自中美貿(mào)易摩擦以來，芯片被“卡”成為了國家、社會、學界共議的話題，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)達國家對中國進行技術(shù)封鎖，為自主掌握核心技術(shù)，中國科學院院士王立鼎歷經(jīng)40余年時間，從1999年開始帶領(lǐng)團隊成功研制出齒輪國際標準中的1級精度超精密標準齒輪。

　　本文梳理了超精密齒輪從4級到2級、2級到1級的“進化”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)老一輩科學家勇攀高峰、敢為人先的創(chuàng)新精神。

　　齒輪在機械設(shè)備傳動方面應(yīng)用廣泛。

　　在齒輪的精度等級中，6~8級為中等精度等級，可應(yīng)用于機床與汽車等工業(yè)設(shè)備;3~5級為高精度等級，主要應(yīng)用于超精機床、儀器、船舶、雷達以及航空航天發(fā)動機等具有高速高平穩(wěn)傳動要求的場合;1~2級精度為超精密等級，主要作為國家級或國際齒輪量儀校對和精度傳遞實體基準。

　　20世紀60年代，為迅速建立社會主義工業(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，對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)對超精密齒輪技術(shù)封鎖的挑戰(zhàn)，中國精密機械和微納機械專家、中國科學院院士王立鼎帶領(lǐng)團隊歷經(jīng)40余年的時間，將齒輪精度從7級精度逐步提高至1級(其中齒輪精度從4級精密級到2級超精密級、2級到1級超精密級的階段是超精密齒輪技術(shù)從形成到完善的最關(guān)鍵時期)，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。

　　超精密齒輪技術(shù)

　　4級到2級的“進化”

　　背景

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

　　這種大型儀器設(shè)備包含大量的齒輪傳動，要求齒輪精度達到6級以上，但當時國內(nèi)加工的齒輪精度多半為7級，身為長光所研究實習員的王立鼎參與了這一項目，他利用Y7131錐形砂輪磨齒機對齒輪進行磨削與優(yōu)化，圓滿完成了國防任務(wù)，而后又在Y7431磨齒機上研發(fā)出4級標準齒輪。

　　現(xiàn)行齒輪標準與精度等級對應(yīng)

　　ISO1328-1：1995、ISO1328-2：1997為國際標準;DIN3962-1~3：1978為德國國家標準;

JISB1702-1：1998、JISB1702-2：1998為日本國家標準;

ANSI/AGMA2015-1A01、ANSI/AGMA2015-2 A06 為美國國家標準;GB/T10095.1-2008、GB/T10095.2-2008 為中國國家標準

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

　　長光所成立專門的研制小組負責齒輪箱的設(shè)計、工藝與測量工作，攻關(guān)小組要獨立完成齒輪箱的研制工作，王立鼎是該組的研究實習員。

　　難題及解決

　　超精密齒輪加工的整個流程可以概述為將原始的齒坯安裝到磨齒機床上，根據(jù)被磨齒輪的參數(shù)對機床進行選擇與調(diào)整參數(shù)，結(jié)合磨齒工藝進行人為技術(shù)操作，最后經(jīng)過測量儀測量，其精度需達到國際齒輪標準3級以上。

　　磨齒機床是超精密齒輪技術(shù)的核心要素。攻關(guān)組當時有2臺磨齒機床——從英國進口的蝸桿砂輪磨齒機床和國產(chǎn)機床Y7431，由于后者可加工更大直徑的齒輪，王立鼎選擇此臺機床進行改裝與精化。

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

　　第一屆全國機械傳動年會結(jié)束后，王立鼎跟隨同事去上海機床廠調(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)王立鼎解決機床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，他在機床主軸加入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。

　　王立鼎認為機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。

　　大平面砂輪磨齒機結(jié)構(gòu)

　　王立鼎將高精度的多面棱體安裝在磨齒機床齒輪的位置，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，但還需進一步提高精度。

　　王立鼎畫出分度盤誤差的數(shù)學模型圖，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，從而與實際正弦相抵消來減少縱坐標的誤差量，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、防塵與防震的實驗環(huán)境下進行，國內(nèi)超精密齒輪實驗室設(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行半精加工工作，自己在夜晚相對安靜的環(huán)境下進行超精加工，每天到凌晨5點左右，然后打開實驗室的門，使齒輪能夠快速降溫，以便于測量實驗室人員白天上班后進行測量。

　　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批雷達編碼齒輪，都相繼裝載到中國最精密的雷達上，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)達國家的步伐，還要領(lǐng)先于國際水平。

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

　　1977年，王立鼎將端齒分度機構(gòu)改裝到Y(jié)7413機床，改裝后的機床能夠穩(wěn)定研磨出西德齒輪標準DIN3962-1977中的2級精度的“小模數(shù)標準齒輪”。

　　他所研制的德國DIN標準3級和2級精度的“小模數(shù)標準齒輪”在1978年先后獲得了中國科學院的重大科技成果獎和全國科學大會獎。

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

　　他還進行了多種模數(shù)齒輪的研究，其中“中模數(shù)基準標準齒輪”獲中國科學院科技進步一等獎，中國計量科學研究院將之用作國家級齒輪精度實體基準。

　　超精密齒輪技術(shù)

　　2級到1級的“進化”

　　背景

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

　　1986年成立國家自然科學基金，以推動自然科學基礎(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”為課題申請了國家自然科學基金項目，目的是研制出1級精度標準齒輪，“從事科研，我們要跟世界去比較，要為中國科學事業(yè)做出貢獻”。

　　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平穩(wěn)、振動小、輸出轉(zhuǎn)速恒定無波動等優(yōu)點，是現(xiàn)代機械裝置應(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，降低齒輪齒形誤差的關(guān)鍵是提高機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，還進一步設(shè)計并制造了漸開線測量裝置，為中國計量科學研究院提供了校對儀器。

　　王立鼎所研制的高精度漸開線樣板，不僅可用于機床磨削出1級精度齒形，還能作為中國計量科學研究院漸開線精度傳遞的基準，該項成果于1999年榮獲國家科技進步三等獎。

　　通過密珠滾動軸系、“正弦消減法”、端齒分度機構(gòu)和漸開線樣板磨削與測量裝置這些創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，磨齒機床的精度已滿足磨削1級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”。

　　王立鼎認為“易位法”的發(fā)明關(guān)鍵在于要特別注意實驗現(xiàn)象，他在機床旁邊專門放置一個辦公桌，便于在加工齒輪時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。

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

　　此外，配合新工藝，王立鼎帶領(lǐng)團隊成功研制出5種國際標準化組織制定的標準(ISO標準)1級精度標準齒輪，并于2016年進行了科技成果鑒定，結(jié)論為“精度指標達到國際領(lǐng)先”。

　　意義

　　中國是首個掌握1級精度基準標準齒輪核心技術(shù)的國家，因此其成功研發(fā)具有重要的科研價值與應(yīng)用前景。

　　科研價值方面

　　王立鼎所研制的磨齒機床Y7125及其磨齒工藝填補了國內(nèi)外1級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國打下堅實的基礎(chǔ);

　　1級超精密齒輪作為齒輪精度傳遞基準，被中國計量科學研究院以及企業(yè)用來鑒定普通精度的齒輪或齒輪測量儀器，提高了齒輪檢測效率，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，而基準級齒輪漸開線樣板和齒輪螺旋線樣板特指1級及以上精度的齒輪漸開線和螺旋線樣板，用于國家級齒輪漸開線和螺旋線的量值傳遞基準。

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

　　由于減速器中包含了大量齒輪傳動，精密減速器對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。