超精密機(jī)床基礎(chǔ)部件加工與應(yīng)用技術(shù)的突破，能為制造業(yè)的生存和發(fā)展提供強(qiáng)大技術(shù)支撐。然而此前我國(guó)超精密機(jī)床及關(guān)鍵基礎(chǔ)部件主要依賴進(jìn)口。

芯軸多傳感器在位測(cè)量。國(guó)防科技大學(xué)供圖

國(guó)內(nèi)外軸類零件外圓圓度加工，基本都是靠超精密的外圓磨床實(shí)現(xiàn)。以磨削直徑100毫米、長(zhǎng)300毫米的軸芯為例，我國(guó)外圓磨床大概能夠磨到1至2微米的水平，而國(guó)外可達(dá)到0.3至0.5微米的水平。

為破解機(jī)床和關(guān)鍵部件技術(shù)難題，國(guó)防科技大學(xué)教授戴一帆團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年，提出軸類零件外圓圓度確定性修形加工工藝技術(shù)，使軸芯加工圓度精度提升到0.1微米，并成功研制出超精密空氣靜壓主軸。近日，經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院測(cè)試，該靜壓主軸相關(guān)參數(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，這將有效提升我國(guó)超精密加工精度。相關(guān)研究成果先后發(fā)表于《材料》和《微型機(jī)械》。  

像鐵鍬整地那樣研磨超精密零件

我國(guó)超精密機(jī)床及關(guān)鍵基礎(chǔ)部件此前之所以主要依賴進(jìn)口，最大的技術(shù)難題在于缺少加工核心零件的“工作母機(jī)”，即制造機(jī)器和機(jī)械的機(jī)器，又稱工具機(jī)，包括車床、磨床、刨床、鉆床等，是制器之器、工業(yè)自強(qiáng)之基。

一般的機(jī)械加工是將機(jī)床精度“復(fù)印”到零件的過(guò)程，也就是說(shuō)，沒(méi)有精度高的機(jī)床就加工不出精度高的零件。沒(méi)有精度高的零件，就組裝不出精度高的部件和機(jī)床。沒(méi)有制造高精度零件的工作母機(jī)，就限制了整個(gè)超精密機(jī)床行業(yè)的發(fā)展。

戴一帆團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事現(xiàn)代光學(xué)制造技術(shù)研發(fā)，他們發(fā)現(xiàn)光學(xué)零件的最終制造精度遠(yuǎn)超所使用的加工設(shè)備精度，而光學(xué)制造的基本原理是逐步將誤差高點(diǎn)去除的精度進(jìn)化加工。團(tuán)隊(duì)嘗試將這種“精度進(jìn)化”原理的加工方法用于機(jī)械零件高精度加工，最終通過(guò)加工原理的創(chuàng)新提出軸類零件外圓圓度確定性修形工藝技術(shù)，突破高精度“工作母機(jī)”的限制。

確定性修形工藝是如何工作的？“這就像使用鐵鍬平整一塊地，即在看上去凸起不平的地方鏟去適量的土，如此反復(fù)，直到獲得非常平整的地。”戴一帆說(shuō)，這個(gè)過(guò)程依靠的是成套數(shù)字化設(shè)備，包括獲取圓柱形貌的高精度圓度儀、實(shí)現(xiàn)材料去除量數(shù)字化精確可控的控時(shí)磨削機(jī)床、獲得磨削工具在特定空間位置停留時(shí)間的專用計(jì)算機(jī)程序等。

機(jī)械取代有經(jīng)驗(yàn)的工人師傅

借助新工藝，戴一帆團(tuán)隊(duì)突破了基于精度進(jìn)化原理的控時(shí)磨削加工技術(shù)，形成了圓柱類零件在位加工檢測(cè)一體工藝方法，成功研制出超精密空氣靜壓主軸。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院測(cè)試結(jié)果顯示，該空氣靜壓主軸徑向跳動(dòng)小于15納米、端面跳動(dòng)小于15納米。這個(gè)跳幅相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的六千分之一。如果是地球這么大一根主軸的話，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成的振幅不會(huì)超過(guò)1米。

測(cè)試結(jié)果顯示，空氣靜壓主軸徑向靜剛度大于200牛每微米、軸向靜剛度大于200牛每微米。通俗地說(shuō)，就是主軸可以在20公斤的重力載荷下紋絲不動(dòng)，變形量不會(huì)超過(guò)1微米，即頭發(fā)絲直徑的百分之一。對(duì)比代表美國(guó)超精密領(lǐng)域最高水平的Precitech公司的產(chǎn)品手冊(cè)，上述技術(shù)指標(biāo)與其相當(dāng)甚至更高。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外可將軸類零件外圓圓度加工研磨到零點(diǎn)幾微米的水平，如果再想提升只能靠手工研磨修整?！拔覀兊男录夹g(shù)可以擺脫對(duì)極其有經(jīng)驗(yàn)的工人師傅的依賴，能很容易地按照現(xiàn)代工業(yè)化的模式組織生產(chǎn)，促進(jìn)超精密基礎(chǔ)部件的大批量、高效率生產(chǎn)和應(yīng)用?！贝饕环硎?，超精密機(jī)床基礎(chǔ)部件加工與應(yīng)用技術(shù)的突破，將為制造業(yè)的生存和發(fā)展提供強(qiáng)大技術(shù)支撐，完善高端機(jī)床產(chǎn)業(yè)鏈配套，大幅增強(qiáng)高性能功能部件競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)高端精密與超精密機(jī)床實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

戴一帆補(bǔ)充說(shuō)，這些突破還將有效解決探測(cè)制導(dǎo)關(guān)鍵零部件超精密加工面臨的超精密裝備和核心工藝難題，進(jìn)一步助力高端核心零件超精密加工批量化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)科研成果的快速轉(zhuǎn)化。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.3390/ma13112458

https://doi.org/10.3390/mi14061240

https://doi.org/10.3390/mi14030653

（《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者 王昊昊   通訊員 楊煜昕，刊于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》2023-11-29 第1版 要聞）