《2018-2019機械工程學(xué)科發(fā)展報告（機械制造）》已正式出版

2020年，中國機械工程學(xué)會及其生產(chǎn)工程分會承擔(dān)了中國科協(xié)學(xué)科發(fā)展工程項目，在中國工程院院士、中國機械工程學(xué)會副理事長郭東明院士為首席科學(xué)家的專家撰寫組，和11個專題小組近百位專家的共同努力下，通過充分收集資料、深入調(diào)查研究和嚴謹數(shù)據(jù)分析，以及多次研討會討論和廣泛征求本學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)專家學(xué)者的意見的基礎(chǔ)上，形成了《2018-2019機械工程學(xué)科發(fā)展報告（機械制造）》（以下簡稱《報告》）。

機械制造科學(xué)的基本任務(wù)，就是為制造業(yè)提供所需求的機械制造過程及裝備的新理論、新方法和新技術(shù)?，F(xiàn)代機械制造學(xué)科和制造技術(shù)，是具有很強領(lǐng)域帶動效應(yīng)的工程科學(xué)，不僅研究多領(lǐng)域多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)性、科學(xué)性和創(chuàng)新性等共性問題，同時，可以通過解決企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，成為推動制造裝備、制造工藝和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最有力、最直接的牽引力和原動力。因此，機械制造學(xué)科和制造技術(shù)，是振興和強大制造業(yè)的重要基礎(chǔ)，在國家經(jīng)濟與社會發(fā)展中起著非常重要的作用。《報告》主要概述了近幾年我國在機械制造科學(xué)研究以及在不同工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中取得的創(chuàng)新性和標志性研究進展，通過對國內(nèi)外研究進展進行對比，對今后機械制造理論和應(yīng)用技術(shù)的研究趨勢進行了展望。

1、機械制造學(xué)科標志性研究進展

在精密與超精密加工領(lǐng)域，清華大學(xué)路新春等建立了大尺寸表面納米級平坦化的加工原理與方法，發(fā)明了系列大尺寸超薄硅片納米級無損傷拋光關(guān)鍵技術(shù)，研制開發(fā)出12英寸“干進干出”化學(xué)機械拋光（CMP）裝備與成套工藝，實現(xiàn)了IC制造大尺寸晶圓表面的納米級平坦化及納米級缺陷控制。整體技術(shù)達到國際先進水平，已在中芯國際等企業(yè)實現(xiàn)批量應(yīng)用，打破了國外高端微電子超精密拋光裝備長期壟斷的局面。

在高效高質(zhì)加工領(lǐng)域，大連理工大學(xué)賈振元等建立了碳纖維復(fù)合材料（復(fù)材）新切削理論體系，發(fā)明的鉆、銑削等九個系列新型復(fù)材切削刀具、加工技術(shù)及工藝，相比于國外及傳統(tǒng)刀具，加工損傷由毫米量級降至0.1mm以內(nèi)，刀具壽命提升2-7倍，加工效率提升3-4倍，加工精度提升50%。成果已應(yīng)用于航天一院、三院、中航工業(yè)和中國商飛等企業(yè)復(fù)材構(gòu)件的加工制造中。

在非傳統(tǒng)加工領(lǐng)域，華中科技大學(xué)邵新宇等提出了大型薄壁曲面激光焊接控形控性技術(shù)，發(fā)明了大型三維薄壁曲面焊縫形貌在線“測量 —跟蹤 —補償”技術(shù)與裝置，實現(xiàn)了汽車車身小變形、低應(yīng)力、高質(zhì)量激光焊接。成果已在上海通用、江鈴福特、江淮等企業(yè)得到應(yīng)用。

在微納制造領(lǐng)域，西安交通大學(xué)盧秉恒等提出了電場斥力輔助的脫模新方法，建立了大面積嵌入式功能結(jié)構(gòu)的電場輔助掃描填充技術(shù)，實現(xiàn)了金屬、低維納米墨水等功能材料對特定微納米孔隙的電場輔助填充；提出了異型微納結(jié)構(gòu)電致流變成形方法和宏觀表面的6英寸晶圓級自動化納米壓印微區(qū)控制壓印新方法，實現(xiàn)了表面翹曲起伏的晶圓級基材與柔性模板的均勻接觸，推動納米壓印技術(shù)由二維向三維方向發(fā)展。

在綠色制造領(lǐng)域，中南大學(xué)郭學(xué)益等創(chuàng)新開發(fā)了廢舊線路板低溫連續(xù)熱解新技術(shù)，實現(xiàn)了廢舊電路板中有機組元深度碳化與金、銀、銅、鈀等有價金屬的有效富集，以及物料中有機溴、氯的無害轉(zhuǎn)變與尾氣超低標準排放，有效消除了廢舊電路板中持久性有機污染物；已在江西等9個省(自治區(qū))推廣應(yīng)用，推動我國再制造產(chǎn)業(yè)進入世界先進水平行列。

在仿生制造領(lǐng)域，源于昆蟲蛻變翅膀折疊的靈感，仿生成為從小實體到大展開面的神奇變換機構(gòu)。天津大學(xué)陳焱等創(chuàng)造性地將空間結(jié)構(gòu)代替球面機構(gòu)，建立了基于過約束空間機構(gòu)網(wǎng)格的厚板折紙運動學(xué)模型，解決了厚板折紙的仿生制造難題。研究成果已用于大型空間可展結(jié)構(gòu)、新型超材料與輕型復(fù)合材料、可變形機器人等工程。

在表面功能結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，華南理工大學(xué)湯勇等發(fā)明了復(fù)雜表面熱功能結(jié)構(gòu)形貌特征設(shè)計與可控制造關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了管外、管內(nèi)表面熱功能結(jié)構(gòu)高效成形及復(fù)雜形貌可控生成等，從根本上解決了管殼式換熱器、空調(diào)及照明高能耗以及高鐵的核心絕緣柵雙極型晶體管、衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸及相控陣天線高熱流密度電子芯片熱控問題，在我國相關(guān)行業(yè)的龍頭企業(yè)實現(xiàn)大量應(yīng)用。

在增材制造領(lǐng)域，華中科技大學(xué)史玉升提出基于激光選區(qū)燒結(jié)增材制造的復(fù)雜零件整體鑄造新思路和發(fā)明整體鑄造成套技術(shù)，突破了航空發(fā)動機機匣、航天發(fā)動機渦輪泵等高性能復(fù)雜零件的整體鑄造難題。成果應(yīng)用于中國航發(fā)、西安航天發(fā)動機有限公司等國內(nèi)外數(shù)百家單位，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

在基礎(chǔ)零部件制造領(lǐng)域，中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司聯(lián)合北京工業(yè)大學(xué)石照耀，提出了基于記憶合金流量調(diào)節(jié)的溫控技術(shù)、高精度齒輪拓撲修形技術(shù)和高效齒輪配對技術(shù)等核心關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)的高鐵列車用齒輪傳動系統(tǒng)溫升降低10度（攝氏）以上，噪聲降低11%，振動得到顯著控制，功率重量比提升10%。

在傳感、檢測與儀器領(lǐng)域，重慶理工大學(xué)彭東林提出一種將被測齒輪與傳感器融匯一體的新方法-寄生式時柵技術(shù)，采用非接觸、密封的離散測頭線圈直接把被測齒輪、蝸輪、蝸桿、齒條、絲杠等當作均勻分度的“齒柵”，作為新檢測方法的行波產(chǎn)生器件，再用時鐘脈沖作為位移精密測量的基準，從而實現(xiàn)實時、在線、動態(tài)精密位移測量。

在智能制造及數(shù)字工廠領(lǐng)域，華中科技大學(xué)丁漢等針對“大型復(fù)雜曲面多機器人高效加工的主動順應(yīng)與協(xié)同控制”科學(xué)難題，在涉及磨拋法蘭和力位自律跟蹤、高能效移動機器人機構(gòu)設(shè)計、超大高光反射表面三維測量、多機協(xié)同運動規(guī)劃和測量加工一體化協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，并在中國中車等企業(yè)得到推廣應(yīng)用。

2、國內(nèi)外對比與發(fā)展趨勢

近年來，在國家自然科學(xué)基金、國家973/863科技計劃、國家重大重點專項等項目的支持下，機械制造學(xué)科領(lǐng)域取得了一系列突出進展和創(chuàng)新成果，為我國制造業(yè)提供了大批新理論、新技術(shù)和新方法，在國內(nèi)外產(chǎn)生了重要影響。我國機械制造科學(xué)從過去的跟蹤、發(fā)展到現(xiàn)在的并跑，有的領(lǐng)域已處于領(lǐng)跑狀態(tài)。超精密加工、高質(zhì)高效加工、特種加工、綠色制造、仿生制造、增材制造、功能表面結(jié)構(gòu)制造等領(lǐng)域已在國際學(xué)術(shù)界占有一席之地，研究水平總體上已步入國際先進行列。

同時，機械制造學(xué)科領(lǐng)域還存在的不少問題和差距，主要體現(xiàn)中國學(xué)者提出的機械制造領(lǐng)域的新概念、新理論、新方法和新技術(shù)不多；有重要國際影響的機械制造理論、方法和技術(shù)較少；在機械制造領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)界有較大影響的中國學(xué)者少。我國機械制造的理論、方法和技術(shù)對中國制造業(yè)的自主創(chuàng)新和自強發(fā)展的貢獻不夠顯著。

體現(xiàn)機械制造技術(shù)先進性的高端裝備與發(fā)達國家相比仍然存在很大差距。我國高檔數(shù)控機床、精密超精密加工機床、精密科學(xué)儀器、大型民用飛機、大型民用航空發(fā)動機、超大規(guī)模集成電路芯片及其制造裝備、高檔轎車及其關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備與核心技術(shù)仍未掌握在自己手中。

制造加工理論、工藝及成套裝備雖然已有重大突破，仍然缺少原創(chuàng)性、系統(tǒng)性的深入研究，有些領(lǐng)域甚至還處于起步階段。例如，我國在航空發(fā)動機關(guān)鍵構(gòu)件的制造精度方面已經(jīng)接近或達到了與國外產(chǎn)品相同的水平，然而制造的關(guān)鍵構(gòu)件服役壽命卻不及國外同類產(chǎn)品的50%，在關(guān)鍵構(gòu)件制造技術(shù)方面未能掌握面向高性能制造的表面宏微觀幾何與物理狀態(tài)對構(gòu)件服役影響影響規(guī)律，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)嚴重缺乏、高性能加工表面狀態(tài)設(shè)計基礎(chǔ)研究不足。高端裝備研發(fā)依然是仿制國外同類型設(shè)備為主，缺乏主動設(shè)計手段，沒有形成“工藝牽引裝備，裝備支撐工藝”的良性循環(huán)。

增材制造基礎(chǔ)研究覆蓋了相當完整的學(xué)科方向，但同世界領(lǐng)先水平還有一定差距，近幾年的一些顯著影響增材制造全局的重大技術(shù)進步都來自于美歐國家，美國和德國還占據(jù)高端增材制造裝備商業(yè)化銷售市場的絕對優(yōu)勢；高端增材制造裝備的核心元器件和商用軟件還依賴進口；以系統(tǒng)級創(chuàng)新設(shè)計引領(lǐng)的規(guī)?；I(yè)應(yīng)用還主要在美歐國家。

機器人減速器、高速列車主軸承、液氣密封等機械基礎(chǔ)件的性能及質(zhì)量與國外比較差距仍然較大，高端基礎(chǔ)零部件發(fā)展受制于原材料、精密制造裝備、檢測試驗技術(shù)及基礎(chǔ)理論與技術(shù)前沿研究的落后，與發(fā)達國家存在較大差距。檢測測量技術(shù)還存在自主創(chuàng)新少、測量精度不高、測量準確性不高、測量效率低等特點，高端儀器設(shè)備依賴進口的局面尚未改變，現(xiàn)有國內(nèi)測量儀器的性能及可靠性指標與國外產(chǎn)品相比差距明顯，測量理論、方法和技術(shù)不太適應(yīng)國家重大工程的需求。制造業(yè)智能制造、大數(shù)據(jù)的獲取、分析和應(yīng)用、數(shù)據(jù)化車間及智慧工廠等尚處于初級階段。

3、展望

機械制造學(xué)科發(fā)展的總趨勢是需求驅(qū)動、學(xué)科融合和前沿牽引。我國正處在從制造大國向制造強國邁進的征途中，各行業(yè)裝備制造以及高性能產(chǎn)品的制造等，都迫切需要機械制造科學(xué)提供創(chuàng)新而實用的理論、方法和技術(shù)。機械制造學(xué)科一方面要與信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、管理科學(xué)、納米科學(xué)繼續(xù)深入的交叉融合，發(fā)展和完善仿生及生物制造學(xué)、微納制造學(xué)、制造管理學(xué)和制造信息學(xué)。另一方面要與機械學(xué)融合，即與機構(gòu)學(xué)、傳動學(xué)、摩擦學(xué)、結(jié)構(gòu)強度學(xué)、設(shè)計學(xué)、仿生及生物等機械學(xué)更深入的融合發(fā)展。下一代量子計算機、生物計算機、深地深海深空探測、精準醫(yī)療、核聚變、新能源與新材料等科學(xué)前沿和未來的需求，都對機械制造科學(xué)提出了新的機遇和挑戰(zhàn)。

當前，制造已經(jīng)處于網(wǎng)絡(luò)/信息/智能制造、極端制造、微納制造與生物制造的新時代，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有信息感知、計算分析和決策反饋控制等智能的高端重要裝備和系統(tǒng)的智能制造，不斷快速更新的智能數(shù)字網(wǎng)絡(luò)多功能集成產(chǎn)品制造，以及制造尺度特大或特小尺度或極端環(huán)境極高功能的器件和功能系統(tǒng)的極端制造，高知識含量的信息機電產(chǎn)品、仿生機械產(chǎn)品和微納尺度器件及其產(chǎn)品的制造，將成為制造業(yè)發(fā)展的重要方向。基于資源節(jié)約和環(huán)境友好的綠色可持續(xù)性制造產(chǎn)品的綠色度，將上升為制造競爭力的首要因素。

各領(lǐng)域重點研究內(nèi)容簡述如下：

精密及超精密加工領(lǐng)域：加強開展超精密加工裝備及其高精度關(guān)鍵部件的高品質(zhì)制造、超精密加工裝備模塊化生產(chǎn)、典型材料及復(fù)雜零件超精密加工工藝、超精密加工裝備制造標準等研究。

高質(zhì)高效加工領(lǐng)域：應(yīng)用多學(xué)科理論和技術(shù)手段，不斷完善高質(zhì)高效加工基礎(chǔ)理論，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律、提出新方法、建立更準確有效的模型，支撐以高質(zhì)量、高精度、高效率、智能化、綠色化、復(fù)合化、高集成化等為特征的高質(zhì)高效加工裝備、工具和工藝技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

非傳統(tǒng)加工領(lǐng)域：研發(fā)多物理場、多工藝復(fù)合的激光、超聲、電磁、射流、電子束等非傳統(tǒng)加工的高精可控機制、技術(shù)與裝備，實現(xiàn)新型難加工材料的微加工與復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形，研究3D打印的新方法等新技術(shù)與裝備。

微納制造領(lǐng)域：研究功能化大面積納米結(jié)構(gòu)規(guī)整平面直接壓印制造、真三維復(fù)雜仿生微納結(jié)構(gòu)定域可控制造、復(fù)雜曲面、三維多噴頭、多材料電噴印打印制造，以及輕薄化、共形性、表貼式的多功能柔性電子皮膚。

綠色制造領(lǐng)域：研發(fā)綠色制造的方法工具平臺、發(fā)展再制造產(chǎn)品損傷檢測技術(shù)，開發(fā)新型綠色材料、節(jié)能生產(chǎn)裝備、綠色加工工藝，研發(fā)智能再制造拆解及高效清洗工藝，在典型行業(yè)和關(guān)鍵零部件，推廣綠色制造和再制造技術(shù)。

仿生制造領(lǐng)域：重點研究仿生生物制造新技術(shù)體系、高端3D、4D機械仿生生物制造，加強成熟度高的仿生生物制造系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)演示驗證及應(yīng)用，研發(fā)重大仿生生物機電產(chǎn)品。

表面功能結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域：揭示表面功能結(jié)構(gòu)有別于宏觀結(jié)構(gòu)的特殊功能的實質(zhì)以及與宏觀結(jié)構(gòu)作用機制的區(qū)別，提出新的表面功能結(jié)構(gòu)制造理論和方法。

增材制造領(lǐng)域：通過增材制造裝備、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的重大創(chuàng)新或集成優(yōu)化，實現(xiàn)更高的尺寸精度、更低的表面粗糙度、更高和更穩(wěn)定可靠的性能、更大的尺寸和更復(fù)雜精微的結(jié)構(gòu)、更高的制造效率和更低的成本、適用更廣泛的材料等，并盡可能追求同時兼顧上述全部或部分優(yōu)勢。探索微納增材、三維微電子線路、智能結(jié)構(gòu)4D打印等前沿技術(shù)。

基礎(chǔ)零部件制造領(lǐng)域：圍繞重大裝備和高端裝備發(fā)展的配套需求，以產(chǎn)品突破為主攻方向，密切產(chǎn)需合作，加強基礎(chǔ)技術(shù)研究，推動機械基礎(chǔ)件向長壽命、高可靠性、輕量化、減免維修方向發(fā)展。

傳感、檢測與儀器領(lǐng)域：科學(xué)儀器已遠遠超出“光機電一體化”的范疇，未來智能傳感器會逐步走向集成化、能量獲取自動化、高端需求多樣化的趨勢。需要大量引進日新月異的高新技術(shù)，如納米、MEMS、芯片、網(wǎng)絡(luò)、自動化、仿生學(xué)等新技術(shù)。

智能制造及數(shù)字工廠：重點突破生產(chǎn)過程智能化、制造裝備智能化、新業(yè)態(tài)新模式智能化、管理智能化、服務(wù)智能化中的基礎(chǔ)理論與共性關(guān)鍵技術(shù)，建立智慧云制造平臺，加強數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的深度融合。

機械工程學(xué)科發(fā)展研究是中國機械工程學(xué)會持續(xù)開展的學(xué)術(shù)活動，是機械工程學(xué)科各領(lǐng)域發(fā)展情況的總結(jié)和分析，力求客觀、科學(xué)地評價、對比，提出其趨勢和發(fā)展策略。努力為從事本領(lǐng)域教學(xué)、科研、生產(chǎn)的科技人員，以及國家相關(guān)的科研管理和決策部門提供有益的啟迪。2021年中國機械工程學(xué)會將繼續(xù)開展機械工程學(xué)科“成形制造”領(lǐng)域的發(fā)展研究，敬請期待我們的研究成果！

（來源：中國工程機械學(xué)會）

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