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如何制造出更高一级精度的机床之“绝对平面”篇
浏览: 发布日期:2018-06-04
  在机床行业,笔者听到最多的词便是“精度”,精度对于一台机床来说,往往代表了该机床的能够加工的工件的最高精度等级。而精度一般有两个概念,一个是加工精度,另一个是测量精度。如何反映出设计者所要求的尺寸是加工精度,如何知道加工所完成的尺寸则是测量精度。这两个精度都直接依赖于加工机械或者测量机械的工作母机的精度。今天我们主要来探讨一下关于加工精度中所涉及到的“绝对平面”问题。
  众所周知,机械设备的加工精度只会损失而不会增加,比如0.01毫米精度的机械只能加工出误差大于0.01毫米的工件,所以,即使在不考虑组装误差的前提下,使用中等加工精度的机械加工的零件组装起来的机械,也只能达到大于0.01毫米的精度。要想生产组装成误差小于0.01毫米精度的机械零件,只能使用误差小于0.01毫米精度的加工机械才能制造出来。根据这个道理,要制造高精度加工机械,只能采用更高一级精度的加工机械。那么这里就产生了一个问题:更高一级精度的加工机械是如何被制造出来的?
 
如何制造出更高一级精度的机床之“绝对平面”篇图
 
  其实这个问题就和人类社会发展过程中,从一无所有开始制造生产工具是一样的。原始人类最开始使用石头作为工具,然后将石头加工成精致一点的石头。然后随着社会发展,人类开始加工青铜、铁器等制品,都是从粗糙到精密,通过不断配比、找到标准、精细化标准,再由工人手工打磨成更精密的工具,这是一个漫长的过程。由此规律可以得出,所有高精度机床都是由低一级精度的机床加工出来,再由工人手工处理而成的。
  机械系统的总体精度由系统内各环节的精度构成,但是不同环节的精度对系统总体精度的影响程度不相同。其中,对机械加工精度影响最大的是导轨部分。机械的运动部分是被导轨限制的,导轨的精度就直接决定了机械运动的精度。超精密机械导轨的滑动面被称为“绝对平面”,要求精度在1/10000毫米以上,没有任何机械能够加工这种绝对平面,只能用手工的方式加工。相信见过高精度机床导轨滑动面的人都知道,那个所谓的“绝对平面”不是一个光滑的镜面,而是遍布了有规律花纹的平面,那些花纹就是做出这个平面的手工艺人的铲刀留下的痕迹。
  要制造出一个绝对平面可比大众意义上的“难事”更加困难,它需要有丰富经验的手工艺人用铲刀一刀一刀地把粗加工得到的平面铲平,在铲出需要的平面的同时还要做一个对照平面,然后在对照平面上涂上颜色,把加工平面在对照平面上滑动。这时加工平面上沾上颜色的部分和对照平面上掉颜色的部分就分别是两个平面上高出来的部分,需要再铲掉。这个过程往往需要反复进行很多很多次,一直到两个平面靠上去的颜色完全达到均一方可罢休。而往往这时候平面上留下来的刀痕正好作为润滑油槽,不可谓不是一举两得。
  但是通过以上步骤要做出绝对平面还远远不够,因为如果两个面之间形成了同样的弧度也会产生同样效果,所以这只能表示两个面完全一样,并不能保证是平面。于是就需要再加入另外一个参照平面。一般来说,加工绝对平面时,需要同时加工三个平面,在这三个平面中的任意两个都一致的时候,才算做出来了绝对平面。这个过程中离不开严谨的测量仪器和巧匠的双手。
  能够做出绝对平面的公司从某种意义上来说便代表了高端制造业的水准,而现在采用这种工艺加工机械所需要的绝对平面的公司主要是在德国、瑞士和日本,这也是这几个国家能够生产高精度机械设备的原因。
  常年旅居日本的自由作家俞天任在《东边的太阳就要落山了?》一书中指出,日本的精密加工公司主要集中在新泻县的北纬43度线左右一带。这里面有气象学上的原因,日本人的精密工艺手艺是从德国人那儿学来的,当时日本在选取精密加工产业的地址时,选中了气候和德国比较相似的北纬43度一带,这一带湿度较小,温度也围绕在20摄氏度左右,十分符合精密加工所需要的环境要求。由于当时没有空调等恒温设备,所以在加工地选址时必须注意到温差问题,温差所造成的材料胀缩现象对精密产品的制造和组装有很大的影响。温差不仅对加工工件有影响,如今许多超精密磨床的床身都不用一般的铸铁件,而是用花岗岩,也是为了减少温差带来的影响。
  日本的这些精密加工公司,基本上都是由几个人到几十个人组成的小公司,称之为小作坊也不过分,但正是因为有了这些小作坊,安田、森、牧野这些世界知名的机械品牌才能闻名于世。日本经济这十几年都不景气,但这些从事手工制作滑动用平面的公司从来没有受到过影响,因为这种行业是制造业的根本,需要高超的技术和丰富的经验,它们生产的产品从来就只有不够,没有过剩的。特别是随着电子技术应用范围的不断扩大,对高精度加工机械设备的要求只会不断增长而不会减少。
  虽然人类的双手并不能说将精度无限提升,但是这双手确实可以创造出很多奇迹。在未来机床行业的精度升级中,相信这双手还将发挥更多的用处。本篇主要涉及机械加工精度中的“绝对平面”问题,笔者将在后续的文章中陆续更新更多关于机床精度的知识,不足之处还请广大网友在评论区指正。