合加工國際會議，進一步擴大實驗室影響力。