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如何制造出更高一級精度的機床之“絕對平面”篇

2018-07-28

【中國機床商務網欄目 科技動態】在機床行業,筆者聽到最多的詞便是“精度”,精度對于一臺機床來說,往往代表了該機床的能夠加工的工件的最高精度等級。而精度一般有兩個概念,一個是加工精度,另一個是測量精度。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。這兩個精度都直接依賴于加工機械或者測量機械的工作母機的精度。今天我們主要來探討一下關于加工精度中所涉及到的“絕對平面”問題。
 

 
  眾所周知,機械設備的加工精度只會損失而不會增加,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的機械,也只能達到大于0.01毫米的精度。要想生產組裝成誤差小于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。根據這個道理,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。那么這里就產生了一個問題:更高一級精度的加工機械是如何被制造出來的?
 
  其實這個問題就和人類社會發展過程中,從一無所有開始制造生產工具是一樣的。原始人類最開始使用石頭作為工具,然后將石頭加工成精致一點的石頭。然后隨著社會發展,人類開始加工青銅、鐵器等制品,都是從粗糙到精密,通過不斷配比、找到標準、精細化標準,再由工人手工打磨成更精密的工具,這是一個漫長的過程。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,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節的精度構成,但是不同環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。機械的運動部分是被導軌限制的,導軌的精度就直接決定了機械運動的精度。超精密機械導軌的滑動面被稱為“絕對平面”,要求精度在1/10000毫米以上,沒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。相信見過高精度機床導軌滑動面的人都知道,那個所謂的“絕對平面”不是一個光滑的鏡面,而是遍布了有規律花紋的平面,那些花紋就是做出這個平面的手工藝人的鏟刀留下的痕跡。
 
  要制造出一個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還要做一個對照平面,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。這時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平面上高出來的部分,需要再鏟掉。這個過程往往需要反復進行很多很多次,一直到兩個平面靠上去的顏色完全達到均一方可罷休。而往往這時候平面上留下來的刀痕正好作為潤滑油槽,不可謂不是一舉兩得。
 
  但是通過以上步驟要做出絕對平面還遠遠不夠,因為如果兩個面之間形成了同樣的弧度也會產生同樣效果,所以這只能表示兩個面完全一樣,并不能保證是平面。于是就需要再加入另外一個參照平面。一般來說,加工絕對平面時,需要同時加工三個平面,在這三個平面中的任意兩個都一致的時候,才算做出來了絕對平面。這個過程中離不開嚴謹的測量儀器和巧匠的雙手。
 
  能夠做出絕對平面的公司從某種意義上來說便代表了高端制造業的水準,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,這也是這幾個國家能夠生產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《東邊的太陽就要落山了?》一書中指出,日本的精密加工公司主要集中在新瀉縣的北緯43度線左右一帶。這里面有氣象學上的原因,日本人的精密工藝手藝是從德國人那兒學來的,當時日本在選取精密加工產業的地址時,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境要求。由于當時沒有空調等恒溫設備,所以在加工地選址時必須注意到溫差問題,溫差所造成的材料脹縮現象對精密產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的影響。
 
  日本的這些精密加工公司,基本上都是由幾個人到幾十個人組成的小公司,稱之為小作坊也不過分,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。日本經濟這十幾年都不景氣,但這些從事手工制作滑動用平面的公司從來沒有受到過影響,因為這種行業是制造業的根本,需要高超的技術和豐富的經驗,它們生產的產品從來就只有不夠,沒有過剩的。特別是隨著電子技術應用范圍的不斷擴大,對高精度加工機械設備的要求只會不斷增長而不會減少。
 
  雖然人類的雙手并不能說將精度無限提升,但是這雙手確實可以創造出很多奇跡。在未來機床行業的精度升級中,相信這雙手還將發揮更多的用處。本篇主要涉及機械加工精度中的“絕對平面”問題,筆者將在后續的文章中陸續更新更多關于機床精度的知識,不足之處還請廣大網友在評論區指正。
(本文由中國機床商務網原創提供,刊用本網站稿件,需經書面授權。)
文章鏈接:中國機床商務網 http://www.jc35.com/news/detail/70424.html

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