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鍵技術的典型案例。西方發達國家對中國進行技術封鎖，為自主掌握核心技術，中國科學院院士王立鼎歷經40余年時間，從1999年開始帶領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發展的歷史資料，展現老一輩科學家勇攀高峰、敢為人先的創新精神。
齒輪在機械設備傳動方面應用廣泛。
在齒輪的精度等級中，6~8級為中等精度等級，可應用于機床與汽車等工業設備;3~5級為高精度等級，主要應用于超精機床、儀器、船舶、雷達以及航空航天發動機等具有高速高平穩傳動要求的場合;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化的基礎以及滿足大型國防工程建設的需要，齒輪逐漸量產化的同時，對齒輪精度的要求愈來愈高。
為完成高精尖國防設備的制造任務以及應對超精密齒輪技術封鎖的挑戰，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團隊歷經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從形成到完善的最關鍵時期)，使中國從超精密齒輪技術落后的境地追趕至世界領先。
超精密齒輪技術
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)研制出一臺光電經緯儀，以跟蹤我方和敵方的飛機與導彈。
這種大型儀器設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化，圓滿完成了國防任務，而后又在Y7431磨齒機上研發出4級標準齒輪。
現行齒輪標準與精度等級對應
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所用的軸角編碼數據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計、工藝與測量工作，攻關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，根據被磨齒輪的參數對機床進行選擇與調整參數，結合磨齒工藝進行人為技術操作，最后經過測量儀測量，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的核心要素。攻關組當時有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基礎，也是機床精化的一大創新舉措。
第一屆全國機械傳動年會結束后，王立鼎跟隨同事去上海機床廠調研電池設備中的分度技術，發現他們所研制的錄磁機中的錄磁盤回轉軸系是由多顆高精度鋼球構成，從而直接保證了錄磁盤的精度。
這一技術啟發王立鼎解決機床主軸結構設計問題，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，也促使誤差發生均化效應，主軸精度由原來的2 μm誤差減小到0.5 μm，高于國內生產水平。
磨齒機床按照功能性可以劃分為砂輪系統、展成系統與分度系統三大技術模塊。
王立鼎認為機床的分度精度是提高齒輪精度的關鍵，而分度盤是分度系統的核心要件，其精度決定了齒輪的分度精度。
大平面砂輪磨齒機結構
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學模型圖，顯示為一條正弦曲線，他假設此正弦曲線為安裝偏心導致的正弦誤差，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、正弦曲線調整分度盤大大提高分度盤的精度。這便是王立鼎自創的“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境下進行，國內超精密齒輪實驗室設備簡陋，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，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，至今尚未出現任何問題。
但王立鼎未滿足于已有的科研成績，為轉變中國超精密齒輪應用領域被動的境況，他毅然決定繼續鉆研攻克超精密齒輪技術難題，直至研制出1級超精密齒輪，使得中國的超精密齒輪技術不僅要跟上發達國家的步伐，還要領先于國際水平。
為了使機床分度系統能充分達到研制2級精度齒輪的要求，王立鼎徹底改裝分度機構，添加了端齒自動分度機構，將端齒自動分度機構裝備于機床尤其是精密機床用來磨齒，這一點是國內首創。
1977年，王立鼎將端齒分度機構改裝到Y7413機床，改裝后的機床能夠穩定研磨出西德齒輪標準DIN3962-1977中的2級精度的“小模數標準齒輪”。
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”替代了傳統齒輪磨床上的分度盤。
他還進行了多種模數齒輪的研究，其中“中模數基準標準齒輪”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
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，以開拓技術市場為突破口，引導科技工作面向經濟建設，促進科技與經濟的緊密結合。
1986年成立國家自然科學基金，以推動自然科學基礎研究的發展。
在此背景下，王立鼎以“漸開線誤差形成規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，要為中國科學事業做出貢獻”。
創新
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、振動小、輸出轉速恒定無波動等優點，是現代機械裝置應用范圍最廣的齒輪。
超精密齒輪就是應用了漸開線的齒形設計，降低齒輪齒形誤差的關鍵是提高機床漸開線凸輪的精度。
1993年，王立鼎不僅研發出雙滾輪式漸開線磨削裝置，還進一步設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”、端齒分度機構和漸開線樣板磨削與測量裝置這些創新技術的應用，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律，將齒輪旋轉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”的發明關鍵在于要特別注意實驗現象，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象，抓住問題一一突破，才能進行技術創新，不斷進步。
此外，配合新工藝，王立鼎帶領團隊成功研制出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，結論為“精度指標達到國際領先”。
意義
中國是首個掌握1級精度基準標準齒輪核心技術的國家，因此其成功研發具有重要的科研價值與應用前景。
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域在國際上的領先地位，突破了超精密齒輪的制造質量難關，提升了中國齒輪制造業的技術水平，為中國成為齒輪制造強國打下堅實的基礎;
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，適用于規模生產;
超精密齒輪技術在工業生產、航空航天及軍用裝備等多個重要領域起到關鍵作用，具有重要的戰略地位。
應用前景方面
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，工業機器人作為高端智能制造的代表，對此生產需求大幅度增加，而中國的減速器起步晚且主要依賴進口，導致中國工業機器人發展受到極大限制。
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化成為中國未來工業機器人發展戰略的主要課題，也是超精密齒輪技術領域中的重大研究方向。