2020年“中国机械工程学会会员日”活动 —— 【哈尔滨工业大学超精密车削机床与工艺研究团队】专访
来源:本站原创 浏览次数: 发表日期:2020-05-20
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本期嘉宾
孙涛,1964年生。哈尔滨工业大学教授、博士生导师,“哈尔滨工业大学超精密车削机床与工艺研究团队”负责人,现任哈工大精密工程研究所所长,兼任国防科技工业超精密机械加工技术创新中心主任、黑龙江省超精密加工与特种加工技术重点实验室主任,担任中国机械工程学会生产工程分会常务理事、生产工程分会精密工程与纳米技术专业委员会副主任委员、中国微米纳米技术学会纳米技术分会常务理事等。出版专著两部,发表学术文章200余篇,获得省部级奖励6项,培养博士硕士研究生50余名。
 
团队成员

团队共有在职教师8名,包括教授5名、副教授3名,博士研究生13名,硕士研究生15名。课题组成员Alexander Hartmaier教授为德国材料学会主席、鲁尔大学多学科间高级材料仿真中心主任。课题组还与俄罗斯工程物理实验室、乌克兰国家科学院巴库超硬材料研究所建立了长期稳定的合作交流联系。

团队简介
课题组主要学术方向和研究生课题均为超精密加工技术,包括超精密加工机理研究、超精密车削磨削加工工艺、超精密车削和磨削加工工具制造、超精密加工设备及相关部件研制以及超精密测量技术和微纳米制造技术,具体包括多轴联动超精密加工机床设计制造、超精密气浮主轴、超精密液压导轨等部件批产制造、天然金刚石刀具制造工艺链提升与高端刀具制造、高精密超硬材料轴承球体的批产等。

团队最新科技进展
(一)金刚石切削加工机床研制
超精密制造技术是我国智能制造未来重点发展方向之一。九十年代初期我校研制的亚微米超精密加工机床在行业内有较大影响,是我国超精密装备制造的标志成果,曾获航天部一等奖。本团队近十年来,先后承担了先进制造技术领域多台超精密加工装备的研制任务。针对重大项目需求,先后研制了三轴、四轴、五轴联动超精密金刚石切削加工机床,实现了多种材料、多种型号零件的超精密加工,已经成为我国超精密加工设备的重要研发团队。

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图1 面向微功能表面加工的超精密三轴半金刚石加工机床
 
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图2 研制中的四轴、五轴联动超精密加工机床
 
(二)超精密金刚石刀具制造
金刚石晶体是当前可用工程材料中硬度最高的,做成刀具后可具备纳米级精度和最优异的抗磨损性能,是目前精密和超精密加工的最理想刀具材料。由于金刚石晶体硬度高且难磨,超精密金刚石刀具的制备对工艺技术水平要求极高,堪称行业的皇冠明珠。当前技术水平下,高精度金刚石工具制造的主流技术依然是机械刃磨工艺。哈工大从上世纪80年代开始研究金刚石刀具的机械刃磨技术,经过三十多年的发展,目前已在加工设备、基础理论、刃磨工艺、检测评价、晶体切割定向、真空钎焊和热化学后处理等方面积累了很好的研究工作基础。例如创新工艺研究方面,2005年建立了金刚石刀具表面粗糙度优于Ra 1nm、切削刃钝圆半径达到30-50nm的机械刃磨工艺。2009年提出了热-机耦合刃磨工艺,可使金刚石刀具的切削刃钝圆半径控制到10nm以下。2013年突破了钻石切片刀刃磨工艺,可使刀刃微缺陷控制到20nm。在单晶金刚石微工具制造方面,2010年探索出了微圆弧金刚石刀具的机械刃磨制造技术,目前刀尖微圆弧半径已可小于50µm。2013年,建立了金刚石纳米圆锥压头刃磨工艺,压头曲率半径优于2µm。2014年,建立了金刚石伪球头微铣刀刃磨工艺,伪球头微铣刀最小回转半径0.3mm。2015年,建立了三棱锥金刚石压头刃磨工艺,玻氏和直角立方三棱锥压头曲率半径优于30nm,面角误差±0.3°内。2017年,建立了Vickers四棱锥压头机械刃磨工艺,能够实现尖端横刃长度小于60nm。2019年建立了微球头圆锥撞针的机械刃磨工艺,球头半径20µm,球面真球度优于0.25µm,球头半径200µm,球面真球度优于0.5µm。

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图3 微圆弧金刚石刀具
 
(三)面向材料的超精密加工机理研究
当前缺乏对超精密加工基础理论的理解极大地制约着超精密加工技术的提高。在超精密加工中,材料去除深度在微米或亚微米量级,微观尺度下的尺寸效应、量子效应等导致其切削加工机理与常规宏观加工过程存在极大不同。特别地,由于材料去除深度、材料微结构特征尺寸和刀具几何尺寸在相同数量级,超精密加工是一个刀具与材料高度耦合的过程,工件材料性能对其加工变形过程具有极其重要的影响。工件材料微观结构演变直接影响表/界面物性参数演化、刀具与工件之间的微观表/界面摩擦粘滑状态、热的产生及传递、制造缺陷产生和形态等,极大地影响超光滑加工表面的加工制备。因此,深入理解工件材料性能及其在加工中产生的结构演变对加工过程的影响机制,对于提高超精密加工技术水平具有重要的理论意义与实用价值。针对当前超精密加工基础理论的前沿与热点,同时面向国家重大项目需求,结合摩擦磨损、晶体塑性和微观力学等多学科知识,采用仿真与实验手段开展超精密加工基础理论研究来探索超精密加工中的科学问题,揭示了金属、硬脆和其他材料的加工变形机理及其与表面创成的耦合机制,并通过创新性的基础研究来实现相关工艺创新、解决关键技术难题,实现了金属、半导体和陶瓷材料超光滑表面的超精密加工成形。

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图4 金属材料的超精密加工机理。(a)机械加工的分子动力学仿真;(b)晶体铜有限元仿真及实验验证;(c)金属铈镜面切削加工;(d)切削加工微结构演变。
 
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图5 硬脆材料的超精密加工机理。(a)单晶硅初始塑性;(b)单晶硅脆塑转变;(c)碳化硅切削有限元仿真;(d)脆性材料超光滑表面。
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