0.1微米！超精密加工利器來了

超精密機牀基礎部件加工與應用技術的突破，能為製造業的生存和發展提供強大技術支撐。然而此前我國超精密機牀及關鍵基礎部件主要依賴進口。

芯軸多傳感器在位測量。國防科技大學供圖

國內外軸類零件外圓圓度加工，基本都是靠超精密的外圓磨牀實現。以磨削直徑100毫米、長300毫米的軸芯為例，我國外圓磨牀大概能夠磨到1至2微米的水平，而國外可達到0.3至0.5微米的水平。

為破解機牀和關鍵部件技術難題，國防科技大學教授戴一帆團隊歷時5年，提出軸類零件外圓圓度確定性修形加工工藝技術，使軸芯加工圓度精度提升到0.1微米，併成功研製出超精密空氣靜壓主軸。近日，經中國計量科學研究院測試，該靜壓主軸相關參數達到國際先進水平，這將有效提升我國超精密加工精度。相關研究成果先後發表於《材料》和《微型機械》。  

像鐵鍬整地那樣研磨超精密零件

我國超精密機牀及關鍵基礎部件此前之所以主要依賴進口，最大的技術難題在於缺少加工核心零件的“工作母機”，即製造機器和機械的機器，又稱工具機，包括車牀、磨牀、刨牀、鑽牀等，是制器之器、工業自強之基。

一般的機械加工是將機牀精度“複印”到零件的過程，也就是説，沒有精度高的機牀就加工不出精度高的零件。沒有精度高的零件，就組裝不出精度高的部件和機牀。沒有製造高精度零件的工作母機，就限制了整個超精密機牀行業的發展。

戴一帆團隊長期從事現代光學制造技術研發，他們發現光學零件的最終制造精度遠超所使用的加工設備精度，而光學制造的基本原理是逐步將誤差高點去除的精度進化加工。團隊嘗試將這種“精度進化”原理的加工方法用於機械零件高精度加工，最終通過加工原理的創新提出軸類零件外圓圓度確定性修形工藝技術，突破高精度“工作母機”的限制。

確定性修形工藝是如何工作的？“這就像使用鐵鍬平整一塊地，即在看上去凸起不平的地方鏟去適量的土，如此反覆，直到獲得非常平整的地。”戴一帆説，這個過程依靠的是成套數字化設備，包括獲取圓柱形貌的高精度圓度儀、實現材料去除量數字化精確可控的控時磨削機牀、獲得磨削工具在特定空間位置停留時間的專用計算機程序等。

機械取代有經驗的工人師傅

藉助新工藝，戴一帆團隊突破了基於精度進化原理的控時磨削加工技術，形成了圓柱類零件在位加工檢測一體工藝方法，成功研製出超精密空氣靜壓主軸。

中國計量科學研究院測試結果顯示，該空氣靜壓主軸徑向跳動小於15納米、端面跳動小於15納米。這個跳幅相當於頭髮絲直徑的六千分之一。如果是地球這麼大一根主軸的話，迴轉運動造成的振幅不會超過1米。

測試結果顯示，空氣靜壓主軸徑向靜剛度大於200牛每微米、軸向靜剛度大於200牛每微米。通俗地説，就是主軸可以在20公斤的重力載荷下紋絲不動，變形量不會超過1微米，即頭髮絲直徑的百分之一。對比代表美國超精密領域最高水平的Precitech公司的產品手冊，上述技術指標與其相當甚至更高。

當前，國內外可將軸類零件外圓圓度加工研磨到零點幾微米的水平，如果再想提升只能靠手工研磨修整。“我們的新技術可以擺脱對極其有經驗的工人師傅的依賴，能很容易地按照現代工業化的模式組織生產，促進超精密基礎部件的大批量、高效率生產和應用。”戴一帆表示，超精密機牀基礎部件加工與應用技術的突破，將為製造業的生存和發展提供強大技術支撐，完善高端機牀產業鏈配套，大幅增強高性能功能部件競爭力，促進高端精密與超精密機牀實現國產化。

戴一帆補充説，這些突破還將有效解決探測制導關鍵零部件超精密加工面臨的超精密裝備和核心工藝難題，進一步助力高端核心零件超精密加工批量化生產，實現科研成果的快速轉化。

相關論文信息：

https://doi.org/10.3390/ma13112458

https://doi.org/10.3390/mi14061240

https://doi.org/10.3390/mi14030653

（《中國科學報》記者 王昊昊   通訊員 楊煜昕，刊於《中國科學報》2023-11-29 第1版 要聞）