超精密機床基礎(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)展提供強大技術(shù)支撐。然而此前我國超精密機床及關(guān)鍵基礎(chǔ)部件主要依賴進口。

芯軸多傳感器在位測量。國防科技大學(xué)供圖

國內(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現(xiàn)。以磨削直徑100毫米、長300毫米的軸芯為例，我國外圓磨床大概能夠磨到1至2微米的水平，而國外可達到0.3至0.5微米的水平。

為破解機床和關(guān)鍵部件技術(shù)難題，國防科技大學(xué)教授戴一帆團隊歷時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)中國計量科學(xué)研究院測試，該靜壓主軸相關(guān)參數(shù)達到國際先進水平，這將有效提升我國超精密加工精度。相關(guān)研究成果先后發(fā)表于《材料》和《微型機械》。  

像鐵鍬整地那樣研磨超精密零件

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

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

戴一帆團隊長期從事現(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去除的精度進化加工。團隊嘗試將這種“精度進化”原理的加工方法用于機械零件高精度加工，最終通過加工原理的創(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”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?！贝饕环f，這個過程依靠的是成套數(shù)字化設(shè)備，包括獲取圓柱形貌的高精度圓度儀、實現(xiàn)材料去除量數(shù)字化精確可控的控時磨削機床、獲得磨削工具在特定空間位置停留時間的專用計算機程序等。

機械取代有經(jīng)驗的工人師傅

借助新工藝，戴一帆團隊突破了基于精度進化原理的控時磨削加工技術(shù)，形成了圓柱類零件在位加工檢測一體工藝方法，成功研制出超精密空氣靜壓主軸。

中國計量科學(xué)研究院測試結(jié)果顯示，該空氣靜壓主軸徑向跳動小于15納米、端面跳動小于15納米。這個跳幅相當于頭發(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)運動造成的振幅不會超過1米。

測試結(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，就是主軸可以在20公斤的重力載荷下紋絲不動，變形量不會超過1微米，即頭發(fā)絲直徑的百分之一。對比代表美國超精密領(lǐng)域最高水平的Precitech公司的產(chǎn)品手冊，上述技術(shù)指標與其相當甚至更高。

當前，國內(nèi)外可將軸類零件外圓圓度加工研磨到零點幾微米的水平，如果再想提升只能靠手工研磨修整。“我們的新技術(shù)可以擺脫對極其有經(jīng)驗的工人師傅的依賴，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)展提供強大技術(shù)支撐，完善高端機床產(chǎn)業(yè)鏈配套，大幅增強高性能功能部件競爭力，促進高端精密與超精密機床實現(xiàn)國產(chǎn)化。

戴一帆補充說，這些突破還將有效解決探測制導(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，進一步助力高端核心零件超精密加工批量化生產(chǎn)，實現(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

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