以执着精神为帆 挺进超精密制造深海——记深圳大学机电与控制工程学院副研究员张国庆

当李克强总理就中国尚造不出“圆珠笔头”问题提问“中国制造”，能生产飞机汽车，却生产不了小小笔头的“尴尬”让自古至今以“制造强国”为发展目标的中国情何以堪？大数据、云计算、物联网的应用能否帮助中国制造向中国“智造”顺利转变，从而迈向中高端制造行列？我们的科研工作者用实际行动做出了肯定的回答。同时，随着《中国制造2025》的出台，实现制造强国的“三步走”目标也应运而生：第一步，到2025年迈入制造强国行列；第二步，到2035年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列。而要实现这三个目标，离不开高精尖的创新科研支撑，离不开老一辈科研工作者的厚重经验，更离不开新一代科研工作者的踏实奋进。

张国庆，深圳大学特聘副研究员，新时代科研工作者的代表，拥有对科研工作的饱满热情，远离繁华世界的喧嚣浮躁，秉持着一颗平凡的科研心，走出了一条不凡的超精密加工技术攻关之路。

精密超精密加工技术的首次提出是在20世纪60年代的美国，并且伴随着航天、宇航等产业的技术需求而得到飞速发展。在此不久后，日本便成立了超精密加工技术委员会并制定了相应发展规划。到20世纪90年代初期，欧洲实施了一系列的联合研究与发展计划，加强和推动精密超精密加工技术的发展。我国也是在20世纪80、90年代的过渡时期开始进行超精密加工技术基础研究，此时我国航空、航天等军工行业的发展对零部件的加工精度和表面质量都提出了更高的要求。

进入21世纪以来，超精密加工技术更是得到迅猛发展。其中超精密飞刀铣削作为一种新型的超精密多轴联动铣削技术得到广泛应用。该技术通过安装在主轴上的金刚石刀具的旋转切削以及刀具与工件之间的多轴联动，可以直接加工出具有亚微米级尺寸精度和纳米级表面粗糙度的复杂微纳结构表面，在复杂光学微结构产品的制造中具有举足轻重的作用。

然而超精密飞刀铣削同样存在缺陷，其复杂的切削机制使得加工过程中工件的安装校准和加工参数的选择调试十分耗时。为了获得精密而复杂的加工表面，需要多层、多列及多旋转周期切削的配合，通常加工一个光学部件需要几天、几周甚至几个月的加工周期。如果在加工过程中出现的刀具磨损使得加工的表面质量无法被接受，则是对先前长时间的参数设置时间和加工时间的极大浪费，同时大大降低切削加工的效率。

张国庆在香港理工大学工业与系统工程学系攻读博士学位期间就开展了“超精密飞刀铣削中刀具磨损检测的理论与实验研究”，并以其作为博士毕业课题进行了深入探讨，也因此积累了丰富的理论和科研经验。博士毕业后，他主持了国家自然科学基金项目“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”，提出只有在超精密飞刀铣削过程中实现刀具工作状态的在线评估，及时发现刀具磨损及其对加工表面的影响，才能切实提高切削加工效率。

项目研究中，张国庆带领课题组根据超精密飞刀铣削的间断性切削机制以及加工过程中切屑形貌、刀具磨损特征和加工表面形貌特征之间的内在关系，首次提出一种基于切屑形貌的刀具磨损特征及工件表面特征创成的在线评估方法。该方法的创新之处在于不仅可以实现不同阶段刀具磨损特征的在线评估，还能在不停止切削的情况下精确辨识出刀具磨损的形态与位置，为后续的决策提供依据。多次试验证明，该方法可以有效减小刀具磨损对加工表面质量的影响，提升切削加工效率。这些成果的取得不禁让张国庆和课题组成员对未来的深入研究信心百倍。

而在超精密加工领域，张国庆和课题组成员还涉足另一热点研究领域，即微纳结构功能表面制造技术的研究。据了解，微结构功能表面具有特定的拓扑形状，其表面微结构具有纹理结构规则、高深宽比、几何特性确定等特点，这些表面微结构使得元件具有某些特定的功能，可以传递材料的物理、化学性能等。因此当前很多超精密加工科研工作者都在积极探讨如何实现功能表面结构的设计与制造，通过在零件表面设计和加工不同形状的微结构，提高零部件力学、光学、电磁学、声学等功能，拓展微纳制造的重要应用领域。

关于微纳结构功能表面的研究，张国庆承担了深圳市“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”研究课题，主要带领课题组研究多尺度微纳结构功能表面的高效制备技术。期间为了切实为微纳结构功能表面的加工制造提供有价值的参考，课题组深入分析了多尺度运动超精密飞刀加工运动学特征，建立了多尺度运动超精密飞刀加工的切削运动模型，分析了加工及测量过程中微纳结构形状精度的影响因素。通过理论与实验研究，不仅掌握了多尺度微纳结构功能表面加工的刀具运动轨迹规划，开发了多尺度运动超精密飞刀切削系统以及多自由度高频振动硬件系统，还对微纳结构功能表面的制造以及精度的改善提供技术指引。

虽然在国内外超精密加工技术领域，张国庆课题组的规模不大，研究方向也常常受到局限，但从短短几年内已经发表多篇SCI论文并在多个国际会议上做报告来看，他们始终走在某些领域的前沿。如今他们正在矢志开展单点金刚石切削难加工材料的加工工艺、超精密加工过程的智能监测及特殊功能表面加工工艺相关研究，并集中力量发展优势学科，形成学科高峰，以期解决军民领域的重大科学问题。

在大学进行基础研究的同时，张国庆还积极联系相关企业，进行产学研合作。张国庆认为，目前国内大学和企业的区别在于，大学要充当企业的智库，做一些前沿、非盈利的科学研究，而企业要将科研成果转化为工程应用，真正实现科研的价值。而他愿意做大学和企业之间的沟通桥梁，将自己的卓越理念、前瞻性眼光融到更加实用的科研创新中，带领自己的团队继续积极探索，推动学科建设和科研创新协同发展，为祖国的创新强国梦尽一份绵薄之力！