刀頭高速旋轉穩定推進，刀下堅硬的金屬仿佛奶油般伏貼順滑，隨著屑料與切削液飛濺，鋥明瓦亮的零件從金屬坯料中被解放出來，再裝配成機器——尺寸分毫不差的零件們環環相扣，彼此間絕無松動卻又運轉絲滑……
即便不是從事相關行業的朋友，看到這樣嚴整的加工、制造過程，都會感到滿足。帶來這種嚴謹又絲滑的愉悅感的，主要就是兩個字——「精度」，而精度高，則意味著機器效率更高，壽命更長。很多重要的機械器材，都對精度有著極高的要求。
日前，中國科協釋出的2024重大科學問題、工程技術難題和產業技術問題，其中的十大工程技術難題便包括了「工業母機精度保持性的快速測評」，那麽工業母機的「精度」為何如此重要？保持精度又為什麽這麽難？
為此，我們咨詢了大連理工大學機械工程學院教授劉闊，對這些大眾關切的問題進行了解讀。
工業母機：精度為何如此重要？
所謂「上梁不正下梁歪」「沒有規矩不成方圓」，這兩句俗語充分說明有了正確的基準，做出來的東西才不會跑偏。而工業母機，恰恰承擔了這樣的重任。
工業母機，是指對金屬或其他材料的坯料或工件進行加工，使之獲得所需形狀、尺寸和表面質素的機器。通常可以把工業母機理解為「制造機器的機器」，盡管它並不直接生產終端產品，而是為其他器材提供基礎零部件或模具，從而間接地影響各種制造行業。
圖中這些都是典型的工業母機
工業母機制造的典型復雜零件
也正因為如此，工業母機的精度和精度的保持至關重要。所謂「精度」，用通俗的話講就是「按圖加工」準確到什麽程度——如果零件加工出來跟圖紙要求完全一樣，橫平豎直，形狀精準，尺寸分毫不差，那麽就可稱得上精度高。
舉個簡化的例子，對車床來說，車一根 0.5 米直徑的金屬圓柱外圓，誤差小於 5 微米的話，就可算得上是精密加工了，而 5 微米，大約相當於我們頭發直徑的 1/16。而其他種類的母機，則各有標準。
一台高精度的母機，就像是一位經驗豐富的工匠，能夠精細地調控加工過程中的每一個細節，從零件的位置定位到尺寸的精確切割，再到形狀的完美塑造，每一步都力求精準無誤。這種高精度，不僅減少了因加工精度超差導致的返工和材料浪費，還顯著提升了產品的整體質素和一致性。
精度下降，都有哪些原因？
很多朋友都有這樣的經驗：嶄新的單車騎起來又安靜又省力，可是騎了成千上萬公裏之後，這車就可能這兒響那兒晃，蹬起來阻力也大了。這其實也與「精度下降」有關，而類似的事情，也會在工業母機上發生。
我們看到的很多機械加工影片，都可以用「削鐵如泥」四個字來形容，雖然看著輕松，實際上機器器材受力非常大。
在這種情況下，工業母機的床身-立柱、床身-導軌等螺栓連線界面，在工作過程中，就可能發生界面微動磨損、螺母旋轉松動、螺栓桿蠕變等問題，造成螺栓預緊力的衰退，引起結合面處產生微小形變，致使母機精度衰退。
此外，工業母機加工零件的時候，會有許多能移動的運動部件，比如很常見的絲杠與螺母，滾軸與導軌等等，隨著工業母機的長期運轉，運動部件接觸界面會逐漸磨損，使得原本的精密配合狀態發生改變，致使母機精度衰退。
精密齒輪切割機。版權圖庫圖片，轉載使用可能引發版權糾紛
那麽，母機不工作、少工作就可以減少磨損和精度下降了嗎？
並非如此。
工業母機的床身、立柱等大型結構件，需經鑄造、粗加工、精加工等工序，基礎件內部往往殘留著大量的應力，若未經過充分的時效處理，在工業母機服役過程中內部應力將逐漸釋放，不管母機工作不工作，都會導致原有安裝基準發生改變，引起機床精度的衰退。
如果工業母機精度出現問題，那麽就會影響加工零件的準確性和最終產品的質素——加工出的零件可能會出現尺寸偏差、形狀扭曲等問題，導致產品無法達到預期的效能要求。
這些加工不夠準確的零件，安裝到機械中去的話，會導致效率下降，磨損、振動和噪音增加等問題，這既影響機器的效能和正常使用，又會降低機器壽命，甚至帶來事故隱患。
特別是在航空航天、國防軍工、汽車等精密制造行業中，這種質素問題可能會引發嚴重的安全隱患，甚至導致災難性的後果。
也正因為如此，我們需要定期檢查、維護母機，以確保精度。很容易想到，如果我們能改進工業母機，讓它們在很長一段時間內都保持精度的話，就能提高效率，降低成本，對行業意義巨大。
然而，這並不是一件容易的事。
保持精度，為什麽這麽難？
以在航空航天、汽車等領域廣泛使用的精密龍門加工中心和臥式加工中心為例，目前市場上半數以上的國產加工中心在精度保持方面存在明顯不足，其精度保持時間往往不足1年，這與國外高端同類產品動輒 5 年以上的精度保持效能形成了鮮明對比。
這種差距不僅影響了中國高端制造業產品的整體質素，也嚴重制約了相關領域的技術進步與發展速度。
那麽，為什麽保持精度這麽難做到呢？
首先，雖然我們平時只說「工業母機精度」，但是，工業母機其實是一種非常復雜的機械，精度項繁復多樣，包括但不限於定位精度、直線度、垂直度、主軸回轉精度等，每一種精度指標都直接關聯到機床的加工質素與效率，但各自對加工效能的貢獻方式和影響程度又各不相同。
其次，精度保持性與工業母機的結構設計、構件材料、裝配工藝、服役工況等各方面息息相關。受服役過程中溫度、振動、切削力等多種載荷互動作用，工業母機設計制造過程中的微小偏差，會在長期服役過程中逐漸放大，對精度造成不可逆的影響。最終，失之毫厘謬之千裏，影響到最後的產品
影響工作母機精度的因素有這麽多這麽復雜，保持精度這件事自然也就突出一個「步步驚心」了。
迎難而上，解決精度保持問題
前邊介紹完了基本的知識，接下來就可以講講我們該如何克服精度保持性差的難題了。
通俗地講，一般最佳化器材時，我們通常要經過這麽幾個步驟：搞清楚哪兒壞了，總結哪兒容易壞，搞明白為什麽壞，想辦法讓它別壞——如此迴圈，中間積累的知識和經驗將會直接套用於下一輪設計和生產工藝當中，盡量從源頭上發現和預防各種問題和短板，這樣器材就能越做越好。
不過，上邊的步驟雖然聽著簡單，實際操作時，對於工業母機這種結構復雜，精度項多的大型器材，就非常麻煩。以前往往會采取現場跟蹤測試的方法，但是這種方法周期過長，無法快速測得精度保持性水平與短板，致使國產工業母機精度保持能力難以在短期內取得飛躍式提升。
那麽，又該如何解決這個問題呢？答案就是「加速」。如果能夠想辦法縮短工業母機精度保持性測評所需的時間，就能在短時間內作出改進，提高精度。
工業母機精度現場測試
具體來說，從理論上，需要搞清不同構型、不同制造工藝和不同服役工況下工業母機精度退化的規律，弄明白工業母機精度退化的微觀機理，並建立數學模型，為工業母機精度保持的研究提供理論依據，這樣在研究的時候就能更具前瞻性，更有的放矢。
從技術上，則要建立能夠讓工業母機精度保持性加速退化的平台，像工業母機這類整機級復雜結構機電系統，突破極小子樣工業母機整機精度保持性多應力加速退化試驗技術，建立可模擬實際工況進行多元載荷載入的工業母機整機精度保持性加速退化試驗平台，這樣才能更有效率地進行測試。
通俗地講，就是利用短期的加速退化試驗數據，結合仿真和數碼化，實作工業母機長期服役過程中精度退化數據的整體推斷，這樣就能大大提高測試的效率。
不過，國際上，德、日、瑞等國工業母機產品歷經了這樣百余年的叠代升級，精度保持能力已可達到較高水平，尚未針對工業母機精度保持性展開系統研究。
而國內對工業母機精度退化規律與機制的研究又遠遠不夠，整機級復雜機電系統加速退化試驗技術研究仍很薄弱。精度保持性快速測評技術的突破需要進行大量的試驗嘗試，摸索出科學、準確的快速測試方法。
走這條路線，可以說是迎難而上，但是，不勇敢地提出並嘗試攻克這樣的難題，就沒法實作短期內提高工業母機精度保持性的目標。
版權圖庫圖片，轉載使用可能引發版權糾紛
目前，大連理工大學聯合智能制造龍城實驗室已研制出國際首套載重 20 噸、可對工業母機進行溫度-振動-速度-靜動態力等多應力載入的整機精度保持性快速測試平台，正在全力攻關工業母機多應力加速退化試驗技術，並持續研制系列工業母機關鍵功能部件精度保持性快速測試裝置，力爭打造國際領先的工業母機精度保持性快速測試基地。
在國家「04」重大專項新一輪的支持下，預計到 2027 年，突破工業母機精度保持性快速測評技術，制定系列精度保持性快速測評國家或行業標準，全面建成工業母機精度保持性快速測評基地，支撐部份專項研發產品達到國際先進水平。
預計到 2035 年，持續發展精度保持性快速測評技術，全面支撐國產工業母機達到國際先進水平，推動中國工業母機制造技術水平進入創新型國家前列。
策劃制作
受訪專家丨劉闊 大連理工大學機械工程學院教授 智能制造龍城實驗室
整理丨丁崝
策劃丨於宏麗 中國機械工程學會丁崝
責編丨丁崝
審校丨徐來 林林
