推動高端制造裝備嬗變的“背后力量”
——記國家自然科學基金創新研究群體項目“高性能數字制造裝備的基礎研究”
http://www.debgrams.com 2021-09-22 13:47 來源：中國自動化學會專家咨詢工作委員會
2008年，團隊成員在一起籌備申請創新群體項目。受訪者供圖
在高端制造裝備領域，“中國制造”面臨嚴峻挑戰，如何“臥薪嘗膽”建立“產品自信”，進而樹立“文化自信”，是時代大課題。
在國家自然科學基金創新研究群體項目持續資助下，中國工程院院士、華中科技大學黨委書記邵新宇團隊十多年來，在高端制造裝備領域深耕細作，從“基于幾何的制造”到“基于物理的制造”，再到“基于信息的智能化制造”，一步一個腳印地邁入高性能數字制造的領先方陣。
項目執行過程中，群體成員獲國家科學技術進步獎一等獎等國家獎勵6項，兩位成員被評為院士。今年3月，該項目結題驗收時獲評優秀。今天，我們走近這支推動中國高端制造裝備嬗變的“背后力量”，看看這個優秀群體是如何“煉”成的。
焊接技術：從“紐扣”到“拉鏈”
如果你是個老司機，可能會發現以前車身和車頂結合處，不少品牌都有的“裝飾條”不知何時消失了。
這其實并非廠家省掉了裝飾條，而是焊接工藝進步了。在汽車焊裝生產線上，傳統的點焊技術不但讓焊接處凹凸不平，而且存在焊接縫隙，因此焊接后需涂膠并裝上裝飾條。
“類似我們穿的衣服，點焊就像扣紐扣，激光焊接像拉拉鏈。”邵新宇告訴《中國科學報》，“紐扣之間不可避免存在空隙，同樣，點焊的焊點間也有縫隙，其剛度、強度、密封性、表面光滑度等無法和激光焊接相比。”
但激光焊接集成了材料、工藝、控制、裝配等多項技術，是復雜的光、機、電一體化系統，門檻極高。由于我國這方面基礎研究薄弱，關鍵工藝、成套裝備與系統集成的核心技術缺乏，長期以來，我國的激光焊接裝備高度依賴進口。
“激光焊接是高能束加工，激光要聚焦到車身拼縫中心，焦點和拼縫中心的重合度小于0.1毫米。”邵新宇說，“轎車的頂蓋焊縫2米左右，商務車達到4米以上，對0.6毫米至1.5毫米厚，又有一定弧度的車身板來說，焊接到中間時后面已經變形，需要用機器視覺、測量跟蹤、力學補償等手段來保證焊接精度。”
經過十多年基礎研究和“學研產用”攻關，該群體首創了形性可控的三維薄壁曲面白車身激光搭接填絲熔焊工藝與成套裝備，將拼裝允差由0.3毫米提高到0.8毫米，單條焊縫長度由1.8米提高到4.5米。他們發明了曲線切割圖形刀補測控方法，研發了拼焊束流能量均衡調控技術，在國際上首次研發曲線不等厚板激光切—焊一體化復合工藝與成套裝備，研發了白車身激光焊接、不等厚板曲線拼焊、激光非穿透精密切割等一系列成套裝備，一舉突破國外壟斷。
“車身頂蓋—側圍激光焊接生產線目前已達到43秒/輛，為全球最高節拍。”邵新宇說，“該成套工藝裝備屢次在與國際知名裝備公司的競爭中獲勝，已在一汽紅旗、上汽通用、東風雪鐵龍、廣汽本田、江淮、江鈴（福特）等龍頭車企中廣泛應用。”
該成果獲2014年度湖北省科技進步獎特等獎和2015年國家科學技術進步獎一等獎。在此基礎上，他們進一步攻克了新能源汽車鋁合金車身高質高效激光焊接難題，研發了我國首條鋁合金車身激光焊接線，在上汽通用凱迪拉克、蔚來ES8/ES6等生產中應用。
高端制造：從“幾何”到“物理”
“中國制造正經歷從‘基于幾何的制造’向‘基于物理的制造’的轉變。”邵新宇說，“目前，還要同步向‘基于信息的智能化制造’邁進。”
邵新宇解釋說，我國在工業化進程中，由于歷史原因，制造領域只能先向別人學習，以前制造業主要關注尺寸公差、表面粗糙度等外部幾何特征，只要樣子符合要求就可以了，沒有注意到材料的微觀組織、力學特性等內在性能。因此，做出的產品表面上看差不多，但真正用起來卻發現穩定性、耐久性、可靠性不足。
“這是我們以前仿造國外產品‘形似神不似’的根本原因。”邵新宇說。
“所以，現在要真正深入下去，去研究加工對象的微觀組織結構、材料特性，看看它在加工過程中發生了什么性狀改變。”該團隊成員之一、華中科技大學機械科學與工程學院院長尹周平說，“高端制造、高水平制造，最后比拼的就是性能。”
邵新宇認為，所有“卡脖子”問題追根溯源都是基礎研究做得不夠扎實。這也造成我們制造業“‘依葫蘆畫葫蘆’都畫不好，更別說‘依葫蘆畫瓢’了”。
通常企業只注重參數、節拍、質量體系的控制，沒有能力也沒有興趣從基礎原理入手解決問題，而這恰恰是大學和研究機構擅長的領域。
“比如航空發動機的渦輪葉片，材料去除量高達70%以上，整體厚度不到2毫米，如果工藝參數調控不好，葉片末端加工變形就會產生超差，而控制變形涉及材料、力學、熱力學等學科，這些必須通過基礎研究來解決。”該群體成員之一、華中科技大學機械科學與工程學院副院長彭芳瑜說，“我們針對復雜零件、薄壁結構、難加工材料的精密高效加工這一國際性難題，建立了復雜曲面零件高速數控加工動力學模型與精度調控模型，提出了高速銑削穩定性分析全離散法，建立了基于驅動電流的切削力和顫振監測新方法，成功應用于航空高溫合金整體葉輪等高效、精密加工，解決了國家重大需求。”
基于華中科技大學機械科學與工程學院自身的優勢，該群體面向高性能數字制造裝備研制的國家重大需求和世界科技前沿，瞄準高表面完整性、高精度穩定性、高自律執行的科學目標，開展基礎理論和先導技術研究。在基礎理論研究、技術研發和裝備研制方面取得了一系列突破性創新。
無縫銜接：從實驗室到生產線
成熟的裝備或工藝，往往要理論上反復推演，然后到生產線上檢驗，再反饋問題研究改進，經過日積月累、不斷迭代優化才能一步步臻于完善。
“但國產裝備發展面臨一個問題，就是做出來東西沒地方用，很多企業不太相信你這個東西能用。”該群體成員之一、華中科技大學教授陳學東說，“這就形成了惡性循環。”
該團隊的第一條激光焊接生產線，也是在給某合資品牌車企維修國外生產線時，才逐步獲得企業的信任，并在江淮汽車進一步完成技術提升的。
“當時江淮汽車的負責人非常有氣魄，給了我們一個試用的機會。”該群體成員之一、華中科技大學教授蔣平說，“我們非常珍惜那次機會，一點點用產品和實力說話，慢慢地，企業發現國產裝備性能一點也不差，某些指標還更好，我們的市場才漸漸打開。”
“我們這個群體，可以說從基礎研究到生產實際是無縫銜接。”邵新宇說，“不論時間上還是空間上，我們離生產一線的距離都非常近。在很多項目中，群體成員和企業員工‘同吃同住同勞動’，從生產線到實驗室的反饋循環沒有時間間隔。”
該群體和多家企業聯合，組成了“學研產用”結合、光機電多學科交叉的研究團隊，建立了“高校研究者專心格物窮理，中試基地不斷提升核心技術，終端企業提高應用效能”的協同創新機制。
目前，該群體的基礎研究和技術研發成果得到了很好的轉化與應用，改變了汽車制造激光焊接、航空葉片高精高效磨拋等高端工藝與裝備被國外壟斷的局面，帶動了國產裝備的跨越式發展，并推廣到航天、航海、芯片、能源等領域。
《中國科學報》：您認為團隊取得這樣的成績靠的是什么？
邵新宇：華中科大機械學科上一代科學家，像楊叔子、熊有倫、段正澄、李培根等院士，他們本身就是“大先生”，做人做事做學問方面都是我們的楷模。先生們對我們的要求也是“學術第一、嚴謹踏實”。有一年大年初一，我和丁漢幾個人到熊院士家拜年，老先生正在家中用紙筆推導數學模型。2008年我申請“杰青”時，先生幫我改申請書到凌晨3點。有一次華工激光子公司生產線上出現問題，段院士半夜帶隊去解決問題，他說“不解決問題睡不著覺”。
《中國科學報》：該群體最大的特點是什么？
邵新宇：一個群體必須有其內在的、精神層面的東西。我們從老一輩科學家那里傳承了一種開放的學術交流機制，激發大家的科研靈感。華中科大機械學院有個“STAR（Striving、Teamwork、Agility、Responsibility）文化”即“自強不息、團結協作、快速反應、盡職盡責”幾個英文單詞的首字母，這幾個單詞很好地概括了我們的文化和精神。
《中國科學報》：您認為科學基金在科研人才培養方面起著怎樣的作用？
邵新宇：基礎研究需要靜下心來，十年磨一劍，需要培養一種科學家精神。科學基金在這方面發揮了特別好的作用，它長期穩定的支持可以讓研究人員真正地解決一些問題。科學基金有一套嚴格的考評、交流機制，比如，項目答辯和驗收環節，很多同行專家都是現場打分。如果我們的工作沒做好，坐在下面壓力會非常大。
同時，通過這個創新群體項目，團隊中三代科研人員都成長起來，形成了老中青結合的科研梯隊。
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