“超精密機床的研發(fā)和制造技術是一項前沿性的技術，將引領機床的加工精度不斷向著人類未曾涉及的技術領域深入邁進。超精密機床技術的應用領域已拓展到我們日常生活的許多方面，并正在豐富和改變著我們的生活。”北京機床研究所所長劉炳業(yè)在6月19日召開的2014中國機床工具發(fā)展高端論壇上指出，“當我們滿眼于制造業(yè)繁雜的加工設備中，我們應該知道有一類機床很少出現(xiàn)在行業(yè)展覽會中，但其卻是發(fā)達國家非常重視并且采取措施加以控制的機床，這就是超精密機床，而超精密機床體現(xiàn)著一個國家精度技術的競爭力。”
高精度是數(shù)控機床的主流趨勢
“在過去的30年里，世界范圍的機床技術得到了很大程度的發(fā)展，機床技術的發(fā)展趨勢也呈現(xiàn)出多元化的特點，比如高精度的趨勢、高速運動的趨勢、多運動軸的趨勢、高可靠性的趨勢、多功能復合化趨勢、可重構的趨勢、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)展主流的趨勢應該是高精度和智能化的趨勢。”劉炳業(yè)強調，高精度是數(shù)控機床的主流發(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。
事實上，超精密加工技術所涉及的技術領域非常豐富。在北京機床研究所30多年的研究歷程中，針對超精密加工技術所涉及到的相關技術，劉炳業(yè)系統(tǒng)地總結出了36個方面的關鍵前沿研究以及11項領先的核心技術。其中，關鍵前沿研究包括設計、運動部件、測量分析、工藝技術、主機制造技術和機床應用條件技術六方面內容。領先的核心技術涵蓋：精密超精密主軸關鍵結構制造技術、精密超精密直線運動部件關鍵結構制造技術、高分辨率運動驅動技術、機床關鍵零部件的加工工藝制造技術、部件抵御外部干擾的特性技術、高穩(wěn)定性快速直線運動的結構與制造技術、多運動軸機床的嵌套結構設計技術，以及針對目標零件制造的機床集成制造技術等內容。
“在機床的精度從微米級到納米級的發(fā)展歷程中，有三項關鍵技術無法回避，這三項技術也是納米精度機床的研究門檻。”劉炳業(yè)分析稱，其中一項技術是無遲滯的軸承技術，遲滯現(xiàn)象在機械系統(tǒng)中大量存在，遲滯現(xiàn)象不僅嚴重影響機床溜板的運動定位精度和重復定位的精度，也影響運動的高分辨率實現(xiàn)，同時也影響精密零件的加工形狀精度以及表面粗糙度。而靜壓軸承技術可以很好地解決機械遲滯的現(xiàn)象，并且可以均化幾何誤差，在超精密機床中得到大量應用。靜壓技術在過去的十年時間里取得了重大進展，自補償?shù)姆答伡夹g更為成熟。以流量控制的節(jié)流技術使靜壓軸承的剛度得到很大程度的提升，使超精密機床加工的材料硬度不斷提高。
而另二項關鍵技術分別是高分辨率驅動技術和機械系統(tǒng)中的微振動處理技術。納米級分辨率是近十幾年來超精密機床性能的特征體現(xiàn)，運動的影響因素很多。同時，大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，10納米量級的振動信號存在于許多機械執(zhí)行機構中，對于機械靈敏度的執(zhí)行與測定造成干擾，這種振動被稱為微振動。“對微振動的機理深入研究，并尋求解決途徑是超精密機床通往納米精度的必經之路。”劉炳業(yè)說道。
滿足超精密技術的應用需求
“我國航天航空遙感、激光核聚變、國防武器系統(tǒng)、天文探測等先進技術領域，對大口徑非球面光學元件的需求日益增加，但國外部分高尖端光學加工設備和技術對我國實行禁運。目前，我國大口徑非球面零件加工工藝流程的相關科研工作已經開展，但成熟度還較低。同時，自行研制的設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，還存在大口徑光學零件加工和超精密加工技術的結合程度較低等問題。”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與裝備的迫切需求。
蔣莊德建言，今后我國超精密加工技術要解決大口徑非球面零件的數(shù)字化加工工藝，提高我國光學加工領域的核心競爭力和整體技術水平，解決禁運問題并替代進口。譬如，對直徑900毫米的超精密銑磨機床來說，該項目為“十一五”國家863計劃先進制造技術領域重點項目，主要解決航空航天、激光核聚變等大型光學器件的超精密制造。
對于今后超精密機床的重點應用方向，劉炳業(yè)表示，硬車削、硬銑削加工將被大量應用，光整硬車削將代替磨削。超精密機床技術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、綠陶瓷等材料進行高精度車削。“超精密機床技術的應用可大幅提高生產率和精度，一些汽車零件的加工效率和表面質量將優(yōu)于磨削。因為可以干切削，將更有利于環(huán)保。此外，超精密機床技術應用于硬切削機床將大大提高機床刀具的壽命。”
此前，北京機床研究所與英國泰勒霍普森有限公司在北京工研精機股份有限公司共建聯(lián)合實驗室，通過聯(lián)合實驗室建立共贏機制，以促進雙方在計量檢測領域研究與服務的長遠發(fā)展。不僅通過聯(lián)合科技研究和合作項目進行共同創(chuàng)新，而且通過聯(lián)合實驗室為雙方提供開展各種業(yè)務服務的平臺。
劉炳業(yè)表示，今后，北京機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床聯(lián)盟，加速產業(yè)化進程，擴大市場占有率。“在未來5年內，我們有信心、有能力把超精密機床技術推向新的高度。”
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