清華大學工科實踐教育的回憶

清華大學傅水根教授訪談錄

訪問整理

訪談整理者按：工程訓練是高校工科教育的重要部分，工程訓練的核心是實踐。20 世紀80—90年代，中國的工科實踐由傳統的金工實習開始轉向大工程背景下的工程訓練，全國范圍內工程訓練中心迎來較大發展。1996年，成立，該機構整合了清華大學的金屬工藝學教研室、電子工藝教研組，以及機械廠與科教儀器廠的實踐教學部分，成為機械制造與電子工藝綜合、面向全校的綜合性實踐教學基地。在本次訪談中，傅水根教授①講述了他在20世紀80年代末開始的工科科研與實踐經歷，聚焦于自主研發的兩臺先進機床：1990年問世的數控旋轉電火花加工機床不僅為加工超硬刀具創造了條件，還制造出了世界上第一根小直徑（ （1.2mm） 的聚晶金剛石鉆頭；控旋轉超聲波加工機床在1997年立項研發，2002年完成，并一直改進至2012年，使我國的旋轉超聲波機床研發取得極大進步。結合目前高校工科教育和科研中存在的問題，傅水根教授認為設計必須與工藝結合，科研需結合自身優勢，同時科研成果要反哺本科教學。

中圖分類號 N092文獻標識碼 A

受訪人：傅水根

訪談人：劉年凱、侯森浩

訪談整理者：劉年凱、侯森浩

訪談時間：2018年6月22日

訪談地點：清華大學蒙民偉科技大樓南樓212

一 英國訪學、申請基金，以及機床研發

劉年凱（以下簡稱\"劉”）：傅老師好，您在改革開放后去英國訪問，然后回來申請到了國家自然科學基金，請您先講講這段經歷？

傅水根（以下簡稱“傅\"）：我1984 年10月份去英國伯明翰大學，導師大衛·阿斯平沃爾（DavidK．Aspinwall）先生有一個項目，他研制了一臺樣機，并研究了相關的工作原理。我在英國導師的指導下，成功研制出更先進的MARK-Ⅱ。我1986年10月回國，把這個成果帶回來了。我本來想在1988年申請國家自然科學基金項目，正好有一個同學雷源忠在基金委工作，他說你在英國完成的這個題目很好，為什么不馬上申請國家自然科學基金呢？那是1987年，我就到校科技處拿了申請表，填了之后就把那個基金申請下來了①，這比我想的要早一年。

我想，如果晚一年肯定也是能申請到的，畢竟這是國際上比較領先的技術。回國后我的研究遇到了難題，那就是國外的科研條件比較好，于是我就想調查一下國內的條件夠不夠，其中最重要是一個電源，這個電源我們自己是不會去研究的一—因為你不能什么都研究，精力不夠，時間也不夠。當時在英國用的電源是我導師的一個好朋友、埃及的一位博士研制的，在國際上也是領先的。但是國內沒有這種電源，我們也不可能出國去買，那時還沒有那個經濟實力。

我的運氣比較好，北京電加工研究所的所長曹鳳國成功研制了這個特種電源。這種電源就能加工人造聚晶金剛石。我當時買了，總共2.5萬元，也不算太貴——但要注意的是，這已經是我當時拿到的自然科學基金經費4.5萬元的一半還多了。我在英國的科研經費是美國通用電氣公司特種材料部提供的美元，這個確實是比不了的。研究條件艱苦、經費不夠怎么辦？于是我就去國家科委，希望能增加些經費。當時國家科委的一個處長接待我，他說：“傅老師，您在英國完成的科研成果我知道。對不起??！今年很特別，經費全部分配光了。你能不能回清華找科技處，問問他們能不能給一些?！钡@是不可能的，清華的項目都是對人的，給出去的錢就不可能再給我了。我當時把這個情況一說，他也很理解。這位處長很負責任，就帶我去財務處長那里。到了之后，處長說今年是真的沒錢了。這種情況對我來說就很艱難了，因為整個系統，除了設計我們可以自己做外，還要買直流電機、滾珠絲杠，以及制作木模和購買其他材料，還需要付一筆不小的加工費用。

之后繼續想辦法，有一個江西機床研究所，他們聽說我們有能力能研制這個高檔裝備，就答應出10萬塊錢，分兩期給，將來成果共享，但最后擔心我們實現不了，只付了5萬元。清華大學生產處的處長白洪烈同志很支持我這個項目，借給我3萬塊錢，同時又主動幫助我們在教育部申請到一個1萬元的數控旋轉電火花設備的研究項目。這4萬元，對當時我們課題組來說，真是雪中送炭！這樣，我們把資金湊到了13.5萬元。

劉：那請您介紹一下最終研制出來的數控旋轉電火花加工機床①？

傅：數控旋轉電加工機床，從我在國外投身于該項目，一直到最后完成，足足花了6年寶貴的時間。最終我和課題組的同事，充分發揮出團隊實踐能力強的特點。我們親自動手，開動車床、銑床、刨床，大部分零件靠自己加工完成。只有少量精度要求特別高、或者尺寸很大、我們自己沒有相關加工設備的零件，依靠外協完成。整個裝配與調試，也是依靠團隊自己的力量。在項目完成過程中，每個成員都鉚足了勁，特別是石伯平教授發揮了重要作用，不少關鍵零件就是靠他靈巧的雙手完成的。我自己除了主持設計外，同樣加工了不少零件。就這樣，我們按期把這臺設備研制出來，并于1990年通過了國家自然科學基金委組織的技術鑒定，《科技日報》頭版發布了消息，清華大學閉路電視也播放了這項成果，美國國家科學基金會邀請我去美國作學術訪問，并在1990 年代表國內5所重點大學的教授在美國國家自然科學基金受資者學術會議作學術報告。

這是我國的第一臺數控旋轉電火花加工機床，拿到了國家對該類機床的標準編號DK6825，性能比英國的同類機床更為先進。其結構和電極的運動原理不同于我國現有的常規電火花成形加工機床和線切割加工機床，主要差別在于所采用的工具電極是旋轉電極，這就使得這種機床在放電加工中，具有很大的靈活性，適合于加工各種刀具。特別是該機床所特有的數控螺旋伺服進給運動，可加工出不同規格的螺旋槽，這就為研制國際上難度極大的小直徑聚晶金剛石麻花鉆頭提供了一種嶄新的工藝途徑。另一方面，由于該機床采用了特種脈沖電源，可用來加工硬質合金，特別是人造聚晶金剛石和立方氮化硼等超硬材料，這就為我國各種超硬刀具的加工創造了條件。利用這臺機床，我們不僅研制成功一批人造聚晶金剛石的車刀、銑刀、梳刀等，而且研制出了國際上首支直徑為 1.2mm 的人造聚晶金剛石麻花鉆頭。該機床還于1994年先后參加了北京國際機床博覽會和上海國際機床博覽會，并被《展覽快報》表彰。

劉：當時只研制了這一臺嗎？

傅：我們的膽子有點大，當時不是研制了一臺，而是同時研制了兩臺，其中一臺以10萬元的價格，賣給了福建一家專門生產摩托車發動機活塞的企業。這種活塞的材料是鋁合金的，并不是普通的鋁，而是含了 15% 游離態的硅在里面。普通的硬質合金刀具加工這種材料，很快就磨損了，不能保證活塞的表面質量。因此，精加工時，必須采用砂輪磨削。但是砂輪磨削的加工效率很低，他們希望采用“以車代磨”的新工藝。在保證質量的前提下，進一步提高加工效率。采用聚晶金剛石車刀進行精加工，可以達到所要求的表面粗糙度 Ra0.2μm 。

我們做了精心準備，在設備上進行了足夠的刀具加工實驗。但這是我們第一次把設備賣出去，而且賣到幾千公里外的山區，心里很忐忑，不知道最后到底行不行。如果用火車運過去，從北京到福建的深山里，路途遙遙，我擔心路上沒人照管，搬運顛簸，最后可能出問題。于是我租了輛卡車直接送過去，這樣更保險些。我有個年輕的助教朱自強，他就坐在車上，一路上抱著那個控制裝置，里面塞了好多海綿防震。我當時對他說，你可千萬要注意，這個控制裝置一旦壞了，我們就完了。他一路很負責任，待設備到了福建之后，我當時覺得可能最少需要一天才能調試出來，結果不到半天，設備就可以正常運行了。

最后利用加工出來的聚晶金剛石車刀精加工鋁活塞的時候，一刀切過去，的確又快又好。看到這個先進的工藝可以實現以車代磨，那個活塞廠的廠長高興得不得了?？墒堑降诙甑乃脑路?，負責機床操作的師傅打來電話說，傅老師，我們這個設備突然不能用了，啟動不了了！我出生在南方，對南方的天氣比較熟悉，我就問，你們那邊的天氣怎么樣？他說已經陰雨連綿一個多月了。我說，我倒是有個辦法，但沒把握，你不妨試一試：每天上班前，你先不要開機，而是先用熱風機對著整個控制柜上上下下反復吹一吹，一定要把濕氣除掉。等將濕氣吹干后，再啟動試一試。結果還真是受到濕氣影響。我當時只是覺得南方可能濕氣太重，控制柜里面的電路會受到影響，沒想到還真解決了問題。此后，那個工廠就再也沒有因為產品質量問題聯系過我們了。

劉：您能否再舉一些數控旋轉電火花加工應用的例子？

傅：從1986年回國，一直到我退休，這20多年我們這個動態課題組為國家研制出了8種類型、46臺套裝備，都很先進，沒有一臺不能用。有人問，傅老師，你們研制的設備都挺先進，為什么不大批量生產這些設備呢。其實，越是高級的設備，越需要定制，因為它可能涉及的領域比較窄，并不需要生產那么多。如果做很多的話，最后也是擺在那里沒有用。

其中研制的人體體質智能化測試系統，從2003年開始投產直到現在，還在生產。這套系統具有國家發明專利，清華大學體育部利用這套系統，建立了全國高校第一條體質測試走廊。當時日本賣給我們國家一套這種設備要80萬，韓國賣給我們要40萬，后來我投了40萬，不到三年時間，研制出了四臺，每臺8萬塊錢賣出去了，還有利潤。如果設計者懂設計理論，又與制造工藝緊密結合，產品就會很快轉向市場，可以打破國外的技術壟斷。如果不懂得工藝，那么設計出來的東西就是擺個樣子，哪怕是你拿到了國家級成果也沒有太大的用處。這臺數控旋轉電加工機床在當時本來可以申報三個專利的，但我們對相關的專利知識掌握不多，就只報了一個，有點遺憾。這臺重要設備的研制經歷也告訴我們，科學技術確實是第一生產力！

我再舉個例子，有一種醫學上用于開顱之后抽取腦中的積液和血腫塊的醫療器具，外部是個不銹鋼的管子，內部安裝了一個不銹鋼的細長螺桿，實際上是個低壓泵，它叫做顱內血腫排空器。其中螺桿的長徑比達到 67：1 ，由于如此大的長徑比，剛度極低，又是不銹鋼材料的，普通的加工工藝是很難做出來的。最終采用了我們研制的數控旋轉電火花加工，將其分成三段加工。每段在加工的時候，電極和被加工工件之間大概有0.01到 0.05mm 的間隙，難度很大。通過放電加工，一點一點腐蝕，最終將三段平滑地連接起來，一次通過了臨床試驗。這套器具一共制作了120套。

還有一樣東西，也和電加工有關。北京一家中醫研究所設計前列腺治療器。病人的前列腺腫大需要治療，如果直接吃藥的話，經過腸胃的吸收，最后到達前列腺的時候就沒有多少藥力了，于是就想了個辦法，把中藥放在一個特殊的容器中，直接插到肛門里，在充電加熱之后，容器中的藥蒸發出來，可以直接治療病灶。這種容器當時做出來不合格，于是研究所找到我，希望我們想辦法把這個復雜而光滑的內腔加工出來。這個很深、復雜而表面光滑的內腔，用傳統的機械加工方法是做不出來的一—車工不行，銑工不行，鉗工也不行。后來我就想采用機械加工和電加工結合的方法：首先粗銑出一個內槽，然后用鉗工修正，留有加工余量，最后再用一個與型腔尺寸相同的成型電極對它放電精加工，一點點腐蝕，最后做出來了，內腔很光滑。拿去做臨床試驗，一次獲得了成功。我們給他們做了一批，全部能用。

這就是說，我們不僅要學會設計，還要掌握多種加工工藝，兩者結合起來，做出來的東西才有用，才能很快進入市場。

劉：您之后研發數控旋轉超聲波加工機床的過程是怎樣的？

傅：硬脆材料（如玻璃、石英、陶瓷等）及各種復合材料（如碳纖維）的加工難度很大，采用金剛石工具的旋轉超聲加工是加工硬脆材料的一種有效方法，具有很好的發展前景。我們從1997年開始研制旋轉超聲波加工機床，2002年完成，把這臺留在教研室做實驗教學用，并在技術上不斷改進完善。2007年，第二臺給了哈爾濱工業大學；2012年，第三臺給了北京石油化工大學。旋轉超聲波加工機床在2012年獲得清華大學實驗技術一等獎。

以前我國超聲波加工機床也是比較落后的，一般只能完成對不導電的硬脆材料（如玻璃、鍺、硅等）的打孔和套料工作。經過團隊15年的不懈努力，我們研制的超聲波加工機床不斷取得新的進展。由第一臺機床的打孔和套料，發展到第二臺的打孔、套料和加工系列孔；特別是第三臺，不僅可以打孔、套料和加工系列孔，而且可以銑削陶瓷和加工不穿透的復雜溝槽。

機床的超聲波發生器也由第一臺采用的電子管型，發展到第二臺的晶體管型，最后發展到IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）類型；機床的控制部分，由早期的分離式元件向集成化和模塊化的方向發展。我國對旋轉超聲波機床的研制，連上了兩個臺階。

實際上，該設備仍然有不少研究工作值得深入來做。我們屬于教學單位，這樣連續地堅持搞科研，一直堅持改進，不斷加班加點，取得新的進展，非常不容易。

二 機床研發背后的工科教學科研

劉：這兩臺設備后來閑置，現在被科學博物館收藏。為什么之后沒有接著使用呢？

傅：在我退休之前，這兩臺設備作為先進的科研成果，為清華的實驗室科研探究課程服務。但我退休后，特別是基礎工業訓練中心2015年搬遷到李兆基大樓之后，這兩臺設備就基本上閑置了。我一直想找接班人，但最后沒有成功。據我了解，這種研制國家所需要的先進裝備找不到合適接班人的情況，并不是一兩個人、也不是一兩個課題組的問題，而是一個普遍存在的現象。因為搞這種裝備確實對國家有利，但對個人和課題組，經濟上的收益很小。

我退休之后，大概2011年，中國科學技術大學的老師打電話希望我為他們再研制一臺，北京市有個陶瓷研究所也給我打電話，希望幫他們研制兩臺，但我只能說對不起，我已經退休了，沒有能力再組織人干這個事了。回過頭來看，我作為負責人研制的數控旋轉電加工機床、數控旋轉超聲波加工機床，以及人體體質智能化測試系統這三臺設備，帶出了三個博士生，三個碩士生，還有好幾名本科生做畢業設計，算是培養了一些人才，也發表過一些高層次的論文。但是沒有人繼承，真使我扼腕嘆息

我們研制的其他設備，如汽車離合器超速試驗機、多功能木材力學試驗機、十二工位數控激光淬火機床、游泳訓練水上牽引系統、數控電火花二維創新設計與制造系統，可以服務于國家、社會、教育和企業?？赡艽蠹矣X得做這個事情特別辛苦，又沒有多少經濟收益，許多人轉方向做其他東西去了。但是國家有需要，我又有興趣，這就注定要吃一輩子的苦。雖然拿不到多少錢，但是我喜歡搞教學、喜歡搞研究，特別是當我的團隊做到了別人、甚至別的國家做不到的事情，我感到非常高興，比拿多少錢都高興，因為達到了國家培養我們的目標。

20世紀80年代至90年代，清華比較缺錢，教師的待遇低，有些骨干不愿意留在學校搞教學和科研，那時有句話說：做導彈的不如賣茶葉蛋的，因此走了一批年輕人?，F在學校經濟條件好了，買了許多新的高端設備，給學生創造了很好的學習環境，但有時會把不很舊的設備、甚至還在用的設備都處理掉。有些還能用的設備被扔掉了是非?？上У?，很浪費的。我個人認為，科研的設備要最好的，現代企業的設備要最好的，但是教育的設備有中等偏上就可以了，并非一定要最好的。深究一下，這里面有教育理念、思維方法和教育方法的問題。

劉：您從自主科研的角度來看，有什么好的經驗？

傅：我覺得如果只有好的設計，而沒有好的工藝，那一切都近乎空談。只有設計者在設計時將制造工藝緊密結合在一起，才能做出真正有用的東西。如果一個人不懂得工藝，它的設計也很難做好。因為在設計的過程中，需要同步考慮加工、裝配、調試、環境，以及操作的方便性，也就是說要符合人機工程原理。因此，工藝技術實在是一種值得重視的核心技術。設計者懂得理論和工藝，研制的產品就比較容易轉向市場，對社會的發展就有實際意義。

我們做工科的，搞工程的，一定要實虛結合，以硬為主，以軟為輔，為國家的需要著想，不要搞那些玄玄乎乎的。在做項目的過程中，思考其中遇到的問題，思考如何解決問題，論文也就很自然地發表了。另外，工科教師的科研，不能只寫論文，一定要干些國家需要、有實際用途的東西。在很多情況下，我們一般習慣于只談創新，不談工程經驗的積累。其實，工程經驗對實現創新有著不可估量的作用。遺憾的是，很多人看不到這一點，因此有的創新，一般來說，沒有多大價值一我這里指的是工科教師從事的研究。

基礎工業訓練中心屬于教學單位，我們最主要的工作是本科一線的實踐教學、實驗教學和課堂理論教學，科研并不是我們的主業。但是，為了更好地培養學生以及我們自身的成長，科研工作同樣是非常重要的。因此，對于科研方向的選擇，一定結合好訓練中心的基本特色。這個特色，就是擁有一大批常規與先進的制造裝備，這是任何院系所沒有的優勢；另外就是我們的師資隊伍和實驗技術人員的實踐能力強。針對這兩個特色，我們在研究方向上，就比較適合研制國家和社會亟需的各種非標準先進裝備，而不能選擇與院系一樣的科研方向。一所高水平的大學，如果高水平的裝備都來自外國，而缺乏自己研究的、具有特色、能夠向外推廣的高檔東西，就說明存在問題。

還有，我們在做科研的過程中，不能離開本科教學，要時刻考慮將科研成果轉化為本科教學服務。我很早就想到、看到和做到了這點。因此，我的教材、講課、教具、實驗——我的教書育人，都與我的科研有關。如果科研方向與院系一致，注定是要落后的，你永遠比不上院系的老師。為什么？第一，你沒有那么多的時間，因為科研不是你的主業；第二，你更沒有那么多的博士和碩士作為科研力量。

我覺得，我們當時在科研方面的成功，就是明確自己的優勢和弱點，將優勢發揮到最好的地步。無論多么困難，始終堅持了“研制國家、社會亟需的各種先進非標準裝備”的科研方向。另外，就是始終踐行了我提出的理念“將科研成果反哺本科教學”。因此，無論是課題負責人，還是中心主任，一定要有眼光，要清楚地知道，我們的優勢在哪里，弱點在哪里，怎樣才能把我們的優勢發揮出來。這個弄清楚了，再組織團隊去干，成功的把握就會很大。