2020年中国机械工程学会如何完成2018 - 2019机械工程学科发展报告（机械制造）

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2020年，中国机械工程学会及其生产工程分会承担了中国科协学科发展工程项目，以中国工程院院士、中国机械工程学会副理事长郭东明院士为首席科学家的专家撰写组，与11个专题小组近百位专家共同努力，充分收集资料，深入调查研究，进行严谨数据分析，多次组织研讨会讨论，广泛征求本学科领域内专家学者的意见，在此基础上形成了《2018 - 2019机械工程学科发展报告（机械制造）》（以下简称《报告》）。

机械制造科学有其基本任务，这个任务是为制造业提供新理论，提供新方法，提供新技术，这些新理论、新方法和新技术是机械制造过程及装备所需求的 。现代机械制造学科和制造技术，是具有很强领域带动效应的工程科学，它研究多领域多学科交叉的基础性问题，研究多领域多学科交叉的科学性问题，研究多领域多学科交叉的创新性等共性问题，同时，它可以通过解决企业生产应用中的关键科学技术问题，成为推动制造装备发展最有力、最直接的牵引力和原动力，成为推动制造工艺发展最有力、最直接的牵引力和原动力，成为推动相关产业发展最有力、最直接的牵引力和原动力。所以，机械制造学科与制造技术，乃是振兴并强大制造业的关键基础，于国家经济和社会发展里发挥着极为重要的作用。《报告》着重概括了近些年我国于机械制造科学研究以及在各异工业领域应用中收获的创新性与标志性研究成果，借助对国内外研究成果加以对比，对未来机械制造理论和应用技术的研究趋向作出了展望。

1、机械制造学科标志性研究进展

在精密与超精密加工领域，清华大学路新春等人建立了大尺寸表面纳米级平坦化的加工原理，建立了大尺寸表面纳米级平坦化的加工方法，发明了系列大尺寸超薄硅片纳米级无损伤抛光关键技术，研制开发出12英寸“干进干出”化学机械抛光（CMP）装备，研制开发出12英寸“干进干出”化学机械抛光（CMP）成套工艺，实现了IC制造大尺寸晶圆表面的纳米级平坦化，实现了IC制造大尺寸晶圆表面的纳米级缺陷控制。整体技术处于国际先进水准，已经在中芯国际等企业达成批量应用，破除了国外高端微电子超精密抛光装备长久垄断的状况。

在高效高质加工领域，大连理工大学贾振元等人建立了碳纤维复合材料新切削理论体系，发明了钻、铣削等九个系列新型复材切削刀具，发明了加工技术及工艺，与国外及传统刀具相比，加工损伤从毫米量级降低到了0.1mm以内，刀具寿命提高了2至7倍，加工效率提高了3至4倍，加工精度提高了50% 。成果已应用于航天一院复材构件的加工制造中，成果已应用于航天三院复材构件的加工制造中，成果已应用于中航工业复材构件的加工制造中，成果已应用于中国商飞复材构件的加工制造中。

在非传统加工领域，华中科技大学邵新宇等人提出了大型薄壁曲面激光焊接控形控性技术，发明了大型三维薄壁曲面焊缝形貌在线“测量—跟踪—补偿”技术与装置，通过这些技术与装置实现了汽车车身小变形、低应力、高质量激光焊接，该成果已在上海通用、江铃福特、江淮等企业得到应用。

在微纳制造领域，西安交通大学卢秉恒等人提出了一种电场斥力辅助的脱模新方法，建立了大面积嵌入式功能结构的电场辅助扫描填充技术，实现了金属、低维纳米墨水等功能材料对特定微纳米孔隙的电场辅助填充，还提出了异型微纳结构电致流变成形方法和宏观表面的6英寸晶圆级自动化纳米压印微区控制压印新方法，实现了表面翘曲起伏的晶圆级基材与柔性模板的均匀接触，推动纳米压印技术由二维向三维方向发展。

在绿色制造领域，中南大学郭学益等人创新开发了一项新技术，即废旧线路板低温连续热解新技术。该技术实现了废旧电路板中有机组元的深度碳化，还实现了金、银、铜、钯等有价金属的有效富集。同时，实现了物料中有机溴、氯的无害转变以及尾气的超低标准排放，有效消除了废旧电路板中的持久性有机污染物。此技术已在江西等9个省(自治区)推广应用，推动我国再制造产业进入世界先进水平行列。

在仿生制造领域，灵感源于昆虫蜕变时翅膀的折叠，仿生成为一种从小实体到大展开面的神奇变换机构。天津大学的陈焱等人创造性地用空间结构替代球面机构，建立了基于过约束空间机构网格的厚板折纸运动学模型，解决了厚板折纸的仿生制造难题。该研究成果已应用于大型空间可展结构、新型超材料与轻型复合材料、可变形机器人等工程领域。

在表面功能结构制造领域，华南理工大学汤勇等人进行了发明，他们创造出复杂表面热功能结构形貌特征设计与可控制造关键技术，达成了管外、管内表面热功能结构高效成形以及复杂形貌可控生成等目标，从根本上解决了管壳式换热器、空调及照明高能耗问题，还解决了高铁的核心绝缘栅双极型晶体管、卫星数据传输及相控阵天线高热流密度电子芯片热控问题，并且在我国相关行业的龙头企业实现了大量应用。

在增材制造领域，华中科技大学的史玉升提出了新思路，即基于激光选区烧结增材制造的复杂零件整体铸造新思路，还发明了整体铸造成套技术，该技术突破了高性能复杂零件的整体铸造难题，比如航空发动机机匣、航天发动机涡轮泵等的铸造难题。其成果应用于数百家单位，包括中国航发、西安航天发动机有限公司等国内外单位，取得了显著的经济和社会效益。

在基础零部件制造领域，中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司与北京工业大学的石照耀联合，提出了多项核心关键技术，包括基于记忆合金流量调节的温控技术、高精度齿轮拓扑修形技术和高效齿轮配对技术等。其开发的高铁列车用齿轮传动系统，温升降低了10度（摄氏）以上，噪声降低了11%，振动得到显著控制，功率重量比提升了10% 。

在传感、检测与仪器领域，重庆理工大学彭东林提出一种新方法，即寄生式时栅技术，该技术将被测齿轮与传感器融汇一体。此技术采用非接触、密封的离散测头线圈，直接把被测齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条、丝杠等当作均匀分度的“齿栅”，这些“齿栅”作为新检测方法的行波产生器件。再用时钟脉冲作为位移精密测量的基准，进而实现实时、在线、动态精密位移测量。

在智能制造以及数字工厂领域，华中科技大学的丁汉等人，针对“大型复杂曲面多机器人高效加工的主动顺应与协同控制”这一科学难题展开研究，在磨抛法兰和力位自律跟踪、高能效移动机器人机构设计、超大高光反射表面三维测量、多机协同运动规划和测量加工一体化协同控制等关键技术方面取得了突破，并且在中国中车等企业获得了推广应用。

2、国内外对比与发展趋势

近年来，在国家自然科学基金、国家973/863科技计划、国家重大重点专项等项目的扶持下，机械制造学科领域收获了一系列显著进展与创新成果，为我国制造业贡献了大批新理论、新技术以及新方法，在国内外产生了重大影响。我国机械制造科学从以往的跟踪、发展，转变为如今的并跑，部分领域已处于领跑地位。超精密加工领域已在国际学术界占有一席之地，高质高效加工领域已在国际学术界占有一席之地，特种加工领域已在国际学术界占有一席之地，绿色制造领域已在国际学术界占有一席之地，仿生制造领域已在国际学术界占有一席之地，增材制造领域已在国际学术界占有一席之地，功能表面结构制造等领域已在国际学术界占有一席之地，其研究水平总体上已步入国际先进行列。

同时，机械制造学科领域存在不少问题与差距，主要体现在，中国学者提出的机械制造领域的新概念不多，新理论不多，新方法不多，新技术也不多；有重要国际影响的机械制造理论较少，方法较少，技术也较少；在机械制造领域国际学术界有较大影响的中国学者较少。我国机械制造的理论、方法和技术对中国制造业的自主创新与自强发展的贡献不够显著 。

高端装备能体现机械制造技术的先进性，然而与发达国家相比，仍存在很大差距。我国高档数控机床、精密超精密加工机床、精密科学仪器、大型民用飞机、大型民用航空发动机、超大规模集成电路芯片及其制造装备、高档轿车及其关键生产设备的核心技术，仍未掌握在自己手中。

制造加工理论，已经有了重大突破，制造加工工艺，也有了重大突破，制造加工成套装备，同样有了重大突破，然而，仍然缺少原创性的深入研究，还缺少系统性的深入研究，并且，有些领域甚至还处于起步阶段 。我国在航空发动机关键构件制造精度上，已接近或达到国外产品水平，然而制造的关键构件服役寿命，却不及国外同类产品的50%，在关键构件制造技术方面，未能掌握面向高性能制造的表面宏微观几何与物理状态对构件服役的影响规律，相关基础数据严重缺乏，高性能加工表面状态设计基础研究不足。高端装备研发主要还是仿制国外同类型设备，缺乏主动设计手段，未形成“工艺牵引装备，装备支撑工艺”的良性循环。

增材制造基础研究涵盖了颇为完整的学科方向，然而与世界领先水平存在一定差距，近几年一些对增材制造全局有显著影响的重大技术进步皆源自美欧国家，美国和德国在高端增材制造装备商业化销售市场占据绝对优势，高端增材制造装备的核心元器件以及商用软件依赖进口，以系统级创新设计引领的规模化工业应用主要集中在美欧国家。

机器人减速器的性能及质量，与国外相比差距仍然较大，高速列车主轴承的性能及质量，与国外相比差距仍然较大，液气密封等机械基础件的性能及质量，与国外相比差距仍然较大，高端基础零部件发展受到制约，因为原材料落后，精密制造装备落后，检测试验技术落后，基础理论与技术前沿研究也落后，与发达国家存在较大差距 。检测测量技术存在自主创新较少的情况，测量精度不高，测量准确性也不高，测量效率较低，高端仪器设备依赖进口的局面没有改变，现有国内测量仪器的性能及可靠性指标与国外产品相比差距显著，测量理论、方法和技术不太能适应国家重大工程的需求，制造业智能制造、大数据的获取、分析和应用、数据化车间及智慧工厂等尚处于初级阶段 。

3、展望

机械制造学科发展呈现出总趋势，这个总趋势是由需求驱动的，是学科融合的结果，也是前沿牵引所致。我国正处于从制造大国迈向制造强国的征程中，各行业的装备制造，还有高性能产品的制造等，都急切需要机械制造科学提供创新且实用的理论，提供创新且实用的方法，提供创新且实用的技术。机械制造学科要与信息科学深入交叉融合，要与生命科学深入交叉融合，要与材料科学深入交叉融合，要与管理科学深入交叉融合，要与纳米科学深入交叉融合，以此发展和完善仿生及生物制造学、微纳制造学、制造管理学和制造信息学。同时，机械制造学科要与机械学融合，也就是要与机构学更深入地融合发展，要与传动学更深入地融合发展，要与摩擦学更深入地融合发展，要与结构强度学更深入地融合发展，要与设计学更深入地融合发展，要与仿生及生物等机械学更深入地融合发展。下一代量子计算机，对机械制造科学提出了新的机遇和挑战，生物计算机，对机械制造科学提出了新的机遇和挑战，深地深海深空探测，对机械制造科学提出了新的机遇和挑战，精准医疗，对机械制造科学提出了新的机遇和挑战，核聚变，对机械制造科学提出了新的机遇和挑战，新能源与新材料等科学前沿和未来的需求，对机械制造科学提出了新的机遇和挑战。

当前，制造已步入新时代，包括网络/信息/智能制造、极端制造、微纳制造与生物制造，智能制造是网络环境下具有信息感知、计算分析和决策反馈控制等智能的高端重要装备和系统的制造，不断快速更新的智能数字网络多功能集成产品制造，极端制造是制造尺度特大或特小尺度或极端环境极高功能的器件和功能系统的制造，高知识含量的信息机电产品、仿生机械产品和微纳尺度器件及其产品的制造，将成为制造业发展的重要方向。绿色可持续性制造产品的绿色度，是基于资源节约和环境友好的，这种绿色度将上升为制造竞争力的首要因素。

各领域重点研究内容简述如下。

精密及超精密加工领域：加强开展超精密加工装备的高品质制造研究，加强开展其高精度关键部件的高品质制造研究，加强开展超精密加工装备模块化生产研究，加强开展典型材料及复杂零件超精密加工工艺研究，加强开展超精密加工装备制造标准研究。

在高质高效加工领域，要应用多学科理论和技术手段，不断完善高质高效加工基础理论，发现新规律，提出新方法，建立更准确有效的模型，以此支撑高质高效加工装备、工具和工艺技术的创新发展，这些装备、工具和工艺技术具有高质量、高精度、高效率、智能化、绿色化、复合化、高集成化等特征。

非传统加工领域要研发激光、超声、电磁、射流、电子束等非传统加工的高精可控机制、技术与装备，这些加工涉及多物理场、多工艺复合，要实现新型难加工材料的微加工与复杂结构成形，还要研究3D打印的新方法等新技术与装备。

微纳制造领域：研究功能化大面积纳米结构规整平面的直接压印制造，研究真三维复杂仿生微纳结构的定域可控制造，研究复杂曲面，研究三维多喷头，研究多材料电喷印打印制造，以及研究轻薄化、共形性、表贴式的多功能柔性电子皮肤。

在绿色制造领域，要研发绿色制造的方法工具平台，发展再制造产品损伤检测技术，开发新型绿色材料、节能生产装备、绿色加工工艺，研发智能再制造拆解及高效清洗工艺，还要在典型行业和关键零部件推广绿色制造和再制造技术。

仿生制造领域，重点研究仿生生物制造的新技术体系，研究高端3D、4D机械仿生生物制造，加强对成熟度高的仿生生物制造系统的关键技术进行演示验证及应用，研发重大仿生生物机电产品。

在表面功能结构制造领域，要揭示表面功能结构有别于宏观结构的特殊功能的实质，还要明确其与宏观结构作用机制的区别，进而提出新的表面功能结构制造理论和方法。

在增材制造领域，要实现更高的尺寸精度，更低的表面粗糙度，更高且更稳定可靠的性能，更大的尺寸以及更复杂精微的结构，更高的制造效率和更低的成本，适用更广泛的材料等，需通过增材制造装备、材料、结构和工艺的重大创新或集成优化，并且尽可能追求同时兼顾上述全部或部分优势 。探索微纳增材、三维微电子线路、智能结构4D打印等前沿技术。

基础零部件制造领域，围绕重大装备和高端装备发展的配套需求，以产品突破作为主攻方向，密切产需合作，加强基础技术研究，推动机械基础件朝着长寿命方向发展，朝着高可靠性方向发展，朝着轻量化方向发展，朝着减免维修方向发展。

传感、检测与仪器领域，科学仪器已大大超越“光机电一体化”的范围，未来智能传感器会逐渐朝着集成化的趋势发展，会朝着能量获取自动化的趋势发展，会朝着高端需求多样化的趋势发展。需要大量引入日新月异的高新技术，比如纳米新技术，比如MEMS新技术，比如芯片新技术，比如网络新技术，比如自动化新技术，比如仿生学新技术。

重点突破生产过程智能化的基础理论与共性关键技术，突破制造装备智能化的基础理论与共性关键技术，突破新业态新模式智能化的基础理论与共性关键技术，突破管理智能化的基础理论与共性关键技术，突破服务智能化的基础理论与共性关键技术，建立智慧云制造平台，加强数字化、网络化、智能化的深度融合。

机械工程学科发展研究是中国机械工程学会持续开展的学术活动，它是对机械工程学科各领域发展情况的总结，也是对其的分析，通过总结和分析力求客观、科学地进行评价、对比，进而提出其趋势和发展策略，该研究努力为从事本领域教学、科研、生产的科技人员提供有益的启迪，同时也为国家相关的科研管理和决策部门提供有益的启迪。2021年，中国机械工程学会会继续开展研究，该研究针对机械工程学科“成形制造”领域的发展，敬请期待我们的成果！