返璞歸真 在發展中時刻把握技術的脈搏——訪秦川集團技術總顧問、西安交通大學教授毛世民先生

本刊記者/Reporter 汪藝/WANG Yi

毛世民：男，1957年出生，陜西省扶風縣人。西安交通大學教授，博士生導師，秦川集團技術總顧問，英國紐卡斯爾大學客座教授。

參與的“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項：（1）高速、精密、大型數控圓錐齒輪磨齒機；（2）數控螺旋錐齒輪磨床；（3）高效高精度齒輪產品技術創新平臺；（4）汽車驅動橋螺旋錐齒輪綠色制造成套技術與裝備。在第一個項目中毛教授擔任課題副組長，負責總體方案設計和數控加工軟件開發，該項目于2011年12月通過工信部、科技部和財政部驗收，獲得12屆中國國際工業博覽會金獎，受邀參展德國漢諾威機床展。參與的其他課題：橫向課題“3MW風電增速箱研制”，是國內首家具有獨立知識產權的3MW風電增速箱設計。

經業內人士推薦得知了秦川集團的齒輪專家毛世民教授，在百度上看到這樣的信息：“他出生在扶風，是全球為數不多的錐齒輪嚙合原理方面的頂尖專家之一，在英國拿著高工資，卻在年過半百時毅然回到了祖國。他的名字叫毛世民?！蔽匆娖淙吮阋焉裢?，終于2013年3月11日筆者采訪到了毛教授。

蒙恩師教誨 自奮發圖強

成功的故事有著很多相似之處，遇恩師就是其中最重要的因素之一。

1978年，毛教授進入西安交通大學。大二聽機械原理老師的課知道了齒輪是最復雜最難加工的零件之一，所以從大三開始自學微分幾何等相關課程。西安交大在齒輪加工方面有著很強的優勢，因此毛教授選擇了在西安交大繼續攻讀碩士和博士，并且碩士師從吳序堂教授，博士師從樂兌謙教授。毛教授提到他的兩位導師時，贊譽和感激之情溢于言表：我國解放后齒輪加工、刀具和機床行業中樂老師被公認為貢獻最大，堪稱是齒輪行業影響最大的人物。毛教授上學的時候哈一工、漢江工具廠、重慶工具廠等國內最大的齒輪刀具廠家的總工幾乎都是樂老師的學生，他們經?；氐轿鹘淮螅埥虡防蠋焼栴}，毛教授坐在后面的時候如饑似渴地傾聽和學習。樂老師60年所編制的《齒輪刀具》，解決了齒輪加工的很多問題，從此齒輪刀具打破前蘇聯謝明欽科的體系，有了中國自已的體系。西安交大在刀具學科方面就此崛起?！洱X輪刀具》可以比作中國齒輪刀具的圣經，這是毛教授仔細研讀的最早的一本專業書籍。剛解放時樂老師曾經在上海交大工作，當時蘇聯援助我們一批專家，樂老師和他們一起工作一起生活，整理蘇聯的資料，我國最早的一本《金屬切削原理及刀具》就是樂老師當時整理編譯的。

上世紀80年代中美建交以后，隨著格里森機床進口到中國，帶來一批有關錐齒輪加工計算和設計的資料。當時美國的這些技術搞得很神秘，計算卡上沒有完整公式，關鍵公式被拆分得七零八落，用括弧和數字表示，很難搞清楚原理。為了打破壟斷，掌握錐齒輪技術，當時的第一機械工業部組織了一批工廠和研究所，其中包括西安交大、重慶大學、天津第一機床和300廠等在內的技術人員消化吸收這些技術。在理解和消化這些資料的工作上，重慶大學鄭昌啟老師和交大吳序堂老師貢獻非常大。當時格里森在齒輪加工方面有8種方法，弧齒錐齒輪和準雙曲線齒輪各4種。吳序堂老師破譯了其中5種方法的工作原理和計算方法，并因此得了獎。毛教授當時跟著吳老師破譯了其中一種方法——準雙曲線齒輪刀傾半展成加工法，簡稱HFT（Hypoid Format Tilt）。在吳老師的指導下，毛教授把一個個理論公式的來龍去脈搞清楚、重新推導，編寫程序，做切齒實驗，并在格里森的基礎上向前走了一步。當時格里森基本方法的加工參考點都是固定的，帶來一定的缺陷。毛教授就開發了任意指定參考點的方法，克服了固有缺陷，對齒面接觸區的控制更加準確和靈活。這個創新于1985年在交大學報上發表了題為“任意指定接觸基準點的切齒理論——對格里森半展成法加工弧齒維齒輪和準雙曲面齒輪方法的改進”的文章。當時中國齒輪界人士勤奮鉆研，可以說已經完全掌握了格里森的錐齒輪理論。

摸索前進 不忘初衷

1995年，首次有了出國的機會，出國單位自己聯系，學校或企業皆可，毛教授申請來到了世界上在錐齒輪領域最享盛譽的公司之一德國克林貝格公司進行了為期一年的訪問考察。由于在國內多年對齒輪理論的刻苦研究，毛教授發現在德國自己的理論水平相比于同資歷的工作人員一點兒不差。曾有一次，毛教授指出工作中的一個問題，德國同事查找出保存的40年代的手稿的記錄竟然和毛教授說的相同。這一方面反映了像毛教授這樣的中國專家通過刻苦學習能夠讓自己和國外專家們平起平坐，同時也反映出國外資料的傳承性非常好。

建國初期，在齒輪加工方面有些想法雖然很好，但是由于當時機床水平有限，無法實現，只能放棄。到了1995年左右，加工齒輪的六軸聯動機床已經比較成熟。毛教授在1997年申請承擔、99年結題的一項國家自然科學基金項目“基于功能需求的齒面主動設計和先進制造技術研究”中，將在圓柱齒輪加工中發展的比較完善的齒面修形理論應用到曲線錐齒輪加工中，提出“齒面主動設計”的理論，即從齒面本身要求出發，用六軸聯動機床在齒輪傳統加工的基礎上再進行齒面修形，使得齒輪嚙合過程中接觸應力、齒面磨損、齒輪振動和噪音等性能可以得到更大的改善。但是當時工廠并不接受這樣的改進，原因是用這種理論做出來的錐齒輪和格里森做出來的錐齒輪有微小差別。而目前錐齒輪的修形在齒輪界中已得到廣泛認可，毛教授謙虛而快樂地說自認為在推動錐齒輪修形上作了一些工作。目前毛教授承擔的一個重大專項“數控螺旋錐齒輪磨床”完全以這套理論做基礎。

由于錐齒輪本身的復雜性，造成錐齒輪的使用者盲目相信格里森機床及加工方法，對錐齒輪本身還沒有做錐齒輪機床的人更了解。一些企業用格里森六軸機床加工錐齒輪時仍當做傳統的搖盤式機床使用，沒有把其強大的功能充分發揮出來。究其原因，就是大部分錐齒輪最終用戶不知道怎樣齒面的錐齒輪最適應于自己的需求，所以作為錐齒輪的生產廠家應該幫助用戶搞清楚用什么樣的齒輪最合適。脫離實際使用工況無法評判錐齒輪的好壞，只有裝在驅動橋、減速箱等傳動裝置中并加載，通過運行后才能判斷其性能的優劣。而實際應用狀況五花八門，因此更要求錐齒輪生產廠家根據最終用戶的不同需求加工出符合需求的各種錐齒輪。齒面主動設計理論為達到這一目標提供了理論基礎，但仍有許多具體的技術難點需要克服。

上世紀90年代末，國內機械行業發展步入低谷，毛教授所在的實驗室面臨著無項目可做的窘境。2000年，英國 Romax Technology公司因缺乏錐齒輪相關技術，向在德國一舉成名的毛教授拋來橄欖枝。斟酌再三，毛教授成了該公司客座齒輪專家，不久就擔任了該公司的高級齒輪工程師。2003年，毛教授去英國SMT公司任職，前后在英國待了9年光景。

在國外的這些期間，雖然毛教授當時感覺在理論上進步不大，但是回想起來當時繁多的工作機會給他提供了另一種鍛煉機會，和中國的工廠交流比在國內還多。毛教授在工作中也不忘思考，漸漸對世界齒輪行業的發展有了一些困惑，感覺錐齒輪加工理論一直沒有脫離最初搖盤機床的模式，有了僵化和拘泥的趨勢，齒輪加工方法越來越復雜，但效果并不是特別好。

世界三大公司加工錐齒輪都是使用一種特殊的刀具——刀盤，由于工藝要求，刀盤直徑要和被加工的錐齒輪直徑相當。多年實踐證明，這種方式加工直徑1 m以下的錐齒輪具有無可代替的優勢。但當齒輪直徑繼續增大時，因為刀盤直徑過大，不僅刀盤本身制作困難（磨齒用的大直徑筒形砂輪制造也非常困難），機床主軸受力非常惡劣，加工質量無法保證，而且磨齒用大于1 m直徑的筒形砂輪也很危險。但隨著科學技術的發展和各種新興產業的出現，對大直徑錐齒輪的要求越來越多。例如安裝在海洋平臺上的采油鉆機轉臺的錐齒輪副，大輪直徑要求2 m以上。還有平臺動力定位系統的推進器和大型船艦的推進器都需要大直徑的錐齒輪。而且，由于這些場合的特殊性，對錐齒輪的可靠性提出極高的要求，必須采用高精度硬齒面。為了解決大型高精度硬齒面錐齒輪制造的難題，國內外多家企業都形成了放棄刀盤加工工藝，另辟道路的共識。而促成毛教授思考這一問題是得益于2004年去重慶齒輪廠，發現他們需花費70～100萬元人民幣去芬蘭購買1.2 m左右的錐齒輪用于水泥立磨減速器。盡管價格昂貴，供貨期往往還在一年以上，成了該廠立磨減速器生產的瓶頸。

毛教授認為齒輪副齒面之間具有嚙合關系，是一對共軛曲面，不同于一般的自由曲面，所以加工齒輪齒面的首選方法應是展成法。不管是圓柱齒輪還是圓錐齒輪，展成加工的理論是相通的，其核心是產形輪。用現行的刀盤工藝加工收縮齒錐齒輪，由于齒輪副中的大小輪無法用同一個產形輪加工，加工出的齒面理論上就不是共軛齒面，為了得到滿足要求的齒面局部接觸和運動傳遞精度要求，不得不對小輪的加工進行各種極為復雜的修正，這是造成當前的錐齒輪加工技術極為復雜的根本原因。如果放棄刀盤工藝，利用已經發展很成熟的多軸聯動技術，就可以徹底克服這些缺陷。基本思想是針對齒輪副應用要求設計產形輪齒面，然后確定用通用刀具（或砂輪）形成所設計的產形輪齒面的運動和產形輪展成被加工齒輪的運動，這樣理論上就可以加工出各種形式的錐齒輪。而目前普遍應用的錐齒輪制式，如格里森制、奧利康制和克林根貝爾格制等只是其中的特例。當時有這個想法的時候毛教授很激動，特地從英國給吳序堂老師打電話，吳老師贊賞說“返璞歸真”。得到老師的肯定，毛教授馬上利用周末和假日開始理論研究，并在2009年回來工作之前，所有的理論工作都已經完成。

殊途同歸 實現夢想

2008年，秦川機床工具集團有限公司董事長龍興元去英國考察項目，訪問了SMT公司。那天，龍總滿懷激情地對毛教授講述了秦川集團的發展志向：“國內機床生產近年來取得了很大成績，但中國并不是機床生產強國，我們在世界上僅處于第二梯隊。而秦川集團的目標，則是要成為國際市場上能與歐美等磨齒機制造巨頭抗衡的民族品牌，早日跨入第一梯隊。”一席肺腑之言，深深打動了毛教授。龍興元的理想，不正是自己多年想做、而又苦于沒有機會實現的追求嗎？就這樣，毛教授做出了加入秦川集團的決定。

這幾年，毛教授在秦川機遇很好。由于在產形輪理論上的創新，秦川在激烈的競爭中爭取到了大型錐齒輪的國家重大專項。產形輪理論被評價為是具有原創性的理論，而毛教授則謙虛地說，只是捅破了一層窗戶紙。但是沒有對整個齒輪加工理論的充分理解，又如何捅得破這層窗戶紙，即便捅破了也沒有足夠的信心和能力去試試這個設想。

毛教授感嘆把一個設想化為實際，所需付出的勞動和艱辛及碰到的問題超出了他的想象，這三年半在秦川的時間里，沒有周末，沒有假日，每天從早8點工作到晚10點。就這樣毛教授說還有很多問題沒有解決，筆者聽出了毛教授他們付出的辛苦，也聽出了即便這樣也不會放棄的決心。功夫不負有心人，利用秦川優越的平臺和領導層的大力支持，毛教授用了3年半的時間和他的團隊把概念轉化成了生產力。秦川磨削的2.2 m高精度錐齒輪副于2011年在EMO展出（見右圖），吸引了格里森和克林貝格的很多人來觀看，世界各地的很多用戶也到展位參觀咨詢。

毛教授指出產形輪理論主要適用于大中型錐齒輪制造。小型錐齒輪用刀盤加工更高效。而用產形輪理論進行加工，由于刀具直徑小，加工效率會比較低，且刀具磨損造成的誤差也會影響齒面精度。

毛教授稱贊秦川龍興元董事長志向高遠，愿意為實現在秦川打造國際一流的錐齒輪裝備和大型高精度硬齒面錐齒輪零件的產業鏈的宏偉目標盡全力工作。并且要在“做好用戶工藝師”的思想指導下，設計生產出適合每個用戶使用的最佳性能的錐齒輪。目標光榮而遠大，深入進去，要做的工作會越來越多。

尋根溯源 透過現象看本質

毛教授認為就個體而言，我國做錐齒輪研究的技術人員技術水平一點兒不差，包括在國外會議上討論的問題也很受關注。而且中國人非常吃苦耐勞，可以加班加點做事情，但是由于方方面面的原因最終產品總是不盡如人意。到底為什么？毛教授說了一些他在國外工作的體會：國外開發產品必須經過反反復復試驗，盡可能利用已有手段發現問題，徹底解決后才會上市，不會為把不成熟的東西輕易展出或銷售。在國外一個項目再急，沒想明白之前，絕不會動手做，首先就是開會，讓團隊所有成員充分發表意見，使每個人的作用都能得到充分的發揮，再根據討論結果制定出詳細的項目計劃。計劃一旦定下來，執行過程中原則上不再修改，即便進行過程中發現確有不周之處，也不修改，因為項目計劃是周密的系統工程，往往牽一發而動全身，而是吸取經驗，下個項目再引以為戒。毛教授希望跟大家分享自己的這些實際感受。

現在國家對高端制造裝備行業的支持力度讓各國同行都非常羨慕，而且很多設備也非常優良。如果遵循產品規律扎扎實實地進行研究，我國的技術人員是有實力做出國際一流產品的。

毛教授說自己在做學生學習的過程中，有時會突然很激動地自認為有了新突破，但常常被老師告知或通過進一步學習發現其實前人已經做過。估計很多孜孜以求的學者們都會有這樣的經歷，這是一種對自己成績喜悅和對前人欽慕之情的美好情感。

在知識密集型的今天，把過去的知識學習消化吸收，再總結，透過這些知識的現象看本質，去偽存真，總結出解決現實問題的方法，是很多專家走過的道路。世界本來很簡單，只有不懈努力的人才能在看似復雜的理論內涵中時刻把握技術發展的脈搏和技術自身的本質。筆者認為，在人類歷史各領域的發展中存在著新事物從出現時的充滿生命力到后期由于慣性和人性等原因導致不能適應新形勢而被另一個新事物替代，而對新事物的發現基本都是來源于對歷史技術和知識的充分掌握和對現實需求的認真對待和合理解決。這個規律在人類人文、社會和自然科學中不斷重復著，無數的學者們用自己的勤奮和智慧為各自的文明成就不斷添磚加瓦，又不斷推陳出新。

毛教授被一些同行評價為“真正懂得錐齒輪”。祝毛教授在自己追求的道路上幸福而快樂!