“超精密机床的研发和制造技术是一项前沿性的技术,将引领机床的加工精度不断向着人类未曾涉及的技术领域深入迈进。超精密机床技术的应用领域已拓展到我们日常生活的许多方面,并正在丰富和改变着我们的生活。”北京机床研究所所长刘炳业在6月19日召开的2014中国机床工具发展高端论坛上指出,“当我们满眼于制造业繁杂的加工设备中,我们应该知道有一类机床很少出现在行业展览会中,但其却是发达国家非常重视并且采取措施加以控制的机床,这就是超精密机床,而超精密机床体现着一个国家精度技术的竞争力。”

高精度是数控机床的主流趋势

“在过去的30年里,世界范围的机床技术得到了很大程度的发展,机床技术的发展趋势也呈现出多元化的特点,比如高精度的趋势、高速运动的趋势、多运动轴的趋势、高可靠性的趋势、多功能复合化趋势、可重构的趋势、低能耗环保的趋势以及智能化的趋势等,但在所有的趋势中,最能够体现发展主流的趋势应该是高精度和智能化的趋势。”刘炳业强调,高精度是数控机床的主流发展趋势,并且超精密加工的精度比精密加工精度还要高出一个数量级。

事实上,超精密加工技术所涉及的技术领域非常丰富。在北京机床研究所30多年的研究历程中,针对超精密加工技术所涉及到的相关技术,刘炳业系统地总结出了36个方面的关键前沿研究以及11项领先的核心技术。其中,关键前沿研究包括设计、运动部件、测量分析、工艺技术、主机制造技术和机床应用条件技术六方面内容。领先的核心技术涵盖:精密超精密主轴关键结构制造技术、精密超精密直线运动部件关键结构制造技术、高分辨率运动驱动技术、机床关键零部件的加工工艺制造技术、部件抵御外部干扰的特性技术、高稳定性快速直线运动的结构与制造技术、多运动轴机床的嵌套结构设计技术,以及针对目标零件制造的机床集成制造技术等内容。

“在机床的精度从微米级到纳米级的发展历程中,有三项关键技术无法回避,这三项技术也是纳米精度机床的研究门槛。”刘炳业分析称,其中一项技术是无迟滞的轴承技术,迟滞现象在机械系统中大量存在,迟滞现象不仅严重影响机床溜板的运动定位精度和重复定位的精度,也影响运动的高分辨率实现,同时也影响精密零件的加工形状精度以及表面粗糙度。而静压轴承技术可以很好地解决机械迟滞的现象,并且可以均化几何误差,在超精密机床中得到大量应用。静压技术在过去的十年时间里取得了重大进展,自补偿的反馈技术更为成熟。以流量控制的节流技术使静压轴承的刚度得到很大程度的提升,使超精密机床加工的材料硬度不断提高。

而另二项关键技术分别是高分辨率驱动技术和机械系统中的微振动处理技术。纳米级分辨率是近十几年来超精密机床性能的特征体现,运动的影响因素很多。同时,大量的实验研究发现,10纳米量级的振动信号存在于许多机械执行机构中,对于机械灵敏度的执行与测定造成干扰,这种振动被称为微振动。“对微振动的机理深入研究,并寻求解决途径是超精密机床通往纳米精度的必经之路。”刘炳业说道。

满足超精密技术的应用需求

“我国航天航空遥感、激光核聚变、国防武器系统、天文探测等先进技术领域,对大口径非球面光学元件的需求日益增加,但国外部分高尖端光学加工设备和技术对我国实行禁运。目前,我国大口径非球面零件加工工艺流程的相关科研工作已经开展,但成熟度还较低。同时,自行研制的设备加工精度与国外水平相比较低,优势单位的有效联合不足,还存在大口径光学零件加工和超精密加工技术的结合程度较低等问题。”中国工程院院士蒋庄德在该论坛上亦提出对我国超精密加工与测量技术与装备的迫切需求。

蒋庄德建言,今后我国超精密加工技术要解决大口径非球面零件的数字化加工工艺,提高我国光学加工领域的核心竞争力和整体技术水平,解决禁运问题并替代进口。譬如,对直径900毫米的超精密铣磨机床来说,该项目为“十一五”国家863计划先进制造技术领域重点项目,主要解决航空航天、激光核聚变等大型光学器件的超精密制造。

对于今后超精密机床的重点应用方向,刘炳业表示,硬车削、硬铣削加工将被大量应用,光整硬车削将代替磨削。超精密机床技术适用于加工汽车零件、轴承环、注射模具、液压阀、滚珠、丝杠、螺母等,可以对不锈钢、铸铁、塑料、石墨、绿陶瓷等材料进行高精度车削。“超精密机床技术的应用可大幅提高生产率和精度,一些汽车零件的加工效率和表面质量将优于磨削。因为可以干切削,将更有利于环保。此外,超精密机床技术应用于硬切削机床将大大提高机床刀具的寿命。”

此前,北京机床研究所与英国泰勒霍普森有限公司在北京工研精机股份有限公司共建联合实验室,通过联合实验室建立共赢机制,以促进双方在计量检测领域研究与服务的长远发展。不仅通过联合科技研究和合作项目进行共同创新,而且通过联合实验室为双方提供开展各种业务服务的平台。

刘炳业表示,今后,北京机床研究所将以两个国家级超精密工程研究中心为依托,以精密超精密数控机床创新能力平台为基本组织方式,通过组建更大范围的精密超精密机床联盟,加速产业化进程,扩大市场占有率。“在未来5年内,我们有信心、有能力把超精密机床技术推向新的高度。”