南方科技大学前沿制造科学实验室科研团队专访|南方科技大学|机床|机械|材料|超高速

张璧

南方科技大学教授，前沿制造科学实验室科研团队负责人

研究方向：精密加工与增减材复合制造

E-mail:zhangb@sustech.edu.cn

张璧，讲席教授，南方科技大学工学院副院长、博士生导师。于1982年获江苏大学学士学位，同年考取浙江大学机械制造专业公派出国研究生，受教育部派遣赴日留学，于1985年和1988年获得日本东京工业大学机械工程硕士和博士学位后，分别在上海交通大学和美国俄克拉荷马州立大学做博士后研究。1992年起受聘为美国康涅狄格大学助理教授、副教授与教授，2009-2013年担任康涅狄格大学机械工程系本科教学主任，2011-2013年担任康涅狄格大学管理与工程制造学科主任，2014-2017年为大连理工大学特聘教授，“辽宁重大装备制造协同创新中心”精密与特种加工团队负责人，1994年康涅狄格大学唯一推荐的美国总统奖候选人，国际生产工程院（The International Academy for Production Engineering – CIRP）和美国机械工程师协会（The American Society of Mechanical Engineers – ASME）会士（Fellow）。从事精密制造研究30多年，发表学术论文200余篇。

近五年来，张璧教授先后主持国际专题学术研讨会8次，在国内国际学术会议上作大会报告、主题报告和特邀报告30多次，担任四个国际学术杂志的编委，以及近20种国际知名学术杂志的评阅人。个人履历和主要成果详见附录。

团队成员

实验室现有研究人员23人，包括讲席教授1人，教授1人，副教授3人，助理教授2人，以及博士后、博士生、硕士生等。研究人员中包括国际生产工程院（CIRP）会士，美国机械工程师学会（ASME）会士，广东省国家级领军人才，深圳市国家级领军人才等。

团队简介

实验室以国际学术前沿和国家重大需求为导向，以“培养创新性人才、聚焦原创性研究、引领国际学术前沿”为宗旨。传统加工基于改良思想，采用盲人摸象手法，往往究其一点，不及其余，所解决的是局部问题。张璧教授基于原始创新思想，采用纲举目张手法，在“材料脆化”和“损伤趋肤”两大理论的指导下，探究材料的物理力学本质，发现共性规律，研究开发超高速磨削装备与工艺，解决难加工材料的加工问题。因此，采用超高速加工诱发加工区材料脆化，改变材料的加工性能，抑制加工损伤，成为高效率、高质量加工的重要技术途径。在超高速加工条件下，加工损伤深度可以降低两个数量级。

实验室主要研究内容如下：

（一）超高速精密加工装备与工艺

“前沿制造科学实验室”瞄准国家重大需求，根据高端机床三要素（高速度、高精度、高刚度）设计超高速机床，在“材料脆化”与“损伤趋肤”理论的指导下，探究材料的物理力学本质以及三个关键科学问题：材料脆化机理、损伤趋肤效应、机床加工跃度（Jerk）抑制机制，并且针对难加工材料的加工问题，进行超高速磨床结构、主轴及砂轮设计，研究超高速精密加工基础理论、装备基础与工艺，实现难加工材料的高效率、低损伤、低成本加工。

（二）增减等材复合制造技术及装备

“前沿制造科学实验室”瞄准国际学术前沿，以增材制造“控形控性”为目标，提高增材制造精度与质量（如零件疲劳寿命），提出增减等材复合制造方法，并进行装备与工艺研究。

团队最新科技进展

（一）高速加工中材料亚表面损伤的“趋肤效应”

材料加工损伤严重影响加工后零件的性能、寿命和可靠性，一直是机械制造领域必须面对的问题。随着科学技术的飞速发展，对零件加工表面完整性的要求越来越高。如何实现材料，尤其是难加工材料的高效低损伤加工是机械制造领域亟需克服的挑战。张璧教授发现，超高速加工中，材料加工亚表面损伤深度随着加工应变率的提高而降低，表现出加工损伤“趋肤效应”。超高速加工能够提高加工区材料的应变率，降低加工损伤深度，提高加工表面完整性，同时极大地提高材料加工效率。因此深入研究超高速加工理论和技术，对我国由制造业大国向制造业强国转变具有重要的战略意义。

为此，张璧教授与博士生殷景飞在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了综述文章“The ‘skin effect’ of subsurface damage distribution in materials subjected to high-speed machining”，系统地阐述了超高速加工中材料加工损伤的趋肤现象（图1），研究并探讨引起“趋肤效应”的主要影响因素，最后展望了该研究领域的未来发展方向。

图1硬脆材料的亚表面损伤深度随加工应变率提高而减小

（二）高应变率下的材料脆化机理

难加工材料如硬脆材料、钛合金及各种复合材料，广泛应用于飞机制造、空间探测、轨道交通、生物医疗、半导体和汽车等行业。如何实现难加工材料的高效低损伤加工一直是制造业研究的重点。张璧教授提出，通过提高加工过程中材料应变率，实现加工过程中的“材料脆化”，进而降低亚表面损伤深度，实现“损伤趋肤”。超高速加工提高材料加工应变率，可以大幅提高加工效率，同时减少加工损伤。相关研究对我国实现由制造业大国向制造业强国转变具有重要的战略意义。

由此，张璧教授与博士生杨秀轩在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表综述文章“Material embrittlement in high strain-rate loadings”，系统地阐述了高应变率诱发“材料脆化”机理、应变率对材料剩余强度s（材料极限抗拉强度与屈服强度的差值）的影响规律（图2），以及“材料脆化”在超高速加工中的未来展望。

图2应变率对材料剩余强度s的影响

（三）选区激光熔化增材制造缺陷形成机理

选区激光熔化（SLM）是金属零件制造的研究热点之一。图3为SLM增材制造零件孔隙密度与激光能量密度关系图。在SLM工艺过程中，激光束对粉床选择性扫描和熔融，进行增材制造。SLM工艺过程往往会产生制造缺陷，影响零件的使用性能。缺陷控制是SLM增材制造工艺中的一个技术难题。针对SLM工艺过程中的制造缺陷问题，张璧教授与研究生李永涛在《机械工程学报》上发表“Defect Formation Mechanisms in Selective Laser Melting: A Review”论文并获评第三届高影响力论文，文章围绕SLM增材制造，研究成形件内部缺陷产生规律，分析激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数对成形件内部缺陷的影响。

图3SLM增材制造零件孔隙度与激光能量密度关系图

附录

张璧

1.教育经历

1990/06-1992/08

美国俄克拉荷马州立大学机械工程系博士后

1989/01-1990/05

上海交通大学机械工程系博士后

1985/04-1988/03

日本东京工业大学机械工程系博士

1982/10-1985/03

日本东京工业大学机械工程系硕士

1982/02-1982/09

大连外国语学院日语培训班

1978/02-1982/01

江苏大学本科

2.工作经历

·2017/06-至今，南方科技大学机械与能源工程系讲席教授

·2017/06-至今，南方科技大学工学院副院长

·2014/01-2017/05，大连理工大学特聘教授

·2015/01-2017/05，“辽宁重大装备制造协同创新中心”精密与特种加工团队负责人

·1992/08-2013/12，康涅狄格大学机械工程学科助理教授、副教授、教授

·2011/09-2013/04，康涅狄格大学制造工程与管理学科主任

·2009/07-2013/04，康涅狄格大学机械工程本科教学主任

·2001/10-2009/09，湖南大学客座教授

·2001/10-2009/09，国家高效磨削工程技术研究中心总工程师

·1993/08-1998/07，康涅狄格大学精密机床研究中心主任

·1988/04-1988/12，日本电器公司材料设计与开发研究中心工程师

3.社会兼职

·国际生产工程院会士（Fellow, The International Academy for Production Engineering ― CIRP）

·美国机械工程师协会会士（Fellow, The American Society of Mechanical Engineers ―― ASME）

·中国机械工程学会生产工程分会常务委员；

·《中国机械工程学报》英文版编委（Editorial Board Member）

·《纳米技术与精密工程》（Journal of Nanotechnology and Precision Engineering）期刊编委

·《金刚石与磨料磨具工程》期刊编委

4.成果奖励

·High Research Impact Paper Award, CJME/CMEC, 2019.

·Best Paper Award, The 2014 Solid Freeform Fabrication Symposium, Texas, USA, August 4-6, 2014.

·Outstanding Contribution Award, The 8th International Conference on Frontiers of Design and Manufacturing, 2008.

·Marquis Who's Who in American Education, 2006.

·Mechanical Engineering Outstanding Faculty Award, UCONN 2003.

·Outstanding Reviewer for ASME J. Manuf. Sci. & Eng., 1999.

·National Science Foundation (NSF) Research Initiation Award, 1993.

5.主要成果

张璧教授于1995年提出陶瓷等硬脆材料加工“脆性域（Brittle-Regime）”去除学说推翻了国际上广泛接受的“塑性域（Ductile-Regime）”去除学说。“脆性域”去除学说认为，陶瓷等硬脆材料的位错与滑移系统在数量上远低于金属材料，在磨削加工条件（磨削加工速度通常是切削加工的10倍）下，可移动位错与滑移系统数量下降，加工区材料脆性增强，材料去除主要在“脆性域”基体上进行，加工效率大幅度提高。为此，国际生产工程院磨削科技委员会（STC G）在1999年的年度大会上对此进行了讨论，并作出决议：不再使用“塑性域”去除学说。STC G决议对“脆性域”去除学说予以了充分肯定，说明“脆性域”去除学说真实地反映了磨削（高速）加工条件下硬脆材料的去除机理，对这类材料的高效精密加工具有指导意义。

基于“脆性域”去除学说，张璧教授近期在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了关于超高速加工中“材料脆化”和加工“损伤趋肤”理论的系列文章，获得了同行的广泛关注。“材料脆化”理论认为，在高应变率（高速）条件下被加工材料（包括金属材料）呈现脆性特征；应变率越高，加工区材料脆性特征越明显，表现为应变率诱发“材料脆化”。在高应变率条件下，部分可动位错没有足够的时间发生滑移，变为不可动位错，并阻碍其他位错的滑移，导致位错塞积，进而使微裂纹形核与扩展，加工区材料的位错与滑移数量会大幅度降低，抑制加工热的产生，导致材料脆化。“损伤趋肤”理论认为，加工损伤深度随着加工应变率的提高而降低，表现出“趋肤效应”。“材料脆化”和“损伤趋肤”是高速加工中材料对施加载荷的物理力学反应，可以理解为“在应变率诱发材料脆化过程中，加工损伤（例如裂纹、位错、相变）局限于加载（切削）区域，损伤范围随着加工速度（应变率）的增加而减小。”

“材料脆化”和“损伤趋肤”理论建立在“脆性域”去除学说之上，奠定了高应变率加载条件下材料加工的理论基础。超高速加工提高材料加工应变率，可以大幅提高加工效率与工件质量。

基于“脆性域”去除学说，张璧教授1998年担任康涅狄格大学“精密机床研究中心”主任期间，开发了美国首台超高速精密无心磨床，最大线速度可达250 m/s；2003年任职“国家高效磨削工程技术研究中心”总工程师期间，研制了一台线速度为305 m/s的超高速平面磨床。这些超高速磨床的研发为超高速加工研究奠定了基础。

张璧教授发表了200多篇有影响力的高水平论文，以及17项发明专利，其中美国发明专利“Vacuum-Hydrostatic Shoe for Centerless Grinding”，将无心磨削轴承滚道的接触式支承改为非接触式支承，用于轴承滚道的超高速加工，已成功应用于美国 Torrington 轴承公司，在提高加工效率的同时，也解决了传统支承的快速磨损问题，节约了大量更换支承的停机时间，保证生产线连续工作，大大地提高了该公司轴承加工的效率、产能以及加工质量，降低了加工成本。

编辑：李楠校对：张强

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来源：IJEM。

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