超精密機(jī)床基礎(chǔ)部件與應(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。然而此前我國的超精密機(jī)床及關(guān)鍵基礎(chǔ)部件主要依賴進(jìn)口。

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

為破解機(jī)床和關(guān)鍵部件“卡脖子”技術(shù)難題，國防科技大學(xué)教授戴一帆科研團(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)中國計(jì)量科學(xué)研究院測試，該靜壓主軸相關(guān)參數(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，這將使我國超精密加工精度有效提升。

像鐵鍬整地那樣研磨超精密零件

我國超精密機(jī)床及關(guān)鍵基礎(chǔ)部件此前主要依賴進(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)”。所謂“工作母機(jī)”，就是制造機(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”到零件的過程，也就是說，沒有精度高的機(jī)床就加工不出精度高的零件。沒有精度高的零件，也就組裝不出精度高的部件和機(jī)床。沒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。

戴一帆科研團(tuán)隊(duì)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(yuǎn)超出所使用的加工設(shè)備精度，而光學(xué)制造的基本原理是逐步將誤差高點(diǎn)去除的一種精度進(jìn)化加工原理，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。

芯軸多傳感器在位測量。國防科技大學(xué) 供圖

確定性修形工藝是如何工作的？“好比使用鐵鍬平整一塊地，就是將看上去凹凸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(gè)過程依靠的是成套數(shù)字化設(shè)備，比如采用了高精度圓度儀獲取圓柱形貌；發(fā)明了專用的控時(shí)磨削機(jī)床實(shí)現(xiàn)材料去除量的數(shù)字化精確可控；采用專用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算獲得磨削工具需要在特定空間位置停留的精確時(shí)間。

機(jī)械取代有經(jīng)驗(yàn)的工人師傅

借助新工藝，戴一帆科研團(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一體工藝方法，成功研制出超精密空氣靜壓主軸。

中國計(jì)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(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1米。

測試結(jié)果還顯示，空氣靜壓主軸徑向靜剛度大于200N/μm、軸向靜剛度大于200N/μm。通俗地說，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Precitech公司的產(chǎn)品手冊，上述技術(shù)指標(biāo)與其相當(dāng)甚至更高。

當(dāng)前，國內(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，如果再要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(yàn)人工師傅的依賴，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硎荆軝C(jī)床基礎(chǔ)部件與應(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)高性能功能部件競爭力，促進(jìn)高端精密與超精密機(jī)床方面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

他補(bǔ)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(jìn)一步助力國防領(lǐng)域高端核心零件超精密加工批量化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)科研成果向生產(chǎn)力和戰(zhàn)斗力的快速轉(zhuǎn)化。

系列成果獲得了湖南省十大技術(shù)攻關(guān)等項(xiàng)目的支持。相關(guān)成果先后發(fā)表于Materials、Micromachines等期刊上，戴一帆為通訊作者。

為支撐超精密加工，促進(jìn)精密測量技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，助力制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，瑞昌明盛聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密儀器工程研究院，將于2023年12月14-15日舉辦第二屆精密測量技術(shù)與先進(jìn)制造網(wǎng)絡(luò)會(huì)議，邀請業(yè)內(nèi)資深專家及儀器企業(yè)技術(shù)專家分享主題報(bào)告，就制造中的精密測量技術(shù)等進(jìn)行深入的交流探討。

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