“超精密機(jī)床的研發(fā)和制造技術(shù)是一項(xiàng)前沿性的技術(shù)，將引領(lǐng)機(jī)床的加工精度不斷向著人類未曾涉及的技術(shù)領(lǐng)域深入邁進(jìn)。超精密機(jī)床技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已拓展到我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面，并正在豐富和改變著我們的生活。”北京機(jī)床研究所所長(zhǎng)劉炳業(yè)在6月19日召開(kāi)的2014中國(guó)機(jī)床工具發(fā)展高端論壇上指出，“當(dāng)我們滿眼于制造業(yè)繁雜的加工設(shè)備中，我們應(yīng)該知道有一類機(jī)床很少出現(xiàn)在行業(yè)展覽會(huì)中，但其卻是發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視并且采取措施加以控制的機(jī)床，這就是超精密機(jī)床，而超精密機(jī)床體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家精度技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。”

高精度是數(shù)控機(jī)床的主流趨勢(shì)

“在過(guò)去的30年里，世界范圍的機(jī)床技術(shù)得到了很大程度的發(fā)展，機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)也呈現(xiàn)出多元化的特點(diǎn)，比如高精度的趨勢(shì)、高速運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)、多運(yùn)動(dòng)軸的趨勢(shì)、高可靠性的趨勢(shì)、多功能復(fù)合化趨勢(shì)、可重構(gòu)的趨勢(shì)、低能耗環(huán)保的趨勢(shì)以及智能化的趨勢(shì)等，但在所有的趨勢(shì)中，最能夠體現(xiàn)發(fā)展主流的趨勢(shì)應(yīng)該是高精度和智能化的趨勢(shì)。”劉炳業(yè)強(qiáng)調(diào)，高精度是數(shù)控機(jī)床的主流發(fā)展趨勢(shì)，并且超精密加工的精度比精密加工精度還要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

事實(shí)上，超精密加工技術(shù)所涉及的技術(shù)領(lǐng)域非常豐富。在北京機(jī)床研究所30多年的研究歷程中，針對(duì)超精密加工技術(shù)所涉及到的相關(guān)技術(shù)，劉炳業(yè)系統(tǒng)地總結(jié)出了36個(gè)方面的關(guān)鍵前沿研究以及11項(xiàng)領(lǐng)先的核心技術(shù)。其中，關(guān)鍵前沿研究包括設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)部件、測(cè)量分析、工藝技術(shù)、主機(jī)制造技術(shù)和機(jī)床應(yīng)用條件技術(shù)六方面內(nèi)容。領(lǐng)先的核心技術(shù)涵蓋：精密超精密主軸關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造技術(shù)、精密超精密直線運(yùn)動(dòng)部件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造技術(shù)、高分辨率運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、機(jī)床關(guān)鍵零部件的加工工藝制造技術(shù)、部件抵御外部干擾的特性技術(shù)、高穩(wěn)定性快速直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)、多運(yùn)動(dòng)軸機(jī)床的嵌套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，以及針對(duì)目標(biāo)零件制造的機(jī)床集成制造技術(shù)等內(nèi)容。

“在機(jī)床的精度從微米級(jí)到納米級(jí)的發(fā)展歷程中，有三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)無(wú)法回避，這三項(xiàng)技術(shù)也是納米精度機(jī)床的研究門檻。”劉炳業(yè)分析稱，其中一項(xiàng)技術(shù)是無(wú)遲滯的軸承技術(shù)，遲滯現(xiàn)象在機(jī)械系統(tǒng)中大量存在，遲滯現(xiàn)象不僅嚴(yán)重影響機(jī)床溜板的運(yùn)動(dòng)定位精度和重復(fù)定位的精度，也影響運(yùn)動(dòng)的高分辨率實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也影響精密零件的加工形狀精度以及表面粗糙度。而靜壓軸承技術(shù)可以很好地解決機(jī)械遲滯的現(xiàn)象，并且可以均化幾何誤差，在超精密機(jī)床中得到大量應(yīng)用。靜壓技術(shù)在過(guò)去的十年時(shí)間里取得了重大進(jìn)展，自補(bǔ)償?shù)姆答伡夹g(shù)更為成熟。以流量控制的節(jié)流技術(shù)使靜壓軸承的剛度得到很大程度的提升，使超精密機(jī)床加工的材料硬度不斷提高。

而另二項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)分別是高分辨率驅(qū)動(dòng)技術(shù)和機(jī)械系統(tǒng)中的微振動(dòng)處理技術(shù)。納米級(jí)分辨率是近十幾年來(lái)超精密機(jī)床性能的特征體現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)的影響因素很多。同時(shí)，大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，10納米量級(jí)的振動(dòng)信號(hào)存在于許多機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，對(duì)于機(jī)械靈敏度的執(zhí)行與測(cè)定造成干擾，這種振動(dòng)被稱為微振動(dòng)。“對(duì)微振動(dòng)的機(jī)理深入研究，并尋求解決途徑是超精密機(jī)床通往納米精度的必經(jīng)之路。”劉炳業(yè)說(shuō)道。

滿足超精密技術(shù)的應(yīng)用需求

“我國(guó)航天航空遙感、激光核聚變、國(guó)防武器系統(tǒng)、天文探測(cè)等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)大口徑非球面光學(xué)元件的需求日益增加，但國(guó)外部分高尖端光學(xué)加工設(shè)備和技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)行禁運(yùn)。目前，我國(guó)大口徑非球面零件加工工藝流程的相關(guān)科研工作已經(jīng)開(kāi)展，但成熟度還較低。同時(shí)，自行研制的設(shè)備加工精度與國(guó)外水平相比較低，優(yōu)勢(shì)單位的有效聯(lián)合不足，還存在大口徑光學(xué)零件加工和超精密加工技術(shù)的結(jié)合程度較低等問(wèn)題。”中國(guó)工程院院士蔣莊德在該論壇上亦提出對(duì)我國(guó)超精密加工與測(cè)量技術(shù)與裝備的迫切需求。

蔣莊德建言，今后我國(guó)超精密加工技術(shù)要解決大口徑非球面零件的數(shù)字化加工工藝，提高我國(guó)光學(xué)加工領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力和整體技術(shù)水平，解決禁運(yùn)問(wèn)題并替代進(jìn)口。譬如，對(duì)直徑900毫米的超精密銑磨機(jī)床來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)目為“十一五”國(guó)家863計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目，主要解決航空航天、激光核聚變等大型光學(xué)器件的超精密制造。

對(duì)于今后超精密機(jī)床的重點(diǎn)應(yīng)用方向，劉炳業(yè)表示，硬車削、硬銑削加工將被大量應(yīng)用，光整硬車削將代替磨削。超精密機(jī)床技術(shù)適用于加工汽車零件、軸承環(huán)、注射模具、液壓閥、滾珠、絲杠、螺母等，可以對(duì)不銹鋼、鑄鐵、塑料、石墨、綠陶瓷等材料進(jìn)行高精度車削。“超精密機(jī)床技術(shù)的應(yīng)用可大幅提高生產(chǎn)率和精度，一些汽車零件的加工效率和表面質(zhì)量將優(yōu)于磨削。因?yàn)榭梢愿汕邢?，將更有利于環(huán)保。此外，超精密機(jī)床技術(shù)應(yīng)用于硬切削機(jī)床將大大提高機(jī)床刀具的壽命。”

此前，北京機(jī)床研究所與英國(guó)泰勒霍普森有限公司在北京工研精機(jī)股份有限公司共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建立共贏機(jī)制，以促進(jìn)雙方在計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域研究與服務(wù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。不僅通過(guò)聯(lián)合科技研究和合作項(xiàng)目進(jìn)行共同創(chuàng)新，而且通過(guò)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室為雙方提供開(kāi)展各種業(yè)務(wù)服務(wù)的平臺(tái)。

劉炳業(yè)表示，今后，北京機(jī)床研究所將以兩個(gè)國(guó)家級(jí)超精密工程研究中心為依托，以精密超精密數(shù)控機(jī)床創(chuàng)新能力平臺(tái)為基本組織方式，通過(guò)組建更大范圍的精密超精密機(jī)床聯(lián)盟，加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。“在未來(lái)5年內(nèi)，我們有信心、有能力把超精密機(jī)床技術(shù)推向新的高度。”

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