《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(huì )及其生產(chǎn)工程分會(huì )承擔了中國科協(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(huì )副理事長(cháng)郭東明院士為首席科學(xué)家的專(zhuān)家撰寫(xiě)組，和11個(gè)專(zhuān)題小組近百位專(zhuān)家的共同努力下，通過(guò)充分收集資料、深入調查研究和嚴謹數據分析，以及多次研討會(huì )討論和廣泛征求本學(xué)科領(lǐng)域內專(zhuān)家學(xué)者的意見(jiàn)的基礎上，形成了《2018-2019機械工程學(xué)科發(fā)展報告（機械制造）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《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(guò)程及裝備的新理論、新方法和新技術(shù)?，F代機械制造學(xué)科和制造技術(shù)，是具有很強領(lǐng)域帶動(dòng)效應的工程科學(xué)，不僅研究多領(lǐng)域多學(xué)科交叉的基礎性、科學(xué)性和創(chuàng )新性等共性問(wèn)題，同時(shí)，可以通過(guò)解決企業(yè)生產(chǎn)應用中的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，成為推動(dòng)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(dòng)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，在國家經(jīng)濟與社會(huì )發(fā)展中起著(zhù)非常重要的作用?！秷蟾妗分饕攀隽私鼛啄晡覈跈C械制造科學(xué)研究以及在不同工業(yè)領(lǐng)域應用中取得的創(chuàng )新性和標志性研究進(jìn)展，通過(guò)對國內外研究進(jìn)展進(jìn)行對比，對今后機械制造理論和應用技術(shù)的研究趨勢進(jìn)行了展望。

1、機械制造學(xué)科標志性研究進(jìn)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(wú)損傷拋光關(guān)鍵技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)出12英寸“干進(jìn)干出”化學(xué)機械拋光（CMP）裝備與成套工藝，實(shí)現了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(jìn)水平，已在中芯國際等企業(yè)實(shí)現批量應用，打破了國外高端微電子超精密拋光裝備長(cháng)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合材料（復材）新切削理論體系，發(fā)明的鉆、銑削等九個(gè)系列新型復材切削刀具、加工技術(shù)及工藝，相比于國外及傳統刀具，加工損傷由毫米量級降至0.1mm以?xún)?，刀具壽命提?-7倍，加工效率提升3-4倍，加工精度提升50%。成果已應用于航天一院、三院、中航工業(yè)和中國商飛等企業(yè)復材構件的加工制造中。

在非傳統加工領(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(xiàn)“測量 —跟蹤 —補償”技術(shù)與裝置，實(shí)現了汽車(chē)車(chē)身小變形、低應力、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(chǎng)斥力輔助的脫模新方法，建立了大面積嵌入式功能結構的電場(chǎng)輔助掃描填充技術(shù)，實(shí)現了金屬、低維納米墨水等功能材料對特定微納米孔隙的電場(chǎng)輔助填充；提出了異型微納結構電致流變成形方法和宏觀(guān)表面的6英寸晶圓級自動(dòng)化納米壓印微區控制壓印新方法，實(shí)現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(dòng)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(kāi)發(fā)了廢舊線(xiàn)路板低溫連續熱解新技術(shù)，實(shí)現了廢舊電路板中有機組元深度碳化與金、銀、銅、鈀等有價(jià)金屬的有效富集，以及物料中有機溴、氯的無(wú)害轉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(gè)省(自治區)推廣應用，推動(dòng)我國再制造產(chǎn)業(yè)進(jìn)入世界先進(jìn)水平行列。

在仿生制造領(lǐng)域，源于昆蟲(chóng)蛻變翅膀折疊的靈感，仿生成為從小實(shí)體到大展開(kāi)面的神奇變換機構。天津大學(xué)陳焱等創(chuàng )造性地將空間結構代替球面機構，建立了基于過(guò)約束空間機構網(wǎng)格的厚板折紙運動(dòng)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構、新型超材料與輕型復合材料、可變形機器人等工程。

在表面功能結構制造領(lǐng)域，華南理工大學(xué)湯勇等發(fā)明了復雜表面熱功能結構形貌特征設計與可控制造關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現了管外、管內表面熱功能結構高效成形及復雜形貌可控生成等，從根本上解決了管殼式換熱器、空調及照明高能耗以及高鐵的核心絕緣柵雙極型晶體管、衛星數據傳輸及相控陣天線(xiàn)高熱流密度電子芯片熱控問(wèn)題，在我國相關(guān)行業(yè)的龍頭企業(yè)實(shí)現大量應用。

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燒結增材制造的復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(dòng)機機匣、航天發(fā)動(dòng)機渦輪泵等高性能復雜零件的整體鑄造難題。成果應用于中國航發(fā)、西安航天發(fā)動(dòng)機有限公司等國內外數百家單位，取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

在基礎零部件制造領(lǐng)域，中車(chē)戚墅堰機車(chē)車(chē)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節的溫控技術(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(kāi)發(fā)的高鐵列車(chē)用齒輪傳動(dòng)系統溫升降低10度（攝氏）以上，噪聲降低11%，振動(dòng)得到顯著(zhù)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(shí)柵技術(shù)，采用非接觸、密封的離散測頭線(xiàn)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(shí)鐘脈沖作為位移精密測量的基準，從而實(shí)現實(shí)時(shí)、在線(xiàn)、動(dòng)態(tài)精密位移測量。

在智能制造及數字工廠(chǎng)領(lǐng)域，華中科技大學(xué)丁漢等針對“大型復雜曲面多機器人高效加工的主動(dòng)順應與協(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(dòng)機器人機構設計、超大高光反射表面三維測量、多機協(xié)同運動(dòng)規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(chē)等企業(yè)得到推廣應用。

2、國內外對比與發(fā)展趨勢

近年來(lái)，在國家自然科學(xué)基金、國家973/863科技計劃、國家重大重點(diǎn)專(zhuān)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(jìn)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，在國內外產(chǎn)生了重要影響。我國機械制造科學(xué)從過(guò)去的跟蹤、發(fā)展到現在的并跑，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、功能表面結構制造等領(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(jìn)行列。

同時(shí)，機械制造學(xué)科領(lǐng)域還存在的不少問(wèn)題和差距，主要體現中國學(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(zhù)。

體現機械制造技術(shù)先進(jìn)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(dòng)機、超大規模集成電路芯片及其制造裝備、高檔轎車(chē)及其關(guān)鍵生產(chǎn)設備與核心技術(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(dòng)機關(guān)鍵構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)鍵構件服役壽命卻不及國外同類(lèi)產(chǎn)品的50%，在關(guān)鍵構件制造技術(shù)方面未能掌握面向高性能制造的表面宏微觀(guān)幾何與物理狀態(tài)對構件服役影響影響規律，相關(guān)基礎數據嚴重缺乏、高性能加工表面狀態(tài)設計基礎研究不足。高端裝備研發(fā)依然是仿制國外同類(lèi)型設備為主，缺乏主動(dòng)設計手段，沒(méi)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(zhù)影響增材制造全局的重大技術(shù)進(jìn)步都來(lái)自于美歐國家，美國和德國還占據高端增材制造裝備商業(yè)化銷(xiāo)售市場(chǎng)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(lài)進(jìn)口；以系統級創(chuàng )新設計引領(lǐng)的規?；I(yè)應用還主要在美歐國家。

機器人減速器、高速列車(chē)主軸承、液氣密封等機械基礎件的性能及質(zhì)量與國外比較差距仍然較大，高端基礎零部件發(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(diǎn)，高端儀器設備依賴(lài)進(jìn)口的局面尚未改變，現有國內測量?jì)x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)不太適應國家重大工程的需求。制造業(yè)智能制造、大數據的獲取、分析和應用、數據化車(chē)間及智慧工廠(chǎng)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動(dòng)、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(jìn)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(shí)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，即與機構學(xué)、傳動(dòng)學(xué)、摩擦學(xué)、結構強度學(xué)、設計學(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、精準醫療、核聚變、新能源與新材料等科學(xué)前沿和未來(lái)的需求，都對機械制造科學(xué)提出了新的機遇和挑戰。

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(shí)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的智能制造，不斷快速更新的智能數字網(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?；谫Y源節約和環(huán)境友好的綠色可持續性制造產(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(diǎn)研究?jì)热莺?jiǎn)述如下：

精密及超精密加工領(lǐng)域：加強開(kāi)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)高效加工基礎理論，發(fā)現新規律、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。

非傳統加工領(lǐng)域：研發(fā)多物理場(chǎng)、多工藝復合的激光、超聲、電磁、射流、電子束等非傳統加工的高精可控機制、技術(shù)與裝備，實(shí)現新型難加工材料的微加工與復雜結構成形，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構規整平面直接壓印制造、真三維復雜仿生微納結構定域可控制造、復雜曲面、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(kāi)發(fā)新型綠色材料、節能生產(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(diǎn)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的關(guān)鍵技術(shù)演示驗證及應用，研發(fā)重大仿生生物機電產(chǎn)品。

表面功能結構制造領(lǐng)域：揭示表面功能結構有別于宏觀(guān)結構的特殊功能的實(shí)質(zhì)以及與宏觀(guān)結構作用機制的區別，提出新的表面功能結構制造理論和方法。

增材制造領(lǐng)域：通過(guò)增材制造裝備、材料、結構和工藝的重大創(chuàng )新或集成優(yōu)化，實(shí)現更高的尺寸精度、更低的表面粗糙度、更高和更穩定可靠的性能、更大的尺寸和更復雜精微的結構、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(shí)兼顧上述全部或部分優(yōu)勢。探索微納增材、三維微電子線(xiàn)路、智能結構4D打印等前沿技術(shù)。

基礎零部件制造領(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，加強基礎技術(shù)研究，推動(dòng)機械基礎件向長(cháng)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(lái)智能傳感器會(huì )逐步走向集成化、能量獲取自動(dòng)化、高端需求多樣化的趨勢。需要大量引進(jìn)日新月異的高新技術(shù)，如納米、MEMS、芯片、網(wǎng)絡(luò )、自動(dòng)化、仿生學(xué)等新技術(shù)。

智能制造及數字工廠(chǎng)：重點(diǎn)突破生產(chǎn)過(guò)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)智能化中的基礎理論與共性關(guān)鍵技術(shù)，建立智慧云制造平臺，加強數字化、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(huì )持續開(kāi)展的學(xué)術(shù)活動(dòng)，是機械工程學(xué)科各領(lǐng)域發(fā)展情況的總結和分析，力求客觀(guān)、科學(xué)地評價(jià)、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(mén)提供有益的啟迪。2021年中國機械工程學(xué)會(huì )將繼續開(kāi)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(lái)源：中國工程機械學(xué)會(huì )）

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