科研助推器，相聲和做夢

唐雪

2012年3月份，國家開展了一項(xiàng)科技重大專項(xiàng)，其中的子課題之一，

叫“高精度動(dòng)力卡盤及其回轉(zhuǎn)油缸的規(guī)?；圃旒夹g(shù)與研發(fā)”。

一個(gè)月相聲畫出模型

“國家的工業(yè)水平取決于裝備制造業(yè)，而裝備制造業(yè)水平則取決于機(jī)床。數(shù)控機(jī)床素有“工業(yè)之母”之稱，我們生活和生產(chǎn)中用到的各類機(jī)械產(chǎn)品和裝備都是直接或間接由數(shù)控機(jī)床制造的。卡盤就是數(shù)控機(jī)床用于夾持工件的雙手，卡盤的精度制約著機(jī)床對產(chǎn)品加工精度的提升。如果能夠提高卡盤夾持工件的精度，就可以使機(jī)床加工出質(zhì)量更高的產(chǎn)品。”于是，王健健心懷熱忱，主動(dòng)請纓負(fù)責(zé)卡盤精度設(shè)計(jì)部分，以提高卡盤的夾持精度。

作為研一學(xué)生，王健健沒有實(shí)際接觸過卡盤，對卡盤的結(jié)構(gòu)和工作原理是一頭霧水，即使一心埋首實(shí)驗(yàn)室和圖書館，大啃巨著，課題依然罕有進(jìn)展。經(jīng)導(dǎo)師的建議，王健健暫時(shí)離開實(shí)驗(yàn)室，到國內(nèi)最大的卡盤生產(chǎn)制造商，同時(shí)也是清華大學(xué)重大專項(xiàng)的合作單位——呼和浩特眾環(huán)集團(tuán)實(shí)習(xí)。效果立竿見影，生產(chǎn)一線的經(jīng)歷讓王健健很快搞清了卡盤的結(jié)構(gòu)原理及制造工藝，為順利開展卡盤的精度設(shè)計(jì)研究打下了基礎(chǔ)。

隨后，王健健開展起課題的核心基礎(chǔ)工作之一：建立卡盤的定心精度正向預(yù)測模型。未料，他查閱了大量關(guān)于卡盤的相關(guān)參考文獻(xiàn)，都沒有找到可行的解決方案。正當(dāng)研究陷入僵局時(shí)，他回學(xué)校觀摩了實(shí)驗(yàn)室某位師兄的畢業(yè)論文預(yù)答辯?！八芯康氖菙?shù)控機(jī)床的精度方向，我當(dāng)時(shí)并沒有聽太懂?！辈贿^，師兄的課題是機(jī)床精度建模，王健健的課題是卡盤精度建模，“我當(dāng)時(shí)就想到，師兄的研究方法或許可以借鑒。”憑著學(xué)術(shù)敏感，王健健記住了精度建模方法的關(guān)鍵詞：齊次坐標(biāo)矩陣和小位移旋量。

雖然這些概念都是王健健從未涉及過的，但師兄的研究方法卻在王健健的心里如草兒一般萌芽。王健健笑道：“一系列全新的概念在我眼前張牙舞爪，我干脆從最基本的原理開始學(xué)習(xí)，很快掌握了這一最新的精度建模理論，最后‘移花接木，成功用于卡盤的定心精度建模?！?/p>

課題進(jìn)展如巨輪般滾動(dòng)向前，在獲得卡盤圖紙的第一手資料后，王健健隨即展開第二項(xiàng)任務(wù)：繪制卡盤的三維模型庫?！翱ūP除了常用的楔式卡盤，還有球節(jié)式、斜柱式等多種類型幾十種規(guī)格，要想繪制好模型，并非易事?！庇谑?，一到夜晚，他就回到實(shí)習(xí)單位在郊區(qū)的宿舍，打開提前下載好的相聲，一邊聽相聲一邊畫圖。整整一個(gè)月后，他畫出了多達(dá)10種類型50種規(guī)格的卡盤模型，形成了模型庫，為企業(yè)的卡盤研發(fā)提供了基礎(chǔ)材料?；谕踅〗〉难芯?，合作企業(yè)調(diào)整了卡盤的制造工藝，實(shí)現(xiàn)了卡盤定心精度的顯著提升。

一場夢悟出答案

2015年12月，王健健正在開展藍(lán)寶石晶體旋轉(zhuǎn)超聲鉆孔加工的實(shí)驗(yàn)研究。這項(xiàng)研究是一場“硬碰硬”的較量，旨在利用超聲振動(dòng)能量，將硬度高、易破碎的藍(lán)寶石材料進(jìn)行高效鉆孔加工，同時(shí)改善加工精度、減小加工損傷，最終提高藍(lán)寶石晶體的鉆孔加工效率。

旋轉(zhuǎn)超聲鉆孔加工工藝堪稱“優(yōu)雅的大力士”，能夠輕松地降低刀具對材料的切削力，在加工過程中避免蠻力的出現(xiàn)。但很快，他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了切削力的異常現(xiàn)象。一般來說，隨著鉆孔深度增大，切削力會逐漸增大，但當(dāng)“用力過猛”，切削力超過某一個(gè)極限值的時(shí)候，切削力會突然跳升，使儀器患上“急性病”，陡然在出孔處形成很大的崩邊損傷。對儀器來說，這無異于一種“自殺式”的操作。但對于這個(gè)現(xiàn)象，王健健的眼神里似有星星閃耀：“這一現(xiàn)象非常奇特，之前也沒有過文獻(xiàn)報(bào)道，也許是一個(gè)很有意義的新發(fā)現(xiàn)?！钡靡嬗诹己玫目蒲忻舾行?，王健健開始重復(fù)實(shí)驗(yàn)。他興奮地發(fā)現(xiàn)這一切削力跳升現(xiàn)象每次都會出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性也很有規(guī)律，每次都出現(xiàn)在相同的鉆孔深度處，“說明這里面有值得研究的科學(xué)內(nèi)容?！?/p>

但是，到底為什么會出現(xiàn)這一現(xiàn)象呢？王健健百思不得其解。他回憶起自己當(dāng)時(shí)啼笑皆非的經(jīng)歷：“當(dāng)時(shí)我分分秒秒都無法忘掉這個(gè)問題，每天走路、吃飯、睡覺前，甚至夢里都想求得一個(gè)答案。一天凌晨，我應(yīng)該正在做夢（別笑，確實(shí)是這樣），突然想到很可能是因?yàn)榍邢髁Φ脑龃笠种屏顺曊穹?，而超聲振幅的減小又反過來造成了切削力的突然增大，導(dǎo)致了這一現(xiàn)象?！?/p>

驚醒之后，王健健迫不及待地想證明這一猜想，但需要首先證明超聲振幅確實(shí)受到了抑制。然而，“加工過程中超聲振幅的實(shí)時(shí)測量一直是這個(gè)領(lǐng)域里的一個(gè)難題?！逼綇?fù)心情后，他突然注意到超聲機(jī)床面板上的超聲功率參數(shù)一直在變化，這個(gè)細(xì)節(jié)啟發(fā)了他，“或許可以用超聲功率來監(jiān)測超聲振幅的變化。”在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，他敏銳地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削力突然跳升時(shí)，超聲振幅從開始的10微米一下子減小到了1微米?；谝陨系膶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象，王健健進(jìn)一步挖掘和提煉，并設(shè)計(jì)了更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)，最終明確提出旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床極限工藝能力的存在?！袄碚摻Y(jié)果表明，極限工藝能力是由超聲機(jī)床的參數(shù)決定的，而與所加工的材料和所使用的加工參數(shù)沒有關(guān)系。”

之后，王健健又花大量時(shí)間學(xué)習(xí)建模方法，搞清楚了轉(zhuǎn)孔加工過程中切削力導(dǎo)致超聲機(jī)床振幅大小發(fā)生改變的原因，并從理論上建立了極限工藝能力的計(jì)算方法。在論文中，他提出可將極限工藝能力作為超聲機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造指標(biāo)，以更好地為旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床提供指導(dǎo)?！耙郧暗奈墨I(xiàn)中無人提出過這一現(xiàn)象，導(dǎo)致很多機(jī)床出現(xiàn)問題。以后，儀器的出孔處將不會出現(xiàn)崩邊損傷的現(xiàn)象。”

責(zé)任編輯：曹曉晨

王健健

本科畢業(yè)于山東大學(xué)，2011年9月進(jìn)入清華大學(xué)精密儀器系攻讀碩士學(xué)位，2014年9月免試進(jìn)入清華大學(xué)機(jī)械工程系攻讀博士學(xué)位，從事難加工材料的高效精密加工研究