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剝開(kāi)這些鋼鐵“外衣”，一對(duì)對(duì)緊密咬合的齒輪在工業(yè)進(jìn)化史上立下汗馬功勞。越是高精度的齒輪組，運(yùn)行越平穩(wěn)、噪聲越少、傳動(dòng)精度越高。
不久前，工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等七部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域設(shè)備更新實(shí)施方案》，在先進(jìn)設(shè)備、數(shù)字化、綠色化、安全性等方面提出了推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域設(shè)備更新和技術(shù)改造的要求。
“我國(guó)正在向高端制造轉(zhuǎn)型升級(jí)，其前提是工業(yè)零部件的整體升級(jí)。現(xiàn)在我們有自信，因?yàn)楣I(yè)用齒輪的升級(jí)換代使我國(guó)在技術(shù)上做好了準(zhǔn)備。”中國(guó)科學(xué)院院士王立鼎如是說(shuō)。
王立鼎的自信，與他在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)春光機(jī)所)工作期間，開(kāi)創(chuàng)出我國(guó)超精密齒輪工藝技術(shù)密不可分。
m2-6的1級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪。
接到緊急任務(wù)，從4級(jí)跨越到1級(jí)
“在2300公里的距離內(nèi)，法國(guó)阿基丹雷達(dá)的誤差在5米之內(nèi)。它是怎么做到的?”1965年，長(zhǎng)春光機(jī)所窗外丁香花盛開(kāi)，屋內(nèi)的科技人員正在熱烈討論。
大家認(rèn)識(shí)到，一個(gè)關(guān)鍵要素——齒輪的精度決定了雷達(dá)的精確度。但阿基丹雷達(dá)中的齒輪并不是由法國(guó)生產(chǎn)的，而是由瑞士蘇黎世馬格公司制造的，這家公司就是大名鼎鼎的西格瑪公司的前身。西格瑪公司的齒輪加工裝備——特型馬格磨齒機(jī)在業(yè)內(nèi)聲名顯赫。
20世紀(jì)60年代，西方國(guó)家在精密儀器的核心技術(shù)與裝備方面領(lǐng)先一步，并將其牢牢掌握在自己手中，根本不會(huì)輕易出售和轉(zhuǎn)讓。中國(guó)也想做一臺(tái)類(lèi)似的新型精密測(cè)量雷達(dá)，可是僅憑國(guó)外雜志的文字描述，其制作工藝、關(guān)鍵數(shù)據(jù)等無(wú)從得知。為攻克超精密齒輪制造技術(shù)，長(zhǎng)春光機(jī)所啟動(dòng)了新一輪的攻關(guān)項(xiàng)目。
時(shí)任長(zhǎng)春光機(jī)所所長(zhǎng)王大珩把這項(xiàng)重任交給了齒輪研究室的磨齒組。當(dāng)時(shí)正在磨齒組任研究實(shí)習(xí)員的王立鼎承擔(dān)了這項(xiàng)超精齒輪攻關(guān)任務(wù)。1965年，大學(xué)畢業(yè)剛5年的他，已是一名“熟練工”，由他經(jīng)手加工的齒輪，精度最高可達(dá)4級(jí)，而在當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)工廠(chǎng)加工的齒輪精度普遍為7級(jí)。因?yàn)檫@手本事，那一年，他榮獲了中國(guó)科學(xué)院優(yōu)秀科研成果獎(jiǎng)。
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(chē)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)景;1～2級(jí)為超精密等級(jí)，主要作為國(guó)家級(jí)或國(guó)際齒輪量?jī)x校對(duì)和精度傳遞實(shí)體基準(zhǔn)。
超精密加工與測(cè)試技術(shù)是反映一個(gè)國(guó)家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。精密齒輪加工技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天等領(lǐng)域起到關(guān)鍵作用，齒輪的精度直接影響機(jī)械工程裝備的整體精度。而在當(dāng)時(shí)能做出2級(jí)及以上精度齒輪的國(guó)家，全球范圍內(nèi)只有德國(guó)和瑞士。
“制作一臺(tái)精度與阿基丹雷達(dá)相當(dāng)?shù)睦走_(dá)，齒輪精度起碼要2級(jí)以上，準(zhǔn)確說(shuō)是1級(jí)。”長(zhǎng)春光機(jī)所經(jīng)過(guò)分析，確定了齒輪箱研究需要達(dá)到的目標(biāo)。
從4級(jí)一下子跨越到1級(jí)，這讓所有人倒吸一口涼氣——當(dāng)時(shí)我國(guó)沒(méi)有一個(gè)人加工過(guò)如此超精密的齒輪。這意味著沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可循，一切都得靠自己摸索。
王立鼎接到的任務(wù)中包括磨削齒輪，這是齒輪制造的最后一步，也就是說(shuō)，齒輪精度最后只能靠王立鼎的智慧與雙手把控。
王立鼎(左)與徒弟一起磨削齒輪。
沒(méi)有“豪華”實(shí)驗(yàn)室，我們自己造
20世紀(jì)50年代末至60年代初，美國(guó)一家知名企業(yè)要為太空導(dǎo)航系統(tǒng)制作一臺(tái)超精密齒輪設(shè)備。承擔(dān)制作任務(wù)的實(shí)驗(yàn)室配置要求之高，令人嘆為觀止。
操作人員不能穿帶棉絮的工作服入內(nèi)，而且要提前洗澡、打發(fā)蠟，為的是防止棉絮、頭皮屑掉落在室內(nèi)。實(shí)驗(yàn)室外一公里之內(nèi)不能有汽車(chē)行駛，以免引起震動(dòng)。更重要的是，它對(duì)溫度有絕對(duì)的要求，要求20攝氏度恒溫，溫差不能超過(guò)0.5攝氏度，且濕度控制在40%~60%之間，以最大限度防止齒輪加工設(shè)備受到外界因素影響。
可是，打造這樣一間高規(guī)格實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)時(shí)的長(zhǎng)春光機(jī)所實(shí)難做到。
王立鼎看看身后，他們只有一個(gè)與他人合用的加工間，這里沒(méi)有恒溫，也達(dá)不到超凈，只有地基的穩(wěn)定度還算“勉強(qiáng)過(guò)關(guān)”。加工間只有兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)齒輪磨床，王立鼎對(duì)其中一臺(tái)齒輪磨床Y7431進(jìn)行了改造與精化，后來(lái)這臺(tái)Y7431一直陪伴了他的整個(gè)科研生涯。
怎么才能在天差地別的條件下，研制出媲美德國(guó)和瑞士的超精密齒輪?對(duì)王立鼎而言，這著實(shí)是一道不小的難題。
同事在王立鼎磨削超精密齒輪時(shí)，都默默地把手中的加工設(shè)備停下來(lái)，以防自己磨削產(chǎn)生的灰塵彌漫到空氣中。
一公里以?xún)?nèi)不讓行駛汽車(chē)，在白天很難做到，王立鼎就和助手李振鐸分成早晚兩班。白班由李振鐸進(jìn)行半精磨，王立鼎值晚班進(jìn)行精磨。王立鼎的晚班從傍晚5點(diǎn)到次日凌晨四五點(diǎn)。夜里萬(wàn)籟俱寂，車(chē)間里沒(méi)有機(jī)床開(kāi)動(dòng)，馬路上也沒(méi)有車(chē)輛行駛，最大限度避免了各種震動(dòng)干擾。只有加工間里一燈如豆，伴著磨齒迸發(fā)出的火光，把王立鼎的眼眸映得通紅。
可是，最重要的恒溫怎么解決?這離不開(kāi)王立鼎的巧思。“哲學(xué)中有一句話(huà)叫作‘變中有不變’。每天的溫度都有一個(gè)曲線(xiàn)變化。相鄰幾天如果沒(méi)有天氣驟變，溫度曲線(xiàn)變化是有規(guī)律可循的。我就是利用每天溫度變化趨于一致的自然現(xiàn)象，成功解決了恒溫問(wèn)題。”
簡(jiǎn)易版的“豪華”實(shí)驗(yàn)室有了，超精密齒輪就能順利誕生嗎?
把握細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精度的“完美匹配”
磨齒的日常畫(huà)面是這樣——操作人員在機(jī)床前端安放一個(gè)齒輪毛坯，調(diào)整后端分度盤(pán)的參數(shù)，按下開(kāi)關(guān)啟動(dòng)設(shè)備，連接齒輪與分度盤(pán)的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，磨齒就開(kāi)始了。磨好的齒輪表面圓滑光潔，透著銀光。齒輪個(gè)頭兒均等，齒與齒之間的距離一致。
這是一個(gè)看似簡(jiǎn)單的工作，但磨制一對(duì)超精密齒輪，一般要耗費(fèi)王立鼎一個(gè)季度的時(shí)間。為什么這么難?
超精密齒輪技術(shù)的核心要素之一是機(jī)床。軸系的精度對(duì)機(jī)床的傳遞精度有重要影響，分度盤(pán)的精度又決定了齒輪的分度精度。只有各配件精度完美匹配，才有可能誕生超精密齒輪。
“就像一個(gè)挑擔(dān)人，前后各有一個(gè)筐，但不能沒(méi)有扁擔(dān)，扁擔(dān)的好壞直接影響了挑擔(dān)人的工作效果，而那根扁擔(dān)正是軸承。”王立鼎打了一個(gè)比方。
1963年，第一屆全國(guó)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(chǎng)參觀。上海機(jī)床廠(chǎng)是國(guó)內(nèi)機(jī)床界的翹楚，王立鼎心向往之。“在這里我發(fā)現(xiàn)，錄磁機(jī)中的錄磁盤(pán)回轉(zhuǎn)軸系由多顆高精度鋼球構(gòu)成。錄磁機(jī)的精度可比加工齒輪的機(jī)床高得多，如果我能用上它的軸系該有多好。”
正巧王立鼎的一臺(tái)機(jī)床軸系的主軸壞了。但按當(dāng)時(shí)的規(guī)定，更換機(jī)床軸系的主軸需要機(jī)械工業(yè)部批準(zhǔn)，機(jī)床廠(chǎng)才會(huì)答應(yīng)生產(chǎn)。因此，換軸承的事一直擱置未能解決。
受上海一行啟發(fā)，王立鼎決定自己更換軸系。“機(jī)床軸系原來(lái)是不帶鋼球的，我在自行研制的主軸中加入400顆精密鋼球，發(fā)現(xiàn)主軸的剛度大幅度提高，這樣既保證主軸受力不易彎曲，也發(fā)揮了誤差均化效應(yīng)，軸承精度誤差由原來(lái)的2微米縮小到0.5微米，高于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)機(jī)床制造精度。”
他大喜過(guò)望，一鼓作氣把另外一臺(tái)機(jī)床的軸系也更換了，機(jī)床的精度就這樣一勞永逸地解決了——不僅比當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外機(jī)床的精度都高，而且過(guò)去60多年精度始終不降，到現(xiàn)在還在使用。“這為后來(lái)研制超精密齒輪解決了不可或缺的設(shè)備精度問(wèn)題。”
還有一次，王立鼎檢查分度盤(pán)時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸心運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的曲線(xiàn)并不像他畫(huà)的那么規(guī)整，而是一條不太規(guī)律的曲線(xiàn)。
王立鼎繪制齒輪圖。
AA級(jí)插齒刀(m4)。
A級(jí)精度剃齒刀。
這條曲線(xiàn)很多人看一眼就放過(guò)了，而王立鼎卻仔細(xì)琢磨起來(lái)。“它的形態(tài)似曾相識(shí)，就像是一條正弦曲線(xiàn)。”他再仔細(xì)檢查分度盤(pán)，判斷出有兩種可能性—— 一是分度盤(pán)裝偏了，沒(méi)有跟中心對(duì)準(zhǔn);二是分度盤(pán)沒(méi)有裝偏，而是在制造中產(chǎn)生了誤差。
“無(wú)論分度盤(pán)是否裝偏，糾正的方法都是采用反正弦曲線(xiàn)，一正一反相互抵消，這樣就能大幅提高分度盤(pán)的精度。”這便是王立鼎自創(chuàng)的“正弦消減法”的樸素思想。“那么，我故意把它裝歪一點(diǎn)，產(chǎn)生反正弦曲線(xiàn)，從某種程度上便能解決精度問(wèn)題。”沿著這一思路，他把分度誤差從50角秒減小到13角秒。
這樣的巧思來(lái)自對(duì)細(xì)節(jié)的把握。齒輪組同事張玉玲曾打趣說(shuō)：“王老師觀察問(wèn)題，比女同事還要細(xì)膩。”一些細(xì)節(jié)看似簡(jiǎn)單卻不易操作，比如磨齒芯軸的徑向跳動(dòng)從1微米調(diào)到0.5微米，王立鼎可以一次成功，換作他人就很難實(shí)現(xiàn)。
1966年，僅用一年多時(shí)間，王立鼎就采用“正弦消減法”和“易位法”磨齒工藝，研制出我國(guó)首套超精密齒輪，達(dá)到雷達(dá)設(shè)計(jì)精度要求。那一年，30歲出頭的他，成為國(guó)內(nèi)公認(rèn)的超精密齒輪專(zhuān)家，“齒輪王”的美名不脛而走。
1965年到1980年，王立鼎先后研制出5批超精密齒輪，滿(mǎn)足了國(guó)家相關(guān)項(xiàng)目需求。
做測(cè)量齒輪的齒輪，為行業(yè)定基準(zhǔn)
20世紀(jì)七八十年代，正是我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)體系全面恢復(fù)的時(shí)期。
為滿(mǎn)足工業(yè)發(fā)展需求，王立鼎又確定了一個(gè)新目標(biāo)——做標(biāo)準(zhǔn)齒輪。
在工業(yè)生產(chǎn)中，用儀器測(cè)量齒輪精度效率太低，半個(gè)工作日只能測(cè)一件齒輪。如果有一款標(biāo)準(zhǔn)齒輪，把它裝在測(cè)量?jī)x器上與被測(cè)齒輪咬合運(yùn)轉(zhuǎn)一周，便知被測(cè)齒輪是否合格，從而可大幅提升檢測(cè)效率。標(biāo)準(zhǔn)齒輪通常比被測(cè)量的齒輪精度高2~3個(gè)級(jí)別，而當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)只能做出4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，即只能檢測(cè)6~7級(jí)的齒輪。
如果把標(biāo)準(zhǔn)齒輪做到2級(jí)精度，其功能不僅可以用于工業(yè)生產(chǎn)，還可以校對(duì)齒輪量?jī)x的精度，該齒輪被稱(chēng)為基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，可以為齒輪行業(yè)提供基準(zhǔn)。
“1975年，長(zhǎng)春光機(jī)所提出一個(gè)目標(biāo)：到1976年研制出趕超德國(guó)的2級(jí)精度小模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)齒輪。”王立鼎回憶說(shuō)。
王立鼎磨削標(biāo)準(zhǔn)齒輪。受訪(fǎng)者供圖
有了做超精密齒輪的先例，大家都認(rèn)為王立鼎之前緊張的科研攻關(guān)狀態(tài)該“松快”一會(huì)兒了。然而，由于齒輪小帶來(lái)了許多技術(shù)上的難點(diǎn)，要攻關(guān)的小模數(shù)齒輪已經(jīng)超過(guò)了機(jī)床的加工范圍。王立鼎依然還是每天5點(diǎn)起床，一路小跑到單位，打開(kāi)機(jī)床讓砂輪提前運(yùn)轉(zhuǎn)，以便機(jī)床更迅速地進(jìn)入理想的工作狀態(tài)。然后他再跑回家為家人做早餐，7點(diǎn)30分又準(zhǔn)時(shí)出現(xiàn)在辦公室或?qū)嶒?yàn)室。這一習(xí)慣他竟堅(jiān)持了25年之久。
20世紀(jì)80年代，王立鼎組織研制的高精度小模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)齒輪和中模數(shù)基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，經(jīng)過(guò)中國(guó)科學(xué)院組織鑒定，達(dá)到德國(guó)DIN3962標(biāo)準(zhǔn)中的2級(jí)精度，居國(guó)際前列，其實(shí)體樣件作為我國(guó)校對(duì)齒輪量?jī)x的基準(zhǔn)。
當(dāng)時(shí)一個(gè)2級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪，在德國(guó)售價(jià)折合人民幣幾萬(wàn)元，國(guó)家財(cái)政購(gòu)買(mǎi)有困難，長(zhǎng)春光機(jī)所便無(wú)償將標(biāo)準(zhǔn)齒輪贈(zèng)送給中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，幫助國(guó)家確定校對(duì)齒輪量?jī)x的基準(zhǔn)。
1998年，王立鼎被調(diào)到大連理工大學(xué)工作。他帶著在長(zhǎng)春光機(jī)所積累的經(jīng)驗(yàn)，又繼續(xù)在齒輪戰(zhàn)線(xiàn)上奮斗了20年，將成果傳播到了我國(guó)的大江南北。
2016年，經(jīng)中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑒定，王立鼎團(tuán)隊(duì)研制的精化齒輪磨齒母機(jī)、超精密磨齒工藝和測(cè)試技術(shù)，以及1級(jí)精度基準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，綜合技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，精度指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先。
哪怕只需要一個(gè)齒輪，我們也要上
王立鼎經(jīng)常在不同場(chǎng)合被人問(wèn)“為什么德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)齒輪沒(méi)有做到1級(jí)，反而中國(guó)先做到了?”
王立鼎是這樣回答的：“不是國(guó)外不想做，而是他們也有困難。機(jī)床是由我們改裝的，測(cè)量齒輪的儀器是我們自行設(shè)計(jì)的，齒輪加工方法也是我們自己開(kāi)發(fā)的。在國(guó)外，搞齒輪設(shè)計(jì)的是大學(xué)教授，搞齒輪制造的是工廠(chǎng)里的工人，搞計(jì)量測(cè)試的是實(shí)驗(yàn)室里的實(shí)驗(yàn)員。他們各自一攤、難以聚合，而我們則是把所有工作串起來(lái)。從某種程度上說(shuō)，我本人既是科技工作者，也是高級(jí)大工匠。”
王立鼎認(rèn)為，這與長(zhǎng)春光機(jī)所老一輩科學(xué)家王大珩等一直主張的從預(yù)研到拿出成品，科研單位要“一竿子插到底”的理念密切相關(guān)。王大珩曾說(shuō)：“實(shí)踐證明，科研與實(shí)際結(jié)合既爭(zhēng)取了時(shí)間，又保證了質(zhì)量，可以取得又好又快的效果，還鍛煉了一支科研與工程技術(shù)結(jié)合的人才隊(duì)伍。”長(zhǎng)春光機(jī)所有幾位研磨技師，水平最高的那一位職級(jí)相當(dāng)于副教授中的最高級(jí)。每次王大珩看見(jiàn)他們都笑呵呵地打招呼。
這也與長(zhǎng)春光機(jī)所強(qiáng)調(diào)的“敢打敢干”精神密不可分。“王立鼎院士把國(guó)產(chǎn)設(shè)備加以改造，做出世界上精度最高的齒輪，這種敢為人先的精神，注重探究思考、勤于科學(xué)實(shí)踐的工作方式，一直在所里傳承，激勵(lì)年輕人不斷奮發(fā)向上。”長(zhǎng)春光機(jī)所原所長(zhǎng)唐九華評(píng)價(jià)道。
隨著直驅(qū)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)上可以使用成型砂輪磨齒技術(shù)在機(jī)床磨制小批量的2級(jí)精度齒輪，但依然達(dá)不到1級(jí)精度齒輪的整體技術(shù)要求。
“我們希望把工藝傳承下來(lái)，今后一旦國(guó)家急需1級(jí)齒輪，哪怕只需要一個(gè)，我們也能立刻在現(xiàn)有的加工和測(cè)試成套設(shè)備上完成這一任務(wù)。”王立鼎說(shuō)。
而由超精密齒輪延伸出的技術(shù)，目前已應(yīng)用于高精度齒輪刀具、高精度諧波齒輪、漸開(kāi)線(xiàn)樣板制造工藝等領(lǐng)域。
“就國(guó)內(nèi)現(xiàn)在生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)齒輪來(lái)說(shuō)，其制造精度低于國(guó)外1~2個(gè)級(jí)別。如果把標(biāo)準(zhǔn)齒輪整體提升1個(gè)等級(jí)，其精度指標(biāo)便可以與多數(shù)西方國(guó)家同類(lèi)產(chǎn)品水平相當(dāng)，將有助于擺脫我國(guó)高端機(jī)床長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)狀。”王立鼎表示。
“如果國(guó)家有需要，我愿意隨時(shí)指導(dǎo)、傳授相關(guān)加工技術(shù)。”如今的王立鼎已年逾九十，但他那顆“工業(yè)報(bào)國(guó)”之心，始終驅(qū)動(dòng)他創(chuàng)新求索，至今熠熠生輝。