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推动高端制造装备嬗变的“背后力量”
发布时间:2021年9月22日
 

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2008年,团队成员在一起筹备申请创新群体项目。受访者供图

在高端制造装备领域,“中国制造”面临严峻挑战,如何“卧薪尝胆”建立“产品自信”,进而树立“文化自信”,是时代大课题。

在国家自然科学基金创新研究群体项目持续资助下,中国工程院院士、华中科技大学党委书记邵新宇团队十多年来,在高端制造装备领域深耕细作,从“基于几何的制造”到“基于物理的制造”,再到“基于信息的智能化制造”,一步一个脚印地迈入高性能数字制造的领先方阵。

项目执行过程中,群体成员获国家科学技术进步奖一等奖等国家奖励6项,两位成员被评为院士。今年3月,该项目结题验收时获评优秀。今天,我们走近这支推动中国高端制造装备嬗变的“背后力量”,看看这个优秀群体是如何“炼”成的。

焊接技术:从“纽扣”到“拉链”

如果你是个老司机,可能会发现以前车身和车顶结合处,不少品牌都有的“装饰条”不知何时消失了。

这其实并非厂家省掉了装饰条,而是焊接工艺进步了。在汽车焊装生产线上,传统的点焊技术不但让焊接处凹凸不平,而且存在焊接缝隙,因此焊接后需涂胶并装上装饰条。

“类似我们穿的衣服,点焊就像扣纽扣,激光焊接像拉拉链。”邵新宇告诉《中国科学报》,“纽扣之间不可避免存在空隙,同样,点焊的焊点间也有缝隙,其刚度、强度、密封性、表面光滑度等无法和激光焊接相比。”

但激光焊接集成了材料、工艺、控制、装配等多项技术,是复杂的光、机、电一体化系统,门槛极高。由于我国这方面基础研究薄弱,关键工艺、成套装备与系统集成的核心技术缺乏,长期以来,我国的激光焊接装备高度依赖进口。

“激光焊接是高能束加工,激光要聚焦到车身拼缝中心,焦点和拼缝中心的重合度小于0.1毫米。”邵新宇说,“轿车的顶盖焊缝2米左右,商务车达到4米以上,对0.6毫米至1.5毫米厚,又有一定弧度的车身板来说,焊接到中间时后面已经变形,需要用机器视觉、测量跟踪、力学补偿等手段来保证焊接精度。”

经过十多年基础研究和“学研产用”攻关,该群体首创了形性可控的三维薄壁曲面白车身激光搭接填丝熔焊工艺与成套装备,将拼装允差由0.3毫米提高到0.8毫米,单条焊缝长度由1.8米提高到4.5米。他们发明了曲线切割图形刀补测控方法,研发了拼焊束流能量均衡调控技术,在国际上首次研发曲线不等厚板激光切—焊一体化复合工艺与成套装备,研发了白车身激光焊接、不等厚板曲线拼焊、激光非穿透精密切割等一系列成套装备,一举突破国外垄断。

“车身顶盖—侧围激光焊接生产线目前已达到43秒/辆,为全球最高节拍。”邵新宇说,“该成套工艺装备屡次在与国际知名装备公司的竞争中获胜,已在一汽红旗、上汽通用、东风雪铁龙、广汽本田、江淮、江铃(福特)等龙头车企中广泛应用。”

该成果获2014年度湖北省科技进步奖特等奖和2015年国家科学技术进步奖一等奖。在此基础上,他们进一步攻克了新能源汽车铝合金车身高质高效激光焊接难题,研发了我国首条铝合金车身激光焊接线,在上汽通用凯迪拉克、蔚来ES8/ES6等生产中应用。

高端制造:从“几何”到“物理”

“中国制造正经历从‘基于几何的制造’向‘基于物理的制造’的转变。”邵新宇说,“目前,还要同步向‘基于信息的智能化制造’迈进。”

邵新宇解释说,我国在工业化进程中,由于历史原因,制造领域只能先向别人学习,以前制造业主要关注尺寸公差、表面粗糙度等外部几何特征,只要样子符合要求就可以了,没有注意到材料的微观组织、力学特性等内在性能。因此,做出的产品表面上看差不多,但真正用起来却发现稳定性、耐久性、可靠性不足。

“这是我们以前仿造国外产品‘形似神不似’的根本原因。”邵新宇说。

“所以,现在要真正深入下去,去研究加工对象的微观组织结构、材料特性,看看它在加工过程中发生了什么性状改变。”该团队成员之一、华中科技大学机械科学与工程学院院长尹周平说,“高端制造、高水平制造,最后比拼的就是性能。”

邵新宇认为,所有“卡脖子”问题追根溯源都是基础研究做得不够扎实。这也造成我们制造业“‘依葫芦画葫芦’都画不好,更别说‘依葫芦画瓢’了”。

通常企业只注重参数、节拍、质量体系的控制,没有能力也没有兴趣从基础原理入手解决问题,而这恰恰是大学和研究机构擅长的领域。

“比如航空发动机的涡轮叶片,材料去除量高达70%以上,整体厚度不到2毫米,如果工艺参数调控不好,叶片末端加工变形就会产生超差,而控制变形涉及材料、力学、热力学等学科,这些必须通过基础研究来解决。”该群体成员之一、华中科技大学机械科学与工程学院副院长彭芳瑜说,“我们针对复杂零件、薄壁结构、难加工材料的精密高效加工这一国际性难题,建立了复杂曲面零件高速数控加工动力学模型与精度调控模型,提出了高速铣削稳定性分析全离散法,建立了基于驱动电流的切削力和颤振监测新方法,成功应用于航空高温合金整体叶轮等高效、精密加工,解决了国家重大需求。”

基于华中科技大学机械科学与工程学院自身的优势,该群体面向高性能数字制造装备研制的国家重大需求和世界科技前沿,瞄准高表面完整性、高精度稳定性、高自律执行的科学目标,开展基础理论和先导技术研究。在基础理论研究、技术研发和装备研制方面取得了一系列突破性创新。

无缝衔接:从实验室到生产线

成熟的装备或工艺,往往要理论上反复推演,然后到生产线上检验,再反馈问题研究改进,经过日积月累、不断迭代优化才能一步步臻于完善。

“但国产装备发展面临一个问题,就是做出来东西没地方用,很多企业不太相信你这个东西能用。”该群体成员之一、华中科技大学教授陈学东说,“这就形成了恶性循环。”

该团队的第一条激光焊接生产线,也是在给某合资品牌车企维修国外生产线时,才逐步获得企业的信任,并在江淮汽车进一步完成技术提升的。

“当时江淮汽车的负责人非常有气魄,给了我们一个试用的机会。”该群体成员之一、华中科技大学教授蒋平说,“我们非常珍惜那次机会,一点点用产品和实力说话,慢慢地,企业发现国产装备性能一点也不差,某些指标还更好,我们的市场才渐渐打开。”

“我们这个群体,可以说从基础研究到生产实际是无缝衔接。”邵新宇说,“不论时间上还是空间上,我们离生产一线的距离都非常近。在很多项目中,群体成员和企业员工‘同吃同住同劳动’,从生产线到实验室的反馈循环没有时间间隔。”

该群体和多家企业联合,组成了“学研产用”结合、光机电多学科交叉的研究团队,建立了“高校研究者专心格物穷理,中试基地不断提升核心技术,终端企业提高应用效能”的协同创新机制。

目前,该群体的基础研究和技术研发成果得到了很好的转化与应用,改变了汽车制造激光焊接、航空叶片高精高效磨抛等高端工艺与装备被国外垄断的局面,带动了国产装备的跨越式发展,并推广到航天、航海、芯片、能源等领域。

《中国科学报》:您认为团队取得这样的成绩靠的是什么?

邵新宇:华中科大机械学科上一代科学家,像杨叔子、熊有伦、段正澄、李培根等院士,他们本身就是“大先生”,做人做事做学问方面都是我们的楷模。先生们对我们的要求也是“学术第一、严谨踏实”。有一年大年初一,我和丁汉几个人到熊院士家拜年,老先生正在家中用纸笔推导数学模型。2008年我申请“杰青”时,先生帮我改申请书到凌晨3点。有一次华工激光子公司生产线上出现问题,段院士半夜带队去解决问题,他说“不解决问题睡不着觉”。

《中国科学报》:该群体最大的特点是什么?

邵新宇:一个群体必须有其内在的、精神层面的东西。我们从老一辈科学家那里传承了一种开放的学术交流机制,激发大家的科研灵感。华中科大机械学院有个“STAR(Striving、Teamwork、Agility、Responsibility)文化”即“自强不息、团结协作、快速反应、尽职尽责”几个英文单词的首字母,这几个单词很好地概括了我们的文化和精神。

《中国科学报》:您认为科学基金在科研人才培养方面起着怎样的作用?

邵新宇:基础研究需要静下心来,十年磨一剑,需要培养一种科学家精神。科学基金在这方面发挥了特别好的作用,它长期稳定的支持可以让研究人员真正地解决一些问题。科学基金有一套严格的考评、交流机制,比如,项目答辩和验收环节,很多同行专家都是现场打分。如果我们的工作没做好,坐在下面压力会非常大。

同时,通过这个创新群体项目,团队中三代科研人员都成长起来,形成了老中青结合的科研梯队。

 
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