廣東省高端裝備制造及精密制造的摩擦學研究進展*

黃 興，譚桂斌,2※

（1.廣州機械科學研究院有限公司，國家橡塑密封工程技術研究中心/廣東省工業摩擦學企業重點實驗室，廣州 510535；2.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

廣東省機械工程學會摩擦學分會創建于1980年，今年恰逢創立40 周年。針對高端機床、能源電力、石油化工、海洋、交通等高技術工業和國防裝備需求，工業界將摩擦學知識和先進技術用于提高機電設備的效率、減少事故發生、延長使用壽命、提高機器系統和裝備的可靠性等。過去30 余年，由于強烈的社會需求及高科技迅猛發展的原因，中國從2010 年開始制造業規模躍居世界第一，裝備制造業顯著地帶動了中國摩擦學不斷進步。從國際角度看，中國摩擦學的發展與我國的GDP 速度相似，逐步從高速度增長跨越到高質量發展，在國際摩擦學研究領域的權重正在快速增加。在此，本文聚焦幾個重要發展方向，如高端機床摩擦學、基礎部件摩擦學、智能摩擦學、精密電子制造摩擦學、納米摩擦發電、綠色摩擦與潤滑等方面進行回顧，介紹了廣東省在相關領域主要研究進展，并對未來進行了展望。

1 高端數控機床

1.1 精密機床摩擦學的研究

1959 年，組建廣州機床研究所（廣州機械科學研究院的前身，簡稱廣研院），進行熱帶高溫、高濕氣候的出口援外機床結構與核心零部件潤滑密封防護的研究[1-3]。20世紀60年代起，廣研院、北京機床研究所、大連組合機床研究所等，是當時國家機械部直屬一類的機床綜合研究所。

1959 年，陳克棟先生從上海機床廠調入當時第一機械工業部廣州機床研究所，1961 年起創建和領導精密機床的靜壓軸承研究室，提出了滑閥節流及薄膜節流式靜壓支承技術，主持國家攻關項目——大型靜壓軸承測試基地，是中國最早的大型靜壓軸承壽命實驗室（圖1）；1963年，陳克棟等組織廣研院、上海機床廠、無錫機床廠、機械科學研究院等單位在無錫市舉行第一次機床靜壓軸承技術會議。從1970 年起，陳克棟、鐘洪團隊等對靜壓軸承的過渡過程、動剛度、油膜厚度、油膜壓力等進行了系統的研究，應用電子計算機輔助進行了精密機床、精密機械等靜壓軸承及動靜壓軸承的設計計算，成果在精密機床（如高精度車床、精密磨床、重型機床等）、地震試驗臺、水輪發電機、軋鋼機、航天設備動特性試驗臺等得到應用，1972 年出版《流體靜壓軸承設計計算》，1978 年在機械工業出版社出版的《液體靜壓技術原理及應用》，列入“機械工業技術革新技術改造選編”，2007 年出版了行業工具書籍《液體靜壓動靜壓軸承設計使用手冊》。2009年在我國摩擦學分會成立30周年時，陳克棟先生入選“摩擦學杰出貢獻獎”（廣東省唯一當選）。

圖1 廣研院研制的機床靜壓軸承壽命試驗臺

1977 年9 月，中國機械工程學會秘書長、原機械工業部總工程師陶亨咸院士、許紹高副秘書長等安排，中國摩擦學界歷史上第一次到聯邦德國考察交流，8人代表團的團長是廣東省第一機械廳廳長孫毅（曾任武漢重型機床廠總工程師兼第一副廠長等），副團長是廣研院汪德濤，6 名隊員分別是西安交大謝友柏，廣研院林亨耀，北京機床所張世瑩、張永祥，武漢材保所趙源，長春汽車所張錚。1979 年3 月18 日—25 日，第二次全國摩擦磨損潤滑學會議在廣州舉行，期間，中國機械工程學會摩擦學分會第一屆理事會選舉成立，孫毅為第一屆理事長，陳克棟為第一屆理事會副秘書長。1979年5月8 日—21 日，應中國機械工程學會的邀請，英國機械工程學會副主席、國際摩擦學理事會主席H.Jost 博士率領了英國摩擦學6人代表團到中國交流，第一站在廣州市考察了廣研院靜壓軸承實驗室，中國機械工程學會陶亨咸院士、副秘書長許紹高等專程在廣州陪同考察；此后，H.Jost 博士等6 人還到機械部武漢材保所、石油部北京石科院等開展30 多場交流會[4-6]。1980 年9 月，廣東省機械工程學會摩擦學分會在肇慶成立，陳克棟被聘任為第一屆理事長，孫毅為名譽理事長，汪德濤、戴雄杰、廣廷洪為第一屆副理事長。這是我國省市級的第一個摩擦學學術團體。

1.2 潤滑防護的研究

20世紀60年代，我國最早的潤滑可靠性與高濕熱環境試驗基地在廣研院建立。1963年起，“全國精密機床會戰”規劃中的精密重型機床的潤滑與密封研究由廣研院主持完成；在1964年開發了我國最早“導軌粘/滑特性試驗臺和光柵式爬行測試儀”，研制了我國第一批“吉山牌”四球磨損試驗機等（圖2），成果整體轉讓到廈門試驗機廠；1971年，廣研院編著我國首部《精密機床的潤滑》。1976年創立《潤滑與密封》科技期刊[1-3]。汪德濤與林亨耀等編著、出版了多部工具書籍，促進機械潤滑技術等推廣和應用[7-9]。為解決精密機床、精密機械、電子設備等“漏油、漏水、漏氣”等工程難題，機械部先后在廣東成立“機械工業橡膠密封產品質量監督檢測中心”（1986年）、“機械工業機床液壓元件產品質量監督檢測中心”（1989年）、“機械工業油品檢驗評定中心”（1997年），負責行業內百余個廠家的液壓及密封件質量抽查、工藝檢查、技術指導等工作。1992 年成立“機械工業橡膠塑料密封標準化技術委員會”。

圖2 廣研院研制國內第一批四球磨損試驗機

伴隨精密模具與精密加工產業轉移到廣東，深圳大學李積彬團隊與伍曉宇團隊等[10-13]在擠壓成形工藝潤滑、模具微細加工等方面的研究成果在廣東數十家企業中獲得應用；湯皎寧團隊等[14-15]依托于深圳市特種功能材料重點實驗室，提出耐磨防腐的功能鍍層技術等。汕頭大學程西云團隊等[16-17]，開展了功能梯度涂層的防腐及摩擦學研究。廣東省新材料研究所林松盛等[18-20]，開發了模具制造等的真空鍍膜與真空噴涂技術。哈爾濱工業大學（深圳）杜建軍團隊等[21-23]的氣體潤滑軸承技術在航天、石化、機床等企業中獲得應用。

1.3 綠色潤滑技術與超低摩擦的研究

國家“六五”、“七五”期間，為趕超發達國家高性能切削、磨削液等技術，廣研院開展了適于中國國情的工藝潤滑研究，開發出多品種的切削液、磨削液、攻絲液、鉆削液、插齒液、精磨液等；支撐了我國精密機械、精密機床等產業發展，在我國第一次提出“切削液使用規范”，主導制定的國家標準包括：GB/T 6144-1985 《合成切削液》，GB/T 32812-2016《金屬加工業有毒有害物質的限量要求》等；機械行業標準有JB/T 7453-1994 《微乳化切削液》，JB/T 4323.2-1999《水基金屬清洗劑及其試驗方法》等。戴恩期等[24-26]開展了環境友好潤滑技術等研究，研發了系列清潔切削潤滑產品。近幾年，深圳清華大學研究院潘國順團隊等[27-28]提出綠色精密加工新技術、新方法，組建“廣東省光機電一體化重點實驗室”，開展納米摩擦學、納米潤滑及拋光材料等研究；2019 年，清華大學張晨輝教授以超滑新體系的發現和液體超滑機理探索等創新性成果，獲得了騰訊基金會等授予的首屆“科學探索獎”，5年獎金300萬元。清華大學鄭泉水團隊2008年在世界上首次實驗實現了微米尺度結構超滑，2013 年負責的《納米界面超潤滑檢測技術與機理研究》獲國家973項目資助，《介觀尺度結構超滑力學模型與方法》獲得2018年國家自然科學基金重大項目資助；在2018 年9 月，深圳清華大學研究院超滑技術研究所創建，由清華大學與深圳市共同投資組建，清華大學鄭泉水院士與馬明團隊等負責籌建，這是全球第2個聚焦超滑技術的研究所，同年4月美國阿貢國家實驗室成立了全球第1個“超滑研究中心”。2019年10月，鄭泉水團隊等組織的第二屆超滑國際研討會在深圳市坪山區舉行，是超滑領域的國際研討會首次在廣東省舉行，探索超滑技術在新一代信息電子、高端數控機床、航天探測、信息存儲等領域更多的應用[29-31]。

2 重大關鍵基礎零部件

2.1 高端裝備大型密封系統研究

高端裝備視為工業的“心臟”，重大核心密封件被譽為“心臟瓣膜”，屬于世界前沿的高精尖技術，在國民經濟建設、國家安全和尖端科學技術發展中占據著非常重要的戰略地位。密封作為高端精密設備“心臟瓣膜”，如果“瓣膜”漏了、壞了，出現大型設備惡性事故，可能導致整機設備癱瘓。

1975 年機械工業部批準廣州機床研究所密封潤滑研究室開展基礎部件摩擦學等研究，1976 年起研制O 型圈轉鼓式冷凍修邊技術及裝備，1981 年實現丁腈橡膠密封圈注壓工藝技術。1984年，廣研院黃興、董武團隊等[32-33]提出了流體動力油封的有限元分析與壽命預測方法，開發了多種回流油封新產品、新工藝，在數百家大型柴油機發電廠及電力裝備等應用。2006 年起，機械工業橡塑密封重點實驗室、國家橡塑密封工程技術研究中心等重點平臺先后在廣州落戶，廣研院負責了“十一五”、“十二五”、“十三五”期間國家科技支撐計劃、國家04專項、國家重點研發計劃等項目，與清華大學等“產學研”長期合作，實現了大型及特大型密封的數字化仿真設計、減摩降損材料、動態密封壽命評定、整體成型裝備等共性技術突破，全面攻克了材料延壽、正向設計、壽命預測、成型加工等工程科技難題[34-39]，制修訂的國家/行業標準近30項，配套我國大型數控沖壓機床、高端油膜軸承、巨型水電機組、大型風電機組、全斷面盾構機等高端密封件，成功打破了國外技術壟斷。如圖3所示，廣研院在國際上首次實現了直徑13.3 m多唇異形密封件、直徑3.8 m模壓橡膠密封件整體式一次成形制造，成果在8萬噸/4萬噸模鍛壓機、三峽水電站、葛洲壩電站、向家壩電站、10 MW 風電設備、大型冶金裝備及國防裝備等“大國重器”中安全可靠運行。

圖3 廣研院為三峽水電站提供的直徑13.3 m整體式密封圈以及風電設備的直徑3.8 m模壓密封圈

2.2 基礎件摩擦學理論研究

譚桂斌[40-42]研發了密封安全完整性的設計控制技術，開發了潤滑密封耦合摩擦學系統的診斷評價、檢測監測等關鍵技術，提出了嚴苛環境和受限工況下自潤滑仿生密封模擬試驗及其安全服役檢驗檢測技術體系。黃樂[43-44]針對大型民機的作動器、特種車輛油缸等復雜工況，基于多尺度多場耦合的密封性能混合潤滑仿真模型，開發了橡塑動密封數字化設計軟件平臺。李國一[45-46]提出了高溫、高速、高壓密封工況用長壽命、高可靠橡塑材料的設計制備技術。

自20世紀80年代起，華南理工大學戴雄杰、王濤、朱文堅教授等[47-50]研究車輛制動材料與技術，1984年首部著作《摩擦學基礎》出版，1992 年《摩擦制動器原理、結構與設計》出版；此外，陳揚枝團隊等[51-52]開展齒輪摩擦磨損的研究，首部著作《線齒輪》出版；屈盛官團隊、李小強團隊[53-54]開展了粉末冶金特種合金的磨損劣化規律及關鍵零部件成形特性等研究。黃平團隊[55-56]在機械設計理論與摩擦學等方向培養博士、碩士近60名，出版了教材與著作十余部，創建了國家級機械設計教學平臺、國家級實驗教學示范中心、國家級虛擬仿真實驗教學中心等，獲得國家級教學成果獎、國家級精品課程、國家級教學團隊、國家級教學名師、國家級規劃教材等榮譽稱號，為國家和行業培養了優秀的人才隊伍。

3 高端電子制造

在2018 與2019 年，中國進口芯片分別約合3 120 億美元及3 040億美元，占全球集成電路市場約60%。廣東省是我國電子制造業最發達地區，是精密電子制造大省，作為戰略性產業，迫切需要通過多學科、跨領域、跨地域技術合作等，解決“卡脖子”痛點難題。

3.1 納米級表面拋光研究

在20世紀90年代，全球電子制造產業逐步轉移、集聚到我國珠三角等地區。例如，全球最大的計算機磁盤、磁頭制造商SAE 集團，在東莞市投資多條生產線。清華大學雒建斌、溫詩鑄團隊[57-61]從1999 年前后，將納米摩擦學引入到計算機磁盤潤滑和表面超精密加工領域，開展納米金剛石顆粒在潤滑過程的微拋光基礎研究。此后，摩擦學國家重點實驗室在深圳設立了微納工程研究室，“北京本部”進行前瞻性、理論性和嘗試性的基礎研究，而“深圳分部”進行快速反應的應用實踐研究，真正將實驗室研究和企業現場實驗緊密結合[62-64]；2003 年起，雒建斌團隊負責了兩項“國家973 項目”——《高性能電子產品設計制造精微化、數字化新原理和新方法（資助號：2003CB716200）》，《超大規模集成電路制造裝備基礎問題研究（資助號：2009CB724200）》，負責了國家基金委“創新群體項目”《微納制造中的表面/界面行為與控制技術》，已連續3次滾動支持；深圳清華大學研究院負責了“973 項目”——《高性能LED 制造與裝備中的關鍵基礎問題（資助號：2011CB013100G）》，潘國順、溫詩鑄等[65]完成了子課題。從2000 年左右起，雒建斌、路新春、潘國順、溫詩鑄等[66-68]與珠三角地區等的電子制造企業緊密合作，成功將摩擦學引入到計算機磁盤磁頭及磁盤基片的表面拋光等的精密加工過程，在表面亞納米級拋光等技術打破了國外壟斷；近10年來，拓展到磁盤化學機械拋光、晶圓化學機械平坦化研究、LED 基片拋光研究、芯片制造CMP 裝備等眾多領域，為芯片制造行業解決“卡脖子”問題等提供了關鍵裝備技術支撐。另外，雒建斌、路新春團隊等主持的成果《計算機硬盤磁頭、磁盤表面拋光與改性研究》獲2005年教育部科技進步一等獎，《超精表面拋光、改性和測試技術及其應用研究》獲2008年國家科技進步二等獎；《芯片制造拋光裝備與成套工藝》獲2019 年中國機械工業科學技術獎（技術發明）特等獎；《摩擦過程的微粒行為和作用機制》獲2018年國家自然科學二等獎等重要獎勵。2020年8月，雒建斌院士以《摩擦中微粒作用機制及超滑機理》獲2020年度陳嘉庚科學獎（技術科學獎）。

3.2 高端印刷電路板的精細鉆削研究

高端印制電路板被譽為電子工業基石，我國印制電路板產值約占全球53%。針對高端電路板鉆削刀具易磨損、易彎曲、易斷裂和微孔群質量差等行業痛點難題，廣東工業大學王成勇團隊[69-71]實現了低溫冷卻微量潤滑與鉆削溫度測試工藝技術，揭示微細孔加工刀具磨損/斷裂失效機理，提出了微細刀具氮化物納米潤滑涂層制備技術，與重點企業合作突破了微細刀具材料、大長徑比刀具設計制造以及微孔群加工工藝等技術。組建了廣東省印制電子電路制造工程技術研究中心、廣東省印制電子電路產業技術創新聯盟等平臺。王成勇團隊等主持的成果《高端印制電路板高效高可靠性微細加工技術與應用》獲2019年國家科技進步二等獎；《難加工硬脆性碳素零部件的高速精密加工關鍵技術及應用》獲2014年廣東省科技進步一等獎，《硬脆材料切削、磨削與拋光加工方面的研究》獲2009年廣東省自然科學二等獎等重要榮譽。

3.3 微納表界面與摩擦學的研究

2013 年起，刁東風、范雪團隊等[72-73]組建了深圳大學納米表面科學與工程研究所，圍繞納米表面設計——制造——檢測——傳感——應用開展多學科交叉融合，開展電子/離子輻照下納米結構化表面設計制造與傳感及其超低摩擦電子學等研究，應用到新一代信息技術與智能制造裝備等；2020 年，刁東風教授當選日本工程院外籍院士。近10年，華南理工大學蘇峰華團隊等[74-75]，開展機械表面功能薄膜材料及納米摩擦學研究，為新能源汽車、航空、航天等關鍵構件耐磨防護等；廣州大學賴添茂等[76]研究了微納米尺度粘著摩擦的新規律，進行微機械系統、微傳感器等摩擦學設計。廣東工業大學王啟民團隊等[77]進行納米復合薄膜材料研究，開展高溫硬質耐磨涂層、超硬材料刀具等研究應用。廣州大學劉曉初團隊等[78]進行軸承表面強化研磨理論與技術研究。此外，在納米潤滑技術、仿生潤滑技術、薄膜潤滑技術、綠色潤滑及機器人潤滑技術等的研究方向，廣研院組織編寫了工具書籍《潤滑技術手冊》[79]。

4 智能技術

摩擦及其引發的磨損是最普遍又最具挑戰性的物理現象之一，且與能源和精密制造等緊密相關。面向在役機械裝備摩擦、潤滑、磨損、振動等海量的、瞬態的異構數據，它們是未來企業生產數字化、網絡化、智能化變革的數字資產，合理運用工業互聯網、人工智能等先進技術，可提升企業及產業綜合競爭力。智能摩擦學科學與技術，是在經典摩擦學與先進數字技術等深度融合發展，是人工智能的落地場景之一。

4.1 摩擦潤滑安全監測及預警的研究

1980 年起廣研院在國內率先采用光譜、鐵譜與理化分析相結合的手段，對大型柴油機發電廠進行全面的摩擦學監測診斷，為電力、鋼鐵、機床、礦山企業等提供了潤滑磨損安全預警與失效預報等服務[80-83]。廣研院在1989 年牽頭與籌建“廣東省柴油機發電專業委員會”，1999 年成立“機械工業橡塑密封工程研究中心”，2006年成立“廣東省機械裝備公共實驗室”，2011 年組建“廣東省工業摩擦學重點實驗室”，2012年創建“中國企業潤滑管理高峰論壇”，2013年獲批“廣東省工業潤滑材料與設備狀態監測工程技術研究中心”，2017年獲批“工業摩擦潤滑技術國家地方聯合工程研究中心”等，通過共性技術平臺及人才隊伍等建設運行，服務于國內外的大型企業、科研機構、高等院校等，支撐了制造業的高質量發展。賀石中等[84-85]開展了潤滑磨損的診斷判據研究，實現潤滑可靠性技術應用。近10 年來，賀石中團隊等[86-91]開展遠程在線油液監測與離線油液監測信息融合的潤滑安全智能預警體系研究，自主研發的智能潤滑監測系統在企業設備安全運維的推廣應用。2019年12月，賀石中等研發的“重大裝備潤滑安全遠程監控與智能運維系統”入選了2020年廣東省智能制造試點示范項目，獲得了“2019 年首屆中國工業互聯網大賽”二等獎等，融合運用了工業人工智能、大數據、工業互聯網等先進數字技術，促進了工業企業數字化智能化轉型升級。

4.2 精密構件制造的磨損狀態監控研究

目前，廣東是全球智能手機、消費電子等精密構件及超精密復雜組件的生產制造基地，需要不斷滿足工業應用的高效切削刀具等。富士康1988年在廣東深圳投資了第一個生產基地，逐步建立了30余個科技工業園區。近幾年，富士康工業互聯網股份有限公司等投入了數十億元研發資金，在切削刀具設計方面實現了經驗數字化、出圖自動化、個性定制化等，利用多元異構數據采集實現了精密刀具自動化智能設計、智能生產，依托于富士康工業云（Fii Cloud）等平臺，幫助用戶企業監測刀具磨損狀況和健康狀況等，在企業應用中的精密刀具成本降低16%；此外，該團隊“一站式”精密刀具磨削APP，獲得了“2019 年中國工業互聯網大賽”一等獎，入選了國家工信部“2019 年工業互聯網APP 優秀解決方案”等，牽頭和籌建“廣東省智能化精密工具創新中心”等，積極推動行業的數字化、智能化轉型升級。

5 結論與建議

摩擦學在解決國家重大工程和裝備關鍵問題中發揮了重要作用。從我國摩擦學研究角度看，北方以基礎學科為主，南方科技應用及成果實施轉化較強。從產業集聚角度看，需要相關政府部門、高等院校、行業服務機構、大型工業企業、金融投資機構等緊密聯系，匯聚國內外的創新要素，開展粵港澳大灣區科技與創新合作，重點推動摩擦學科技成果等的工程應用。具體而言，相關建議包括：

（1）利用廣東省在新一代信息技術、高端裝備制造及精密制造、綠色石化、數字經濟、汽車制造等先進制造業產業集群的優勢，積極采用新一代人工智能、大數據、云計算、5G、區塊鏈等先進數字技術，促進裝備制造業的摩擦學技術融合及應用等。例如，建設工業互聯網、大數據中心等數字化共享平臺，為大型企業的摩擦學知識普及、工程應用與人才培養等，提供科學、可靠、高效的技術服務。

（2）在高端醫療器械、手術機器人、生物醫用材料制品及植入器械等，仍然有大量的表界面及摩擦學科學和技術難題；廣東省在健康服務業規模接近1萬億元，例如，在康復輔助器具、新型智能康復系統與設備及關鍵制藥裝備、健康穿戴裝備等產業，有關的機械表界面與摩擦學技術問題也亟待攻克。

（3）摩擦學技術有助于節能降耗減排、保護生態環境等，這適合于我國生態文明建設的戰略需求。圍繞海洋摩擦學與海洋能源、綠色摩擦學與綠色潤滑產業等，建議在國際科技合作方面，進一步加強國內外的創新資源與人才集聚，促進綠色制造行業高質量發展，也幫助建設綠色“一帶一路”與能源合作。

致謝：對中國機械工程學會摩擦學分會、廣東省機械工程學會摩擦學分會等的歷屆理事會、領導與同仁們，對國內外摩擦學家的長期合作、關心、幫助等致以崇高的謝意。