【導(dǎo)語】高性能制造是高端裝備和產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件以性能精準(zhǔn)保證為目標(biāo)的幾何和性能一體化制造，體現(xiàn)了由幾何尺寸及公差要求為主的傳統(tǒng)制造向高性能要求為主的先進(jìn)制造的躍升。郭東明教授從制造的現(xiàn)狀、需求和發(fā)展趨勢出發(fā)，闡明了高性能零件的內(nèi)涵、高性能制造的特點、面臨的問題及其分類體系，并結(jié)合實例給予了深入分析和說明，為高端裝備中一大批關(guān)鍵零部件的精密制造難題提供了可行的解決策略和途徑。

本文作者：郭東明，大連理工大學(xué)校長，精密與特種加工教育部重點實驗室教授、博士研究生導(dǎo)師，中國工程院院士，中國機械工程學(xué)會副理事長。研究方向為特種加工及精密超精密加工技術(shù)，計算機輔助測試、設(shè)計與制造，數(shù)字化設(shè)計制造。

 航空、航天、海洋開發(fā)、深空探測，以及大科學(xué)裝置等國家重大工程的建設(shè)與發(fā)展，對零件提出了一系列前所未有的性能要求。高性能航空發(fā)動機的研制需要葉片等核心部件更加輕質(zhì)，且具有更高的耐熱溫度和抗疲勞特性。航空、核電等裝備的長期運行要求其超大型鍛件、高速運動部件等具有優(yōu)異的抗磨損、耐腐蝕、耐疲勞特性，即具備超長使役可靠性。

傳統(tǒng)裝備及零件的設(shè)計與制造是在選定材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行零件幾何設(shè)計、公差確定與制造實現(xiàn)的過程，零件的性能與其尺寸精度往往表現(xiàn)為線性相關(guān)。傳統(tǒng)制造方法按精確設(shè)計的零件幾何尺寸及公差要求制造出零件，即可滿足零件性能要求。但僅以幾何尺寸公差為關(guān)注點的傳統(tǒng)設(shè)計制造理念，難以滿足航空、航天、電子技術(shù)等領(lǐng)域一批關(guān)鍵件的高性能制造需求。傳統(tǒng)裝備及零件設(shè)計制造面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

高性能需求要求零件以透波、傳熱、導(dǎo)流、動力學(xué)等性能為主要制造指標(biāo)，因此，高性能零件具有以下主要特征：①曲面復(fù)雜；②具有材料超硬、超脆、超黏等難加工特征；③精度要求高；④性能受幾何、材料等多因素影響。因此，高性能零件的制造是傳統(tǒng)制造模式難以滿足的，高性能制造成為學(xué)科發(fā)展的迫切需求。

對于零件而言，從不同的角度，可分為不同的類型（表1）。不同類型的交叉組合構(gòu)成了性能多樣的結(jié)構(gòu)功能一體化高性能零件。獲得理想材料零件（IFMC）是人類長久以來的期望，這些零件的特點是：不一定由單一或均質(zhì)材料構(gòu)成（多種材料復(fù)合融合制造）；按照零件的最佳使用功能即材料、結(jié)構(gòu)、功能一體化的要求來設(shè)計制造，是由理想材料所構(gòu)成的理想材料零件；制造過程中需要采用增材制造、增減材復(fù)合制造技術(shù)或仿生制造技術(shù)。

表1 零件分類方式

在學(xué)科當(dāng)前發(fā)展階段，高性能制造（高性能零件的制造）面臨如下主要問題：零件的幾何精度滿足要求，但其性能指標(biāo)達(dá)不到要求；零件的高性能要求導(dǎo)致材料/結(jié)構(gòu)特殊，或精度要求極高，傳統(tǒng)加工方法往往無能為力或很難加工出符合要求的零件。

高性能制造以高端性能的精準(zhǔn)保證為核心，是面向性能的反求制造，是定量定域定式的數(shù)字化制造。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)約束類的精密復(fù)雜曲面零件主要指復(fù)雜薄壁的低剛度精密零件，如飛機壁板和框梁、整體渦輪和葉盤、火箭推進(jìn)劑貯箱和火箭發(fā)動機噴管等。此類零件在制造過程中存在諸多難點，如切削加工過程中存在加工變形、切削干涉或切削顫振，精度難以保證。相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：①加工軌跡優(yōu)化計算——路徑規(guī)劃與優(yōu)化；②切削力建模計算——精確預(yù)測與控制；③變形預(yù)測建模計算——加工變形補償；④加工系統(tǒng)顫振抑制。

難加工材料類的高性能零件主要是指通過特殊的難加工材料和較高幾何精度來保證高性能的零件，如C/E或C/C復(fù)合材料構(gòu)件、功能陶瓷等脆性材料、高溫合金材料零件等。其加工難點是：材料特性極端，表現(xiàn)為超硬、超脆、超黏或超軟等特性，材料去除機理不明。其關(guān)鍵技術(shù)包括：材料去除機理（材料微觀斷裂機理），先進(jìn)工藝（多能量耦合的加工工藝），高性能刀具（刀具結(jié)構(gòu)、材料及處理方法）。

如何實現(xiàn)大型復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)高效加工是一個國際性的難題，涉及的主要問題包括材料如何去除、損傷如何抑制、溫度如何控制；主要影響因素包括高性能工具、高適應(yīng)性工藝、高性能碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字加工裝備。

超高精度類的高性能零件主要指超高精度的微電子/光電子基片和光學(xué)鏡片，長度標(biāo)準(zhǔn)計量器件等。此類零件的加工難點是：如何獲得塑性化（延性域）去除的納米級切深閾值，實現(xiàn)塑性化加工，避免產(chǎn)生微裂紋損傷；如何通過化學(xué)物理復(fù)合作用，實現(xiàn)新原理的亞納米級材料去除，獲得無損傷超光滑表面；如何實現(xiàn)大口徑高面形精度表面高效加工。此類零件的加工目標(biāo)是獲得高表面完整性和超高幾何精度。主要研究內(nèi)容有：

性能與幾何精度為非線性關(guān)系的高性能零件的制造特征是：性能、材料和幾何等參數(shù)間往往呈復(fù)雜的耦合關(guān)系,其間的復(fù)雜關(guān)系建模是實現(xiàn)科學(xué)制造的關(guān)鍵；定量定域定式的數(shù)字化制造；測量加工一體化的制造過程和相應(yīng)制造裝備；結(jié)構(gòu)、材料、功能一體化。

超高性能要求的精密復(fù)雜曲面零件主要指性能要求特別高、以性能為第一制造指標(biāo)的精密零件。類似天線罩、飛機氣動彈性模型等高性能零件，其制造已形成了綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)與性能耦合關(guān)系，利用幾何特征調(diào)整修正性能誤差的制造方法。

具有跨尺度微納結(jié)構(gòu)的高性能零件/器件指兼具微和小、微和納跨尺度結(jié)構(gòu)特征類零件，此類零件具有表面導(dǎo)熱、導(dǎo)流、吸光等功能，其研究重點包括：微納去除加工機理、微納沉積加工及微成形、微小及微納器件集成技術(shù)、微納器件與系統(tǒng)設(shè)計理論、微裝配理論與技術(shù)。目前的主要研究有：

面向高熱流密度器件散熱的平板微熱管

具有表面宏微跨尺度結(jié)構(gòu)的寬頻天線

光導(dǎo)航微納敏感器件的仿生設(shè)計與制造

具有特殊功能或強化表面層的高性能零件（以下簡稱“高性能表面覆層零件”）要求具備耐磨損、抗腐蝕、抗疲勞或抗沖擊等復(fù)合性能。高性能表面層制造體現(xiàn)了高性能零件性能與幾何參數(shù)一體化制造的特點。

基于不同表面層的制造工藝原理，此類零件在非平衡的能量與物質(zhì)輸入條件下的加工制造工藝與加工工藝載荷如圖1所示。

圖1 高性能表面覆層零件的加工制造工藝與加工工藝載荷

高性能表面覆層零件制造原理的核心是表面完整性的形成機制、評價方法和調(diào)控作用，高性能表面覆層零件設(shè)計制造的理論體系框架是，以基于知識的方法取代實驗迭代的試錯法，解決高性能制造的加工制造反問題，所涉及的主要科學(xué)問題包括：

（1） 面向性能制造的核心問題——加工制造反問題，依據(jù)高性能表面覆層零件設(shè)計所要求的幾何與結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料特性，選擇加工制造的方法和條件；

（2）功能性表面的仿生結(jié)構(gòu)、人工復(fù)合結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料等設(shè)計理論和表面特性表征原理；

（3）非平衡能量和物質(zhì)輸入條件下高性能表面覆層零件的制造原理與調(diào)控策略；

（4）高性能表面覆層零件檢測與評價的新原理和新方法。

高性能表面覆層零件設(shè)計制造的理論體系如圖2所示。

理想材料零件/器件/構(gòu)件(結(jié)構(gòu)功能一體化零件)是基于數(shù)字化逐點增材制造的理念，并與傳統(tǒng)的去除材料制造技術(shù)及覆層技術(shù)相結(jié)合，充分利用功能梯度材料、超材料、細(xì)觀周期結(jié)構(gòu)材料等設(shè)計理念及其成果，仿照生物結(jié)構(gòu)，使得制造材料、結(jié)構(gòu)和性能達(dá)到完美結(jié)合的零件。目前的主要研究有：

高性能制造涵蓋的范圍很廣，以保證零件或裝備的性能要求為主要目標(biāo)，其高性能常常與幾何精度、材料、制造工藝過程等諸多因素密切相關(guān)，且呈復(fù)雜關(guān)系，需要性能與材料、結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)的一體化制造，涉及跨尺度、多物理場等條件下的零件尺寸、表面完整性與其性能的關(guān)系建模、基于性能的制造過程控制方法，以及面向極限精度制造的新工藝、新方法探索等諸多方面。制造技術(shù)作為制造業(yè)升級換代的基礎(chǔ)性核心環(huán)節(jié)，其水平直接體現(xiàn)了一個國家的競爭力。高端裝備零部件的性能已從早期的承載要求擴展到聲、光、電、熱、磁等物理特性要求以及表面脫附、減阻、耐磨抗蝕等功能要求，我國在這些高性能零件的制造理念和工藝技術(shù)水平等方面仍有待提高。為了滿足高端裝備的未來發(fā)展要求，高性能制造將是我國制造技術(shù)領(lǐng)域的重點發(fā)展方向之一。