科研助推器，相聲和做夢

唐雪

2012年3月份，國家開展了一項科技重大專項，其中的子課題之一，

叫“高精度動力卡盤及其回轉油缸的規模化制造技術與研發”。

一個月相聲畫出模型

“國家的工業水平取決于裝備制造業，而裝備制造業水平則取決于機床。數控機床素有“工業之母”之稱，我們生活和生產中用到的各類機械產品和裝備都是直接或間接由數控機床制造的。卡盤就是數控機床用于夾持工件的雙手，卡盤的精度制約著機床對產品加工精度的提升。如果能夠提高卡盤夾持工件的精度，就可以使機床加工出質量更高的產品。”于是，王健健心懷熱忱，主動請纓負責卡盤精度設計部分，以提高卡盤的夾持精度。

作為研一學生，王健健沒有實際接觸過卡盤，對卡盤的結構和工作原理是一頭霧水，即使一心埋首實驗室和圖書館，大啃巨著，課題依然罕有進展。經導師的建議，王健健暫時離開實驗室，到國內最大的卡盤生產制造商，同時也是清華大學重大專項的合作單位——呼和浩特眾環集團實習。效果立竿見影，生產一線的經歷讓王健健很快搞清了卡盤的結構原理及制造工藝，為順利開展卡盤的精度設計研究打下了基礎。

隨后，王健健開展起課題的核心基礎工作之一：建立卡盤的定心精度正向預測模型。未料，他查閱了大量關于卡盤的相關參考文獻，都沒有找到可行的解決方案。正當研究陷入僵局時，他回學校觀摩了實驗室某位師兄的畢業論文預答辯。“他研究的是數控機床的精度方向，我當時并沒有聽太懂。”不過，師兄的課題是機床精度建模，王健健的課題是卡盤精度建模，“我當時就想到，師兄的研究方法或許可以借鑒。”憑著學術敏感，王健健記住了精度建模方法的關鍵詞：齊次坐標矩陣和小位移旋量。

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習，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。”

課題進展如巨輪般滾動向前，在獲得卡盤圖紙的第一手資料后，王健健隨即展開第二項任務：繪制卡盤的三維模型庫。“卡盤除了常用的楔式卡盤，還有球節式、斜柱式等多種類型幾十種規格，要想繪制好模型，并非易事。”于是，一到夜晚，他就回到實習單位在郊區的宿舍，打開提前下載好的相聲，一邊聽相聲一邊畫圖。整整一個月后，他畫出了多達10種類型50種規格的卡盤模型，形成了模型庫，為企業的卡盤研發提供了基礎材料。基于王健健的研究，合作企業調整了卡盤的制造工藝，實現了卡盤定心精度的顯著提升。

一場夢悟出答案

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

旋轉超聲鉆孔加工工藝堪稱“優雅的大力士”，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。但很快，他在實驗中發現了切削力的異常現象。一般來說，隨著鉆孔深度增大，切削力會逐漸增大，但當“用力過猛”，切削力超過某一個極限值的時候，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。但對于這個現象，王健健的眼神里似有星星閃耀：“這一現象非常奇特，之前也沒有過文獻報道，也許是一個很有意義的新發現。”得益于良好的科研敏感性，王健健開始重復實驗。他興奮地發現這一切削力跳升現象每次都會出現，實驗結果的重復性也很有規律，每次都出現在相同的鉆孔深度處，“說明這里面有值得研究的科學內容。”

但是，到底為什么會出現這一現象呢？王健健百思不得其解。他回憶起自己當時啼笑皆非的經歷：“當時我分分秒秒都無法忘掉這個問題，每天走路、吃飯、睡覺前，甚至夢里都想求得一個答案。一天凌晨，我應該正在做夢（別笑，確實是這樣），突然想到很可能是因為切削力的增大抑制了超聲振幅，而超聲振幅的減小又反過來造成了切削力的突然增大，導致了這一現象。”

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受到了抑制。然而，“加工過程中超聲振幅的實時測量一直是這個領域里的一個難題。”平復心情后，他突然注意到超聲機床面板上的超聲功率參數一直在變化，這個細節啟發了他，“或許可以用超聲功率來監測超聲振幅的變化。”在后續的實驗中，他敏銳地發現，當切削力突然跳升時，超聲振幅從開始的10微米一下子減小到了1微米。基于以上的實驗現象，王健健進一步挖掘和提煉，并設計了更加嚴謹的實驗，最終明確提出旋轉超聲加工機床極限工藝能力的存在。“理論結果表明，極限工藝能力是由超聲機床的參數決定的，而與所加工的材料和所使用的加工參數沒有關系。”

之后，王健健又花大量時間學習建模方法，搞清楚了轉孔加工過程中切削力導致超聲機床振幅大小發生改變的原因，并從理論上建立了極限工藝能力的計算方法。在論文中，他提出可將極限工藝能力作為超聲機床的設計和制造指標，以更好地為旋轉超聲加工機床提供指導。“以前的文獻中無人提出過這一現象，導致很多機床出現問題。以后，儀器的出孔處將不會出現崩邊損傷的現象。”

責任編輯：曹曉晨

王健健

本科畢業于山東大學，2011年9月進入清華大學精密儀器系攻讀碩士學位，2014年9月免試進入清華大學機械工程系攻讀博士學位，從事難加工材料的高效精密加工研究