比芯片更重要，這個突然爆火的“工業(yè)母機”是什么？我國為何如此重視？
科普中國發(fā)表了《比芯片更重要，這個突然爆火的“工業(yè)母機”是什么？我國為何如此重視？》，龍城實驗室副主任劉闊教授接受了專訪，全文轉(zhuǎn)發(fā)如下。
刀頭高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定推進，刀下堅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，再裝配成機器——尺寸分毫不差的零件們環(huán)環(huán)相扣，彼此間絕無松動卻又運轉(zhuǎn)絲滑……
日前，中國科協(xié)發(fā)布的2024重大科學(xué)問題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題，其中的十大工程技術(shù)難題便包括了“工業(yè)母機精度保持性的快速測評”，那么工業(yè)母機的“精度”為何如此重要？保持精度又為什么這么難？
為此，我們咨詢了智能制造龍城實驗室副主任、大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院教授劉闊，對這些大眾關(guān)切的問題進行了解讀。
工業(yè)母機：精度為何如此重要？
所謂“上梁不正下梁歪”“沒有規(guī)矩不成方圓”，這兩句俗語充分說明有了正確的基準(zhǔn)，做出來的東西才不會跑偏。而工業(yè)母機，恰恰承擔(dān)了這樣的重任。
工業(yè)母機，是指對金屬或其他材料的坯料或工件進行加工，使之獲得所需形狀、尺寸和表面質(zhì)量的機器。通�？�以把工業(yè)母機理解為“制造機器的機器”，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
工業(yè)母機制造的典型復(fù)雜零件
也正因為如此，工業(yè)母機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。
舉個簡化的例子，對車床來說，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，則各有標(biāo)準(zhǔn)。
一臺高精度的母機，就像是一位經(jīng)驗豐富的工匠，能夠精細(xì)地調(diào)控加工過程中的每一個細(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，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：嶄新的自行車騎起來又安靜又省力，可是騎了成千上萬公里之后，這車就可能這兒響那兒晃，蹬起來阻力也大了。這其實也與“精度下降”有關(guān)，而類似的事情，也會在工業(yè)母機上發(fā)生。
我們看到的很多機械加工視頻，都可以用“削鐵如泥”四個字來形容，雖然看著輕松，實際上機器設(shè)備受力非常大。
在這種情況下，工業(yè)母機的床身-立柱、床身-導(dǎo)軌等螺栓連接界面，在工作過程中，就可能發(fā)生界面微動磨損、螺母旋轉(zhuǎn)松動、螺栓桿蠕變等問題，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，致使母機精度衰退。
此外，工業(yè)母機加工零件的時候，會有許多能移動的運動部件，比如很常見的絲杠與螺母，滑塊與導(dǎo)軌等等，隨著工業(yè)母機的長期運轉(zhuǎn)，運動部件接觸界面會逐漸磨損，使得原本的精密配合狀態(tài)發(fā)生改變，致使母機精度衰退。
那么，母機不工作、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)過充分的時效處理，在工業(yè)母機服役過程中內(nèi)部應(yīng)力將逐漸釋放，不管母機工作不工作，都會導(dǎo)致原有安裝基準(zhǔn)發(fā)生改變，引起機床精度的衰退。
如果工業(yè)母機精度出現(xiàn)問題，那么就會影響加工零件的準(zhǔn)確性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量——加工出的零件可能會出現(xiàn)尺寸偏差、形狀扭曲等問題，導(dǎo)致產(chǎn)品無法達到預(yù)期的性能要求。
這些加工不夠準(zhǔn)確的零件，安裝到機械中去的話，會導(dǎo)致效率下降，磨損、振動和噪音增加等問題，這既影響機器的性能和正常使用，又會降低機器壽命，甚至帶來事故隱患。
特別是在航空航天、國防軍工、汽車等精密制造行業(yè)中，這種質(zhì)量問題可能會引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。
也正因為如此，我們需要定期檢查、維護母機，以確保精度。很容易想到，如果我們能改進工業(yè)母機，讓它們在很長一段時間內(nèi)都保持精度的話，就能提高效率，降低成本，對行業(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，目前市場上半數(shù)以上的國產(chǎn)加工中心在精度保持方面存在明顯不足，其精度保持時間往往不足1年，這與國外高端同類產(chǎn)品動輒 5 年以上的精度保持性能形成了鮮明對比。
這種差距不僅影響了我國高端制造業(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，雖然我們平時只說“工業(yè)母機精度”，但是，工業(yè)母機其實是一種非常復(fù)雜的機械，精度項繁復(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)到機床的加工質(zhì)量與效率，但各自對加工性能的貢獻方式和影響程度又各不相同。
其次，精度保持性與工業(yè)母機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、構(gòu)件材料、裝配工藝、服役工況等各方面息息相關(guān)。受服役過程中溫度、振動、切削力等多種載荷交互作用，工業(yè)母機設(shè)計制造過程中的微小偏差，會在長期服役過程中逐漸放大，對精度造成不可逆的影響。最終，失之毫厘謬之千里，影響到最后的產(chǎn)品。
影響工作母機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“步步驚心”了。
迎難而上，解決精度保持問題
前邊介紹完了基本的知識，接下來就可以講講我們該如何克服精度保持性差的難題了。
通俗地講，一般優(yōu)化設(shè)備時，我們通常要經(jīng)過這么幾個步驟：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)，中間積累的知識和經(jīng)驗將會直接應(yīng)用于下一輪設(shè)計和生產(chǎn)工藝當(dāng)中，盡量從源頭上發(fā)現(xiàn)和預(yù)防各種問題和短板，這樣設(shè)備就能越做越好。
不過，上邊的步驟雖然聽著簡單，實際操作時，對于工業(yè)母機這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度項多的大型設(shè)備，就非常麻煩。以前往往會采取現(xiàn)場跟蹤測試的方法，但是這種方法周期過長，無法快速測得精度保持性水平與短板，致使國產(chǎn)工業(yè)母機精度保持能力難以在短期內(nèi)取得飛躍式提升。
那么，又該如何解決這個問題呢？答案就是“加速”。如果能夠想辦法縮短工業(yè)母機精度保持性測評所需的時間，就能在短時間內(nèi)作出改進，提高精度。
工業(yè)母機精度現(xiàn)場測試
具體來說，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)母機精度退化的規(guī)律，弄明白工業(yè)母機精度退化的微觀機理，并建立數(shù)學(xué)模型，為工業(yè)母機精度保持的研究提供理論依據(jù)，這樣在研究的時候就能更具前瞻性，更有的放矢。
從技術(shù)上，則要建立能夠讓工業(yè)母機精度保持性加速退化的平臺，像工業(yè)母機這類整機級復(fù)雜結(jié)構(gòu)機電系統(tǒng)，突破極小子樣工業(yè)母機整機精度保持性多應(yīng)力加速退化試驗技術(shù)，建立可模擬實際工況進行多元載荷加載的工業(yè)母機整機精度保持性加速退化試驗平臺，這樣才能更有效率地進行測試。
通俗地講，就是利用短期的加速退化試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真和數(shù)字化，實現(xiàn)工業(yè)母機長期服役過程中精度退化數(shù)據(jù)的整體推斷，這樣就能大大提高測試的效率。
不過，國際上，德、日、瑞等國工業(yè)母機產(chǎn)品歷經(jīng)了這樣百余年的迭代升級，精度保持能力已可達到較高水平，尚未針對工業(yè)母機精度保持性展開系統(tǒng)研究。
目前，智能制造龍城實驗室與大連理工大學(xué)已研制出國際首套載重 20 噸、可對工業(yè)母機進行溫度-振動-速度-靜動態(tài)力等多應(yīng)力加載的整機精度保持性快速測試平臺，正在全力攻關(guān)工業(yè)母機多應(yīng)力加速退化試驗技術(shù)，并持續(xù)研制系列工業(yè)母機關(guān)鍵功能部件精度保持性快速測試裝置，力爭打造國際領(lǐng)先的工業(yè)母機精度保持性快速測試基地。
在國家“04”重大專項新一輪的支持下，預(yù)計到 2027 年，突破工業(yè)母機精度保持性快速測評技術(shù)，制定系列精度保持性快速測評國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全面建成工業(yè)母機精度保持性快速測評基地，支撐部分專項研發(fā)產(chǎn)品達到國際先進水平。
預(yù)計到 2035 年，持續(xù)發(fā)展精度保持性快速測評技術(shù)，全面支撐國產(chǎn)工業(yè)母機達到國際先進水平，推動我國工業(yè)母機制造技術(shù)水平進入創(chuàng)新型國家前列。
聲明：
本文僅代表作者個人觀點，與新江南網(wǎng)無關(guān)。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本站證實，對本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾，請讀者僅作參考，并請自行核實相關(guān)內(nèi)容，新江南網(wǎng)號系信息發(fā)布平臺，新江南網(wǎng)僅提供信息存儲空間服務(wù)。如有侵權(quán)請出示權(quán)屬憑證聯(lián)系管理員（[email protected]）刪除！
閱讀推薦
新聞爆料
