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张国庆:携超精密加工技术助力“中国梦”

发布时间:2018-12-05 来源: 打印 作者:文/李夏耘 字号:

“我们围绕超精密加工工艺与装备领域取得了一系列研究成果,主要包括:超精密飞刀切削过程中刀具磨损在线检测、飞刀加工误差补偿、加工表面质量控制优化、多层次微纳结构功能表面的加工制备等。”深圳大学工程训练中心副主任、副教授张国庆说。

他介绍,超精密加工是指亚微米级尺寸精度和纳米级表面粗糙度的加工技术,实现这些加工所采取的工艺方法和技术措施称为超精密加工技术。该技术是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一,在尖端产品和现代化武器的制造中占据重要地位,在提升高尖端产品的性能、质量和发展高新技术中起着重要作用,并且已成为在国际竞争中至关重要的尖端技术环节之一。


钟情“超精密”

张国庆1982年出生于内蒙古扎兰屯市,2005年在东北石油大学获得学士学位。2006年,在哈尔滨工业大学攻读硕士期间,对气体润滑原理及应用、气浮电主轴以及气体润滑的有限元计算方法等进行了研究,开发出了一套气体轴承承载力计算程序,发表论文3篇。

硕士毕业后,张国庆进入鸿富锦精密工业(深圳)有限公司任机械工程师,着重研究机器人本体及其关键零部件的结构设计,并对机器人运动学与动力学进行相关分析。期间,开发的新机型广泛应用于工业制造的多个领域,创造了极为可观的经济效益。此外,他还在国际著名期刊上发表论文5篇,获授权中国发明专利16项、美国发明专利14项。

2010年,他来到香港理工大学超精密加工技术国家重点实验室工作学习,接触到超精密加工技术,于2014年获得博士学位。他意识到超精密加工技术对国家的战略意义,至此将满腔热血都投入到超精密加工的科学研究中。

在超精密加工技术中,最常用的加工方法是基于金刚石刀具的机械加工方法。张国庆在香港理工大学超精密加工技术国家重点实验室工作学习期间参与了“超精密飞刀铣削中刀具磨损的三维建模和测量”,以及“金刚石车削中电脉冲处理技术对热可处理合金切削性改性的研究”等项目的研究,为其日后在超精密加工工艺与装备领域的研究打下基础。

 

“孔雀”携梦归来

2010年,深圳推出了“孔雀计划”,引进并支持支柱产业和战略性新兴产业的海外高层次人才来深工作,旨在把深圳经济特区建设成为亚太地区创业创新活动活跃、海外高层次人才向往汇聚的国际人才“宜聚”城市。

2015年,张国庆带着为祖国高精尖制造献力的梦想来到深圳,就职于深圳大学,并迅速组建起一支汇聚海内外人才的研究团队。

首先,他将研究方向放在超精密加工刀具磨损检测领域。

“金刚石飞刀切削中出现的刀具磨损会直接影响到加工表面的粗糙度以及面形精度,为了及时发现加工过程中出现的刀具磨损及评估刀具磨损对加工表面的影响,就需要对加工中的刀具磨损进行在线表征。金刚石飞刀切削的间断性切削特点使得传统的刀具磨损在线表征方法无法直接应用到金刚石飞刀切削上,因此,迫切需要一种能直接应用于金刚石飞刀切削的刀具磨损在线表征方法。”张国庆说。

2016年,在国家自然科学基金的资助下,他的“超精密飞刀铣削刀具磨损及工件表面特征创成的在线评估新方法研究”取得了突破,在国内首次提出了一种利用切屑形貌进行刀具磨损在线监测的实用新技术。利用该技术,在不用停止切削的状态下,可精确辨识出刀具磨损的形态与位置,并可基于切屑形貌评估刀具磨损对加工表面的影响,从而大幅提高超精密飞刀加工的生产效率。该创新性研究成果获得了国内外同行的高度关注,国家科技主流媒体《科技日报》也做了报道。

2017年,入选深圳市“孔雀计划”海外高层次人才后,张国庆又申请并成功获批了深圳市“孔雀技术创新”科研项目“基于超精密加工的仿生微纳结构表面制备技术”,进入微纳结构的研究领域。他说,“微纳结构功能表面能够改变产品的特性,使产品具有特殊功能。已成为科技改变生活的经典实例,也是‘高精尖’产业的未来发展方向。研究微纳结构功能表面的制备技术及其应用具有非常重要的现实意义。”

针对现行加工方法无法实现多层次微纳结构表面的高精度、高柔性、大规模制造的现状,他和团队设计了实现多尺度运动的超精密飞刀切削系统,实现了微纳结构表面的组合加工。接着,他们为该系统搭建了多自由度高频振动硬件系统,设计了适用于工件轴的飞刀盘装置,为微纳结构表面的加工制造提供了硬件支持。此外,他还就加工及测量过程中影响多层次微纳结构表面尺寸精度的因素展开了深入分析,从而为微纳结构表面的制造以及精度的改善起到指导作用。张国庆表示,该项目取得的多项成果实用性极强,可为微纳结构功能表面的加工制造提供参考。

 

“产”“学”“研”共舞

潜心研究的同时,张国庆还充分利用深圳市科技产业发达的优势,积极联系本地相关企业开展产学研合作。

他在超精密加工方面的成果已应用于多家深圳市本地高新技术企业的加工生产中。通过对刀具磨损的精准辨识,减少了加工刀具磨损对大型工件加工表面的伤害、增加了加工成品率、提高了加工效率。此外,依托其在机器人方面取得的创新成果,及曾供职于富士康科技集团自动化机器人事业处的便利,张国庆的许多专利与技术已应用于工业机器人的多种机型,并成功应用于苹果电子产品的生产中,创造了可观的经济效益。

与此同时,他与深圳市都乐精密制造有限公司还围绕深圳市的科技需求,开展了科研项目申请、科技攻关项目申报等方面的合作。双方在人员配备、设备共享、实验室开放、经济效益产出等方面为科研合作提供便利。并与富士康科技集团旗下深圳市裕展精密科技有限公司在人才培养、教育训练、科学研究、项目申报等方面进行深度的合作。

在担任深圳大学工程训练中心副主任期间,他积极推动大型设备对外共享,建立深圳大学工程训练中心外协加工规章制度,服务本地高新技术企业的高精度加工需求,成为深圳大学产学研合作模式创新的成功实践之一。在人才培养方面,他勇于改革尝试,包括提高实践教学质量及实践教学过程的安全教育,增强工程训练中心对学生参加竞赛等方面的技术支持工作,有效地促进了学生实践能力的培养与科研兴趣的提升。相关学生团队在深圳大学工程训练中心的技术支持下,取得了全国大学生机器人大赛 RoboMasters2015总决赛八强、RoboMasters2016总决赛季军、RoboMasters2017全国二等奖、RoboMasters2018全国二等奖,及全国大学生机械创新设计大赛决赛二等奖等好成绩。

 张国庆表示,国家正处于科技转型的关键时期,学界应当与产业届紧密结合,解决产业亟待解决的核心技术瓶颈,携手共筑辉煌“中国梦”。

 

专家简介:

张国庆,工学博士,深圳大学机电与控制工程学院副教授,深圳大学工程训练中心副主任,2014年毕业于香港理工大学超精密加工技术国家重点实验室获博士学位,2016年被深圳市认定为“孔雀计划”海外高层次人才,主要研究方向为超精密加工工艺与装备、机器人与机构学、气体轴承等领域,共发表论文50余篇,其中被SCI/EI收录30余篇;获授权中国发明专利16项、美国发明专利14项;主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市“孔雀计划”科研启动基金、深圳市孔雀技术创新项目、深圳市科技计划项目各1项;多次受邀参加国际著名学术会议并做口头报告;担任多个国际著名期刊的文章评审专家。


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