精密加工车间在厂区最深处,依着山脚而建。
车间里的空气比外面凉快些,也干燥些,墙上挂着几个圆盘式的温湿度计,指针稳稳地停在“20℃”和“45%”的刻度上。
整个车间保持着恒温恒湿的条件,因为这是精密加工最基本的要求。
韩维义走在最前面,他领着项目组穿过一排排整齐的机床,径直走向车间最里侧的一个隔间。
隔间用厚玻璃隔出来的,玻璃门上贴着“恒温洁净区”几个红字。
透过玻璃能看见里头立着三台墨绿色的磨床,比车间里那些普通机床矮一截,但敦实得多。
“就是这几台。”韩维义推开门,侧身让沈一鸣先进去。
三台磨床并排立着,最靠里的那一台罩着塑料布,显然已经停用了一段时间。
沈一鸣走到中间那台磨床前,他先看了看机床的铭牌:东德制造,一九七一年出厂,型号是SAG-200,精密万能磨床,最大磨削直径两百毫米。
导轨表面磨得发亮,用手电筒侧着照,能看见细微的划痕,像头发丝一样细,在光线下泛着暗淡的白。
“导轨状态不错。”沈一鸣直起身,看向韩维义,“这些年维护得用心。”
韩维义点点头:“导轨每年都请人用水平仪校一次,直线度一直控制在零点零零二毫米以内。比出厂指标还好。’
“平面度呢?”方教授问。
“去年十二月测的,工作台平面度零点零零三毫米。”韩维义从旁边的文件柜里抽出一沓检测记录,“今年三月又测了一次,还是零点零零三。很稳定。
方教授接过记录本,翻了几页,微微点头。他没说什么,把记录本递还给韩维义。
何教授站在另一台磨床旁,他用手推了推主轴,感觉了一下间隙。又凑近主轴箱,听了听运转时的声音。
“主轴轴承换过吗?”他问。
“去年换过一次。”韩维义说,“从轴承厂订的B级精密轴承,装上去之后跑了几百个小时,间隙一直很稳定。”
何教授点点头:“主轴没问题。”
周伟走到磨床后面,检查了冷却液系统和液压系统。
他打开液压油箱的盖子,用手指蘸了一点油,凑到鼻尖闻了闻,又在指尖捻了捻。
“油品很干净,过滤系统工作正常。”他说。
项目组的人分散在三台磨床周围,各看各的,各测各的。
最后项目组得出结论:
设备本身没问题。导轨、主轴、工作台,每一项指标都在出厂标准之内,甚至优于出厂标准。
设备是好的。可它加工出来的零件,精度不够。
这就是问题的核心,也是最棘手的问题,设备没坏,而是设备的极限,够不上任务的要求。
这台东德磨床,设计精度就是零点零一毫米左右,经过八二七厂技术人员这段时间的不断优化改进,它的精度极限达到了零点零零八毫米。
而任务要求的精度误差,是零点零零五毫米。
差了三个微米。
三个微米,一根头发丝的二十分之一。
可就是这三个微米,把八二七厂卡了大半年。
“韩工,”沈一鸣问,“这台设备,你们试过哪些提高精度的方法?”
韩维义苦笑了一下:“能试的都试了。”
他走到文件柜前,又抽出一沓厚厚的记录本,翻开来,一页一页地指给沈一鸣看。
“先是换主轴轴承。原来的轴承是C级,我们换成B级,但极限精度也只提高了一微米。
“然后换冷却液......效果有一点,但不明显。”
“再然后调磨削参数......试了几十组参数,最好的结果是零点零零七五,再往下就下不去了。
“还试过修整砂轮......”
韩维义说着,把记录本合上,叹了口气。
“沈教授,不瞒你说,这大半年来,我们把这台设备能调的地方都调了,能换的零件都换了,能改的工艺都改了。可极限精度就是卡在零点零零八这个坎上,怎么也过不去。我们这也是没招了,才向你们求助。”
沈一鸣沉默了一会儿,点了点头。
“我明白了。”他说。
参观持续了将近两个小时。项目组把三台磨床里里外外都看了一遍,又看了几十份检测记录和加工报告。
临近傍晚的时候,沈一鸣把项目组的人叫到车间角落的一张铁皮桌旁,开了一个简短的小会。
“说说吧,都看出什么了?”沈一鸣把笔记本摊开,钢笔拧开帽,准备记录。
“设备本身没有问题。”方教授开口了,“导轨、主轴、工作台,关键部件的精度都还在出厂标准之内,甚至经改进后优于出厂标准。这台设备,这些年维护得很用心,它的极限精度,仍然是全国最顶尖的水准。”
何教授点点头,接过话头:“主轴轴承换了B级之后,精度提升了一微米,这已经是最高精密等级的轴承,东德这批机床,设计的时候就是按十微米的精度标的,我们能用到这个水平,已经算是把这台设备的潜力挖尽了。”
周伟在旁边补充:
“冷却液、磨削参数、砂轮线速度,能调的都调了。我看了厂里的工艺试验记录,光是磨削参数他们就试了四十多组。最好的结果是零点零零六五,但只出现了一次,后来再也重复不出来。这说明那个结果可能是多种因素巧
合叠加的结果,不是工艺的稳定状态。”
陆怀民也说出自己的观察:“近三年的检测数据,无论怎么调整工艺,加工精度的波动范围始终在零点零零七到零点零一之间。平均值在零点零零八左右。这说明精度已经收敛到了设备的固有极限。
大家你一言我一语,把问题剖析得清清楚楚。
沈一鸣在笔记本上记了几笔,然后抬起头:
“所以,大家的结论是一致的:设备没问题,它的精度已经到头了。要想突破零点零零八,必须从设备之外找办法。”
方教授点了点头:
“是这个意思。磨床是一个系统,设备是核心,但不是全部。工件装夹、砂轮选择、磨削液、操作手法,这些外部因素同样重要。设备精度到了极限,但整个系统的精度,也许还有提升的空间。”
“那大家认为,突破口在哪里?”沈一鸣问。
“装夹。”方教授毫不犹豫地说,“工件装夹是最值得下功夫的一环。”
何教授也表示同意:“厂里用的那两套夹具,设计思路太常规,没有针对这台磨床的特点做优化。如果专门为它设计一套夹具,也许能把它的潜力再挖出来一些。”
方教授又补充:“检测方法也可以改进。现在的检测在磨床上进行,受环境振动和温度变化影响大。如果能设计一套专用的离线检测工装,数据会更可靠。”
几位专家你一言我一语,讨论得很热烈。
沈一鸣最后拍板:
“那就从夹具入手。先把厂里那两套夹具的图纸调出来,逐项分析。明天上午八点,技术科会议室,再碰。”
他看了看手表,已经快七点了。
“先吃饭。明天准时开始。”
第二天上午八点,项目组准时聚集在技术科的会议室里。
韩维义把一摞图纸摊在桌上,用铅笔压住四个角。
图纸是手绘的,墨线粗细不一,有些地方被橡皮擦过,留下淡淡的痕迹。
尺寸标注得很仔细,但箭头画得不够规范,几个公差值旁边打着问号,显然是设计者自己也拿不准。
“这是那两套夹具的全套图纸。”韩维义指着最上面那张,“一套是七一年随设备来的东德原厂图纸,一套是我们自己七五年改进的。”
沈一鸣拿起那张东德原厂图纸,戴起眼镜仔细看。
图纸是德文的,翻译用铅笔在边上加了中文注释。标注倒是严谨,每个尺寸都标了公差,但箭头画得很小,需要凑近了才看得清。
“这套夹具设计思路没问题,但有先天不足。”他指着图纸上的定位部分:
“定位基准选得不够好,制造精度本身也不高。你看这里,定位块的平面度只标了零点零一毫米,比我们磨床的加工精度还差一个数量级。用精度不够的夹具去装夹工件,工件怎么可能加工出高精度?”
何教授抽出那套七五年改进的图纸,展开在桌上:
“这套把定位基准从外圆改成了端面,思路是对的,但精度问题仍然存在。”
韩维义叹了口气:“当时也想提高精度,但加工条件有限,做不出来更高精度的零件。最后只能将就着用。”
“将就。”沈一鸣重复了这两个字,语气里没有责备,只有深深的无奈。
精密加工就是这样。每一个环节都在“将就”,每一个环节都差一点,最后累加起来,就是千里之堤溃于蚁穴。
“韩工,”沈一鸣抬起头,“这两套夹具的零件图,有吗?”
“有。”韩维义从那一摞图纸底下抽出厚厚一沓:
“这是全套零件图。定位块、压板、底座、螺栓......每一个零件都有单独的图纸。
沈一鸣接过来,一页一页地翻。
"
图纸很多,足有三四十张。
“突破精度极限的办法,恐怕就在这里了。”沈一鸣合上图纸,目光扫过在场每一个人:
“既然找到了方向,那就动手。我们必须设计一套全新的夹具,同时配套设计一套离线检测工装。时间,省里只给了三个月。而我们,连一张可用的新图纸都没有。必须抓紧。”
项目组找到了突破方向,立刻投入了紧张的工作。
......
六月中旬,山里的夜来得早,技术科会议室的灯却一直亮着。
沈一鸣站在绘图板前,手里攥着绘图尺和铅笔,眉头拧成了一个疙瘩。
面前的硫酸纸上,已经画满了线条。
定位块的轮廓、压板的形状、底座的孔位,还有密密麻麻的尺寸标注和形位公差。这已经是第五版草图了。
“先按这个版本出图吧。”经过一下午的讨论,沈一鸣最终拍了板,“明天一早送加工车间。周伟、赵毅诚、怀民,你们三个明天跟去车间,盯着加工。有问题现场沟通,能改的当场改。我们等不起。”
第二天,天刚亮,三人就抱着改好的图等在了精密加工车间门口。
加工在磕磕绊绊中开始了。
问题一个接一个冒出来:某个孔距公差给得太严,厂里最精密的设备也很难稳定达到;某个槽的对称度要求无法直接测量,需要设计专门的检具,而检具本身又需要设计和加工......
图纸被反复修改。硫酸纸被擦得发毛,新画的线条压着旧的痕迹,凌乱不堪。
最要命的是,在二维图纸上,凭借人脑的空间想象力和复杂的尺寸链计算,很难完全避免零件之间的干涉问题,尤其是在这种带有曲面和复杂装配关系的夹具上。
第一版所有零件加工完成,已经是十天之后。
当试件被装到那台磨床上测试时,时间已经过去了整整三周。
测试结果令人沮丧。
用新夹具装夹标准试件磨削后检测,平面度最好的结果是零点零零六毫米,最差的零点零一二毫米。
重复装夹几次,数据波动很大。距离设计目标零点零零五毫米,看似只有几微米的差距,却像天堑一样难以逾越。
“还得改。”沈一鸣看着检测报告,疲惫写在脸上,“定位块的刚性要再加强,压紧机构的力臂要重新计算,消除回程间隙......检测工装的设计也得同步开始,不能再等了。”
这意味着,几乎要推倒重来。
大伙儿在心里默默算了一笔账:设计、绘图、下料、加工、热处理、装配、调试、测试.....第一轮用了三周。
就算第二轮效率提高,至少也需要两周半。
这还只是夹具本体的第二轮尝试。还有配套的检测工装,图纸还没开始画。
两套工装,按这种“设计-试制-修配-再设计”的模式循环下去,乐观估计也要四到五个月。
而省国防工办给的最终时间,是三个月后,也就是九月中旬,必须拿出稳定达到0.005mm精度的加工方案和合格样件。
这还没算上拿出合格工装后,工艺参数的重新摸索、优化、稳定所需要的时间。
“老师,”周伟在一天晚上,拿着自己粗略计算的时间表,找到了沈一鸣,“按现在的路子,时间......可能不够。”
沈一鸣接过那张写满日期的纸,看了很久。窗外是黑黢黢的山影,偶尔传来远处哨兵换岗的口令声,短促而清晰。
“我知道。”沈一鸣把纸折好,放进抽屉,“可我们没有别的路子。手工绘图,反复试制,这是我们唯一熟悉,唯一能掌握的方法。也是全国几乎所有工厂和研究所,正在用的方法。”
他望向窗外,像是在自言自语:“这是精密机械系建系以来接的第一个军工任务,只许成功,不许失败。宁愿晚点,精度也不能出问题.....”他摇了摇头,没再说下去。
那种沉重的无力感,弥漫在每个人的心头。
几天后的一个傍晚,陆怀民独自去了厂里的技术资料室。
去资料室的动机很明确,他脑子里反复盘算着项目组面临的困境,一个词越来越清晰地浮现出来:
CAD,计算机辅助设计。
连续几周在绘图板前、在车间里,在会议中的挫败感,让一个前世模糊的印象变得越来越具体。
手工绘图、反复试错的传统方法,效率太低,容错空间太小,根本赶不上三个月的时间要求。
要想破局,必须找到一种全新的、更高效、更精确的设计验证方法。
他想起了这个词。
在重生前的那个时代,这是工程师的基本工具,但在1979年,这无疑是尖端中的尖端,甚至对多数中国工程师而言,可能只是一个听过却从未见过的概念。
陆怀民不太了解此时的CAD技术到底发展到什么程度了,所以打算看看能不能找点相关资料了解一下。
资料室那间不大的屋子,靠墙立着几个高大的绿色铁皮柜。
他走进去,目标明确地在“外文期刊”和“新技术译丛”的分类前驻足,开始仔细翻找。
他抱着一线希望,想看看国内是否已经有关于这项技术的零星介绍或引进。
手指划过一排排书脊,大多是五六十年代的苏联译本,内容陈旧。
又翻了几本国内的技术汇编,提到的“计算机应用”也大多局限于科学计算。
就在他几乎要放弃时,指尖触到了几本厚厚的册子。
他抽出一本,拍了拍灰,就着昏暗的灯光翻开。
里面是英文和德文期刊的影印页,内容涉及航空结构、精密仪器制造等前沿领域。
他快速浏览着目录和摘要,翻到其中一页时,他的目光骤然定住。
那是一份1974年美国某工程期刊的影印页。
标题赫然是:“计算机辅助设计在复杂航空结构应力与变形分析中的应用初探”。
文章不长,配有几幅由计算机绘制的,略显粗糙但结构清晰的三维线框示意图,讨论了如何利用计算机建立模型,预先分析部件在载荷下的行为。
陆怀民的心跳猛地漏了一拍。
他迅速翻页,又在一份1975年的德国工程报告摘要中,看到了更相关的描述:“基于交互式图形显示系统的公差累积分析与装配仿真——确保高精密仪器可靠性的新途径”。
摘要明确指出,这种方法能“在物理样机制造前,于虚拟空间中预测并消除干涉,优化公差分配”。
资料非常零散,没有具体的软件名称、硬件配置或操作细节,更像是一种技术前瞻和概念论证。
但就是这几行英文和德文,配上那几幅由点和线构成的三维示意图,对陆怀民而言,不啻于黑夜中划过的一道闪电。
就是它!
困扰项目组的所有核心难题,包括二维图纸与三维实体的转换鸿沟、复杂尺寸链导致的人脑计算极限、装配干涉的事后才发现,无法预知的受力变形,而文章里提及的CAD技术,瞄准的正是这些痛点!
如果把那套令人头疼的夹具和检测工装,在计算机里建立一个三维数字模型呢?
这个念头一旦升起,便再也无法按捺。
他仿佛能看到,那些靠人脑难以完全构想清楚的零件,能在虚拟空间里被任意旋转、剖切、测量,每一个特征的相对位置都精确无误。
可以进行虚拟装配,提前“看到”零件是否干涉。
可以赋予材料属性,模拟夹紧力下的弹性变形,从而优化结构。甚至,可以由精准的三维模型,直接生成毫无歧义的二维工程图纸和加工代码,从源头上杜绝人为绘图、读图和计算错误。
理论上,其精度完全能达到甚至超越微米级,远非人手和肉眼所能企及。
这不正是打破当前“设计-试制-失败-再设计”死亡循环的唯一希望吗?
激动如电流般窜过全身,但随即,他的兴奋被浇灭了大半。
CAD,这个概念,在1979年的中国,有几个人听说过?
别说应用,恐怕连讨论的基础都不存在。八二七厂有符合条件的计算机吗?
即使有,是那种庞大的、用于科学计算的机型,还是那种能支持图形交互的,更先进的微型计算机?
国内有谁懂这个?
一连串严峻的问号砸下来。
这个想法太过超前,甚至有些“疯狂”。
在1979年的中国,在这个主要依靠绘图板、计算尺和老师傅经验的领域,突然提出要用计算机来“画图”,来“模拟”、来“设计”,听起来简直毫无可能。
可是人家在1974年、1975年就已经在公开讨论,甚至开始应用了。
这说明在国际最前沿,这项技术已经走出了纯粹的实验室阶段,正在尝试解决真实的工程问题。
如果别人几年前就已经开始探索,并且看到了它的价值......陆怀民盯着纸上英文术语,眼神越来越亮。
那我们为什么连试都不能试一下?
成功,或许能一举打开局面;失败,也可能被视为不切实际的空想。
但他知道,自己必须试一试。
他将合订本放回原处,整理了桌面,深吸一口气,走向资料室门口的管理员柜台。
“同志,麻烦问一下,厂里有没有关于计算机,特别是计算机画图、计算机辅助设计方面的资料?中文的外文的都行,或者......厂里有没有能用来画图的计算机?”
管理员抬起头,推了推老花镜,脸上是一片纯粹的茫然:
“计算机?画图?同志,计算机不是用来算炮弹轨道的吗?画图......那得用笔和尺子啊。咱们资料室就这些了,你刚才看的那些外文东西,已经是馆里最‘新潮”的了。”
这个回答在意料之中。陆怀民点点头,转身走出资料室。