第一作者：李殿中汇发网
通讯作者：李殿中
通讯单位：中国科学院金属研究所
DOI: 10.11900/0412.1961.2024.00412
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金属零部件的制造过程涉及合金设计、原材料制备、冶炼、铸坯、锻轧、、精密冷加工等，研究工作理应贯穿金属制造与服役的全生命周期。只有贯通全生命周期技术链，金属的性能才能充分发挥。以往的工艺技术研究多注重“点”的突破，而在金属材料与零部件的加工中间经常出现“断链”现象，导致高端零部件的性能不合格、不稳定、不可靠，甚至大量依赖进口。为解决上述问题，本文以直径8 m级盾构机主轴承研制为例，从套圈用轴承钢的V、B、稀土共合金化设计出发，基于高纯净、高均质轴承钢的制造和高性能轴承零部件精密加工，阐述了轴承制造全流程的关键技术及其关联性，重点介绍了连接轴承材料到轴承零部件的热处理技术和大型滚子的精密加工技术。在此基础上，成功制造了性能优异的大型盾构机主轴承，具备进口替代能力。基于此，本文提出了金属链创制的学术思想，即从材料设计的源头出发，对合金设计、原材料制备、冶炼、铸坯、锻轧、热处理、精密冷加工、装配制造、检测评价、应用考核等全链条进行研发，通过从全链条角度识别各工序的关键数据，并对其进行调控和传递，迭代优化，贯通技术链，打造创新链，对接产业链，实现金属材料与高端零部件的可控制造。
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关键词
金属链, 合金设计, 热加工, 冷加工汇发网, 创制
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图文精选
在中国科学院高端轴承先导科技专项的支持下，作者团队总共研制了7996粒、精度等级为G1级的大型圆柱滚子成品，覆盖直径规格40~130 mm，分别用于10套盾构机直径3~8 m主轴承的成套装配。360粒直径130 m大型圆柱滚子的直径规值≤ 1 μm、端跳≤ 6 μm、滚动表面粗糙度≤ 0.1 μm、圆度误差≤ 0.5 μm。特别是，弧面廓线符合真实对数曲线标准，滚动面粗糙度< 0.125 μm、端面粗糙度< 0.25 μm、分选直径规值< 2 μm、长度规值< 10 μm，达到G1级尺寸精度。从每一规格自研大型圆柱滚子中抽取5粒成品，分别测试5个部位的凸度。测试结果显示，所有规格的自研大型圆柱滚子凸度均在规定的误差范围之内。
采用自研大型套圈和圆柱滚子装配的直径8 m级主轴承，是我国自主研制的最大直径等级的盾构机用主轴承。2022年9月30日和2023年6月9日，经国内外同类产品对比和专家组现场考察评审，认为国产直径8 m级主轴承的各项技术指标达到了同类进口主轴承的先进水平，部分指标处于国际领先水平，具备进口替代能力，满足大型盾构机装机应用需求。专家组认为：“自研直径8 m级主轴承是交通强国建设的支撑成果，是关键科技自立自强的重大成果，是世界水平的重大成果，对于盾构隧道和装备制造领域具有里程碑意义”。自研的直径8 m级主轴承实物如图1所示。
图1盾构机用直径8 m级主轴承实物
Fig.1Photo of the 8-meter-diameter main bearing of shield tunneling machine
基于重大装备关键零部件的生产实践，本文作者首次提出了金属链创制的学术思想，如图2所示。其基本内涵是：首先分析零部件甚至是整机的性能需求以及其加工制造工艺流程特点，而后从合金设计源头出发，研发工作贯通原材料制备、冶炼、铸坯、锻轧和热处理等热加工、零部件精密加工、装配制造、检测评价、应用考核等全链条，并从全链条角度识别各工序的关键数据，对其进行调控，在全链条内各环节间进行有效的数据传递和技术闭环迭代，解决金属材料制备与零部件精密加工和服役之间的“断链”问题，贯通关键零部件制造和评价全流程的技术链，打造创新链，对接产业链，从而实现金属材料与高端零部件的可控制造。
图2金属链创制示意图
Fig.2Schematic of metal chain creation
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总结与展望
本文以直径8 m级的盾构机主轴承为例，从材料源头出发，进行了合金设计、稀土添加、高纯净高均质轴承钢制造、热处理、大型滚子精密加工等全链条的关键技术研发，贯通了技术链、创新链，对接了产业链，初步实现了盾构机主轴承的可控制造。基于此，本文提出了金属链创制的学术思想，即从材料设计的源头出发，贯通合金设计、原材料制备、冶炼、铸坯、热加工、精密冷加工、装配制造、检测评价、应用考核全链条，通过关键数据识别传递与迭代优化等进行全链条控制，实现金属材料与高端零部件的可控制造。
未来将深入开展金属链创制的研究工作，结合人工智能等技术，进行金属链的大数据挖掘，通过数据传递和迭代优化，对金属制造的全生命周期进行数字化、智能化控制。在此基础上，继续拓展金属链的研究应用，从以往的金属研究和轴承制造，进一步延伸到主轴和高档机床主机的制造，从而实现从材料到主机装备的全产业链金属链创制，满足国家重大需求。
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引用本文
李殿中, 胡小强, 王培. 金属链创制[J]. 金属学报, 2025, 61(2): 203-210.Dianzhong LI, Xiaoqiang HU, Pei WANG. Metal Chain Creation[J]. Acta Metall Sin, 2025, 61(2): 203-210.
来源：金属学报。
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