仰望超精密星空——记深圳大学机电与控制工程学院副研究员张国庆

本刊记者　李玉芹

专家简介：

张国庆，工学博士，深圳大学机电与控制工程学院特聘副研究员。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。主要研究方向包括：超精密加工工艺与装备、机器人与机构学、气浮轴承等。在学习与工作期间发表论文50余篇，其中被SCI/EI收录40余篇，授权中国发明专利16项，授权美国发明专利14项。主持国家自然科学基金青年基金、广东省自然科学基金面上项目、深圳市“孔雀计划”科研启动经费、深圳市孔雀技术创新项目、深圳市科技计划项目各1项，担任国际著名期刊Precision Enginnering, Tribology International,International Journal of Mechanical Sciences等文章评审专家。

有人在科研中手拿纸笔，解答无数科学难题；有人在科研中攻坚克难，不断突破工程中的技术瓶颈。在深圳大学机电与控制工程学院副研究员张国庆手里，也有这样一件科研“法宝”，那就是与他每日工作息息相关的加工刀具。只不过，他对刀具的研究更加精细化。多年来，他将研究重点放在超精密加工工艺与装备、刀具磨损及在线监测技术、微纳结构仿生表面的加工制造等方面，一步步规划着自己的科研英雄梦。

辗转科研路 情系超精密

现在的张国庆刚刚过了三十而立的年纪，他将满腔热血都投入到超精密加工领域的科学研究中，虽然每日都与“高精尖”领域接触，但张国庆始终觉得自己只是一个平凡的科研学习者，他表示，在科学的宏伟面前，他需要学习的还有太多，同时好学的他在科研中也辗转了多个方向。

2006年，张国庆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，并在此期间成功开发出了气体轴承承载力计算的Matlab程序。相关研究成果发表论文3篇，其中一篇发表在气体摩擦领域国际著名期刊Tribology International上。

硕士毕业后，由于机缘巧合，张国庆当时遇到鸿富锦精密工业（深圳）有限公司在招聘机器人工程师。本着对机器人的热爱，张国庆决定转战机器人研究领域，为之一试。成功进入到鸿富锦精密工业（深圳）有限公司后，张国庆开始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。工作期间，张国庆参与多款工业机器人的研发工作，包括数款精密型并联机器人，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Mechanism and Machine Theory等机构学领域国际著名期刊上发表论文5篇，授权中国发明专利16项，授权美国发明专利14项。

工作一段时间后，张国庆在导师的介绍下，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，这才真正接触到了超精密加工技术。此后数年，他都脚踏实地，潜心科研，虽然过程中困难重重，但张国庆勇于挑战，在该领域研究中硕果连连。

2015年，取得博士学位后，张国庆来到深圳大学就职，依旧奋战在超精密加工领域里。2016年，在国家自然科学基金“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”的资助下，张国庆致力于研究基于切屑形貌的超精密飞刀加工刀具磨损在线监测新方法并取得了突破，连同前面对刀具磨损的基础研究，他在超精密加工刀具磨损领域共发表了近20篇论文，其中多篇发表在加工制造领域的国际著名期刊上。

之所以将研究工作重点放在超精密飞刀加工及刀具磨损在线评估技术上，张国庆有自己的理由。他提到，在复杂光学微纳结构产品制造中，超精密飞刀加工具有举足轻重的作用。然而，为了获得精密而复杂的加工表面，通常需要长时间的超精密飞刀加工，如果刀具磨损导致加工表面质量无法满足产品要求，则会浪费前期的加工时间和对刀时间，因此需要对超精密飞刀加工过程中的刀具工作状态进行在线监测。但由于超精密飞刀加工极短的切削持续时间，使得切削信号中包含极少的刀具磨损信息，因此基于切削信号的传统刀具磨损监测方法无法应用到超精密飞刀加工过程中。思来想去，张国庆发现超精密飞刀加工中的切屑上包含了刀具磨损的重要信息，更重要的是超精密飞刀加工的间断性切削机制使得切屑能在一个切削周期内形成并被在线采集。

于是，张国庆在超精密飞刀加工间断性加工特性的基础上，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，就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效率。目前，该项研究还在继续进行，在充满神秘色彩的超精密世界里，张国庆还在为人们推开一扇又一扇新的超精密世界的大门。

脚踏实地解微纳难题

张国庆告诉记者，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。其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。

由此看来，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。说干就干！2017年，张国庆在获得深圳市“孔雀计划”海外高层次人才称号之后，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”，开展多尺度微纳结构功能表面的高效制备技术研究。

在任何一项研究中，理论都起着重要的支撑作用。为此张国庆与项目组成员首先对多尺度运动超精密飞刀加工的切削机理进行分析，并研究了多尺度运动超精密飞刀加工的运动学特征，由此实现了多尺度微纳结构功能表面加工的刀具运动轨迹规划。接下来，他们设计实现多尺度运动的超精密飞刀切削系统，搭建了多自由度高频振动硬件系统并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，张国庆还仔细分析了加工及测量过程中影响多层次微纳结构表面面形精度的因素。而且通过分析哪些因素影响了多尺度运动超精密飞刀加工微纳结构表面的质量后，他对微纳结构功能表面也有了更加深入与清晰的认知，研究更为其表面的制造以及精度的改善起到指导作用。张国庆特别提到，项目取得的多项成果的实用性极强，可为微纳结构功能表面的加工制造提供参考。

教书育人展宏图

张国庆是一个对科研极度认真的人，而除了科研，在教书育人方面他也是严苛要求自己。他把科研与教学中的每一个环节都串连在一起，始终有条不紊地进行着。

目前，他每年要培养3～5名研究生、1名博士后以及大约10名本科生。在培养过程中，他建立了自己的一套教学方法，那就是从不把自己放在“老师”的位置上，而是希望与学生平等交流，成为朋友。在张国庆眼里，老师只需将知识方法传递下去，学生的自主发挥才是重点。因此，他充分让学生发挥主观能动性，培养兴趣并自发地探索科研的奥秘。

与此同时，张国庆还强调，学生不能只待在学校的“象牙塔”里，还要走出校门，多参与研究实践。“学校与企业角色互补，学校从事基础研究、充当智库的角色，企业从事应用研究，充当实践角色。”张国庆表示。

面对未来，张国庆信心满满。在深圳大学对超精密加工研究领域的持续投入与支持下，他将未来的研究锁定在3个方向：一是研究金刚石刀具加工铁基材料过程中的刀具磨损机理与抑制方法，希望能够尽早完善铁基材料金刚石镜面加工的工艺方法，以此改善在金刚石刀具加工铁基材料过程中的刀具磨损问题；二是在“中国制造2025”的大背景下，开展智能加工技术研究，重点围绕刀具磨损及加工过程误差的在线实时测量，实现加工过程的智能监测；三是开展复杂微纳结构仿生功能表面的制备与应用，重点围绕微纳结构表面超精密加工的工艺与装备研发，实现特殊功能表面的高精度、大尺寸及高效率加工制造，并研究微纳结构表面在工程技术、医疗器械、航空航天等军民领域的应用。

“我只是一个平凡的科研爱好者，只求能够在科研路上贡献一点绵薄之力。”张国庆的科研旅程还很漫长，在高深的超精密加工研究中，还有诸多奥秘等待他去揭开。