高性能制造概念理解
引言：
所谓高性能制造是以高端装备及其关键零部件的性能精准保证为目标的几何和性能一体化制造；它以产品性能建模为核心，通过基于性能模型的面向性能和面向制造的设计，以及面向性能的制造，实现产品的科学设计和最适宜的制造，体现了由几何尺寸及公差要求为主的传统制造向高性能要求为主的先进制造的跃升，在航空航天、能源动力、海洋开发、深空探测等领域具有广泛的应用，其制造能力集中体现了国家综合实力和制造技术水平。本博客对高性能制造的概念和抗疲劳制造的概念进行了总结。
1. 什么是高性能制造？
世界齿轮机械制造业的发展根据齿轮制造技术的 特点和要求可分为 3 个阶段。第一个阶段可称为齿轮 的“成形”制造。它是以成本、时间、空间等为技术判 据，满足形位、表面粗糙度等设计图纸规定要求的制造 技术。其主体是切削加工，标志性指标是表面粗糙度 Ｒa，目标是精密和高效。60 年来在解决齿轮装备“有 无”理念指导下，中国通过引进、仿制国外技术发展了 齿轮机械制造业，建立了良好的齿轮“成形”制造平 台，并成为齿轮制造大国。但是，中国至今仍停滞在传 统的齿轮“成形”制造水平上。由于齿轮“成形”制造 没有与齿轮使用性能直接挂钩，加之切削加工又是表 面应力集中的主要来源，易诱发疲劳强度的应力集中 敏感性，以致成为齿轮结构重、寿命短、可靠性差“三 大问题”的主要原因。第二个阶段可称为齿轮的“表 面完整性”制造。1948 ～ 1970 年，美国齿轮制造业顺 应机械制造业发展需求，研究发展了齿轮的“表面完 整性”制造。这种制造旨在控制齿轮的表面完整性， 是一种以疲劳性能为主要判据和提高疲劳强度的制 造技术。与“成形”制造不同，它除了满足形位、表面 粗糙度等设计图纸规定要求外，还要达到关键构件 的设计性能。其标志性指标是表面粗糙度 Ｒa、残余 应力、疲劳性能为主的“标准数据组”，目标是精密、 高效和疲劳性能，主体仍是切削加工。其成效主要 表现为: ① 1970 年发布标志性成果“机械加工构件 表面完整性指南”; ② 1971年美国空军颁布了“军用 飞机安全寿命设计规范”; ③ 第三代战机寿命从 3000 飞行小时提升到了 5000 飞行小时。1970 年至 今，美国齿轮制造业创新发展了多种齿轮的表层改 性新表面完整制造技术，并于 20 世纪 90 年代初提 出了经济可承受性概念，使齿轮装备寿命不断得以 提高并减免维修。
2. 赵院士-抗疲劳制造
赵院士提出的抗疲劳制造，主要工作就是在切削加工保证形位公差和粗糙度等指标基础上，进一步对表面改性处理，提升零件的抗疲劳特性。
- 所谓“抗疲劳”制造是控制表面完整性和表 面变质层，以疲劳性能为主要判据和提高疲劳强度的 制造技术; 表面完整性是控制加工工艺形成的无损伤 或强化的表面状态; 表面变质层是控制加工工艺形成 的无损伤或强化的亚表层状态。与“表面完整性”制 造不同，抗疲劳制造不仅要满足形位、表面粗糙度等设 计图纸规定要求和达到关键构件的设计性能外，还要 保证关键构件长寿命使用。其标志性指标中，除了表 面粗糙度 Ｒa 等“标准数据组”外，还有“表面变质层数 据组”，抗疲劳制造的目标和使命转变为精密、长寿命 和经济可承受性，主体变为抗疲劳切削加工和高能或 高能复合表层改性。其成效主要表现为关键构件疲劳 寿命较“成形”制造提高几十倍到几百倍，可靠性提高 一个到几个数量级。抗疲劳制造将把中国关键构件和 机械制造带入一个长寿命、高可靠、结构减重和经济可 承受性的新时代，一个绿色、环保、人性化和可持续发 展的新时代，一个占据国际先进水平和竞争地位的新 时代。
- 抗疲劳制造的核心是表层改性，尤其是高能或高 能复合表层改性。但是，在关键构件制造厂中，80% 以 上的工序是切削加工，而切削加工是关键构件疲劳强 度应力集中效应的诱发者和“三大问题”的主要原因。 在关键构件制造厂中，很少甚至没有表层改性工序，更 不要说车间，而表层改性，尤其是高能或高能复合表层 改性是关键构件疲劳强度应力集中效应的抑制者和解 决“三大问题”的关键技术。实现抗疲劳制造是一场 革命，其内涵不仅涉及制造理念、管理理念、制造技术 和从业者，还包括制造车间、工艺和工序设置。其中的 核心和主导者就是表层改性，尤其是高能或高能复合 表层改性。 建立齿轮的抗疲劳加工工艺参数( 加工参数输 入) 与表面和次表面性能以及齿轮零件服役性能等之 间的关系是齿轮抗疲劳制造研究的重点和难点。 研究和发展齿轮新型的抗疲劳制造技术，研发齿 轮的深层渗碳和渗氮、高能复合表面改性新技术，创新 高性能设备和研发新工艺，进一步提高齿轮表层的硬 度和残余压应力水平并使其具有一定的韧性将是未来 齿轮抗疲劳制造工艺和设备研究的主要方向。
参考文献资料
【1】航空发动机主轴承疲劳寿命突破5万小时
【2】喷丸对单晶合金中温疲劳性能的强化机制
【3】齿轮的表面完整性与抗疲劳制造技术的发展趋势
【4】重大装备形性一体化数字孪生关键技术
【5】面向重大装备或关键部件的“形-性”一体化数字孪生