如何制造出更高一級精度的機床之“絕對平面”篇

2018-07-28

【中國機床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動(dòng)態(tài)】在機床行業(yè),筆者聽(tīng)到最多的詞便是“精度”,精度對于一臺機床來(lái)說(shuō),往往代表了該機床的能夠加工的工件的最高精度等級。而精度一般有兩個(gè)概念,一個(gè)是加工精度,另一個(gè)是測量精度。如何反映出設計者所要求的尺寸是加工精度,如何知道加工所完成的尺寸則是測量精度。這兩個(gè)精度都直接依賴(lài)于加工機械或者測量機械的工作母機的精度。今天我們主要來(lái)探討一下關(guān)于加工精度中所涉及到的“絕對平面”問(wèn)題。
 

 
  眾所周知,機械設備的加工精度只會(huì )損失而不會(huì )增加,比如0.01毫米精度的機械只能加工出誤差大于0.01毫米的工件,所以,即使在不考慮組裝誤差的前提下,使用中等加工精度的機械加工的零件組裝起來(lái)的機械,也只能達到大于0.01毫米的精度。要想生產(chǎn)組裝成誤差小于0.01毫米精度的機械零件,只能使用誤差小于0.01毫米精度的加工機械才能制造出來(lái)。根據這個(gè)道理,要制造高精度加工機械,只能采用更高一級精度的加工機械。那么這里就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題:更高一級精度的加工機械是如何被制造出來(lái)的?
 
  其實(shí)這個(gè)問(wèn)題就和人類(lèi)社會(huì )發(fā)展過(guò)程中,從一無(wú)所有開(kāi)始制造生產(chǎn)工具是一樣的。原始人類(lèi)最開(kāi)始使用石頭作為工具,然后將石頭加工成精致一點(diǎn)的石頭。然后隨著(zhù)社會(huì )發(fā)展,人類(lèi)開(kāi)始加工青銅、鐵器等制品,都是從粗糙到精密,通過(guò)不斷配比、找到標準、精細化標準,再由工人手工打磨成更精密的工具,這是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程。由此規律可以得出,所有高精度機床都是由低一級精度的機床加工出來(lái),再由工人手工處理而成的。
 
  機械系統的總體精度由系統內各環(huán)節的精度構成,但是不同環(huán)節的精度對系統總體精度的影響程度不相同。其中,對機械加工精度影響最大的是導軌部分。機械的運動(dòng)部分是被導軌限制的,導軌的精度就直接決定了機械運動(dòng)的精度。超精密機械導軌的滑動(dòng)面被稱(chēng)為“絕對平面”,要求精度在1/10000毫米以上,沒(méi)有任何機械能夠加工這種絕對平面,只能用手工的方式加工。相信見(jiàn)過(guò)高精度機床導軌滑動(dòng)面的人都知道,那個(gè)所謂的“絕對平面”不是一個(gè)光滑的鏡面,而是遍布了有規律花紋的平面,那些花紋就是做出這個(gè)平面的手工藝人的鏟刀留下的痕跡。
 
  要制造出一個(gè)絕對平面可比大眾意義上的“難事”更加困難,它需要有豐富經(jīng)驗的手工藝人用鏟刀一刀一刀地把粗加工得到的平面鏟平,在鏟出需要的平面的同時(shí)還要做一個(gè)對照平面,然后在對照平面上涂上顏色,把加工平面在對照平面上滑動(dòng)。這時(shí)加工平面上沾上顏色的部分和對照平面上掉顏色的部分就分別是兩個(gè)平面上高出來(lái)的部分,需要再鏟掉。這個(gè)過(guò)程往往需要反復進(jìn)行很多很多次,一直到兩個(gè)平面靠上去的顏色完全達到均一方可罷休。而往往這時(shí)候平面上留下來(lái)的刀痕正好作為潤滑油槽,不可謂不是一舉兩得。
 
  但是通過(guò)以上步驟要做出絕對平面還遠遠不夠,因為如果兩個(gè)面之間形成了同樣的弧度也會(huì )產(chǎn)生同樣效果,所以這只能表示兩個(gè)面完全一樣,并不能保證是平面。于是就需要再加入另外一個(gè)參照平面。一般來(lái)說(shuō),加工絕對平面時(shí),需要同時(shí)加工三個(gè)平面,在這三個(gè)平面中的任意兩個(gè)都一致的時(shí)候,才算做出來(lái)了絕對平面。這個(gè)過(guò)程中離不開(kāi)嚴謹的測量?jì)x器和巧匠的雙手。
 
  能夠做出絕對平面的公司從某種意義上來(lái)說(shuō)便代表了高端制造業(yè)的水準,而現在采用這種工藝加工機械所需要的絕對平面的公司主要是在德國、瑞士和日本,這也是這幾個(gè)國家能夠生產(chǎn)高精度機械設備的原因。
 
  常年旅居日本的自由作家俞天任在《東邊的太陽(yáng)就要落山了?》一書(shū)中指出,日本的精密加工公司主要集中在新瀉縣的北緯43度線(xiàn)左右一帶。這里面有氣象學(xué)上的原因,日本人的精密工藝手藝是從德國人那兒學(xué)來(lái)的,當時(shí)日本在選取精密加工產(chǎn)業(yè)的地址時(shí),選中了氣候和德國比較相似的北緯43度一帶,這一帶濕度較小,溫度也圍繞在20攝氏度左右,十分符合精密加工所需要的環(huán)境要求。由于當時(shí)沒(méi)有空調等恒溫設備,所以在加工地選址時(shí)必須注意到溫差問(wèn)題,溫差所造成的材料脹縮現象對精密產(chǎn)品的制造和組裝有很大的影響。溫差不僅對加工工件有影響,如今許多超精密磨床的床身都不用一般的鑄鐵件,而是用花崗巖,也是為了減少溫差帶來(lái)的影響。
 
  日本的這些精密加工公司,基本上都是由幾個(gè)人到幾十個(gè)人組成的小公司,稱(chēng)之為小作坊也不過(guò)分,但正是因為有了這些小作坊,安田、森、牧野這些世界知名的機械品牌才能聞名于世。日本經(jīng)濟這十幾年都不景氣,但這些從事手工制作滑動(dòng)用平面的公司從來(lái)沒(méi)有受到過(guò)影響,因為這種行業(yè)是制造業(yè)的根本,需要高超的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗,它們生產(chǎn)的產(chǎn)品從來(lái)就只有不夠,沒(méi)有過(guò)剩的。特別是隨著(zhù)電子技術(shù)應用范圍的不斷擴大,對高精度加工機械設備的要求只會(huì )不斷增長(cháng)而不會(huì )減少。
 
  雖然人類(lèi)的雙手并不能說(shuō)將精度無(wú)限提升,但是這雙手確實(shí)可以創(chuàng )造出很多奇跡。在未來(lái)機床行業(yè)的精度升級中,相信這雙手還將發(fā)揮更多的用處。本篇主要涉及機械加工精度中的“絕對平面”問(wèn)題,筆者將在后續的文章中陸續更新更多關(guān)于機床精度的知識,不足之處還請廣大網(wǎng)友在評論區指正。
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