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夯实国产机床研发基础追求纳米精度永不止步
——专访国家高效磨削工程技术研究中心副主任尹韶辉
作者:向鹏 发表时间:2019年07月23日

 

 

  作为湖南大学超精密加工与微纳制造方向的学术带头人,尹韶辉主攻超精密加工/超微细加工/纳米加工工艺及装备技术,目前主要致力于非球面光学制造和半导体设备制造。

 

  多年来,尹韶辉及其团队成员在超精密加工/特种加工/微纳制造领域作出了开创性的工作,在磁场辅助加工/ELID镜面磨削工艺/非球面加工等领域的研究处于国际前沿,取得了多项创新研究成果,成功研发了集斜轴纳米磨削、斜轴磁性复合流体研抛于一体的纳米精度复合加工装备、小口径非球面光学玻璃透镜模具超精密数控复合机床、12英寸全自动高精高效划片机、大抛光模高效率平面磁流变抛光装备,取得了良好的社会效益和经济效益。

  留日工作秉持初心:练硬本事只为报效祖国

  1998年尹韶辉赴日本攻读博士学位,2002年进入日本国立理化学研究所工作,与超精密纳米加工领域的国际权威人物大森整主任研究员共同开展研究合作。大森整是著名的在线电解修整(Electrolytic In-process Dressing,简称ELID)镜面磨削技术发明人,在东京大学读研期间就发明了ELID磨削法并一举成名。

  “大森整教授的素型材工学实验室是真正的国际一流实验室,这里集中了东芝机械、丰田工机、不二越、沙迪克、长濑精机等几乎所有日本企业的超精密纳米精度机床,集中于超精密磨削、切削、研磨抛光加工,应用于光学制造及半导体制造行业,我在这里一干就是五年”,尹韶辉向记者介绍道。

  在这里,他系统地研究了微结构成型复映ELID磨削方法,提出了ELID磨削与MRF磁流变研磨相结合的ELID/MRF超精密组合加工工艺;开辟并发展了振动磁性研磨工艺/磁流体研磨与镜面磨削复合工艺/复合振动切削以及超声波加工等重要学术领域,取得了一批高水平研究成果;他研制的大型非轴对称非球面光学玻璃透镜及高分辨率分光器应用在日本国立天文台的SUBARU天文望远镜及Astro-E2X射线天文望遠鏡上,多篇论文发表在国际权威刊物《International Journal of Machine Tools and Manufacture》,获得了日本理化学研究所理事长奖和LEM21先进制造国际会议“最佳论文奖”。

  当时,日本的超精密加工水平已位于世界前列,而且彼时的工作对尹韶辉而言,薪资丰厚、游刃有余,继续留日工作无疑是极具诱惑力的。但尹韶辉始终心系祖国,渴望能将多年研究成果带回祖国并为国效力。2006年,尹韶辉辞去日本国立理化学研究所的工作,全职受聘为湖南大学教授。

  到千年学府开疆拓土:要做就做“顶天立地”的研究

  尹韶辉回国后,成为湖南大学“985工程”微纳制造技术方向带头人,建立了全新的学科方向,至此湖南大学才真正开始了超精密加工研究。

  万事开头难。找项目、带研究生、申请设备购置经费,尹韶辉样样都得亲力亲为,两年后,成立了“超精密加工与微纳制造”科研团队;建设了国内第一个“微小非球面光学模具制造实验室”,拥有了光学模具超精密加工、光学元件模压成型、光学元件检测的核心关键设备;开展小非球面纳米精度制造工艺及装备技术的研究,取得了一批具有国际先进水平的创新性科研成果。2008年,尹韶辉入选了“湖南省高层次学术带头人计划”和教育部“新世纪优秀人才支持计划”。

  在国家“863”计划、国家科技支撑计划、国家04科技重大专项(“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项)、国家自然科学基金、国家重点研发、国际合作专项等项目的支持下,尹韶辉带领团队进一步开展了小口径非球面的超精密磨削/超精密车削/超精密研磨抛光/玻璃透镜模压成型/非球面加工机床研制等领域的研究工作并取得重大进展。

  2010年,他提出了微小非球面模具的高效超精的磨抛复合加工理论和技术,成功研发了国内外第一台集斜轴纳米磨削、斜轴磁性复合流体研抛于一体的纳米精度复合加工装备;“微小非球面纳米级精度复合加工技术及装备”成果在国内10多家企业应用,获得中国机械工业科学技术奖一等奖。

  2015年,尹韶辉带领课题组完成了“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项“小口径非球面光学玻璃透镜模具超精密数控复合机床”的研究任务,针对光电通讯、光学、汽车、生物工程、航空航天等产业对小口径非球面光学玻璃透镜模具超精密加工的需求,研制出集斜轴超精密镜面磨削、斜轴磁流变抛光两种加工工艺于一身、加工精度和加工效率更高的超精密数控复合机床,填补了我国在斜轴超精密镜面磨削及斜轴磁流变抛光复合加工机床方面的空白,为实现我国光电通讯、光学、航空航天等领域的非球面光学部件的自主制造提供了有力支撑,对带动我国非球面多轴纳米数控复合机床的加工技术与装备的发展具有重要意义。

  2018年,尹韶辉又带领团队完成了“硬脆材料高效高精磨抛划切关键工艺及成套装备”的研发,解决了半导体、光学等领域硬脆材料高效高精减薄磨削、抛光和划切三大难题,攻克了超精密镜面磨削、高效率超光滑磁流变抛光、全自动高精高效划片切割等多项关键工艺,形成了成套加工工艺路线,成功研发并推广应用了超精密镜面磨床、高效率超光滑磁流变抛光机、全自动高精高效砂轮划片机、超快激光加工等多种装备,具备了自主设计制造能力,实现了产业化,并获得中国机械工业科学技术奖二等奖。

  该项目成果与传统技术产品相比,面型精度由微米级提高到亚微米级,表面粗糙度由纳米级提高到亚纳米级,崩边尺度由十微米级提高到微米级,总体效率提高30%以上,彻底解决了面型精度低、亚表面损伤大、激光切割存在粉尘、加工效率低等系列难题。尹韶辉带领团队开发的多项成果和关键技术填补了国内外相关领域的空白,部分技术指标国际领先,成功打破国外公司垄断,替代了进口,满足了我国产业界的迫切需求。

  与此同时,尹韶辉还先后获得“中国侨界贡献奖”,“上银机械博士论文奖”、其专著《磁场辅助超精密完整加工技术》获得了我国新闻出版领域最高奖——“中国出版政府奖”。

  “做科研贵在创新,学者以模仿他人为耻,每个人都应该有自己独创的工艺、方法或理论”,尹韶辉说,“我回国前,大森整教授的导师、东京大学教授中川威雄告诉我,玻璃镜片模压技术很有前途,可以好好做下去。”尹韶辉认为,做科研既要瞄准前沿技术,又要考虑后期的市场带动,要做就做这种“顶天立地”的研究。

  大力推进成果转化:一张蓝图绘到底

  科研硕果累累,却不是尹韶辉的终极追求。他认为,为企业制造产品提供技术支持才有实质意义,科研成果也只有在面向企业投入市场之后,才能发挥更大作用。

  尹韶辉经常对学生说:“我们做的是工程技术,一定要能解决工程技术问题,而且要有实际应用效果。每天在电脑面前搞仿真是不够的,要泡在实验室、泡在车间,从工程实验和生产中发现问题,并提出新思路解决问题。”

  多年来,尹韶辉积极寻求企业合作,致力于超精加工技术在产业界的推广应用,先后与戴斯光电、秦川机床、湖南长步道光学、长泰机器人、北京工研精机、大族激光等几十家公司合作,进行超精密加工设备的开发和超精密光学模具制造,成功地将实验室产品投入市场运用。近年来,随着市场需求的不断升级,对加工模具提出了更高要求,很多企业主动找上门来商讨如何进行联合开发,进一步加深了技术与市场的对接。

  2017年,尹韶辉带领团队成功研发出12英寸全自动高精高效划片机,该划片装备具有四轴驱动进给、全自动加工、手动加工、全自动上下料、接触与非接触测高、图像识别自动纠正偏差、刀具磨损检测和刀痕缺陷检测等功能,解决了IC芯片高速划切过程的微米级快速定位等一系列难题,显著提高了芯片加工品质和效率。该成果对我国自动划片加工技术及装备的技术进步和产业发展具有重要意义,整体技术达到了国际先进水平。目前,该设备已在十余家企业推广应用,取得了良好的社会效益和经济效益。

  ‘勇于创新,研以致用、尽善尽美、精益求精’是我们的团队精神,意思是在科研水平、工程技术和思想作风上力争尽善尽美、精益求精,积极自主创新,引领企业的产品技术发展。作为一名工科教授,写论文只是基本功,做到产业应用才是真功夫。企业不看你有多少论文,只看你的技术是否真正有用!”尹韶辉是这么说的,也是这么做的。

  他也常对学生说:“学问越专越好,眼界越宽越好”。多年来,他带领团队先后与日本、澳大利亚、美国、德国的大学及研究所进行深入交流合作;推动团队承担了多项国际科技合作专项项目;促成湖南大学和日本理化学研究所签订合作协议,建立了人才培养及科研合作关系。

  尹韶辉作为中日超精密加工国际会议理事会的副理事长及秘书长,积极推动中日超精密加工国际会议(CJUMP)在中国和日本持续召开,大大促进了两国超精密加工领域专家学者的交流,该会已成为中国精密制造领域最有影响力的国际会议之一;自2008年开始,中日超精密加工论坛每年都在湖南大学召开。

  目前,我国高精度磨抛划切数控装备难以满足产业要求,绝大部分依赖进口,特别是半导体产业中该类加工装备的国产化率还不到2%;有的高精尖装备被国外长期“卡脖子”、对我国禁运,给我国半导体产业带来极大安全威胁。

  “我国机床行业普遍缺乏领先的核心技术、基础技术与基础能力,基础产业配套也跟不上,亦没有抓住最先进的纳米/亚纳米精度机床技术核心。许多企业为了赶时间、赚快钱,所制造的机床质量不达标,产业环境浮躁。我们要从基础做起,培养好的人才、建设优秀的实验室、创造好的技术攻关机制,做好材料、工艺、功能部件等基础共性技术的研发,着眼于纳米精度机床的研发,带动各项精度技术的整体提升,才有可能尹韶辉(左五)带领团队参加第十五届切削与先进制造技术学术会议缩短与美德日的差距。”尹韶辉总结道。

  近年来,中美贸易争端愈演愈烈,中兴、华为及晋华事件凸显了这种危机。尹韶辉不忘初心、不负初心,始终将“守土有责”的家国情怀贯彻到团队的科学研究中,近几年一直投身于半导体材料的高效超精密加工工艺及装备的研发中,以期解决行业“卡脖子”问题。

  “择一事,终一生”。尹韶辉用理想定位人生坐标,把纳米精度作为永不停止的追求,在我国超精密制造工艺及装备技术领域书写了浓墨重彩的一笔。

  个人名片

  尹韶辉,留日工学博士,海归教授,博士生导师,岳麓学者,教育部新世纪优秀人才。现任湖南大学/国家高效磨削工程技术研究中心副主任、湖南省先进复合制造国际科技创新合作基地主任、中日超精密加工国际会议(CJUMP)理事会副理事长、国际磨粒加工委员会(ICAT)委员、中国机械工程学会生产工程分会常务理事。主持完成多项国家重点研发计划、国家04科技重大专项、国家科技支撑计划项目。荣获中国机械工业科学技术奖一等奖、二等奖、中国侨界贡献奖,上银机械博士论文奖、中国出版政府奖、日本理化学研究所所长奖、国际会议最佳论文奖。

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