刀頭高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定推進(jìn)，刀下堅(jiān)硬的金屬仿佛黃油般伏貼順滑，隨著屑料與切削液飛濺，锃明瓦亮的零件從金屬坯料中被解放出來(lái)，再裝配成機(jī)器——尺寸分毫不差的零件們環(huán)環(huán)相扣，彼此間絕無(wú)松動(dòng)卻又運(yùn)轉(zhuǎn)絲滑……
即便不是從事相關(guān)行業(yè)的朋友，看到這樣嚴(yán)整的加工、制造過(guò)程，都會(huì)感到滿足。帶來(lái)這種嚴(yán)謹(jǐn)又絲滑的愉悅感的，主要就是兩個(gè)字——“精度”。
精度高，則意味著機(jī)器效率更高，壽命更長(zhǎng)。很多重要的機(jī)械設(shè)備，都對(duì)精度有著極高的要求。
日前，中國(guó)科協(xié)發(fā)布的2024重大科學(xué)問(wèn)題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問(wèn)題，其中的十大工程技術(shù)難題便包括了“工業(yè)母機(jī)精度保持性的快速測(cè)評(píng)”。
那么工業(yè)母機(jī)的“精度”為何如此重要？保持精度又為什么這么難？
為此，我們咨詢了大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授劉闊，對(duì)這些大眾關(guān)切的問(wèn)題進(jìn)行了解讀。
工業(yè)母機(jī)：精度為何如此重要？
所謂“上梁不正下梁歪”“沒(méi)有規(guī)矩不成方圓”，這兩句俗語(yǔ)充分說(shuō)明有了正確的基準(zhǔn)，做出來(lái)的東西才不會(huì)跑偏。而工業(yè)母機(jī)，恰恰承擔(dān)了這樣的重任。
工業(yè)母機(jī)，是指對(duì)金屬或其他材料的坯料或工件進(jìn)行加工，使之獲得所需形狀、尺寸和表面質(zhì)量的機(jī)器。
通?？梢园压I(yè)母機(jī)理解為“制造機(jī)器的機(jī)器”，盡管它并不直接生產(chǎn)終端產(chǎn)品，而是為其他設(shè)備提供基礎(chǔ)零部件或模具，從而間接地影響各種制造行業(yè)。
圖中這些都是典型的工業(yè)母機(jī)
工業(yè)母機(jī)制造的典型復(fù)雜零件
也正因?yàn)槿绱?，工業(yè)母機(jī)的精度和精度的保持至關(guān)重要。所謂“精度”，用通俗的話講就是“按圖加工”準(zhǔn)確到什么程度——如果零件加工出來(lái)跟圖紙要求完全一樣，橫平豎直，形狀精準(zhǔn)，尺寸分毫不差，那么就可稱得上精度高。
舉個(gè)簡(jiǎn)化的例子，對(duì)車床來(lái)說(shuō)，車一根 0.5 米直徑的金屬圓柱外圓，誤差小于 5 微米的話，就可算得上是精密加工了，而 5 微米，大約相當(dāng)于我們頭發(fā)直徑的 1/16。而其他種類的母機(jī)，則各有標(biāo)準(zhǔn)。
一臺(tái)高精度的母機(jī)，就像是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的工匠，能夠精細(xì)地調(diào)控加工過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從零件的位置定位到尺寸的精確切割，再到形狀的完美塑造，每一步都力求精準(zhǔn)無(wú)誤。
這種高精度，不僅減少了因加工精度超差導(dǎo)致的返工和材料浪費(fèi)，還顯著提升了產(chǎn)品的整體質(zhì)量和一致性。
精度下降，都有哪些原因？
很多朋友都有這樣的經(jīng)驗(yàn)：嶄新的自行車騎起來(lái)又安靜又省力，可是騎了成千上萬(wàn)公里之后，這車就可能這兒響那兒晃，蹬起來(lái)阻力也大了。
這其實(shí)也與“精度下降”有關(guān)，而類似的事情，也會(huì)在工業(yè)母機(jī)上發(fā)生。
我們看到的很多機(jī)械加工視頻，都可以用“削鐵如泥”四個(gè)字來(lái)形容，雖然看著輕松，實(shí)際上機(jī)器設(shè)備受力非常大。
在這種情況下，工業(yè)母機(jī)的床身-立柱、床身-導(dǎo)軌等螺栓連接界面，在工作過(guò)程中，就可能發(fā)生界面微動(dòng)磨損、螺母旋轉(zhuǎn)松動(dòng)、螺栓桿蠕變等問(wèn)題，造成螺栓預(yù)緊力的衰退，引起結(jié)合面處產(chǎn)生微小形變，致使母機(jī)精度衰退。
此外，工業(yè)母機(jī)加工零件的時(shí)候，會(huì)有許多能移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件，比如很常見(jiàn)的絲杠與螺母，滑塊與導(dǎo)軌等等，隨著工業(yè)母機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)部件接觸界面會(huì)逐漸磨損，使得原本的精密配合狀態(tài)發(fā)生改變，致使母機(jī)精度衰退。
那么，母機(jī)不工作、少工作就可以減少磨損和精度下降了嗎？
并非如此。
工業(yè)母機(jī)的床身、立柱等大型結(jié)構(gòu)件，需經(jīng)鑄造、粗加工、精加工等工序，基礎(chǔ)件內(nèi)部往往殘留著大量的應(yīng)力，若未經(jīng)過(guò)充分的時(shí)效處理，在工業(yè)母機(jī)服役過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力將逐漸釋放，不管母機(jī)工作不工作，都會(huì)導(dǎo)致原有安裝基準(zhǔn)發(fā)生改變，引起機(jī)床精度的衰退。
如果工業(yè)母機(jī)精度出現(xiàn)問(wèn)題，那么就會(huì)影響加工零件的準(zhǔn)確性和終產(chǎn)品的質(zhì)量——加工出的零件可能會(huì)出現(xiàn)尺寸偏差、形狀扭曲等問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法達(dá)到預(yù)期的性能要求。
這些加工不夠準(zhǔn)確的零件，安裝到機(jī)械中去的話，會(huì)導(dǎo)致效率下降，磨損、振動(dòng)和噪音增加等問(wèn)題，這既影響機(jī)器的性能和正常使用，又會(huì)降低機(jī)器壽命，甚至帶來(lái)事故隱患。
特別是在航空航天、國(guó)防軍工、汽車等精密制造行業(yè)中，這種質(zhì)量問(wèn)題可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。
也正因?yàn)槿绱?，我們需要定期檢查、維護(hù)母機(jī)，以確保精度。
很容易想到，如果我們能改進(jìn)工業(yè)母機(jī)，讓它們?cè)诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都保持精度的話，就能提高效率，降低成本，對(duì)行業(yè)意義巨大。
然而，這并不是一件容易的事。
保持精度，為什么這么難？
以在航空航天、汽車等領(lǐng)域廣泛使用的精密龍門加工中心和臥式加工中心為例，目前市場(chǎng)上半數(shù)以上的國(guó)產(chǎn)加工中心在精度保持方面存在明顯不足，其精度保持時(shí)間往往不足1年，這與國(guó)外高端同類產(chǎn)品動(dòng)輒 5 年以上的精度保持性能形成了鮮明對(duì)比。
這種差距不僅影響了我國(guó)高端制造業(yè)產(chǎn)品的整體質(zhì)量，也嚴(yán)重制約了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展速度。
那么，為什么保持精度這么難做到呢？
首先，雖然我們平時(shí)只說(shuō)“工業(yè)母機(jī)精度”，但是，工業(yè)母機(jī)其實(shí)是一種非常復(fù)雜的機(jī)械，精度項(xiàng)繁復(fù)多樣，包括但不限于定位精度、直線度、垂直度、主軸回轉(zhuǎn)精度等，每一種精度指標(biāo)都直接關(guān)聯(lián)到機(jī)床的加工質(zhì)量與效率，但各自對(duì)加工性能的貢獻(xiàn)方式和影響程度又各不相同。
其次，精度保持性與工業(yè)母機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)件材料、裝配工藝、服役工況等各方面息息相關(guān)。
受服役過(guò)程中溫度、振動(dòng)、切削力等多種載荷交互作用，工業(yè)母機(jī)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的微小偏差，會(huì)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中逐漸放大，對(duì)精度造成不可逆的影響。終，失之毫厘謬之千里，影響到后的產(chǎn)品。
影響工作母機(jī)精度的因素有這么多這么復(fù)雜，保持精度這件事自然也就突出一個(gè)“步步驚心”了。
迎難而上，解決精度保持問(wèn)題
前邊介紹完了基本的知識(shí)，接下來(lái)就可以講講我們?cè)撊绾慰朔缺３中圆畹碾y題了。
通俗地講，一般優(yōu)化設(shè)備時(shí)，我們通常要經(jīng)過(guò)這么幾個(gè)步驟：
搞清楚哪兒壞了，總結(jié)哪兒容易壞，搞明白為什么壞，想辦法讓它別壞——如此循環(huán)，中間積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)將會(huì)直接應(yīng)用于下一輪設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝當(dāng)中，盡量從源頭上發(fā)現(xiàn)和預(yù)防各種問(wèn)題和短板，這樣設(shè)備就能越做越好。
不過(guò)，上邊的步驟雖然聽(tīng)著簡(jiǎn)單，實(shí)際操作時(shí)，對(duì)于工業(yè)母機(jī)這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度項(xiàng)多的大型設(shè)備，就非常麻煩。以前往往會(huì)采取現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試的方法，但是這種方法周期過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法快速測(cè)得精度保持性水平與短板，致使國(guó)產(chǎn)工業(yè)母機(jī)精度保持能力難以在短期內(nèi)取得飛躍式提升。
那么，又該如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？答案就是“加速”。
如果能夠想辦法縮短工業(yè)母機(jī)精度保持性測(cè)評(píng)所需的時(shí)間，就能在短時(shí)間內(nèi)作出改進(jìn)，提高精度。
工業(yè)母機(jī)精度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
具體來(lái)說(shuō)，從理論上，需要搞清不同構(gòu)型、不同制造工藝和不同服役工況下工業(yè)母機(jī)精度退化的規(guī)律，弄明白工業(yè)母機(jī)精度退化的微觀機(jī)理，并建立數(shù)學(xué)模型，為工業(yè)母機(jī)精度保持的研究提供理論依據(jù)，這樣在研究的時(shí)候就能更具前瞻性，更有的放矢。
從技術(shù)上，則要建立能夠讓工業(yè)母機(jī)精度保持性加速退化的平臺(tái)，像工業(yè)母機(jī)這類整機(jī)級(jí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)電系統(tǒng)，突破極小子樣工業(yè)母機(jī)整機(jī)精度保持性多應(yīng)力加速退化試驗(yàn)技術(shù)，建立可模擬實(shí)際工況進(jìn)行多元載荷加載的工業(yè)母機(jī)整機(jī)精度保持性加速退化試驗(yàn)平臺(tái)，這樣才能更有效率地進(jìn)行測(cè)試。
通俗地講，就是利用短期的加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真和數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)工業(yè)母機(jī)長(zhǎng)期服役過(guò)程中精度退化數(shù)據(jù)的整體推斷，這樣就能大大提高測(cè)試的效率。
不過(guò)，國(guó)際上，德、日、瑞等國(guó)工業(yè)母機(jī)產(chǎn)品歷經(jīng)了這樣百余年的迭代升級(jí)，精度保持能力已可達(dá)到較高水平，尚未針對(duì)工業(yè)母機(jī)精度保持性展開(kāi)系統(tǒng)研究。
國(guó)內(nèi)對(duì)工業(yè)母機(jī)精度退化規(guī)律與機(jī)制的研究又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，整機(jī)級(jí)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)加速退化試驗(yàn)技術(shù)研究仍很薄弱。精度保持性快速測(cè)評(píng)技術(shù)的突破需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)嘗試，摸索出科學(xué)、準(zhǔn)確的快速測(cè)試方法。
走這條路線，可以說(shuō)是迎難而上，但是，不勇敢地提出并嘗試攻克這樣的難題，就沒(méi)法實(shí)現(xiàn)短期內(nèi)提高工業(yè)母機(jī)精度保持性的目標(biāo)。
目前，大連理工大學(xué)聯(lián)合智能制造龍城實(shí)驗(yàn)室已研制出國(guó)際首套載重 20 噸、可對(duì)工業(yè)母機(jī)進(jìn)行溫度-振動(dòng)-速度-靜動(dòng)態(tài)力等多應(yīng)力加載的整機(jī)精度保持性快速測(cè)試平臺(tái)，正在全力攻關(guān)工業(yè)母機(jī)多應(yīng)力加速退化試驗(yàn)技術(shù)，并持續(xù)研制系列工業(yè)母機(jī)關(guān)鍵功能部件精度保持性快速測(cè)試裝置，力爭(zhēng)打造國(guó)際領(lǐng)先的工業(yè)母機(jī)精度保持性快速測(cè)試基地。
在國(guó)家“04”重大專項(xiàng)新一輪的支持下，預(yù)計(jì)到 2027 年，突破工業(yè)母機(jī)精度保持性快速測(cè)評(píng)技術(shù)，制定系列精度保持性快速測(cè)評(píng)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全面建成工業(yè)母機(jī)精度保持性快速測(cè)評(píng)基地，支撐部分專項(xiàng)研發(fā)產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
預(yù)計(jì)到 2035 年，持續(xù)發(fā)展精度保持性快速測(cè)評(píng)技術(shù)，全面支撐國(guó)產(chǎn)工業(yè)母機(jī)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)母機(jī)制造技術(shù)水平進(jìn)入創(chuàng)新型國(guó)家前列。
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