【当期推荐论文】郭东明∣高性能精密制造
【导语】高性能制造是高端装备和产品的关键零部件以性能精准保证为目标的几何和性能一体化制造，体现了由几何尺寸及公差要求为主的传统制造向高性能要求为主的先进制造的跃升。郭东明教授从制造的现状、需求和发展趋势出发，阐明了高性能零件的内涵、高性能制造的特点、面临的问题及其分类体系，并结合实例给予了深入分析和说明，为高端装备中一大批关键零部件的精密制造难题提供了可行的解决策略和途径。
本文作者：郭东明，大连理工大学校长，精密与特种加工教育部重点实验室教授、博士研究生导师，中国工程院院士，中国机械工程学会副理事长。研究方向为特种加工及精密超精密加工技术，计算机辅助测试、设计与制造，数字化设计制造。
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引言
航空、航天、海洋开发、深空探测，以及大科学装置等国家重大工程的建设与发展，对零件提出了一系列前所未有的性能要求。高性能航空发动机的研制需要叶片等核心部件更加轻质，且具有更高的耐热温度和抗疲劳特性。航空、核电等装备的长期运行要求其超大型锻件、高速运动部件等具有优异的抗磨损、耐腐蚀、耐疲劳特性，即具备超长使役可靠性。
传统装备及零件的设计与制造是在选定材料的基础上进行零件几何设计、公差确定与制造实现的过程，零件的性能与其尺寸精度往往表现为线性相关。传统制造方法按精确设计的零件几何尺寸及公差要求制造出零件，即可满足零件性能要求。但仅以几何尺寸公差为关注点的传统设计制造理念，难以满足航空、航天、电子技术等领域一批关键件的高性能制造需求。传统装备及零件设计制造面临严峻挑战。
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高性能零件内涵
高性能需求要求零件以透波、传热、导流、动力学等性能为主要制造指标，因此，高性能零件具有以下主要特征：①曲面复杂；②具有材料超硬、超脆、超黏等难加工特征；③精度要求高；④性能受几何、材料等多因素影响。因此，高性能零件的制造是传统制造模式难以满足的，高性能制造成为学科发展的迫切需求。
对于零件而言，从不同的角度，可分为不同的类型（表1）。不同类型的交叉组合构成了性能多样的结构功能一体化高性能零件。获得理想材料零件（IFMC）是人类长久以来的期望，这些零件的特点是：不一定由单一或均质材料构成（多种材料复合融合制造）；按照零件的最佳使用功能即材料、结构、功能一体化的要求来设计制造，是由理想材料所构成的理想材料零件；制造过程中需要采用增材制造、增减材复合制造技术或仿生制造技术。
表1 零件分类方式
在学科当前发展阶段，高性能制造（高性能零件的制造）面临如下主要问题：零件的几何精度满足要求，但其性能指标达不到要求；零件的高性能要求导致材料/结构特殊，或精度要求极高，传统加工方法往往无能为力或很难加工出符合要求的零件。
高性能制造以高端性能的精准保证为核心，是面向性能的反求制造，是定量定域定式的数字化制造。
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高性能制造（高性能零件制造）的分类
2.1 性能与几何精度为线性关系的高性能零件制造
复杂结构约束类的精密复杂曲面零件
（第Ⅰ类）
复杂结构约束类的精密复杂曲面零件主要指复杂薄壁的低刚度精密零件，如飞机壁板和框梁、整体涡轮和叶盘、火箭推进剂贮箱和火箭发动机喷管等。此类零件在制造过程中存在诸多难点，如切削加工过程中存在加工变形、切削干涉或切削颤振，精度难以保证。相应的关键技术包括：①加工轨迹优化计算——路径规划与优化；②切削力建模计算——精确预测与控制；③变形预测建模计算——加工变形补偿；④加工系统颤振抑制。
难加工材料类的高性能零件
（第Ⅱ类）
难加工材料类的高性能零件主要是指通过特殊的难加工材料和较高几何精度来保证高性能的零件，如C/E或C/C复合材料构件、功能陶瓷等脆性材料、高温合金材料零件等。其加工难点是：材料特性极端，表现为超硬、超脆、超黏或超软等特性，材料去除机理不明。其关键技术包括：材料去除机理（材料微观断裂机理），先进工艺（多能量耦合的加工工艺），高性能刀具（刀具结构、材料及处理方法）。
如何实现大型复合材料构件高质高效加工是一个国际性的难题，涉及的主要问题包括材料如何去除、损伤如何抑制、温度如何控制；主要影响因素包括高性能工具、高适应性工艺、高性能碳纤维复合材料构件数字加工装备。
超高精度类的高性能零件
（第Ⅲ类）
超高精度类的高性能零件主要指超高精度的微电子/光电子基片和光学镜片，长度标准计量器件等。此类零件的加工难点是：如何获得塑性化（延性域）去除的纳米级切深阈值，实现塑性化加工，避免产生微裂纹损伤；如何通过化学物理复合作用，实现新原理的亚纳米级材料去除，获得无损伤超光滑表面；如何实现大口径高面形精度表面高效加工。此类零件的加工目标是获得高表面完整性和超高几何精度。主要研究内容有：
超高精度表面零件磨削加工
大尺寸平面光学元件超精密加工
超高精度铜表面的超精密加工
2.2 性能与几何精度为非线性关系的高性能零件制造
性能与几何精度为非线性关系的高性能零件的制造特征是：性能、材料和几何等参数间往往呈复杂的耦合关系,其间的复杂关系建模是实现科学制造的关键；定量定域定式的数字化制造；测量加工一体化的制造过程和相应制造装备；结构、材料、功能一体化。
超高性能要求的精密复杂曲面零件
（第Ⅳ类）
超高性能要求的精密复杂曲面零件主要指性能要求特别高、以性能为第一制造指标的精密零件。类似天线罩、飞机气动弹性模型等高性能零件，其制造已形成了综合考虑材料、结构与性能耦合关系，利用几何特征调整修正性能误差的制造方法。
基于跨尺度效应实现高性能的零件/器件/微系统
（第Ⅴ类）
具有跨尺度微纳结构的高性能零件/器件指兼具微和小、微和纳跨尺度结构特征类零件，此类零件具有表面导热、导流、吸光等功能，其研究重点包括：微纳去除加工机理、微纳沉积加工及微成形、微小及微纳器件集成技术、微纳器件与系统设计理论、微装配理论与技术。目前的主要研究有：
面向高热流密度器件散热的平板微热管
具有表面宏微跨尺度结构的宽频天线
光导航微纳敏感器件的仿生设计与制造
具有特殊功能或强化表面层的高性能零件
（第Ⅵ类）
具有特殊功能或强化表面层的高性能零件（以下简称“高性能表面覆层零件”）要求具备耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳或抗冲击等复合性能。高性能表面层制造体现了高性能零件性能与几何参数一体化制造的特点。
基于不同表面层的制造工艺原理，此类零件在非平衡的能量与物质输入条件下的加工制造工艺与加工工艺载荷如图1所示。
图1 高性能表面覆层零件的加工制造工艺与加工工艺载荷
高性能表面覆层零件制造原理的核心是表面完整性的形成机制、评价方法和调控作用，高性能表面覆层零件设计制造的理论体系框架是，以基于知识的方法取代实验迭代的试错法，解决高性能制造的加工制造反问题，所涉及的主要科学问题包括：
（1） 面向性能制造的核心问题——加工制造反问题，依据高性能表面覆层零件设计所要求的几何与结构参数及材料特性，选择加工制造的方法和条件；
（2）功能性表面的仿生结构、人工复合结构与复合材料等设计理论和表面特性表征原理；
（3）非平衡能量和物质输入条件下高性能表面覆层零件的制造原理与调控策略；
（4）高性能表面覆层零件检测与评价的新原理和新方法。
高性能表面覆层零件设计制造的理论体系如图2所示。
理想材料零件/器件/构件（材料结构功能一体化零件）（第Ⅶ类）
理想材料零件/器件/构件(结构功能一体化零件)是基于数字化逐点增材制造的理念，并与传统的去除材料制造技术及覆层技术相结合，充分利用功能梯度材料、超材料、细观周期结构材料等设计理念及其成果，仿照生物结构，使得制造材料、结构和性能达到完美结合的零件。目前的主要研究有：
3D打印（增材制造）
增减材复合制造
层叠式增材制造
表面及内部材料组织精细可控的高性能零件增材制造
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结语
高性能制造涵盖的范围很广，以保证零件或装备的性能要求为主要目标，其高性能常常与几何精度、材料、制造工艺过程等诸多因素密切相关，且呈复杂关系，需要性能与材料、结构、几何参数的一体化制造，涉及跨尺度、多物理场等条件下的零件尺寸、表面完整性与其性能的关系建模、基于性能的制造过程控制方法，以及面向极限精度制造的新工艺、新方法探索等诸多方面。制造技术作为制造业升级换代的基础性核心环节，其水平直接体现了一个国家的竞争力。高端装备零部件的性能已从早期的承载要求扩展到声、光、电、热、磁等物理特性要求以及表面脱附、减阻、耐磨抗蚀等功能要求，我国在这些高性能零件的制造理念和工艺技术水平等方面仍有待提高。为了满足高端装备的未来发展要求，高性能制造将是我国制造技术领域的重点发展方向之一。
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