科研助推器，相声和做梦

　　2012年3月份，国家开展了一项科技重大专项，其中的子课题之一，叫“高精度动力卡盘及其回转油缸的规模化制造技术与研发”。

　　一个月相声画出模型

　　“国家的工业水平取决于装备制造业，而装备制造业水平则取决于机床。数控机床素有“工业之母”之称，我们生活和生产中用到的各类机械产品和装备都是直接或间接由数控机床制造的。卡盘就是数控机床用于夹持工件的双手，卡盘的精度制约着机床对产品加工精度的提升。如果能够提高卡盘夹持工件的精度，就可以使机床加工出质量更高的产品。”于是，王健健心怀热忱，主动请缨负责卡盘精度设计部分，以提高卡盘的夹持精度。

　　作为研一学生，王健健没有实际接触过卡盘，对卡盘的结构和工作原理是一头雾水，即使一心埋首实验室和图书馆，大啃巨著，课题依然罕有进展。经导师的建议，王健健暂时离开实验室，到国内最大的卡盘生产制造商，同时也是清华大学重大专项的合作单位——呼和浩特众环集团实习。效果立竿见影，生产一线的经历让王健健很快搞清了卡盘的结构原理及制造工艺，为顺利开展卡盘的精度设计研究打下了基础。

　　随后，王健健开展起课题的核心基础工作之一：建立卡盘的定心精度正向预测模型。未料，他查阅了大量关于卡盘的相关参考文献，都没有找到可行的解决方案。正当研究陷入僵局时，他回学校观摩了实验室某位师兄的毕业论文预答辩。“他研究的是数控机床的精度方向，我当时并没有听太懂。”不过，师兄的课题是机床精度建模，王健健的课题是卡盘精度建模，“我当时就想到，师兄的研究方法或许可以借鉴。”凭着学术敏感，王健健记住了精度建模方法的关键词：齐次坐标矩阵和小位移旋量。

　　虽然这些概念都是王健健从未涉及过的，但师兄的研究方法却在王健健的心里如草儿一般萌芽。王健健笑道：“一系列全新的概念在我眼前张牙舞爪，我干脆从最基本的原理开始学习，很快掌握了这一最新的精度建模理论，最后‘移花接木’，成功用于卡盘的定心精度建模。”

　　课题进展如巨轮般滚动向前，在获得卡盘图纸的第一手资料后，王健健随即展开第二项任务：绘制卡盘的三维模型库。“卡盘除了常用的楔式卡盘，还有球节式、斜柱式等多种类型几十种规格，要想绘制好模型，并非易事。”于是，一到夜晚，他就回到实习单位在郊区的宿舍，打开提前下载好的相声，一边听相声一边画图。整整一个月后，他画出了多达10种类型50种规格的卡盘模型，形成了模型库，为企业的卡盘研发提供了基础材料。基于王健健的研究，合作企业调整了卡盘的制造工艺，实现了卡盘定心精度的显著提升。

　　一场梦悟出答案

　　2015年12月，王健健正在开展蓝宝石晶体旋转超声钻孔加工的实验研究。这项研究是一场“硬碰硬”的较量，旨在利用超声振动能量，将硬度高、易破碎的蓝宝石材料进行高效钻孔加工，同时改善加工精度、减小加工损伤，最终提高蓝宝石晶体的钻孔加工效率。

　　旋转超声钻孔加工工艺堪称“优雅的大力士”，能够轻松地降低刀具对材料的切削力，在加工过程中避免蛮力的出现。但很快，他在实验中发现了切削力的异常现象。一般来说，随着钻孔深度增大，切削力会逐渐增大，但当“用力过猛”，切削力超过某一个极限值的时候，切削力会突然跳升，使仪器患上“急性病”，陡然在出孔处形成很大的崩边损伤。对仪器来说，这无异于一种“自杀式”的操作。但对于这个现象，王健健的眼神里似有星星闪耀：“这一现象非常奇特，之前也没有过文献报道，也许是一个很有意义的新发现。”得益于良好的科研敏感性，王健健开始重复实验。他兴奋地发现这一切削力跳升现象每次都会出现，实验结果的重复性也很有规律，每次都出现在相同的钻孔深度处，“说明这里面有值得研究的科学内容。”

　　但是，到底为什么会出现这一现象呢？王健健百思不得其解。他回忆起自己当时啼笑皆非的经历：“当时我分分秒秒都无法忘掉这个问题，每天走路、吃饭、睡觉前，甚至梦里都想求得一个答案。一天凌晨，我应该正在做梦（别笑，确实是这样），突然想到很可能是因为切削力的增大抑制了超声振幅，而超声振幅的减小又反过来造成了切削力的突然增大，导致了这一现象。”

　　惊醒之后，王健健迫不及待地想证明这一猜想，但需要首先证明超声振幅确实受到了抑制。然而，“加工过程中超声振幅的实时测量一直是这个领域里的一个难题。”平复心情后，他突然注意到超声机床面板上的超声功率参数一直在变化，这个细节启发了他，“或许可以用超声功率来监测超声振幅的变化。”在后续的实验中，他敏锐地发现，当切削力突然跳升时，超声振幅从开始的10微米一下子减小到了1微米。基于以上的实验现象，王健健进一步挖掘和提炼，并设计了更加严谨的实验，最终明确提出旋转超声加工机床极限工艺能力的存在。“理论结果表明，极限工艺能力是由超声机床的参数决定的，而与所加工的材料和所使用的加工参数没有关系。”

　　之后，王健健又花大量时间学习建模方法，搞清楚了转孔加工过程中切削力导致超声机床振幅大小发生改变的原因，并从理论上建立了极限工艺能力的计算方法。在论文中，他提出可将极限工艺能力作为超声机床的设计和制造指标，以更好地为旋转超声加工机床提供指导。“以前的文献中无人提出过这一现象，导致很多机床出现问题。以后，仪器的出孔处将不会出现崩边损伤的现象。”

　　文/唐雪