上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會昨天上午（5月26日）舉行，隆重表彰為國家、為上海科技事業(yè)和現(xiàn)代化建設(shè)作出突出貢獻(xiàn)的科技工作者。上海交通大學(xué)共有39項(xiàng)第一完成單位成果（人）獲得表彰，其中特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，一等獎(jiǎng)27項(xiàng)，醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院鄒多宏教授榮獲青年科技杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)總數(shù)和一等獎(jiǎng)數(shù)雙雙蟬聯(lián)上海市首位，一等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)數(shù)創(chuàng)學(xué)校歷史最好成績。

走近技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)：勇立時(shí)代潮頭、勇攀科技高峰

王宇晗教授在上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會現(xiàn)場

在39項(xiàng)獲獎(jiǎng)成果中，交大機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院王宇晗教授牽頭完成的項(xiàng)目“航空航天大型曲面蒙皮/箱底雙五軸鏡像銑削技術(shù)與裝備”斬獲技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

王宇晗教授團(tuán)隊(duì)

上海拓璞生產(chǎn)車間

上海光華路888號的重裝廠房內(nèi)，轟鳴的機(jī)器日夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)著。這里組裝的通用型五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合加工機(jī)床，預(yù)計(jì)今年銷售將突破百臺。它的出現(xiàn)，有望給中國裝備制造業(yè)帶來翻天覆地的變化。
 

研發(fā)這款工業(yè)機(jī)床的上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司，由上海交通大學(xué)機(jī)械與工程學(xué)院教授王宇晗等五位畢業(yè)于上海交大的博士共同創(chuàng)立。16年來，他們跨越從實(shí)驗(yàn)室到市場的鴻溝，發(fā)明了大型柔性零件的精密加工方法——鏡像銑，解決了飛機(jī)和火箭超大超薄柔性曲面的綠色高精高效加工難題。

鏡像銑作為一款數(shù)控機(jī)床，是高端工業(yè)母機(jī)的典型代表，用于解決航空航天大型柔性曲面零件的加工難題。在拓璞數(shù)控突破之前，全球僅有兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)掌握這一技術(shù)，并對我國實(shí)施技術(shù)封鎖。拓璞公司研制的全球尺寸最大的12米臥式雙五軸鏡像銑裝備，將空間精度比國際最高水平提升了一倍。鏡像銑技術(shù)及裝備的突破，不僅有力支撐了我國大飛機(jī)和空間探索事業(yè)的發(fā)展，更對中國制造走向高端意義重大。

昨天（5月26日），這項(xiàng)由上海交通大學(xué)牽頭，上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司、上海飛機(jī)制造有限公司、上海航天設(shè)備制造總廠有限公司、天津航天長征火箭制造有限公司和成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司共同完成的“航空航天大型曲面蒙皮/箱底雙五軸鏡像銑削技術(shù)與裝備”項(xiàng)目，被授予2022年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

精確控制“針”和“頂針”：巧解飛機(jī)制造中的“雞蛋殼難題”

為什么說大飛機(jī)制造難？不妨從一塊金屬蒙皮說起。

機(jī)械加工行業(yè)流傳著這樣一句話：“硬的不怕，就怕軟的”。零件越硬，越是可以用銑削的方法把它加工出來，如果要加工的是怕雕、怕鑿、怕碰的“雞蛋殼”呢？

包裹在飛機(jī)骨架外部的蒙皮，是決定飛機(jī)疲勞壽命的主承載零件，占機(jī)身總面積的80%、總重量的21%。雖然從外表看只是一塊金屬薄皮，卻有10層厚度，最薄處跟雞蛋殼差不多。

由于飛機(jī)對重量有嚴(yán)格要求，因此蒙皮也必須在保證強(qiáng)度的情況下盡量“減重”。飛機(jī)蒙皮在加工過程中的動(dòng)態(tài)變形高達(dá)壁厚精度的60倍，極易出現(xiàn)壁厚不均、銑穿扎洞等問題。

長期以來，蒙皮薄壁件的制造方法為化學(xué)腐蝕銑，即用化學(xué)試劑腐蝕掉多余的金屬。這種工藝工序流程長，會排放大量廢液廢氣，影響工人身體健康，由此加工的產(chǎn)品精度低、制造周期長、表面質(zhì)量差。

鏡像銑是解決柔性薄壁蒙皮類零件精密制造的最新技術(shù)。何謂鏡像銑？會針線活的人應(yīng)該知道，當(dāng)針線穿過柔軟的布匹后，需要用戴在手指上的頂針提供支撐力。鏡像銑就相當(dāng)于一面用針在蒙皮上雕刻，一面由頂針提供小范圍支撐。蒙皮兩側(cè)的設(shè)備互相對應(yīng)，協(xié)同行動(dòng)，如同鏡像。

雙五軸鏡像銑削原理

既然技術(shù)思想與針線活如出一轍，那么難點(diǎn)在哪兒呢？王宇晗說了兩個(gè)簡單的詞：精度和控制。

在精度上，拓璞團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)了數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域最高自由度——五軸。在空間中，三個(gè)直線軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸理論上可以定位任一坐標(biāo)，這也意味著五軸機(jī)床能加工出任意形狀的零部件。又因?yàn)檫@是一臺鏡像銑設(shè)備，說是五軸，實(shí)際上是雙五軸，而且加工范圍超過50m3（上標(biāo)），在如此超大的空間內(nèi)，五軸聯(lián)動(dòng)的空間精度要求較常規(guī)機(jī)床提升十倍以上。

一個(gè)案例可以說明五軸鏡像銑對精度要求到了什么地步。2019年，拓璞公司在臨時(shí)租借的場地中裝備的機(jī)床加工產(chǎn)品始終無法合格，工人們急得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)。公司制造專家鐘磊博士和制造部經(jīng)理陳玉龍連夜趕赴現(xiàn)場，可半夜測量的結(jié)果竟然全部合格了。直到清晨，大家對著激光干涉儀的數(shù)據(jù)思考時(shí)，一輛汽車的鳴笛聲打破了沉寂，大家這才恍然大悟。原來問題出在廠房旁邊的公路上，車輛經(jīng)過造成的振動(dòng)被設(shè)備上側(cè)的X軸放大，導(dǎo)致定位誤差波動(dòng)。

在控制上，以鏡像關(guān)系存在的“針”和“頂針”需要在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下保持完全一致的行動(dòng)。由于蒙皮只有雞蛋殼般厚，如果一側(cè)用力而另一側(cè)沒有頂住，結(jié)果就會是一個(gè)窟窿。

蒙皮鏡像銑削加工

這樣的情況在研發(fā)早期經(jīng)常發(fā)生。2018年，王宇晗和畢慶貞正在開會分析工件銑穿的原因，會開到一半，樓下工人就跑來報(bào)告，剛才鏡像銑又把工件銑穿了兩次。“鏡像銑對控制的苛刻程度，就好比要求足球場上奔跑的兩名運(yùn)動(dòng)員腳下的足球運(yùn)動(dòng)軌跡完全一致。”王宇晗說。

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)艱苦研發(fā)，終于解決了鏡像銑的復(fù)雜控制可靠性問題，銑穿工件的“事故”從幾乎每天發(fā)生減少到三年都未碰到，大大提升了鏡像銑機(jī)床應(yīng)用的可行性，用戶終于可以放心地使用鏡像銑機(jī)床加工貴重工件了。

三個(gè)月“燒”完1500萬首筆融資：“窮博士”創(chuàng)業(yè)迎來政府支持

2007年，王宇晗等五位畢業(yè)于上海交大機(jī)械專業(yè)及管理學(xué)專業(yè)的博士創(chuàng)建了拓璞數(shù)控公司。之所以有了開公司的沖動(dòng)，王宇晗說，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)覺得五軸機(jī)床這個(gè)產(chǎn)品距離突破就差“臨門一腳”，大家一心想把產(chǎn)品做出來。

懷揣著一腔熱情的博士們沒有等來期待中的“臨門一腳”，反而率先品嘗到了被市場“退貨”的苦酒。雪上加霜的是，僅僅三個(gè)月，他們就“燒”光了第一次在資本市場上融到的1500萬元，公司發(fā)展舉步維艱。

2008年春節(jié)，給工人發(fā)完工資后，幾位創(chuàng)始人的口袋里所剩無幾，連一張回家的火車票都買不起。工廠會議室里，坐著各地前來“討債”的供應(yīng)商。

其實(shí)，就產(chǎn)品質(zhì)量來說，被退貨的產(chǎn)品完全符合各項(xiàng)指標(biāo)，但因五軸機(jī)床需要大量切屑液沖走銑削過程中產(chǎn)生的金屬廢料，產(chǎn)品有微小的漏水也會被客戶退貨。王宇晗感慨：“打磨出一個(gè)被市場接受的可靠產(chǎn)品，其投入甚至是核心技術(shù)突破的10倍！”

好在，比起微米級別的精確控制，“漏水”只是團(tuán)隊(duì)初戰(zhàn)市場遇到的小問題，這更讓博士們意識到搞產(chǎn)品和搞科研的極大不同。脫去“書生氣”后，他們很快推出大飛機(jī)自動(dòng)鉆鉚設(shè)備、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床等近10項(xiàng)國內(nèi)領(lǐng)先的高端裝備核心技術(shù)產(chǎn)品。

2012年，拓璞實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)收支平衡，高速發(fā)展的公司對場地有了更多要求。而高端制造裝備加工所需的高標(biāo)準(zhǔn)重裝大廠房，不是“窮博士”能負(fù)擔(dān)得起的。為了尋找創(chuàng)業(yè)場地，他們跑了上海許多地方，也到過外地考察。這一舉動(dòng)引起了政府相關(guān)部門的關(guān)注。

鏡像銑生產(chǎn)線

為了加快這一高端制造數(shù)控裝備項(xiàng)目的落地，市經(jīng)信委啟動(dòng)了重大技術(shù)裝備研制專項(xiàng)。2012年6月，市領(lǐng)導(dǎo)前往拓璞公司調(diào)研。同年9月，市科委撥款，在公司籌建“上海特種數(shù)控裝備及工藝工程技術(shù)研究中心”，并啟動(dòng)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目。閔行區(qū)科委也給予其重點(diǎn)項(xiàng)目支持。

很快，占地1.8萬平方米、總投資2億元的一座現(xiàn)代化高標(biāo)準(zhǔn)重裝廠房，在光華路888號的莘莊工業(yè)區(qū)內(nèi)拔地而起。拓璞團(tuán)隊(duì)只花了200萬元就實(shí)現(xiàn)“拎包入住”，且被告知三年內(nèi)免付租金。畢慶貞說：“這對初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)非常重要，因?yàn)橐婚_始公司的研發(fā)費(fèi)用占總支出的30%以上，至今仍保持著20%的占比。”入駐“新家”后僅一年，拓璞就拿到1.9億元的市場訂單，形勢喜人。

壯士斷腕砍掉90%產(chǎn)品線：深耕關(guān)鍵技術(shù)叩開高端機(jī)床市場大門

2019年，拓璞數(shù)控員工隊(duì)伍從120人擴(kuò)容至480多人，公司推出了精密機(jī)械傳動(dòng)、開放式高檔數(shù)控系統(tǒng)和先進(jìn)制造工藝三大技術(shù)平臺，同時(shí)運(yùn)行的產(chǎn)品線達(dá)100多個(gè)。

然而，危機(jī)卻暗藏其中。“我們一直秉持‘不在現(xiàn)場就沒有發(fā)言權(quán)’的原則，要求管理人員長期駐扎一線，但隨著產(chǎn)品線增多，有經(jīng)驗(yàn)的管理人員慢慢不夠用了，新培養(yǎng)的管理人員有時(shí)無法敏銳地解決現(xiàn)場問題。慢慢地，延期交貨現(xiàn)象越來越多，產(chǎn)品口碑也在下滑，最后竟遭遇了管理體系的崩潰。”回憶那一段經(jīng)歷，王宇晗無比痛心。

危機(jī)時(shí)刻，拓璞團(tuán)隊(duì)以壯士斷腕的決心砍掉了占比高達(dá)90%的非標(biāo)產(chǎn)品線，重建流程化管理體系，重申“不到現(xiàn)場就沒有發(fā)言權(quán)”。在公司的產(chǎn)品綜合手冊里，他們把“兩小時(shí)內(nèi)響應(yīng)，24小時(shí)到達(dá)客戶現(xiàn)場”作為開卷第一條。

2021年是臥式航空鏡像銑規(guī)模化應(yīng)用的開始。由于客戶應(yīng)用工況特殊，其核心厚度指標(biāo)較常規(guī)提升五倍以上，在面積-厚度比高達(dá)800萬的薄壁零件上，這是一項(xiàng)難度系數(shù)呈幾何級增加的挑戰(zhàn)。

55歲的王宇晗帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)駐扎現(xiàn)場，連續(xù)兩個(gè)月與項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)一起奮戰(zhàn)至凌晨兩點(diǎn)。11月初的某個(gè)凌晨一點(diǎn)，設(shè)備在加工蒙皮的過程中突然出現(xiàn)控制異常，王宇晗在觀察后迅速作出判斷：原來是新定制的聚晶金剛石刀具質(zhì)量不穩(wěn)定，更換新刀具后，加工質(zhì)量馬上穩(wěn)定下來。

“這段經(jīng)歷提醒我們，做企業(yè)一定要專注于自己的專業(yè)方向，不要看到哪個(gè)東西賺錢了就去做。只有不忘初心，在一個(gè)地方深扎下去，才可能結(jié)出更大的果實(shí)。”王宇晗說。

擁有核心技術(shù)的硬科技產(chǎn)品終于響當(dāng)當(dāng)?shù)剡甸_了市場大門。拓璞團(tuán)隊(duì)的鏡像銑設(shè)備研制成功后，一舉占據(jù)全部鏡像銑裝備市場。在鏡像銑設(shè)備中，12臺交付給了飛機(jī)蒙皮生產(chǎn)線。新工藝引進(jìn)后，原先需要20多道工序、應(yīng)用數(shù)十種化學(xué)藥劑的流水線，如今可由鏡像銑機(jī)床一次完成。中國工程院院士、C919總設(shè)計(jì)師吳光輝對此豎起了大拇指。他認(rèn)為，鏡像銑技術(shù)為國產(chǎn)大飛機(jī)的研制與批量生產(chǎn)提供了關(guān)鍵支撐。要知道，一張蒙皮的價(jià)值達(dá)200多萬元，而一架大飛機(jī)上有200多張這樣的蒙皮。

2021年前，鏡像銑制造的火箭箱底只應(yīng)用于少數(shù)型號上。隨著鏡像銑箱底數(shù)倍于傳統(tǒng)化銑工藝的承壓能力得到認(rèn)可，拓璞公司接到的鏡像銑箱底制造訂單也開始爆發(fā)式增長，有望成為公司未來的增長點(diǎn)。

從基礎(chǔ)研究出發(fā)：做一家闖蕩高端裝備“無人區(qū)”的偉大公司

如果讓王宇晗傳授一項(xiàng)創(chuàng)業(yè)成功的關(guān)鍵秘訣，他的答案始終不變，就是基礎(chǔ)研究。“基礎(chǔ)研究是一切的起點(diǎn)。”他說，“鏡像銑的最大突破是基礎(chǔ)理論的突破，我們的論文都作為機(jī)械學(xué)科國際頂刊《國際機(jī)床與制造雜志》（IJMTM）的封面文章發(fā)表。這些都得益于上海交大的學(xué)科優(yōu)勢、多領(lǐng)域人才優(yōu)勢，有了交大學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)的支持，才能實(shí)現(xiàn)我們技術(shù)上的突破。”

航空航天大型曲面蒙皮/箱底雙五軸鏡像銑削技術(shù)與裝備

團(tuán)隊(duì)在大量算法嘗試與驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，發(fā)明了針對柔性零件的鏡像銑柔性編程加工工藝方法，創(chuàng)造性地提出了基于測地線導(dǎo)數(shù)解析計(jì)算的曲面等距映射匹配方法，匹配精度較剛性工件匹配方法提高10倍，實(shí)現(xiàn)了柔性曲面零件上輪廓的精確加工。

對于未來，拓璞的目標(biāo)清晰而堅(jiān)定——堅(jiān)持自主創(chuàng)新，闖蕩巨頭林立的全球高端裝備制造業(yè)市場，在中國高端裝備“無人區(qū)”中創(chuàng)造一家偉大的公司，而不僅僅是做一家會賺錢的民企。

鐘磊表示，高端制造業(yè)發(fā)展需要設(shè)計(jì)、控制、軟件和工藝“四足鼎立”。過去，中國制造總“缺條腿”，其中作為工業(yè)母機(jī)的數(shù)控機(jī)床是根本性的短板，“很多時(shí)候，我國裝備制造與國際尖端的差距，往往就在一臺五軸數(shù)控機(jī)床。”

比如，想要制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪、葉片、船用螺旋槳等零部件，五軸機(jī)床是唯一的加工手段。美國、日本、德國等制造業(yè)強(qiáng)國在上世紀(jì)80年代已經(jīng)擁有，而我國在高端精密加工機(jī)床領(lǐng)域一直落后。沒有高端機(jī)床，就沒有會使用高端機(jī)床的人才，造出的零件精密程度就落后于人，無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。

“現(xiàn)在，我們的五軸機(jī)床精度完全可以和德國、日本掰掰手腕，相信在國內(nèi)龐大的應(yīng)用需求牽引下，高端裝備制造上的突破值得期待。”拓璞公司總產(chǎn)品線總監(jiān)陳昊說。

在最有可能實(shí)現(xiàn)彎道超車、換道超車的汽車工業(yè)領(lǐng)域，拓璞已面向市場推出五軸車銑復(fù)合加工中心i500。據(jù)介紹，這是一臺可實(shí)現(xiàn)任意角度鉆孔、攻絲和端銑的高精度五軸數(shù)控機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件一道工序成型，加工精度達(dá)到2微米，相當(dāng)于頭發(fā)絲的1/50。

記者手記：“拓璞突圍不是偶然”

“‘拓’寓意開拓，‘璞’寓意璞玉，‘拓璞’寓意開拓創(chuàng)新、琢璞至臻。上海的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)環(huán)境孕育出懷揣一腔報(bào)國熱誠的拓璞數(shù)控，這不是偶然。”說起創(chuàng)辦拓璞的初心，王宇晗無比感懷。

拓璞的成功，與上海交大敢闖敢試、探索促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化的體制機(jī)制分不開。2007年之前，王宇晗一直是上海交大機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院的教授，當(dāng)他決心創(chuàng)業(yè)時(shí)，學(xué)校為免其后顧之憂，為他保留了教授職位。雖然如今“留崗創(chuàng)業(yè)”已十分普遍，但在當(dāng)時(shí)，學(xué)校拿出如此舉措，需要十足魄力。

創(chuàng)業(yè)初始，王宇晗團(tuán)隊(duì)人手嚴(yán)重不足，同在交大的林忠欽院士將自己的團(tuán)隊(duì)成員“借”給他用。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都在攻關(guān)航空航天任務(wù)，在研究上有諸多共性難題，他們相互學(xué)習(xí)，在質(zhì)量控制方面，林忠欽院士團(tuán)隊(duì)對王宇晗團(tuán)隊(duì)的幫助巨大。

直到今天，王宇晗仍是上海交大的教授。如今，他把課堂搬到了拓璞的廠房中。每年有不少學(xué)生來到光華路888號實(shí)習(xí)，一線的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對他們認(rèn)識行業(yè)、確立目標(biāo)、精進(jìn)技藝大有裨益。

“五博士創(chuàng)業(yè)”的故事在上海交大學(xué)生中代代相傳。眼下，上海交大已是投資人眼中最受歡迎的高校之一，校區(qū)附近的“大零號灣”也是上海創(chuàng)業(yè)熱度最高的區(qū)域之一。

本年度上海科技獎(jiǎng)的榜單上，上海交大作為第一完成單位共有39項(xiàng)成果（人）獲得表彰，其中特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，一等獎(jiǎng)27項(xiàng)。在交大校內(nèi)的“基礎(chǔ)研究特區(qū)”，數(shù)十個(gè)前沿探索課題正在穩(wěn)定支持下研究推進(jìn)。而在交大周邊的“大零號灣”，目前已有60余家交大師生創(chuàng)業(yè)企業(yè)入駐，總估值超過500億元，其中估值超過2億元的有29家。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前交大師生、校友在“大零號灣”開辦企業(yè)已超過600家。

對標(biāo)世界級科創(chuàng)灣區(qū)，2035年，“大零號灣”將形成萬億市值的高技術(shù)企業(yè)集群。王宇晗相信，在上海火熱的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)氛圍中，這里一定能誕生一批和拓璞一樣偉大的公司。

原文鏈接：

上海交大王宇晗教授牽頭完成項(xiàng)目“航空航天大型曲面蒙皮/箱底雙五軸鏡像銑削技術(shù)與裝備”獲技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)