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張勤儉:讓中國精密與超聲加工技術走向大規模應用

關鍵詞 精密加工 , 機械|2019-06-27 11:23:47|來源 中國科技網
摘要 作為工業發展的利器,機械制造技術是工業發展的基礎,提高機械制造技術是實現國家工業化的前提,而精密與超聲加工技術是機械制造技術的重要方向。中國機械工程學會特種加工分會超聲加工技術委員...

       作為工業發展的利器,機械制造技術是工業發展的基礎,提高機械制造技術是實現國家工業化的前提,而精密與超聲加工技術是機械制造技術的重要方向。中國機械工程學會特種加工分會超聲加工技術委員會副主任張勤儉就是中國機械制造技術領域的杰出專家,多年來,他在中國精密與超聲加工技術領域取得了備受海內外行業關注的重要成績,是中國業界公認的首屈一指的精密與超聲加工的杰出科學家。科技日報記者近日專訪了張勤儉。

  張勤儉作為中國精密與超聲加工技術領域的杰出科學家,已出版中國精密與超聲加工技術領域專著三部:《超聲加工技術》、《電化學加工技術》、《特種加工手冊》,從而奠定了他在中國精密與超聲加工技術領域的杰出科學家的學術地位。他還耕耘不懈,多年來發表了國家級和國際級學術論文90余篇,在中國精密與超聲加工技術領域取得了首屈一指的科研成果,并且很多科研成果得到了實際應用和推廣。

  因為他的杰出學術成就,多家中國國家級專業期刊如《應用基礎與工程科學學報》《機械工程學報》《清華大學學報(自然科學版)》和《系統仿真學報》,都邀請他作為編委和審稿人,從而進一步奠定了張勤儉在中國精密與超聲加工技術領域的學術權威地位,也直接和間接促進了中國精密與超聲加工技術的開發和拓展。

  張勤儉能同時取得中國學術研究和生產實踐方面的突出成就,與其數十年來不斷進取的學術和科研實踐相結合的工作經歷是分不開的。

  1998年,張勤儉以優異的成績考取了山東大學的博士研究生,2001年獲得機械制造及其自動化專業的工學博士學位。在攻讀博士學位的三年時間里,張勤儉共發表學術論文21篇,其中第一作者17篇,SCI檢索論文2篇,發表在《無機材料學報》期刊上;EI檢索論文2篇,發表在《硅酸鹽學報》期刊上,值得行內學者矚目稱贊的是他作為青年科學家,他的博士論文部分研究成果已經達到國際先進水平。

  “一定要將科研落到實處”,這是張勤儉一直堅持的科研思路。2001年9月的一天,山東大學艾興院士找他談話,希望他能留在山東大學進行教學科研工作,而他婉言謝絕了,他希望能把科研和實踐結合,不僅進行理論研究,還要有機會到企業去鍛煉,了解企業和行業的真正需求,讓科研的理論研究落到實處。于是2001年10月張勤儉在山東大學取得博士學位后,進入北京市電加工研究所工作,工作中他特別重視理論和實踐的研究齊頭并進,積極在企業鍛煉學習。

  在北京市電加工研究所工作期間,張勤儉作為第二負責人承擔了國家自然科學基金項目“電火花放電爆炸力對材料蝕除機理的研究”和“大面積聚晶金剛石(PCD)高效放電光整加工基礎技術研究”,他在聚晶金剛石精密加工領域開展了許多突破性的研發工作。他出版了學術專著《超聲加工技術》《電化學加工技術》和《特種加工手冊》,并發表了多篇學術論文,多數論文發表在EI檢索期刊《金剛石與磨料磨具工程》《中國機械工程》《系統仿真學報》《應用基礎與工程科學學報》等雜志上。

  經過多年的學術研究和實踐開發努力,張勤儉在北京市電加工研究所建成了世界上唯一一條以電火花加工為核心的生產線,建成了全世界最大的聚晶金剛石加工基地。每年加工直徑58mm的聚晶金剛石復合片6萬片,占中國市場的50%以上,他做出了關鍵性貢獻。這些產品被廣泛應用于汽車、航空航天、石油、地質、機械、電纜等行業。到目前為止,該基地已經創造產值18億多元。張勤儉的貢獻功不可沒。

  張勤儉具有寬廣的國際化視野,他在2004年、2007年代表北京市電加工研究所,參加了分別在英國愛丁堡和美國匹茲堡舉辦的第14、15屆國際電加工學術會議,并宣讀了論文“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”。該會議是國際特種加工(含超聲加工)研究領域最權威的學術盛會,每三年舉行一次。

  張勤儉具有出類拔萃的研發創新精神,他作為研發團隊主要負責人,帶領研發團隊研發了具有自主知識產權的電火花加工綠色節能電源,節能70%以上,使得聚晶金剛石的材料去除率達到了8.8mm3/min,加工效率是GE公司加工效率的10倍,開創了聚晶金剛石世界上最高的加工效率,具有劃時代的意義。加工后成品的表面粗糙度、平面度、整體厚度尺寸精度均達到甚至超過美國通用電氣(GE)公司,達到了世界先進水平。

  張勤儉還首次采用計算機仿真技術對聚晶金剛石精密研磨的運動軌跡進行了動態模擬和速度分析,研磨效率是傳統研磨機的16倍,創造了聚晶金剛石精密加工領域新的里程碑。

  知行合一,張勤儉積極把自己學到的理論知識與聚晶金剛石加工技術相結合,他創造性地將人工神經網絡和灰色關聯分析理論應用于聚晶金剛石電火花磨削實驗研究之中,建立了聚晶金剛石復合片硬質合金層電解磨削的變形方程,加工誤差從以前的0.1mm降至0.02mm,加工效率提高1.5倍,對提高中國行業的整體水平發揮了重要的作用。

  針對聚晶金剛石復合片分類和檢測效率低、出錯率高的問題,張勤儉獨立開發了“聚晶金剛石復合片分類系統”“聚晶金剛石厚度檢測系統”軟件,使得聚晶金剛石檢驗效率提高15倍,實現了聚晶金剛石復合片分類和檢測的自動化,在質量控制中發揮了獨特而重要的作用;推導了聚晶金剛石平面度的數學方程,開發了“聚晶金剛石平面度檢測系統”,在國內外首次實現了聚晶金剛石平面度的定量精確測量,使得聚晶金剛石的質量評定上升到一個新的高度,為產品質量的高效評估和生產工序優化提供了重要依據。他開發的這三個軟件已經使用了16年,至今仍在生產過程中發揮著巨大作用,為北京市電加工研究所創造的經濟效益達8000萬元。

  張勤儉還主導了大孔徑拉拔模具的研發工作,提出了電火花慢走絲線切割和超聲加工的復合工藝,加工周期由原來的3周縮短為1周,加工精度從原來的0.2毫米提高到0.03~0.05毫米。在張勤儉的主導下,北京市電加工研究所因此成為國內唯一能解決大孔徑拉拔模具高效精密加工的單位,加工的該類模具占全國市場的80%以上。

  張勤儉主持了國家自然科學基金項目“金屬微絲拉拔模具精密線拋光機理研究”和北京市自然科學基金重點項目:“集成電路精密引線模具微細特種加工關鍵技術研究”。他通過理論聯系實際,研發了精密微細超聲加工機床,模具的尺寸公差小于0.5微米,表面粗糙度達到了Ra0.01微米,有效提高了拉絲模的制造水平和加工精度,達到了國際先進水平。該成果被中國最大的金剛石拉絲模生產企業北京迪蒙特佳工模具技術有限公司應用。目前,該公司采用張勤儉研發的精密微細超聲加工機床后,90%以上的微孔模具均采用該機床加工,這些模具被廣泛應用于醫療、高鐵、汽車、電力、造船、高速電梯、太陽能發電等領域。該機床加工的拉絲模精度提高2倍,產品合格率提高了5倍,2013年至2018年新增產值1.1億元,使該公司在中國的市場占有率由20%提高到30%。

  由于在學術領域和精密加工技術領域的杰出貢獻,他于2005年獲得了中國機械工業科學技術獎二等獎。中國機械工業科學技術獎是中國機械工業聯合會和中國機械工程學會共同設立、全國性的機械工業綜合性科技獎項,是中國機械工業科學技術的最高獎項。

  張勤儉自2011年5月至2019年3月在北京交通大學工作,并擔任數字化制造技術與裝備研究所所長,負責領導數字化制造技術與裝備研究所的科研團隊繼續從事精密加工技術領域的學術研究和科研實踐。在擔任數字化制造技術與裝備研究所所長的工作崗位上,他主持了江西省科技廳高校科技落地計劃項目“礦冶裝備關鍵部件稀土超磁致伸縮超聲強化技術研究與應用”,研發了稀土超磁致伸縮超聲強化裝置,并獲得了國家授權發明專利。該項目對礦冶裝備中的關鍵零部件齒輪的強化技術進行了深入研究,并發表了“齒輪齒面超聲擠壓強化有限元模擬”和“超磁致伸縮超聲強化系統改進及理論分析”等論文。張勤儉的科技成果已經被推廣到國內最大的諧波齒輪減速器生產商深圳市同川科技有限公司。該公司的所有的齒輪都經過張勤儉的齒輪超聲擠壓強化系統超聲強化處理,強化后齒輪表面粗糙度降低了45%,表面硬度提高了約30%,疲勞強度提高2-3倍,大幅提升了該公司諧波齒輪減速器壽命性能指標,技術已經達到國內外領先水平。該成果的應用為公司創造經濟效益5200萬元,使該公司在中國市場的占有率由10%提高到25%。

  針對高鐵領域的機械制造問題,張勤儉首次將超聲擠壓強化技術應用與高鐵領域。他在該領域進行了前沿的獨創性的研究,提出的超聲擠壓強化技術使得工件表面殘余壓應力是強化前的23.17倍,使高速列車車軸性能和安全性提高5倍以上,技術已達到國際領先水平。該技術對于高速列車車軸性能的提高具有劃時代的意義,已成為高速列車車軸不可替代的加工方式。該成果已經開始應用于中車長春軌道客車股份有限公司高速列車最新型30NiCrMoV12空心車軸的加工。中車長春軌道客車股份有限公司是國內行業中出口最早、出口數量最多的企業,代表著中國高鐵的最高水平。該技術進行推廣后,全部車軸都采用該技術進行強化處理,年直接經濟效益可達6720萬元。該技術能確保車軸在全壽命周期內的使用率,每年按60標準列輪對折算,年間接經濟效益達2.4億元。

  因為以上卓越的學術成就,他受邀參加了在日本東京舉辦的18th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining (ISEM XVIII),并發表了“Ultrasonic Surface Strengthening of Train Axle Material 30CrMoA”,展示了超聲加工技術應用于高鐵領域的杰出成就。他還在Micromachines雜志上發表了“The Design of Rare-Earth Giant Magnetostrictive Ultrasonic Transducer and Experimental Study on Its Application of Ultrasonic Surface Strengthening”,并被SCI收錄,該期刊是關于微型機械和微機械方面的技術和科學的權威雜志。2016年,張勤儉參加了全國超聲加工技術研討會,并獲得了“全國超聲加工技術研討會優秀論文獎”,其論文“超聲加工技術的應用現狀及其發展趨勢”被發表在EI檢索、中國機械工程領域最高學術期刊《機械工程學報》上。

  張勤儉作為杰出的超聲加工領域科學家,在中國科學技術協會取得了高度的認可和權威地位,他于2014年10月主持召開了中國科學家協會“微納制造技術研究與應用”青年科學家論壇,并得到了中國科學技術協會的資助。鑒于張勤儉在中國機械制造領域的杰出貢獻,經過推薦和專家委員會評選,2014年11月張勤儉當選為中國機械制造工藝協會理事。中國機械制造工藝協會是中國機械制造工藝學術領域的最高權威地位的學術團體,只有中國最頂尖的機械制造工藝學術專家才有資格才能當選為中國機械制造工藝協會成員。目前當選中國機械制造工藝協會理事的專家目前只有125人。

  張勤儉還與美國METechs公司合作,從2017年開始將該技術應用于智能家居中的減速器齒輪的強化,表面粗糙度降低50%,摩擦系數降低15%,表面硬度提高了20%-30%,使得減速器的噪音降低30%,極大提高了該公司產品的質量和競爭力。

  身為超聲加工領域的杰出學者和科學家,因為他的重要而杰出的貢獻,2016年張勤儉被中國機械工程領域最高學術組織中國機械工程學會評選為中國機械工程學會先進工作者。為了更好促進超聲加工技術的學術研究,他在中國工程學會特種加工分會的支持下,積極創建中國超聲加工專業學術組織和擔任領導職位。作為重要創辦人,2017年他參與創建了中國機械工程學會特種加工分會超聲加工技術委員會并擔任了超聲加工技術委員會副主任。中國機械工程學會特種加工分會超聲加工技術委員會是中國機械工程學會特種加工分會所屬的中國超聲加工最權威的學術組織,致力于集合中國超聲加工行業的權威專家學者進行學術研究和推廣,在他的主持和領導下,超聲加工技術委員會每兩年組織一次全國范圍內的學術研討會,并編著科研論文成果,對促進中國超聲加工技術的發展意義深遠。

  作為理論聯系實際的典型代表,張勤儉的科研之樹上早已結滿碩果累累,可他依舊不愿停下前進的步伐,不分日夜地潛心鉆研,廢寢忘食只為取得更多突破。他說:“超聲加工是制造業中的典型加工方式,有其他加工方式無法比擬的優勢,對制造業的繁榮至關重要。希望涌現更多不斷強化創新的科學家,致力于從事超聲加工技術方面的研究和開發,這將對國際制造業的繁榮和發展發揮重要的作用。”

  這位中國超聲加工領域的優秀科學家的杰出代表,用深厚的理論基礎結合寬廣的國際化視野,用豐富的實踐經驗和跨國實務,正讓超聲加工技術方面的研究和開發驅動迎接人類更加美好的未來。

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