自中美貿(mào)易摩擦以來，芯片被“卡”成為了國家、社會(huì)、學(xué)界共議的話題，而制造領(lǐng)域的精度問題是“卡脖子”的重要一環(huán)。

中國超精密齒輪1級(jí)精度的突破是解決這一精度難題的典型代表，也是我國自主掌握關(guān)鍵技術(shù)的典型案例。西方發(fā)達(dá)國家對(duì)中國進(jìn)行技術(shù)封鎖，為自主掌握核心技術(shù)，中國科學(xué)院院士王立鼎歷經(jīng)40余年時(shí)間，從1999年開始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功研制出齒輪國際標(biāo)準(zhǔn)中的1級(jí)精度超精密標(biāo)準(zhǔn)齒輪。

本文梳理了超精密齒輪從4級(jí)到2級(jí)、2級(jí)到1級(jí)的“進(jìn)化”過程，豐富中國超精密齒輪技術(shù)發(fā)展的歷史資料，展現(xiàn)老一輩科學(xué)家勇攀高峰、敢為人先的創(chuàng)新精神。

齒輪在機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)方面應(yīng)用廣泛。

在齒輪的精度等級(jí)中，6~8級(jí)為中等精度等級(jí)，可應(yīng)用于機(jī)床與汽車等工業(yè)設(shè)備；3~5級(jí)為高精度等級(jí)，主要應(yīng)用于超精機(jī)床、儀器、船舶、雷達(dá)以及航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等具有高速高平穩(wěn)傳動(dòng)要求的場(chǎng)合；1~2級(jí)精度為超精密等級(jí)，主要作為國家級(jí)或國際齒輪量儀校對(duì)和精度傳遞實(shí)體基準(zhǔn)。

20世紀(jì)60年代，為迅速建立社會(huì)主義工業(yè)化的基礎(chǔ)以及滿足大型國防工程建設(shè)的需要，齒輪逐漸量產(chǎn)化的同時(shí)，對(duì)齒輪精度的要求愈來愈高。

為完成高精尖國防設(shè)備的制造任務(wù)以及應(yīng)對(duì)超精密齒輪技術(shù)封鎖的挑戰(zhàn)，中國精密機(jī)械和微納機(jī)械專家、中國科學(xué)院院士王立鼎帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)40余年的時(shí)間，將齒輪精度從7級(jí)精度逐步提高至1級(jí)（其中齒輪精度從4級(jí)精密級(jí)到2級(jí)超精密級(jí)、2級(jí)到1級(jí)超精密級(jí)的階段是超精密齒輪技術(shù)從形成到完善的最關(guān)鍵時(shí)期），使中國從超精密齒輪技術(shù)落后的境地追趕至世界領(lǐng)先。

背景

1960年，國防部某部門要求長春光學(xué)精密器械所（現(xiàn)為中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，以下簡稱長光所）研制出一臺(tái)光電經(jīng)緯儀，以跟蹤我方和敵方的飛機(jī)與導(dǎo)彈。

這種大型儀器設(shè)備包含大量的齒輪傳動(dòng)，要求齒輪精度達(dá)到6級(jí)以上，但當(dāng)時(shí)國內(nèi)加工的齒輪精度多半為7級(jí)，身為長光所研究實(shí)習(xí)員的王立鼎參與了這一項(xiàng)目，他利用Y7131錐形砂輪磨齒機(jī)對(duì)齒輪進(jìn)行磨削與優(yōu)化，圓滿完成了國防任務(wù)，而后又在Y7431磨齒機(jī)上研發(fā)出4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)齒輪。

ISO1328-1：1995、ISO1328-2：1997為國際標(biāo)準(zhǔn)；DIN3962-1~3：1978為德國國家標(biāo)準(zhǔn)；JISB1702-1：1998、JISB1702-2：1998為日本國家標(biāo)準(zhǔn)；ANSI/AGMA2015-1A01、ANSI/AGMA2015-2 A06 為美國國家標(biāo)準(zhǔn)；GB/T10095.1-2008、GB/T10095.2-2008 為中國國家標(biāo)準(zhǔn)

1965年，國家要研制新型精密測(cè)量雷達(dá)，其中雷達(dá)方位測(cè)角系統(tǒng)所用的軸角編碼數(shù)據(jù)傳動(dòng)齒輪箱由長光所承擔(dān)研制。

長光所成立專門的研制小組負(fù)責(zé)齒輪箱的設(shè)計(jì)、工藝與測(cè)量工作，攻關(guān)小組要獨(dú)立完成齒輪箱的研制工作，王立鼎是該組的研究實(shí)習(xí)員。

難題及解決

超精密齒輪加工的整個(gè)流程可以概述為將原始的齒坯安裝到磨齒機(jī)床上，根據(jù)被磨齒輪的參數(shù)對(duì)機(jī)床進(jìn)行選擇與調(diào)整參數(shù)，結(jié)合磨齒工藝進(jìn)行人為技術(shù)操作，最后經(jīng)過測(cè)量儀測(cè)量，其精度需達(dá)到國際齒輪標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)以上。

磨齒機(jī)床是超精密齒輪技術(shù)的核心要素。攻關(guān)組當(dāng)時(shí)有2臺(tái)磨齒機(jī)床——從英國進(jìn)口的蝸桿砂輪磨齒機(jī)床和國產(chǎn)機(jī)床Y7431，由于后者可加工更大直徑的齒輪，王立鼎選擇此臺(tái)機(jī)床進(jìn)行改裝與精化。

1963年，王立鼎先將Y7431的滑動(dòng)摩擦加工主軸更換為具有高精度、摩擦力矩小的密珠滾動(dòng)軸系，這為后來研制精密雷達(dá)中的編碼齒輪奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)，也是機(jī)床精化的一大創(chuàng)新舉措。

第一屆全國機(jī)械傳動(dòng)年會(huì)結(jié)束后，王立鼎跟隨同事去上海機(jī)床廠調(diào)研電池設(shè)備中的分度技術(shù)，發(fā)現(xiàn)他們所研制的錄磁機(jī)中的錄磁盤回轉(zhuǎn)軸系是由多顆高精度鋼球構(gòu)成，從而直接保證了錄磁盤的精度。

這一技術(shù)啟發(fā)王立鼎解決機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，他在機(jī)床主軸加入400顆鋼球，使主軸剛度大幅度提高，保證軸承不易彎曲，也促使誤差發(fā)生均化效應(yīng)，主軸精度由原來的2 μm誤差減小到0.5 μm，高于國內(nèi)生產(chǎn)水平。

磨齒機(jī)床按照功能性可以劃分為砂輪系統(tǒng)、展成系統(tǒng)與分度系統(tǒng)三大技術(shù)模塊。

王立鼎認(rèn)為機(jī)床的分度精度是提高齒輪精度的關(guān)鍵，而分度盤是分度系統(tǒng)的核心要件，其精度決定了齒輪的分度精度。

王立鼎將高精度的多面棱體安裝在磨齒機(jī)床齒輪的位置，分度盤裝置在度盤后面，利用精密的軸系將多面棱體的精度傳遞給分度盤，借此將分度盤精度提高至一二十角秒，但還需進(jìn)一步提高精度。

王立鼎畫出分度盤誤差的數(shù)學(xué)模型圖，顯示為一條正弦曲線，他假設(shè)此正弦曲線為安裝偏心導(dǎo)致的正弦誤差，在相反方向畫出一條反正弦曲線，從而與實(shí)際正弦相抵消來減少縱坐標(biāo)的誤差量，依照反、正弦曲線調(diào)整分度盤大大提高分度盤的精度。這便是王立鼎自創(chuàng)的“正弦消減法”。

而后，王立鼎用小銼刀依次研磨分度盤的牙齒，經(jīng)過2周晝夜不停地研磨，分度盤精度達(dá)到加工要求。

然而，超精密齒輪加工是需要在恒溫、防塵與防震的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行，國內(nèi)超精密齒輪實(shí)驗(yàn)室設(shè)備簡陋，無法滿足超精密齒輪加工的要求。

王立鼎讓助手白天進(jìn)行半精加工工作，自己在夜晚相對(duì)安靜的環(huán)境下進(jìn)行超精加工，每天到凌晨5點(diǎn)左右，然后打開實(shí)驗(yàn)室的門，使齒輪能夠快速降溫，以便于測(cè)量實(shí)驗(yàn)室人員白天上班后進(jìn)行測(cè)量。

一年后，王立鼎等人如期完成編碼齒輪的研制任務(wù)，之后王立鼎共參與研制了5批雷達(dá)編碼齒輪，都相繼裝載到中國最精密的雷達(dá)上，至今尚未出現(xiàn)任何問題。

但王立鼎未滿足于已有的科研成績，為轉(zhuǎn)變中國超精密齒輪應(yīng)用領(lǐng)域被動(dòng)的境況，他毅然決定繼續(xù)鉆研攻克超精密齒輪技術(shù)難題，直至研制出1級(jí)超精密齒輪，使得中國的超精密齒輪技術(shù)不僅要跟上發(fā)達(dá)國家的步伐，還要領(lǐng)先于國際水平。

為了使機(jī)床分度系統(tǒng)能充分達(dá)到研制2級(jí)精度齒輪的要求，王立鼎徹底改裝分度機(jī)構(gòu)，添加了端齒自動(dòng)分度機(jī)構(gòu)，將端齒自動(dòng)分度機(jī)構(gòu)裝備于機(jī)床尤其是精密機(jī)床用來磨齒，這一點(diǎn)是國內(nèi)首創(chuàng)。

1977年，王立鼎將端齒分度機(jī)構(gòu)改裝到Y(jié)7413機(jī)床，改裝后的機(jī)床能夠穩(wěn)定研磨出西德齒輪標(biāo)準(zhǔn)DIN3962-1977中的2級(jí)精度的“小模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)齒輪”。

他所研制的德國DIN標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)和2級(jí)精度的“小模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)齒輪”在1978年先后獲得了中國科學(xué)院的重大科技成果獎(jiǎng)和全國科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)。

此外，王立鼎于1976-1978年研制“端齒輪自動(dòng)分度機(jī)構(gòu)”替代了傳統(tǒng)齒輪磨床上的分度盤。

他還進(jìn)行了多種模數(shù)齒輪的研究，其中“中模數(shù)基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)齒輪”獲中國科學(xué)院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，中國計(jì)量科學(xué)研究院將之用作國家級(jí)齒輪精度實(shí)體基準(zhǔn)。

背景

1985年中國正式全面啟動(dòng)科技體制的改革，在第一階段，以開拓技術(shù)市場(chǎng)為突破口，引導(dǎo)科技工作面向經(jīng)濟(jì)建設(shè)，促進(jìn)科技與經(jīng)濟(jì)的緊密結(jié)合。

1986年成立國家自然科學(xué)基金，以推動(dòng)自然科學(xué)基礎(chǔ)研究的發(fā)展。

在此背景下，王立鼎以“漸開線誤差形成規(guī)律和最佳成型方案的研究”為課題申請(qǐng)了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，目的是研制出1級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪，“從事科研，我們要跟世界去比較，要為中國科學(xué)事業(yè)做出貢獻(xiàn)”。

創(chuàng)新

常用齒輪的齒形有擺線、圓弧、漸開線等曲線，漸開線齒輪具有傳動(dòng)平穩(wěn)、振動(dòng)小、輸出轉(zhuǎn)速恒定無波動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代機(jī)械裝置應(yīng)用范圍最廣的齒輪。

超精密齒輪就是應(yīng)用了漸開線的齒形設(shè)計(jì)，降低齒輪齒形誤差的關(guān)鍵是提高機(jī)床漸開線凸輪的精度。

1993年，王立鼎不僅研發(fā)出雙滾輪式漸開線磨削裝置，還進(jìn)一步設(shè)計(jì)并制造了漸開線測(cè)量裝置，為中國計(jì)量科學(xué)研究院提供了校對(duì)儀器。

王立鼎所研制的高精度漸開線樣板，不僅可用于機(jī)床磨削出1級(jí)精度齒形，還能作為中國計(jì)量科學(xué)研究院漸開線精度傳遞的基準(zhǔn)，該項(xiàng)成果于1999年榮獲國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

通過密珠滾動(dòng)軸系、“正弦消減法”、端齒分度機(jī)構(gòu)和漸開線樣板磨削與測(cè)量裝置這些創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，磨齒機(jī)床的精度已滿足磨削1級(jí)精度超精密齒輪的要求，但是超精磨齒輪的磨削還需要在加工工藝方面進(jìn)行革新。

王立鼎效仿分度盤的誤差規(guī)律，將齒輪旋轉(zhuǎn)180°后磨削一半的齒輪，停止磨削齒輪的剩余部分，將齒輪精度從原先的60″提高至45″，他將這種磨齒加工工藝命名為“易位法”。

王立鼎認(rèn)為“易位法”的發(fā)明關(guān)鍵在于要特別注意實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，他在機(jī)床旁邊專門放置一個(gè)辦公桌，便于在加工齒輪時(shí)能夠一邊分析一邊記錄，他還注意聽磨齒的聲音來判斷齒輪加工程度。

在工作實(shí)踐中只有特別留意各種現(xiàn)象，抓住問題一一突破，才能進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，不斷進(jìn)步。

此外，配合新工藝，王立鼎帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功研制出5種國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的標(biāo)準(zhǔn)（ISO標(biāo)準(zhǔn)）1級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪，并于2016年進(jìn)行了科技成果鑒定，結(jié)論為“精度指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先”。

意義

中國是首個(gè)掌握1級(jí)精度基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)齒輪核心技術(shù)的國家，因此其成功研發(fā)具有重要的科研價(jià)值與應(yīng)用前景。

科研價(jià)值方面

王立鼎所研制的磨齒機(jī)床Y7125及其磨齒工藝填補(bǔ)了國內(nèi)外1級(jí)精度齒輪制造工藝的空白，奠定了中國超精密齒輪領(lǐng)域在國際上的領(lǐng)先地位，突破了超精密齒輪的制造質(zhì)量難關(guān)，提升了中國齒輪制造業(yè)的技術(shù)水平，為中國成為齒輪制造強(qiáng)國打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；

1級(jí)超精密齒輪作為齒輪精度傳遞基準(zhǔn)，被中國計(jì)量科學(xué)研究院以及企業(yè)用來鑒定普通精度的齒輪或齒輪測(cè)量儀器，提高了齒輪檢測(cè)效率，適用于規(guī)模生產(chǎn)；

超精密齒輪技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天及軍用裝備等多個(gè)重要領(lǐng)域起到關(guān)鍵作用，具有重要的戰(zhàn)略地位。

應(yīng)用前景方面

王立鼎于20世紀(jì)90年代所研制出的高精度漸開線樣板，主要用于精化漸開線凸輪來磨削齒輪，而基準(zhǔn)級(jí)齒輪漸開線樣板和齒輪螺旋線樣板特指1級(jí)及以上精度的齒輪漸開線和螺旋線樣板，用于國家級(jí)齒輪漸開線和螺旋線的量值傳遞基準(zhǔn)。

另外，工業(yè)機(jī)器人作為高端智能制造的代表，對(duì)此生產(chǎn)需求大幅度增加，而中國的減速器起步晚且主要依賴進(jìn)口，導(dǎo)致中國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展受到極大限制。

由于減速器中包含了大量齒輪傳動(dòng)，精密減速器對(duì)齒輪精度有極高要求，因此加快精密減速器國產(chǎn)化成為中國未來工業(yè)機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略的主要課題，也是超精密齒輪技術(shù)領(lǐng)域中的重大研究方向。

來源：科技導(dǎo)報(bào)