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厚积薄发,致力于特种加工发展

访上海交通大学机械与动力工程学院的教授赵万生

发表时间:2014/4/10 作者:李静 
赵教授承担了多项国家重点项目,并在特种加工方面取得了多项研究成果。特种加工亦称“非传统加工”,泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法。

上海交通大学机械与动力工程学院的教授赵万生
上海交通大学机械与动力工程学院的教授赵万生

  赵万生:男,1957年5月生。1989年于哈尔滨工业大学获工学博士学位,现为上海交通大学机械与动力工程学院教授、博导,密西根学院副院长。主要学术兼职:中国机械工程学会理事,中国机械工程学会电加工分会副理事长。主要科研方向:特种加工技术,基于特种加工的微制造技术,机电一体化技术。

  1987年1月至1988年11月在日本东京大学做“外国人博士研究员”。1996年5月至1998年5月在美国University of Nebraska-Lincoln做访问教授。随后,在国内承担了国家自然科学基金重点及面上项目、国防先进制造技术重点项目、科技部863重点项目、04重大专项、教育部跨世纪优秀人才培养基金、航天及宝钢等企业委托科研项目多项,在多轴联动复杂曲面电火花加工技术、在微细特种加工、开放式体系结构的特种加工数控系统、镜面电火花加工、分层式电火花铣削加工、电火花加工智能控制、电火花轧辊毛化技术研究领域取得多项研究成果,获得国家发明专利1 0余项,获省部级科技进步一、二、三等奖各1项。同时,在教书育人上,培养博士研究生84人、其中69人已获博士学位,培养硕士研究生78人、已获硕士学位71人。

  1990年被国务院学位办、国家教委评为“做出突出贡献的中国博士学位获得者”,1 998年被评为航天工业总公司“有突出贡献的中青年专家”。1999年获教育部“跨世纪优秀人才培养基金”资助。获教育部高等学校优秀骨干教师,航天总公司跨世纪学术和科技带头人等称号。在国内外期刊、会议上共发表学术论文1 50余篇,其中被SCW/EI收录80余篇。主编副主编专著、教材4本。

  上海交通大学其前身是近代中国历史最为悠久的大学之一,清末洋务派政治家、实业家和福利事业家盛宣怀于1896年创建的南洋公学,经过百余年的不懈努力,如今的上海交大已经成为一所“综合性、研究型、国际化”的国内一流、国际知名大学。在上海交大闵行校区里,在碧绿、清澈和平静的思源湖畔,笔者采访了上海交通大学机械与动力工程学院的赵万生教授。

  赵教授承担了多项国家重点项目,并在特种加工方面取得了多项研究成果。特种加工亦称“非传统加工”,泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法。特种加工是近几十年发展迅速的新工艺,与传统加工-方式相比在一些难加工领域具有一定的优势,是对传统加工工艺方法的重要补充与发展,其加工范围不受材料物理、机械性能的限制,能加工任何传统方式难以加工的材料,特种加工的方法也比较容易复合形成新的工艺方法,便于推广应用。目前仍在继续研究开发和改进。赵教授在特种加工工艺、微细特种加工技术和基于Linux的特种加工数控系统方面研究的尤其深入。

  项目,时有精进

  电火花加工一直被认为是慢工艺。赵教授及其团队十几年来一直致力于如何提高放电加工的效率。在基础研究过程中偶然发现了“尾状放电痕”这一特殊现象,通过理论分析和计算模拟发现了“流体动力断弧”机制,即可以利用高液流体控制电弧移动并将其切断。这样就可以用电弧放电替代火花作为能量场,并用流场控制电弧,在断弧瞬问爆炸性去除熔融的工件材料。实验结果证明这种新的加工方法可以获得非常高的材料去除率。赵教授团队将这一新的加工方法称为“基于流体动力断弧的高速电弧放电加工方法”,或简称为“高速电弧放电加工”。与传统的电火花加工方法相比,高速电弧放电加工采用具有更高能量密度的电弧放电而不是火花放电来实现材料的蚀除;与其他利用电弧进行材料去除的工艺方法相比,高速电弧放电加工可使用特殊设计的成形电极实现强制多孔内充液,从而获得三维复杂型腔的沉入式加工能力,因此具有更广泛的应用前景。初步实验表明,对于镍基高温合金等难切削材料,高速电弧放电加工的材料去除率远高于传统的电火花加工,甚至高于铣削加工。该方法的特点是加工效率高,并且能量利用率也是传统加工的3倍以上,整个加工成本可大幅降低。赵教授说该方法也得到国家自然基金重点项目的支持。该方法目前主要适用于难切削材料的高效粗加工方面。

  赵教授还谈到了另一研究方向的进展情况,即闭式叶盘和叶盘类零件的加工工艺问题。由于该类零件本身也都是由高温合金等难切削材料构成,因此其加工工艺问题是一个难点。首先是电极的设计、电极的空问运动轨迹规划问题;其次是加工装备的核心技术问题——特别是多轴联动电火花加工数控系统。我国的特种加工机床拥有量不少,也具有大规模生产能力,但是由于在高端设备方面国外对我们是禁运的,因此我们与国外发达国家仍有一定的差距。经过863重点项目、重大专项的实施,产学研联合攻关,突破了多项关键技术,使得多轴联动电火花加工机床装备的整体水平得到了大幅度提升,同国外装备水平问的差距已经越来越小了,从装备到加工工艺,很多关键技术已经有所突破,技术链条亦得以完善。我国生产的多轴联动电火花加工机床已经用于航空航天发动机零部件等高端产品的制造了。

  科研,不畏创新

  作为先进制造技术的组成部分,特种加工技术与数控技术并成为其两大支柱。在我国,特种加工机床产量世界第一。数控系统作为数控机床的“大脑”,其在特种加工中的应用也是非常值得一提的。为此,

  赵教授给笔者详细讲解了一个数控系统核心技术——新型插补方法的发明过程。通过控制线切割机床的。XY轴和UV轴两个平面运动,可以加工出“天圆地方”等上下异形的直纹面。但以往的方法都是要利用成百上千条小线段来逼近。能否用一种全新插补方法直接精密插补出此类直纹面?但这仅是一个理想的加工方式,并没有人做过。带着这个问题赵教授仔细了解了现有的各种插补方法,结论是按照已由的插补方法和思路,确实都无法实现上述想法。但是赵教授是一个喜欢挑战的人,凭借自己的兴趣,通过大量的数学推导,最终找到了一种全新的方法,就是“单位弧长增量法”,每一次进给都是沿着曲线走一个单位弧长,将各种曲线和直线都作为广义的“曲线”来对待,在弧长上进行度量,形成一个统一的参照系,这样就可以完全按照比例关系进行多轴联动插补了。这一新的插补方法已经经过验证,不仅可以用来加工直纹面,还可以对各类曲线进行直接精确插补,并且可以用于控制六轴联动的电火花加工电极轨迹与姿态的同时插补。

  素养,师其长技

  清朝魏源的《海国图志》中提到的“师夷长技以制夷”,在当代虽再无当年的那种强烈的民族感情,但对一个始终要自强的国家来说,这种学习态度是值得肯定的。上个世纪80年代,赵教授曾经在日本有过一段学习工作的经历,90年代曾经在美国Nebraska—Lincoin大学非传统制造中心做过客座教授。赵教授认为这些经历,提升了个人的国际化能力,在这段时间里交到很多业内朋友。同行们认真做事的精神、严谨的科研态度,都非常值得我们正处工业化过程中的国家学习,这些都是必备的工业化素养。发展过程中的国家,在标准、制度、法规等方面没有收到足够的重视,例如安全意识、实验中一丝不苟的严密性及逻辑性。另外在人才培养方面也有不同,我国的高端人才培养主要依靠学校,与技术发展水平不同步,由于科研与实际生产结合不紧密,经常会造成学非所用。在目前的市场经济中,人才的培养与市场的发展也不同步,很多学生定位不准,很难投身到真正的科研中去。这不仅是特加工行业存在的问题,其实也是整个制造业存在的问题,不过赵教授说随着近些年国家一系列政策的出台,相信这种情况一定会有所改变。矛盾,似是而非

  在以往的采访中,笔者每次都会问到校企合作的问题,在本次采访中也不例外,赵教授对此也有自己独到的见解。他说,一项新的技术被研发出来,其实研究人员是非常希望能够尽快地将其应用于生产实际中的,这样才能看到不足,才能更好地进行下一步的研究。但是在当下,企业又非常希望所得到的研究成果可以直接使用并立刻产生经济效益。这其实是一个矛盾,如何解决这个矛盾需要企业与院校的共同努力,需要科研人员与工程技术人员的合作。二者要互相信任、相互支持,深入沟通,发现问题并且共同去解决。

  限于篇幅,赵教授在采访中讲到的很多东西都未能一一完全展现给读者,但一场采访下来,赵教授给笔者的感受是:这是一名真正的学者,又不仅仅是学者。