刀头高速旋转稳定推进，刀下坚硬的金属仿佛黄油般伏贴顺滑，随着屑料与切削液飞溅，锃明瓦亮的零件从金属坯料中被解放出来，再装配成机器——尺寸分毫不差的零件们环环相扣，彼此间绝无松动却又运转丝滑……
即便不是从事相关行业的朋友，看到这样严整的加工、制造过程，都会感到满足。带来这种严谨又丝滑的愉悦感的，主要就是两个字——“精度”，而精度高，则意味着机器效率更高，寿命更长。很多重要的机械设备，都对精度有着极高的要求。
日前，中国科协发布的2024重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题，其中的十大工程技术难题便包括了“工业母机精度保持性的快速测评”，那么工业母机的“精度”为何如此重要？保持精度又为什么这么难？
为此，我们咨询了大连理工大学机械工程学院教授刘阔，对这些大众关切的问题进行了解读。
工业母机：精度为何如此重要？
所谓“上梁不正下梁歪”“没有规矩不成方圆”，这两句俗语充分说明有了正确的基准，做出来的东西才不会跑偏。而工业母机，恰恰承担了这样的重任。
工业母机，是指对金属或其他材料的坯料或工件进行加工，使之获得所需形状、尺寸和表面质量的机器。通常可以把工业母机理解为“制造机器的机器”，尽管它并不直接生产终端产品，而是为其他设备提供基础零部件或模具，从而间接地影响各种制造行业。
也正因为如此，工业母机的精度和精度的保持至关重要。所谓“精度”，用通俗的话讲就是“按图加工”准确到什么程度——如果零件加工出来跟图纸要求完全一样，横平竖直，形状精准，尺寸分毫不差，那么就可称得上精度高。
举个简化的例子，对车床来说，车一根 0.5 米直径的金属圆柱外圆，误差小于 5 微米的话，就可算得上是精密加工了，而 5 微米，大约相当于我们头发直径的 1/16。而其他种类的母机，则各有标准。
一台高精度的母机，就像是一位经验丰富的工匠，能够精细地调控加工过程中的每一个细节，从零件的位置定位到尺寸的精确切割，再到形状的完美塑造，每一步都力求精准无误。这种高精度，不仅减少了因加工精度超差导致的返工和材料浪费，还显著提升了产品的整体质量和一致性。
精度下降，都有哪些原因？
很多朋友都有这样的经验：崭新的自行车骑起来又安静又省力，可是骑了成千上万公里之后，这车就可能这儿响那儿晃，蹬起来阻力也大了。这其实也与“精度下降”有关，而类似的事情，也会在工业母机上发生。
我们看到的很多机械加工视频，都可以用“削铁如泥”四个字来形容，虽然看着轻松，实际上机器设备受力非常大。
在这种情况下，工业母机的床身-立柱、床身-导轨等螺栓连接界面，在工作过程中，就可能发生界面微动磨损、螺母旋转松动、螺栓杆蠕变等问题，造成螺栓预紧力的衰退，引起结合面处产生微小形变，致使母机精度衰退。
此外，工业母机加工零件的时候，会有许多能移动的运动部件，比如很常见的丝杠与螺母，滑块与导轨等等，随着工业母机的长期运转，运动部件接触界面会逐渐磨损，使得原本的精密配合状态发生改变，致使母机精度衰退。
那么，母机不工作、少工作就可以减少磨损和精度下降了吗？
并非如此。
工业母机的床身、立柱等大型结构件，需经铸造、粗加工、精加工等工序，基础件内部往往残留着大量的应力，若未经过充分的时效处理，在工业母机服役过程中内部应力将逐渐释放，不管母机工作不工作，都会导致原有安装基准发生改变，引起机床精度的衰退。
如果工业母机精度出现问题，那么就会影响加工零件的准确性和最终产品的质量——加工出的零件可能会出现尺寸偏差、形状扭曲等问题，导致产品无法达到预期的性能要求。
这些加工不够准确的零件，安装到机械中去的话，会导致效率下降，磨损、振动和噪音增加等问题，这既影响机器的性能和正常使用，又会降低机器寿命，甚至带来事故隐患。
特别是在航空航天、国防军工、汽车等精密制造行业中，这种质量问题可能会引发严重的安全隐患，甚至导致灾难性的后果。
也正因为如此，我们需要定期检查、维护母机，以确保精度。很容易想到，如果我们能改进工业母机，让它们在很长一段时间内都保持精度的话，就能提高效率，降低成本，对行业意义巨大。
然而，这并不是一件容易的事。
保持精度，为什么这么难？
以在航空航天、汽车等领域广泛使用的精密龙门加工中心和卧式加工中心为例，目前市场上半数以上的国产加工中心在精度保持方面存在明显不足，其精度保持时间往往不足1年，这与国外高端同类产品动辄 5 年以上的精度保持性能形成了鲜明对比。
这种差距不仅影响了我国高端制造业产品的整体质量，也严重制约了相关领域的技术进步与发展速度。
那么，为什么保持精度这么难做到呢？
首先，虽然我们平时只说“工业母机精度”，但是，工业母机其实是一种非常复杂的机械，精度项繁复多样，包括但不限于定位精度、直线度、垂直度、主轴回转精度等，每一种精度指标都直接关联到机床的加工质量与效率，但各自对加工性能的贡献方式和影响程度又各不相同。
其次，精度保持性与工业母机的结构设计、构件材料、装配工艺、服役工况等各方面息息相关。受服役过程中温度、振动、切削力等多种载荷交互作用，工业母机设计制造过程中的微小偏差，会在长期服役过程中逐渐放大，对精度造成不可逆的影响。最终，失之毫厘谬之千里，影响到最后的产品。
影响工作母机精度的因素有这么多这么复杂，保持精度这件事自然也就突出一个“步步惊心”了。
迎难而上，解决精度保持问题
前边介绍完了基本的知识，接下来就可以讲讲我们该如何克服精度保持性差的难题了。
通俗地讲，一般优化设备时，我们通常要经过这么几个步骤：搞清楚哪儿坏了，总结哪儿容易坏，搞明白为什么坏，想办法让它别坏——如此循环，中间积累的知识和经验将会直接应用于下一轮设计和生产工艺当中，尽量从源头上发现和预防各种问题和短板，这样设备就能越做越好。
不过，上边的步骤虽然听着简单，实际操作时，对于工业母机这种结构复杂，精度项多的大型设备，就非常麻烦。以前往往会采取现场跟踪测试的方法，但是这种方法周期过长，无法快速测得精度保持性水平与短板，致使国产工业母机精度保持能力难以在短期内取得飞跃式提升。
那么，又该如何解决这个问题呢？答案就是“加速”。如果能够想办法缩短工业母机精度保持性测评所需的时间，就能在短时间内作出改进，提高精度。
具体来说，从理论上，需要搞清不同构型、不同制造工艺和不同服役工况下工业母机精度退化的规律，弄明白工业母机精度退化的微观机理，并建立数学模型，为工业母机精度保持的研究提供理论依据，这样在研究的时候就能更具前瞻性，更有的放矢。
从技术上，则要建立能够让工业母机精度保持性加速退化的平台，像工业母机这类整机级复杂结构机电系统，突破极小子样工业母机整机精度保持性多应力加速退化试验技术，建立可模拟实际工况进行多元载荷加载的工业母机整机精度保持性加速退化试验平台，这样才能更有效率地进行测试。
通俗地讲，就是利用短期的加速退化试验数据，结合仿真和数字化，实现工业母机长期服役过程中精度退化数据的整体推断，这样就能大大提高测试的效率。
不过，国际上，德、日、瑞等国工业母机产品历经了这样百余年的迭代升级，精度保持能力已可达到较高水平，尚未针对工业母机精度保持性展开系统研究。
而国内对工业母机精度退化规律与机制的研究又远远不够，整机级复杂机电系统加速退化试验技术研究仍很薄弱。精度保持性快速测评技术的突破需要进行大量的试验尝试，摸索出科学、准确的快速测试方法。
走这条路线，可以说是迎难而上，但是，不勇敢地提出并尝试攻克这样的难题，就没法实现短期内提高工业母机精度保持性的目标。
目前，大连理工大学联合智能制造龙城实验室已研制出国际首套载重 20 吨、可对工业母机进行温度-振动-速度-静动态力等多应力加载的整机精度保持性快速测试平台，正在全力攻关工业母机多应力加速退化试验技术，并持续研制系列工业母机关键功能部件精度保持性快速测试装置，力争打造国际领先的工业母机精度保持性快速测试基地。
在国家“04”重大专项新一轮的支持下，预计到 2027 年，突破工业母机精度保持性快速测评技术，制定系列精度保持性快速测评国家或行业标准，全面建成工业母机精度保持性快速测评基地，支撑部分专项研发产品达到国际先进水平。
预计到 2035 年，持续发展精度保持性快速测评技术，全面支撑国产工业母机达到国际先进水平，推动我国工业母机制造技术水平进入创新型国家前列。
来源：科普中国
