“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)床研究所所長劉炳業(yè)在6月19日召開的2014中國機(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)展覽會中，但其卻是發(fā)達(dá)國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)著一個國家精度技術(shù)的競爭力。”

高精度是數(shù)控機(jī)床的主流趨勢

“在過去的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)展趨勢也呈現(xiàn)出多元化的特點(diǎn)，比如高精度的趨勢、高速運(yùn)動的趨勢、多運(yùn)動軸的趨勢、高可靠性的趨勢、多功能復(fù)合化趨勢、可重構(gòu)的趨勢、低能耗環(huán)保的趨勢以及智能化的趨勢等，但在所有的趨勢中，最能夠體現(xiàn)發(fā)展主流的趨勢應(yīng)該是高精度和智能化的趨勢。”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，并且超精密加工的精度比精密加工精度還要高出一個數(shù)量級。

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)動部件、測量分析、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)動部件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造技術(shù)、高分辨率運(yùn)動驅(qū)動技術(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)動的結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)、多運(yùn)動軸機(jī)床的嵌套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，以及針對目標(biāo)零件制造的機(jī)床集成制造技術(shù)等內(nèi)容。

“在機(jī)床的精度從微米級到納米級的發(fā)展歷程中，有三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)無法回避，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)動定位精度和重復(fù)定位的精度，也影響運(yùn)動的高分辨率實(shí)現(xiàn)，同時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)在過去的十年時間里取得了重大進(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)動技術(shù)和機(jī)械系統(tǒng)中的微振動處理技術(shù)。納米級分辨率是近十幾年來超精密機(jī)床性能的特征體現(xiàn)，運(yùn)動的影響因素很多。同時，大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，10納米量級的振動信號存在于許多機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，對于機(jī)械靈敏度的執(zhí)行與測定造成干擾，這種振動被稱為微振動。“對微振動的機(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)說道。

滿足超精密技術(shù)的應(yīng)用需求

“我國航天航空遙感、激光核聚變、國防武器系統(tǒng)、天文探測等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，對大口徑非球面光學(xué)元件的需求日益增加，但國外部分高尖端光學(xué)加工設(shè)備和技術(shù)對我國實(shí)行禁運(yùn)。目前，我國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)開展，但成熟度還較低。同時，自行研制的設(shè)備加工精度與國外水平相比較低，優(yōu)勢單位的有效聯(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)合程度較低等問題。”中國工程院院士蔣莊德在該論壇上亦提出對我國超精密加工與測量技術(shù)與裝備的迫切需求。

蔣莊德建言，今后我國超精密加工技術(shù)要解決大口徑非球面零件的數(shù)字化加工工藝，提高我國光學(xué)加工領(lǐng)域的核心競爭力和整體技術(shù)水平，解決禁運(yùn)問題并替代進(jìn)口。譬如，對直徑900毫米的超精密銑磨機(jī)床來說，該項(xiàng)目為“十一五”國家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)榭梢愿汕邢鳎瑢⒏欣诃h(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)量檢測領(lǐng)域研究與服務(wù)的長遠(yuǎn)發(fā)展。不僅通過聯(lián)合科技研究和合作項(xiàng)目進(jìn)行共同創(chuàng)新，而且通過聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室為雙方提供開展各種業(yè)務(wù)服務(wù)的平臺。

劉炳業(yè)表示，今后，北京機(jī)床研究所將以兩個國家級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)新能力平臺為基本組織方式，通過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)大市場占有率。“在未來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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