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编者按
昨天，文章分享了重庆大学黄云教授与“砂带磨”结缘的大半生和取得的成绩，黄云教授还全面分析了国内涂附磨具存在的问题，以及与朋友一起探讨了进入智能制造时代涂附磨具应当如何创新发展，企业加速自身转型升级等诸多话题。
今天，我们将对黄云教授带领的重庆大学砂带磨削团队及科研成果进行更加全面地介绍。
一
团队介绍
黄云团队现有固定科研人员 60 余人，其中高级职称人员 20 人，中级职称 15 人，初级职称 5 人，享受国务院政府津贴 2 人。在培机械工程专业博士后 2 人、博士研究生 10 人、硕士研究生 50 人。团队注重人才梯队建设，目前形成了以教授和博导为带头人，以博士后、博士生、硕士生为研究主力的科研攻关队伍和具有丰富工程经验的工程应用及成果市场转化队伍。
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团队在黄云教授的带领下，以市场为导向，瞄准国外先进技术和技术发展前沿，围绕各行业或领域涉及材料表面精密加工的共性、关键性技术问题进行技术开发和攻关，对具有重要应用前景的科研成果进行系统化、配套化和工程化研究开发。通过不断加强在材料表面精密加工技术、磨料与材料表面交互作用机理、精密机床结构设计与优化技术等方面的研究与创新，形成以科技成果转化为纽带，同时联合上下游单位形成既有技术优势和研发优势，又重视生产和实现技术开放服务的运行模式，不断推出具有高附加值的新产品、新工艺、新技术，推动相关行业、领域的科技进步和新兴技术的发展。
经过数十年的发展建设，团队创建了行业一流、国内知名的材料表面精密加工基地，汇集了一大批来自机械、电子、控制、电气、管理、材料等多学科专业的科研人员，形成了一支由行业专家带头、骨干教授和青年杰出人才为主的创新型团队，取得了包括中国机械工业联合会技术发明一等奖和中国产学研合作促进会一等奖在内的多项国家级和省部级科技奖励，成为我国表面精密加工领域重要的研发团队之一。
二
研究方向及成果
（一）研究方向
近五年来，团队在关键技术突破和基础研究方面取得了显著成果。在关键技术突破方面，团队主要聚焦于复杂曲面自适应加工、机器人打磨和高性能表面加工参数化调控三个方向 ；而在基础研究方面，团队主要聚焦于激光砂带协同、超声辅助加工和复合材料加工三个方向。
1、关键技术突破方面
（1）复杂曲面自适应加工关键技术及装备。针对航空发动机叶片和整体叶盘等复杂曲面零部件的高性能表面制造需求和难题，开展了复杂曲面变余量自适应砂带磨削技术和装备研制 ；提出了基于“N 轴”的力 – 位控制砂带磨削方法，开发出了七轴六联动数控砂带磨削机床，实现了叶片复杂曲面的自适应打磨 ；通过研制叶片加工工艺、进排气边抛磨、快速精密检测、机床监控等关键技术和构建航空发动机叶片加工生产线，实现了叶片生产和检测水平的提升和生产模式转变，开发出了航发叶片自适应砂带磨削中心等设备。通过自主研制整体叶盘数控柔性抛光工艺方法与机床，开发编程系统，解决了手工抛光效率低、一致性差等问题，实现了国产机床、数控系统、功能部件、刀具在生产线和整体叶盘抛光的示范应用。同时，解决了叶片和整体叶盘加工严重依赖国外数控机床问题，推动了国产机床在航空发动机制造领域的深入应用。
（2）机器人打磨关键技术研究。针对航发整体叶盘叶片的高尺寸精度和高表面完整性，建立了面向整体叶盘型面结构特征的磨具匹配方法的机器人磨削工艺体系，分析了整体叶盘机器人磨削表面完整性的形成机理并揭示整体叶盘机器人磨削表面完整性特征对其疲劳寿命的影响规律，提出了面向整体叶盘高性能表面完整性的机器人磨削动态特性优化方法和机器人自动化磨削编程技术，研发了具有自主知识产权的压气机整体叶盘高性能表面机器人磨削装备及系统。通过关键技术的突破、系统软件的开发和磨削装置的研制，为我国航空发动机制造企业生产高可靠、长寿命的整体叶盘零件奠定技术基础。
（3）高性能表面加工参数化调控。针对砂带磨削过程当中加工工艺参数和表面性能参数协调控制问题，基于单颗粒、多颗粒磨削试验分析了砂带磨削中材料表面特征的创成规律，建立多参数协同加工调控模型 ；针对抗疲劳、降噪、减阻等功能性表面开展多参数调控研究，制定特定微结构控制加工工艺方案和路径轨迹，提出了肋状仿生减阻及降噪微纳结构加工方法，并在螺旋浆等零件上得到了应用 ；在试验探究的基础上提出了超声振动辅助磨削以及缓进给的抗疲劳表面磨削加工方法 ；同时搭建了疲劳性能测试的虚拟仿真试验平台，可以实现多场耦合下构件的疲劳寿命分析 ；中心探索出来的抗疲劳磨削工艺可以提升叶片疲劳寿命 30%，目前已在南方航空动力机械公司 331 所和中航工业西安航空发动机有限公司的叶片加工中得到应用。
2、基础研究方面
（1）激光砂带协同加工装备研发及仿生微纳结构加工。针对电子芯片、火箭导流罩、发动机叶片、舰船螺旋桨等重大装备零部件中微纳结构表面精密制造的需求，结合砂带磨削高效、高表面完整性和超短脉冲激光加工微纳结构高精度的优势，提出了激光砂带协同加工方法、原理和技术。多能场作用材料改性实现表面低损伤共性加工，砂带磨削的高效率和激光的微尺度材料去除实现规模化微结构高效加工，砂带磨削和激光加工的柔性特性实现不依赖装备精度的曲面高度拟合。通过上述原理研发的激光砂带装备，可加工出 1μm 尺度的疏水功能微结构，接触角可达 156°，与现有的超快激光加工相比，效率可提高 180 倍，并改善了难材料的可加工性能，减小了砂带磨损和材料损伤。
（2）多维超声辅助砂带磨削技术及装备。超声辅助加工技术由于其在减小磨削力、降低磨削温度、提升表面质量以及加工功能织构表面方面的优势，在高服役性能构件加工中被广泛应用。结合砂带磨削的柔性特征和航空构件复杂曲面的加工需求，设计开发了多维超声辅助砂带磨削装置，分析了超声驱动下砂带磨粒的运动特性和表面创成规律 ；通过多维超声辅助砂带磨削试验，探究了超声辅助砂带磨削工艺对表面微观组织的影响规律，并结合疲劳试验探究了超声辅助磨削对服役性能的影响规律，揭示了不同磨削表面的失效机理。通过自主设计开发的多维超声辅助砂带磨削装置，实现了材料高效去除和表面强化的协同加工，同时避免了材料连续去除形成的表面缺陷，使得表面的抗疲劳性能得到大幅提升。装置的研发为高服役表面的加工提供了硬件基础，同时也促进了超声辅助加工技术在复杂高性能曲面加工中的应用。
（3）陶瓷基复合材料加工磨削机理及低损伤加工方法。航空航天等领域关键高温零部件对陶瓷基复合材料的重大需求，针对制约其高性能服役的材料难加工问题，开展了陶瓷基复合材料砂带磨削机理及高质高效低磨损加工方法的研究。发现了碳纤维增韧陶瓷基复合材料在砂带磨削过程中延性域去除行为，探究了低硬度橡胶接触轮对陶瓷基复合材料的延性域去除行为增强机制，提出了基于激光诱导烧蚀辅助砂带磨削的陶瓷基复合材料高质高效低磨损加工方法，探究了陶瓷基复合材料激光诱导化学转变行为，阐明了陶瓷基复合材料激光诱导氧化层砂带磨削去除机理及表面完整性特征，解决了陶瓷基复合材料加工效率低、易损伤、磨损严重的难题，已成功应用于大尺寸陶瓷基复合材料构件的精密磨削加工，促进了陶瓷基复合的高水平加工与高性能服役。
（二）研究成果
团队先后承担了国家自然科学重点基金项目、“九五”攻关项目、国家 863 项目，国家自然科学基金，国家重大专项，重庆市科技攻关项目，重庆市重大科技专项在内的研究项目 30 余项。获中国发明专利 50 项、美国专利 2 项、软件著作权 3项，形成行业标准 1 项，出版专著 1 部，发表 SCI论文 100 余篇。研究成果经发动机台架试验验证，提高压气机效率 2%、降低排气温度 15° C，实现了发动机服役性能跨越式提升。保障了我国现役太行、大运等重点型号发动机逾 60 种规格叶片的稳定批产。基于航空发动机叶片砂带精密磨削方法与技术开发的系列化叶片数控砂带磨削装备，在中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司、中国航发动力股份有限公司、中国航发成都发动机有限公司、中国航发南方工业有限公司等 15 家军民企业进行了重点推广应用。项目开发的系列化装备跻身叶片精密制造国际高端行列，已在国内骨干发动机制造与维修单位推广应用 40 台套，累计加工叶片300 余万件，完成各种发动机装机千余台。同时，该成果获中国机械工业科学技术一等奖。此外，团队申报的《高性能薄壁曲面件抗疲劳表面砂带磨削关键技术及应用》荣获“中国产学研合作创新成果”一等奖。
三
趋势与展望
随着制造业技术发展和转型升级，国家对绿色可持续发展和高附加值智能制造越发重视，国家由此提出了“碳中和”引导产业转型升级 ：“用新兴产业技术带动传统产业转型升级”。过去，砂带磨削主要以多轴数控机床或普通机床为主，进行强力重载或微量精密磨削。而随着“十三五规划”等重大战略布局对高端工业机器人的重视和当前先进工业机器人技术展现的诸多优势，与机器人技术结合将进一步发挥砂带磨削能效优势，克服手工及传统磨削的缺点。扩展使用领域的同时，达到绿色碳中和、高附加值、智能互联的发展目标。
目前，机器人砂带磨削技术已逐渐应用于汽车、船舶、航天领域。机器人自身的重复定位精度较高，能够保证加工的精度和一致性，结合先进测量技术和柔性磨削系统可成为多种复杂构件（如叶片类零件）的有效精密磨削手段，促进国家制造业、装备产业升级。具体发展方向可列出以下几点：
1、面向高性能表面的机器人砂带磨削工艺及轨迹规划研究。建立面向结构特征的砂带匹配方法及机器人磨削工艺体系。
2、建立集工艺数据库－工艺参数决策－模拟应用环境下的服役性能仿真于一体的机器人砂带磨削分析系统。采用神经网络及深度学习方法实现复杂磨削环境条件下的工艺参数决策。
3、机器人砂带磨削在加工中的扩展应用研究。研究灵活性更高、通用性更强的机器人智能砂带磨削系统及装备是实现复杂难加工材料精密磨削的关键，从而进一步推广机器人砂带磨削技术在各行业中的应用。
团队将瞄准国内外先进技术和发展前沿，面向国家重大战略需求，聚焦材料表面精密加工、功能化仿生表面加工以及新技术的创新融合和新技术的市场化应用，不断加强专业技术能力。计划加强与相关研究院校及科研机构的合作，寻求多样化发展机遇，带动涂附磨具加工领域的发展。团队计划力争到2025年，至少3项高性能表面加工技术达到国际先进水平；加强团队人才队伍建设力度，重视年轻人才的培养，吸纳优秀人才；加强国际交流合作及时掌握本领域最新发展动态，同时进一步扩大国际影响力，争取做到引领本行业发展。
来源：《中国涂附磨具》2022年第三期
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