荆州，荆州！ 第二百三十二章：五轴之困

第二百三十二章：五轴之困(第1/2页)

一九八四年六月的武陵山，雨季来得早。雨水不是下，是倒，从铅灰色的天空倾泻而下，在车间铁皮屋顶上砸出万马奔腾般的轰鸣。山洪从后山冲下来，黄浊的泥水漫过厂区道路，工人们穿着雨靴，蹚着没膝的积水去车间上班。但三号车间里，比窗外的暴雨更让人焦躁的，是那台刚开箱的德国新设备——德马克五轴联动加工中心。

设备是克劳斯公司作为技术合作的一部分送来的，不是赠送，是“长期技术验证平台”。意思很明白：你们要是能用好，后续订单源源不断；用不好，设备收回。随设备来的除了安装手册，还有一份薄薄的技术要求：三个月内，用这台五轴加工中心完成一件“叶轮”的试制——那是航空发动机压气机上的关键零件，叶片曲面复杂，精度要求0.01毫米，表面粗糙度Ra0.8。

“五轴”这个词，在1984年的中国机械行业，还是个传说中的概念。大多数工厂还在为三轴数控发愁，“701”厂那台德国磨床也只是四轴。而眼前这台DMU50，有X、Y、Z三个直线轴，外加A轴和C轴。五个轴要协同运动，加工出空间曲面，其编程复杂程度和加工难度，对“701”厂来说，就像让一个刚学会走路的人去跑马拉松。

设备开箱那天，施密特没有来——他正在上海安装另一台同型号设备。来的是克劳斯公司新派的年轻工程师，叫托马斯，二十八岁，金发碧眼，说话语速快得像机枪。他打开控制柜，调出数控系统——这次不是西门子，是海德汉的iTNC530，屏幕更大，菜单更复杂，全是德文。

“第一件事，”托马斯的中文生硬但流利，他在同济大学学过一年，“建立车间的温度控制。五轴机床对温度敏感，温差1度，精度损失0.005毫米。”

他拿出一个香烟盒大小的仪器——无线温度记录仪，在车间不同位置布置了八个。“连续监测一周，我要看温度波动曲线。”

然后他走到机床前，开始讲解五轴编程的基本原理。不是用G代码，是用海德汉特有的“对话式编程”——通过回答系统提问，一步步生成加工程序。他演示了一个简单的斜面加工：系统问“加工面角度？”，输入“45度”；问“刀具长度？”，输入“120毫米”；问“切削深度？”，输入“0.5毫米”……一连串问答后，程序自动生成。

“看起来简单。”小陈在旁边记录，眉头却皱紧了，“但叶轮的叶片是自由曲面，每一点的曲率都在变。对话式编程解决不了。”

“所以要学CAM软件。”托马斯打开随身带的笔记本电脑——1984年，笔记本电脑在中国还是稀罕物。屏幕上运行着一个三维建模软件，名字叫“CATIA”，法国达索公司的产品，当时世界上最先进的CAD/CAM系统之一。他调出一个叶轮模型，叶片扭曲得像海螺的壳，表面光洁如镜。

“用这个建模，然后生成加工路径。”托马斯点击几下，软件自动计算出刀具轨迹，那些轨迹线在三维空间里蜿蜒盘旋，看得人眼花缭乱。

“这个软件，”小陈问，“多少钱？”

“一套，二十万美元。”托马斯平静地说，“还不包括每年百分之十五的维护费。”

会议室里一片倒吸冷气的声音。二十万美元，按当时汇率，差不多五十万人民币——是“701”厂现在全年产值的两倍。

“买不起。”陈德海直接说。

“所以要用别的方法。”托马斯合上电脑，“克劳斯公司在美国有个合作项目，开发低成本CAM系统。我可以帮你们申请测试版，但需要你们提供加工数据作为反馈。”

又是一个“交换”。用“701”厂的加工数据，换一个也许能用的软件测试版。

“我们干。”谢继远拍板，“没有条件，创造条件也要上。这是五轴，是中国工业的未来。咱们能在武陵山摸到未来，这个机会不能丢。”

第一步是学习。托马斯每天上午讲课两小时，讲五轴机床的运动学原理，讲刀具半径补偿在空间曲面中的应用，讲如何避免加工中的“奇异点”——那是五轴机床特有的问题，当两个旋转轴达到特定角度时，机床会失去一个自由度，就像人的胳膊肘反关节扭到极限。

听课的有小陈，有赵建国，还有从技术科抽调的三个年轻技术员。他们带着笔记本，拼命记录，但很多概念听都听不懂——“旋转中心偏置”“刀具姿态角”“后置处理器”……每个词都像一堵墙。

王有才也听，坐在最后一排，不记笔记，只是听。听到第三天，他举手提问：“托马斯先生，您说的那个‘奇异点’，是不是就像我刮研时，刮刀角度超过70度就会打滑？”

托马斯愣了一下，然后眼睛亮了：“对！就是这个道理！在数学上，奇异点就是雅可比矩阵不满秩的点。在机械上，就是某些关节角度组合下，机床失去某个方向的运动能力。您这个比喻很形象。”

于是，讲课开始用比喻。五轴编程像“在三维空间里绣花”，刀具轨迹规划像“给蚂蚁指路走出迷宫”，加工误差补偿像“给近视眼配眼镜”。这些比喻，老师傅们能听懂。

第二步是设备调试。五轴机床的精度检测比四轴复杂得多。托马斯带来了一个“球杆仪”——一根碳纤维杆，两端各有一个精密球，一个球吸在机床主轴上，另一个吸在工作台上。机床做圆周运动时，球杆仪会检测出轨迹的圆度误差，从而反推五个轴的运动误差。

调试花了七天。每天，托马斯在机床上运行不同的测试程序，球杆仪的数据实时传到电脑上，生成一张张彩色误差图——红色代表误差大，蓝色代表误差小。理想状态应该是全蓝，但实际出来的图，像打翻的调色盘。

“X轴和A轴的反向间隙不匹配。”“C轴的编码器有周期性误差。”“主轴热伸长没补偿到位。”托马斯一边分析，一边调整机床参数。那些参数藏在系统深层菜单里，有些连德国设备手册上都没写清楚。

王有才一直守在旁边。当托马斯为某个调整反复试验时，他有时会小声提醒：“试试把A轴的加速度参数调低百分之五。太快了，导轨还没跟上，编码器就认为到位了。”

托马斯将信将疑地试了。调整后，那部分的误差图真的从红色变成了黄色。

“您怎么知道的？”托马斯惊讶。

“听声音。”王有才说，“A轴加速时，有极短的‘咔’声，像齿轮没咬实。我以前修龙门铣时遇到过类似问题，就是加速度设得太高。”

就这样，德国工程师的理论分析，和中国老师傅的经验直觉，在调试过程中形成了一种奇特的互补。有时托马斯算半天解决不了的问题，王有才听一听、摸一摸，就能指出方向；有时王有才觉得“手感不对”的地方，托马斯用仪器一测，果然是某个轴的伺服参数需要微调。

第三步是试加工。先用普通铝材，加工一个简化版的叶轮——叶片数量从实际的36片减少到6片，曲面也做了简化。编程由托马斯主导，小陈协助。

编程花了三天。不是写代码，是在CATIA软件里一点一点“画”刀具路径。每个叶片要分粗加工、半精加工、精加工三道工序，每道工序要设置不同的刀具、切削参数、加工策略。精加工时，还要考虑“残留高度”——刀具是圆的，加工曲面时，相邻刀路之间会有微小的残留材料，这个高度必须控制在0.01毫米以内，否则表面会有明显的刀痕。

（本章未完，请点击下一页继续阅读）第二百三十二章：五轴之困(第2/2页)

“这就像用圆头的笔，在波浪形的纸上写字。”托马斯解释，“要想字迹清晰，笔尖必须始终垂直于纸面，而且相邻笔画要重叠恰到好处。”

第一遍程序生成后，在电脑上模拟。虚拟的刀具在虚拟的叶轮上移动，碰撞检测显示有三次干涉——刀具切到了不该切的地方。修改，再模拟。

第五遍模拟通过后，才敢上机加工。

试加工那天，车间里挤满了人。连隔壁车间的工人都跑来看热闹——五轴机床，大多数人这辈子第一次见。

机床启动。主轴带着球头铣刀旋转，五个轴开始协同运动。那场景令人震撼：工作台在X、Y、Z方向移动的同时，还在A轴和C轴上缓缓旋转，刀具像一只灵巧的手，在铝坯上“抚摸”出叶片的轮廓。切削声不是普通机床那种单调的轰鸣，而是一种有韵律的、忽高忽低的声音，像某种奇特的乐器在演奏。

王有才站在安全线外，眼睛一眨不眨。他看到，当刀具加工到叶片根部——那里曲率变化最大——时，A轴和C轴的运动明显加快，机床发出轻微的“嗡”声。

“这里，”他对身边的赵建国说，“震动大了。程序在这里给的进给速度没降。”

果然，加工完检测时，叶片根部的表面粗糙度超标了——Ra1.2，要求是Ra0.8。

“是刀具振动。”托马斯分析，“叶片根部曲率大，刀具在这里的切削角度变化剧烈，激起了振动。要降低进给速度，或者换更短的刀具。”

“换刀具吧。”王有才说，“降速度，整个加工时间就长了。咱们不是有那把短柄的球头刀吗？柄长只有标准刀的一半，刚性更好。”

换上短柄刀，修改程序，重新加工。这次，叶片根部的表面质量达标了。

但新的问题又来了：加工时间。这个简化叶轮，六个叶片，加工了整整十六小时——其中精加工就占了十小时。按这个速度，加工完整的36片叶轮，需要四天四夜不停机。而克劳斯公司给的试制周期，是一个月完成三件。

“效率太低。”托马斯摇头，“要优化刀路。现在刀路是‘平行线’式的，相邻刀路间距固定。可以改成‘螺旋线’式，让刀具连续运动，减少空行程。”

又是编程优化。小陈跟着托马斯，一点一点学。白天在车间调试，晚上在宿舍研究手册，梦里都是那些三维曲线。

第二个简化叶轮，加工时间压缩到十二小时。第三个，十小时。进步明显，但距离实用还很远。

就在这时，托马斯一个月的派驻期到了。他要转去沈阳，那里有克劳斯公司的另一个合作项目。

临走前，他把所有技术资料——包括CATIA测试版的安装盘、海德汉系统的全套手册、还有他这一个月整理的调试笔记——都留给了“701”。还有一句话：“叶轮试制，最晚八月底要交出第一件合格品。否则，这台设备可能要调走。”

压力全部压在了“701”自己身上。

托马斯走的第二天，小陈在工作室里尝试安装CATIA测试版。软件有三十多张软盘，要一张一张安装。安装到第二十七张时，电脑死机了。重启，重装，又死机。反复三次后，他意识到：软件对电脑内存要求太高，厂里这台IBM兼容机，内存只有512KB，不够。

“去省城借。”谢继远说，“省机械研究所可能有更好的计算机。”

陈德海带着小陈，坐长途汽车去省城。路上遇到塌方，堵了六小时。到省城时已是半夜。第二天，他们找到机械研究所，好说歹说，借到一台内存1MB的计算机——在当时已经是“超级计算机”了。但人家只借三天，而且不能搬走，只能在小陈住旅馆，在研究所的机房里工作。

三天三夜，小陈几乎没睡。他要把CATIA软件安装好，要把叶轮模型建出来，要生成刀路，还要把数据转成海德汉系统能识别的格式。每个环节都可能出错：软件兼容性问题，单位制转换问题，后置处理器配置问题……

第三天凌晨，刀路文件终于生成。用研究所的绘图仪打印出来，十几米长的纸带上，密密麻麻的坐标点，像天书。

赶最后一班长途汽车回武陵山。车上，小陈抱着那卷纸带，像抱着炸药包。他知道，如果这个刀路文件有问题，加工时可能会撞刀——五轴机床撞刀，轻则损坏刀具工件，重则损坏机床主轴。而那台DMU50，价值一百二十万马克，按汇率差不多三百万人民币。把整个“701”厂卖了，也赔不起。

回到厂里是深夜。车间还亮着灯，王有才和赵建国在保养机床——这是他们每晚的例行工作，不管多晚。

“程序好了。”小陈声音沙哑。

“那就试。”王有才只说了一句。

装夹铝坯，安装刀具，传输程序。小陈的手在发抖，按启动键时，他闭上了眼睛。

机床启动。五个轴开始运动。这一次，刀路是连续的螺旋线，刀具像跳芭蕾一样，在工件上滑出优雅的轨迹。切削声变得更加流畅，没有了之前的停顿和突兀的变速。

三小时后，第一个叶片完成。停机检测：轮廓精度0.008毫米，表面粗糙度Ra0.6。

“成了！”赵建国第一个喊出来。

小陈睁开眼睛，看到那个银光闪闪的叶片曲面，在灯光下泛着均匀的光泽。他腿一软，坐在了地上。

王有才走过去，用千分表测量叶片不同位置的厚度。“这里，”他指着一个位置，“薄了0.005毫米。应该是刀具在曲面顶点处，切削力方向变化导致的让刀。”

“能修吗？”小陈问。

“能。”王有才拿出那把他用了一辈子的刮刀，“手工修，0.005毫米，三刀的事。”

他俯下身，手腕极稳地移动三下。再测，厚度达标。

深夜的车间里，三个年轻人围着一个老师傅，看着那个刚刚诞生的叶片。窗外，武陵山的夜空星河璀璨，远处传来山溪奔流的声音。

他们不知道，这个叶片，是中国内陆深山里的工厂，第一次用五轴机床加工出的复杂曲面零件。在1984年的夏天，这是一个小小的奇迹。

但王有才看着那个叶片，心里想的不是奇迹。他想的是：三十六片叶片，每片都要这样精雕细琢；叶轮要动平衡，每个叶片的重量差不能超过0.1克；叶轮要装机测试，在每分钟一万两千转的转速下，不能有任何振动……

路还很长。而他们，刚刚迈出第一步。

他抬头看了看墙上的日历：六月二十八日。离八月底，还有两个月。

两个月，要完成第一个完整叶轮的试制。

时间，像武陵山雨季的溪水，哗哗地流，一刻不停。

而他们，必须追上时间。