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张勤俭:让中国精密与超声加工技术走向大规模应用

关键词 精密加工 , 机械|2019-06-27 11:23:47|来源 中国科技网
摘要 作为工业发展的利器,机械制造技术是工业发展的基础,提高机械制造技术是实现国家工业化的前提,而精密与超声加工技术是机械制造技术的重要方向。中国机械工程学会特种加工分会超声加工技术委员...

       作为工业发展的利器,机械制造技术是工业发展的基础,提高机械制造技术是实现国家工业化的前提,而精密与超声加工技术是机械制造技术的重要方向。中国机械工程学会特种加工分会超声加工技术委员会副主任张勤俭就是中国机械制造技术领域的杰出专家,多年来,他在中国精密与超声加工技术领域取得了备受海内外行业关注的重要成绩,是中国业界公认的首屈一指的精密与超声加工的杰出科学家。科技日报记者近日专访了张勤俭。

  张勤俭作为中国精密与超声加工技术领域的杰出科学家,已出版中国精密与超声加工技术领域专著三部:《超声加工技术》、《电化学加工技术》、《特种加工手册》,从而奠定了他在中国精密与超声加工技术领域的杰出科学家的学术地位。他还耕耘不懈,多年来发表了国家级和国际级学术论文90余篇,在中国精密与超声加工技术领域取得了首屈一指的科研成果,并且很多科研成果得到了实际应用和推广。

  因为他的杰出学术成就,多家中国国家级专业期刊如《应用基础与工程科学学报》《机械工程学报》《清华大学学报(自然科学版)》和《系统仿真学报》,都邀请他作为编委和审稿人,从而进一步奠定了张勤俭在中国精密与超声加工技术领域的学术权威地位,也直接和间接促进了中国精密与超声加工技术的开发和拓展。

  张勤俭能同时取得中国学术研究和生产实践方面的突出成就,与其数十年来不断进取的学术和科研实践相结合的工作经历是分不开的。

  1998年,张勤俭以优异的成绩考取了山东大学的博士研究生,2001年获得机械制造及其自动化专业的工学博士学位。在攻读博士学位的三年时间里,张勤俭共发表学术论文21篇,其中第一作者17篇,SCI检索论文2篇,发表在《无机材料学报》期刊上;EI检索论文2篇,发表在《硅酸盐学报》期刊上,值得行内学者瞩目称赞的是他作为青年科学家,他的博士论文部分研究成果已经达到国际先进水平。

  “一定要将科研落到实处”,这是张勤俭一直坚持的科研思路。2001年9月的一天,山东大学艾兴院士找他谈话,希望他能留在山东大学进行教学科研工作,而他婉言谢绝了,他希望能把科研和实践结合,不仅进行理论研究,还要有机会到企业去锻炼,了解企业和行业的真正需求,让科研的理论研究落到实处。于是2001年10月张勤俭在山东大学取得博士学位后,进入北京市电加工研究所工作,工作中他特别重视理论和实践的研究齐头并进,积极在企业锻炼学习。

  在北京市电加工研究所工作期间,张勤俭作为第二负责人承担了国家自然科学基金项目“电火花放电爆炸力对材料蚀除机理的研究”和“大面积聚晶金刚石(PCD)高效放电光整加工基础技术研究”,他在聚晶金刚石精密加工领域开展了许多突破性的研发工作。他出版了学术专著《超声加工技术》《电化学加工技术》和《特种加工手册》,并发表了多篇学术论文,多数论文发表在EI检索期刊《金刚石与磨料磨具工程》《中国机械工程》《系统仿真学报》《应用基础与工程科学学报》等杂志上。

  经过多年的学术研究和实践开发努力,张勤俭在北京市电加工研究所建成了世界上唯一一条以电火花加工为核心的生产线,建成了全世界最大的聚晶金刚石加工基地。每年加工直径58mm的聚晶金刚石复合片6万片,占中国市场的50%以上,他做出了关键性贡献。这些产品被广泛应用于汽车、航空航天、石油、地质、机械、电缆等行业。到目前为止,该基地已经创造产值18亿多元。张勤俭的贡献功不可没。

  张勤俭具有宽广的国际化视野,他在2004年、2007年代表北京市电加工研究所,参加了分别在英国爱丁堡和美国匹兹堡举办的第14、15届国际电加工学术会议,并宣读了论文“Neural network modelling and parameters optimization of increased explosive electrical discharge grinding (IEEDG) process for large area polycrystalline diamond(Journal of Materials Processing Technology”“A new technology for laser drilling of precise and micro diamond drawing dies”。该会议是国际特种加工(含超声加工)研究领域最权威的学术盛会,每三年举行一次。

  张勤俭具有出类拔萃的研发创新精神,他作为研发团队主要负责人,带领研发团队研发了具有自主知识产权的电火花加工绿色节能电源,节能70%以上,使得聚晶金刚石的材料去除率达到了8.8mm3/min,加工效率是GE公司加工效率的10倍,开创了聚晶金刚石世界上最高的加工效率,具有划时代的意义。加工后成品的表面粗糙度、平面度、整体厚度尺寸精度均达到甚至超过美国通用电气(GE)公司,达到了世界先进水平。

  张勤俭还首次采用计算机仿真技术对聚晶金刚石精密研磨的运动轨迹进行了动态模拟和速度分析,研磨效率是传统研磨机的16倍,创造了聚晶金刚石精密加工领域新的里程碑。

  知行合一,张勤俭积极把自己学到的理论知识与聚晶金刚石加工技术相结合,他创造性地将人工神经网络和灰色关联分析理论应用于聚晶金刚石电火花磨削实验研究之中,建立了聚晶金刚石复合片硬质合金层电解磨削的变形方程,加工误差从以前的0.1mm降至0.02mm,加工效率提高1.5倍,对提高中国行业的整体水平发挥了重要的作用。

  针对聚晶金刚石复合片分类和检测效率低、出错率高的问题,张勤俭独立开发了“聚晶金刚石复合片分类系统”“聚晶金刚石厚度检测系统”软件,使得聚晶金刚石检验效率提高15倍,实现了聚晶金刚石复合片分类和检测的自动化,在质量控制中发挥了独特而重要的作用;推导了聚晶金刚石平面度的数学方程,开发了“聚晶金刚石平面度检测系统”,在国内外首次实现了聚晶金刚石平面度的定量精确测量,使得聚晶金刚石的质量评定上升到一个新的高度,为产品质量的高效评估和生产工序优化提供了重要依据。他开发的这三个软件已经使用了16年,至今仍在生产过程中发挥着巨大作用,为北京市电加工研究所创造的经济效益达8000万元。

  张勤俭还主导了大孔径拉拔模具的研发工作,提出了电火花慢走丝线切割和超声加工的复合工艺,加工周期由原来的3周缩短为1周,加工精度从原来的0.2毫米提高到0.03~0.05毫米。在张勤俭的主导下,北京市电加工研究所因此成为国内唯一能解决大孔径拉拔模具高效精密加工的单位,加工的该类模具占全国市场的80%以上。

  张勤俭主持了国家自然科学基金项目“金属微丝拉拔模具精密线抛光机理研究”和北京市自然科学基金重点项目:“集成电路精密引线模具微细特种加工关键技术研究”。他通过理论联系实际,研发了精密微细超声加工机床,模具的尺寸公差小于0.5微米,表面粗糙度达到了Ra0.01微米,有效提高了拉丝模的制造水平和加工精度,达到了国际先进水平。该成果被中国最大的金刚石拉丝模生产企业北京迪蒙特佳工模具技术有限公司应用。目前,该公司采用张勤俭研发的精密微细超声加工机床后,90%以上的微孔模具均采用该机床加工,这些模具被广泛应用于医疗、高铁、汽车、电力、造船、高速电梯、太阳能发电等领域。该机床加工的拉丝模精度提高2倍,产品合格率提高了5倍,2013年至2018年新增产值1.1亿元,使该公司在中国的市场占有率由20%提高到30%。

  由于在学术领域和精密加工技术领域的杰出贡献,他于2005年获得了中国机械工业科学技术奖二等奖。中国机械工业科学技术奖是中国机械工业联合会和中国机械工程学会共同设立、全国性的机械工业综合性科技奖项,是中国机械工业科学技术的最高奖项。

  张勤俭自2011年5月至2019年3月在北京交通大学工作,并担任数字化制造技术与装备研究所所长,负责领导数字化制造技术与装备研究所的科研团队继续从事精密加工技术领域的学术研究和科研实践。在担任数字化制造技术与装备研究所所长的工作岗位上,他主持了江西省科技厅高校科技落地计划项目“矿冶装备关键部件稀土超磁致伸缩超声强化技术研究与应用”,研发了稀土超磁致伸缩超声强化装置,并获得了国家授权发明专利。该项目对矿冶装备中的关键零部件齿轮的强化技术进行了深入研究,并发表了“齿轮齿面超声挤压强化有限元模拟”和“超磁致伸缩超声强化系统改进及理论分析”等论文。张勤俭的科技成果已经被推广到国内最大的谐波齿轮减速器生产商深圳市同川科技有限公司。该公司的所有的齿轮都经过张勤俭的齿轮超声挤压强化系统超声强化处理,强化后齿轮表面粗糙度降低了45%,表面硬度提高了约30%,疲劳强度提高2-3倍,大幅提升了该公司谐波齿轮减速器寿命性能指标,技术已经达到国内外领先水平。该成果的应用为公司创造经济效益5200万元,使该公司在中国市场的占有率由10%提高到25%。

  针对高铁领域的机械制造问题,张勤俭首次将超声挤压强化技术应用与高铁领域。他在该领域进行了前沿的独创性的研究,提出的超声挤压强化技术使得工件表面残余压应力是强化前的23.17倍,使高速列车车轴性能和安全性提高5倍以上,技术已达到国际领先水平。该技术对于高速列车车轴性能的提高具有划时代的意义,已成为高速列车车轴不可替代的加工方式。该成果已经开始应用于中车长春轨道客车股份有限公司高速列车最新型30NiCrMoV12空心车轴的加工。中车长春轨道客车股份有限公司是国内行业中出口最早、出口数量最多的企业,代表着中国高铁的最高水平。该技术进行推广后,全部车轴都采用该技术进行强化处理,年直接经济效益可达6720万元。该技术能确保车轴在全寿命周期内的使用率,每年按60标准列轮对折算,年间接经济效益达2.4亿元。

  因为以上卓越的学术成就,他受邀参加了在彩票平台app下载东京举办的18th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining (ISEM XVIII),并发表了“Ultrasonic Surface Strengthening of Train Axle Material 30CrMoA”,展示了超声加工技术应用于高铁领域的杰出成就。他还在Micromachines杂志上发表了“The Design of Rare-Earth Giant Magnetostrictive Ultrasonic Transducer and Experimental Study on Its Application of Ultrasonic Surface Strengthening”,并被SCI收录,该期刊是关于微型机械和微机械方面的技术和科学的权威杂志。2016年,张勤俭参加了全国超声加工技术研讨会,并获得了“全国超声加工技术研讨会优秀论文奖”,其论文“超声加工技术的应用现状及其发展趋势”被发表在EI检索、中国机械工程领域最高学术期刊《机械工程学报》上。

  张勤俭作为杰出的超声加工领域科学家,在中国科学技术协会取得了高度的认可和权威地位,他于2014年10月主持召开了中国科学家协会“微纳制造技术研究与应用”青年科学家论坛,并得到了中国科学技术协会的资助。鉴于张勤俭在中国机械制造领域的杰出贡献,经过推荐和专家委员会评选,2014年11月张勤俭当选为中国机械制造工艺协会理事。中国机械制造工艺协会是中国机械制造工艺学术领域的最高权威地位的学术团体,只有中国最顶尖的机械制造工艺学术专家才有资格才能当选为中国机械制造工艺协会成员。目前当选中国机械制造工艺协会理事的专家目前只有125人。

  张勤俭还与美国METechs公司合作,从2017年开始将该技术应用于智能家居中的减速器齿轮的强化,表面粗糙度降低50%,摩擦系数降低15%,表面硬度提高了20%-30%,使得减速器的噪音降低30%,极大提高了该公司产品的质量和竞争力。

  身为超声加工领域的杰出学者和科学家,因为他的重要而杰出的贡献,2016年张勤俭被中国机械工程领域最高学术组织中国机械工程学会评选为中国机械工程学会先进工作者。为了更好促进超声加工技术的学术研究,他在中国工程学会特种加工分会的支持下,积极创建中国超声加工专业学术组织和担任领导职位。作为重要创办人,2017年他参与创建了中国机械工程学会特种加工分会超声加工技术委员会并担任了超声加工技术委员会副主任。中国机械工程学会特种加工分会超声加工技术委员会是中国机械工程学会特种加工分会所属的中国超声加工最权威的学术组织,致力于集合中国超声加工行业的权威专家学者进行学术研究和推广,在他的主持和领导下,超声加工技术委员会每两年组织一次全国范围内的学术研讨会,并编著科研论文成果,对促进中国超声加工技术的发展意义深远。

  作为理论联系实际的典型代表,张勤俭的科研之树上早已结满硕果累累,可他依旧不愿停下前进的步伐,不分日夜地潜心钻研,废寝忘食只为取得更多突破。他说:“超声加工是制造业中的典型加工方式,有其他加工方式无法比拟的优势,对制造业的繁荣至关重要。希望涌现更多不断强化创新的科学家,致力于从事超声加工技术方面的研究和开发,这将对国际制造业的繁荣和发展发挥重要的作用。”

  这位中国超声加工领域的优秀科学家的杰出代表,用深厚的理论基础结合宽广的国际化视野,用丰富的实践经验和跨国实务,正让超声加工技术方面的研究和开发驱动迎接人类更加美好的未来。

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