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剝開這些鋼鐵“外衣”，一對對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、傳動精度越高。
不久前，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會等七部門聯(lián)合印發(fā)《推動工業(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工業(yè)領(lǐng)域設(shè)備更新和技術(shù)改造的要求。
“我國正在向高端制造轉(zhuǎn)型升級，其前提是工業(yè)零部件的整體升級。現(xiàn)在我們有自信，因?yàn)楣I(yè)用齒輪的升級換代使我國在技術(shù)上做好了準(zhǔn)備。”中國科學(xué)院院士王立鼎如是說。
王立鼎的自信，與他在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所(以下簡稱長春光機(jī)所)工作期間，開創(chuàng)出我國超精密齒輪工藝技術(shù)密不可分。
m2-6的1級精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪。
接到緊急任務(wù)，從4級跨越到1級
“在2300公里的距離內(nèi)，法國阿基丹雷達(dá)的誤差在5米之內(nèi)。它是怎么做到的?”1965年，長春光機(jī)所窗外丁香花盛開，屋內(nèi)的科技人員正在熱烈討論。
大家認(rèn)識到，一個關(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，根本不會輕易出售和轉(zhuǎn)讓。中國也想做一臺類似的新型精密測量雷達(dá)，可是僅憑國外雜志的文字描述，其制作工藝、關(guān)鍵數(shù)據(jù)等無從得知。為攻克超精密齒輪制造技術(shù)，長春光機(jī)所啟動了新一輪的攻關(guān)項(xiàng)目。
時任長春光機(jī)所所長王大珩把這項(xiàng)重任交給了齒輪研究室的磨齒組。當(dāng)時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，而在當(dāng)時，國內(nèi)工廠加工的齒輪精度普遍為7級。因?yàn)檫@手本事，那一年，他榮獲了中國科學(xué)院優(yōu)秀科研成果獎。
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(jī)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(jī)床、儀器、船舶、雷達(dá)以及航空航天發(fā)動機(jī)等具有高速高平穩(wěn)傳動要求的場景;1～2級為超精密等級，主要作為國家級或國際齒輪量儀校對和精度傳遞實(shí)體基準(zhǔn)。
超精密加工與測試技術(shù)是反映一個國家制造工業(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)時能做出2級及以上精度齒輪的國家，全球范圍內(nèi)只有德國和瑞士。
“制作一臺精度與阿基丹雷達(dá)相當(dāng)?shù)睦走_(dá)，齒輪精度起碼要2級以上，準(zhǔn)確說是1級。”長春光機(jī)所經(jīng)過分析，確定了齒輪箱研究需要達(dá)到的目標(biāo)。
從4級一下子跨越到1級，這讓所有人倒吸一口涼氣——當(dāng)時我國沒有一個人加工過如此超精密的齒輪。這意味著沒有經(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，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，美國一家知名企業(yè)要為太空導(dǎo)航系統(tǒng)制作一臺超精密齒輪設(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)不能有汽車行駛，以免引起震動。更重要的是，它對溫度有絕對的要求，要求20攝氏度恒溫，溫差不能超過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)時的長春光機(jī)所實(shí)難做到。
王立鼎看看身后，他們只有一個與他人合用的加工間，這里沒有恒溫，也達(dá)不到超凈，只有地基的穩(wěn)定度還算“勉強(qiáng)過關(guān)”。加工間只有兩臺國產(chǎn)齒輪磨床，王立鼎對其中一臺齒輪磨床Y7431進(jìn)行了改造與精化，后來這臺Y7431一直陪伴了他的整個科研生涯。
怎么才能在天差地別的條件下，研制出媲美德國和瑞士的超精密齒輪?對王立鼎而言，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，都默默地把手中的加工設(shè)備停下來，以防自己磨削產(chǎn)生的灰塵彌漫到空氣中。
一公里以內(nèi)不讓行駛汽車，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)。夜里萬籟俱寂，車間里沒有機(jī)床開動，馬路上也沒有車輛行駛，最大限度避免了各種震動干擾。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?這離不開王立鼎的巧思。“哲學(xué)中有一句話叫作‘變中有不變’。每天的溫度都有一個曲線變化。相鄰幾天如果沒有天氣驟變，溫度曲線變化是有規(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，成功解決了恒溫問題。”
簡易版的“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”
磨齒的日常畫面是這樣——操作人員在機(jī)床前端安放一個齒輪毛坯，調(diào)整后端分度盤的參數(shù)，按下開關(guān)啟動設(shè)備，連接齒輪與分度盤的軸承轉(zhuǎn)動起來，磨齒就開始了。磨好的齒輪表面圓滑光潔，透著銀光。齒輪個頭兒均等，齒與齒之間的距離一致。
這是一個看似簡單的工作，但磨制一對超精密齒輪，一般要耗費(fèi)王立鼎一個季度的時間。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。軸系的精度對機(jī)床的傳遞精度有重要影響，分度盤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。
“就像一個挑擔(dān)人，前后各有一個筐，但不能沒有扁擔(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。”王立鼎打了一個比方。
1963年，第一屆全國機(jī)械傳動年會結(jié)束后，王立鼎跟隨同事去上海機(jī)床廠參觀。上海機(jī)床廠是國內(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。”
正巧王立鼎的一臺機(jī)床軸系的主軸壞了。但按當(dāng)時的規(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)床廠才會答應(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的2微米縮小到0.5微米，高于國內(nèi)外同類機(jī)床制造精度。”
他大喜過望，一鼓作氣把另外一臺機(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)時國內(nèi)外機(jī)床的精度都高，而且過去60多年精度始終不降，到現(xiàn)在還在使用。“這為后來研制超精密齒輪解決了不可或缺的設(shè)備精度問題。”
還有一次，王立鼎檢查分度盤時發(fā)現(xiàn)，軸心運(yùn)動產(chǎn)生的曲線并不像他畫的那么規(guī)整，而是一條不太規(guī)律的曲線。
王立鼎繪制齒輪圖。
AA級插齒刀(m4)。
A級精度剃齒刀。
這條曲線很多人看一眼就放過了，而王立鼎卻仔細(xì)琢磨起來。“它的形態(tài)似曾相識，就像是一條正弦曲線。”他再仔細(xì)檢查分度盤，判斷出有兩種可能性—— 一是分度盤裝偏了，沒有跟中心對準(zhǔn);二是分度盤沒有裝偏，而是在制造中產(chǎn)生了誤差。
“無論分度盤是否裝偏，糾正的方法都是采用反正弦曲線，一正一反相互抵消，這樣就能大幅提高分度盤的精度。”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，從某種程度上便能解決精度問題。”沿著這一思路，他把分度誤差從50角秒減小到13角秒。
這樣的巧思來自對細(xì)節(jié)的把握。齒輪組同事張玉玲曾打趣說：“王老師觀察問題，比女同事還要細(xì)膩。”一些細(xì)節(jié)看似簡單卻不易操作，比如磨齒芯軸的徑向跳動從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，成為國內(nèi)公認(rèn)的超精密齒輪專家，“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，滿足了國家相關(guān)項(xiàng)目需求。
做測量齒輪的齒輪，為行業(yè)定基準(zhǔn)
20世紀(jì)七八十年代，正是我國工業(yè)生產(chǎn)體系全面恢復(fù)的時期。
為滿足工業(yè)發(fā)展需求，王立鼎又確定了一個新目標(biāo)——做標(biāo)準(zhǔn)齒輪。
在工業(yè)生產(chǎn)中，用儀器測量齒輪精度效率太低，半個工作日只能測一件齒輪。如果有一款標(biāo)準(zhǔn)齒輪，把它裝在測量儀器上與被測齒輪咬合運(yùn)轉(zhuǎn)一周，便知被測齒輪是否合格，從而可大幅提升檢測效率。標(biāo)準(zhǔn)齒輪通常比被測量的齒輪精度高2~3個級別，而當(dāng)時國內(nèi)只能做出4級標(biāo)準(zhǔn)齒輪，即只能檢測6~7級的齒輪。
如果把標(biāo)準(zhǔn)齒輪做到2級精度，其功能不僅可以用于工業(yè)生產(chǎn)，還可以校對齒輪量儀的精度，該齒輪被稱為基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，可以為齒輪行業(yè)提供基準(zhǔn)。
“1975年，長春光機(jī)所提出一個目標(biāo)：到1976年研制出趕超德國的2級精度小模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)齒輪。”王立鼎回憶說。
王立鼎磨削標(biāo)準(zhǔn)齒輪。受訪者供圖
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”一會兒了。然而，由于齒輪小帶來了許多技術(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)過中國科學(xué)院組織鑒定，達(dá)到德國DIN3962標(biāo)準(zhǔn)中的2級精度，居國際前列，其實(shí)體樣件作為我國校對齒輪量儀的基準(zhǔn)。
當(dāng)時一個2級精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪，在德國售價折合人民幣幾萬元，國家財(cái)政購買有困難，長春光機(jī)所便無償將標(biāo)準(zhǔn)齒輪贈送給中國計(jì)量科學(xué)研究院，幫助國家確定校對齒輪量儀的基準(zhǔn)。
1998年，王立鼎被調(diào)到大連理工大學(xué)工作。他帶著在長春光機(jī)所積累的經(jīng)驗(yàn)，又繼續(xù)在齒輪戰(zhàn)線上奮斗了20年，將成果傳播到了我國的大江南北。
2016年，經(jīng)中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會、中國機(jī)械工程學(xué)會鑒定，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試技術(shù)，以及1級精度基準(zhǔn)級標(biāo)準(zhǔn)齒輪，綜合技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，精度指標(biāo)國際領(lǐng)先。
哪怕只需要一個齒輪，我們也要上
王立鼎經(jīng)常在不同場合被人問“為什么德國、美國等發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)齒輪沒有做到1級，反而中國先做到了?”
王立鼎是這樣回答的：“不是國外不想做，而是他們也有困難。機(jī)床是由我們改裝的，測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發(fā)的。在國外，搞齒輪設(shè)計(jì)的是大學(xué)教授，搞齒輪制造的是工廠里的工人，搞計(jì)量測試的是實(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。從某種程度上說，我本人既是科技工作者，也是高級大工匠。”
王立鼎認(rèn)為，這與長春光機(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：“實(shí)踐證明，科研與實(shí)際結(jié)合既爭取了時間，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。”長春光機(jī)所有幾位研磨技師，水平最高的那一位職級相當(dāng)于副教授中的最高級。每次王大珩看見他們都笑呵呵地打招呼。
這也與長春光機(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，激勵年輕人不斷奮發(fā)向上。”長春光機(jī)所原所長唐九華評價道。
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級精度齒輪，但依然達(dá)不到1級精度齒輪的整體技術(shù)要求。
“我們希望把工藝傳承下來，今后一旦國家急需1級齒輪，哪怕只需要一個，我們也能立刻在現(xiàn)有的加工和測試成套設(shè)備上完成這一任務(wù)。”王立鼎說。
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、漸開線樣板制造工藝等領(lǐng)域。
“就國內(nèi)現(xiàn)在生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)齒輪來說，其制造精度低于國外1~2個級別。如果把標(biāo)準(zhǔn)齒輪整體提升1個等級，其精度指標(biāo)便可以與多數(shù)西方國家同類產(chǎn)品水平相當(dāng)，將有助于擺脫我國高端機(jī)床長期依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀。”王立鼎表示。
“如果國家有需要，我愿意隨時指導(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”之心，始終驅(qū)動他創(chuàng)新求索，至今熠熠生輝。