返璞归真 在发展中时刻把握技术的脉搏——访秦川集团技术总顾问、西安交通大学教授毛世民先生

本刊记者/Reporter 汪艺/WANG Yi

毛世民：男，1957年出生，陕西省扶风县人。西安交通大学教授，博士生导师，秦川集团技术总顾问，英国纽卡斯尔大学客座教授。

参与的“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项：（1）高速、精密、大型数控圆锥齿轮磨齿机；（2）数控螺旋锥齿轮磨床；（3）高效高精度齿轮产品技术创新平台；（4）汽车驱动桥螺旋锥齿轮绿色制造成套技术与装备。在第一个项目中毛教授担任课题副组长，负责总体方案设计和数控加工软件开发，该项目于2011年12月通过工信部、科技部和财政部验收，获得12届中国国际工业博览会金奖，受邀参展德国汉诺威机床展。参与的其他课题：横向课题“3MW风电增速箱研制”，是国内首家具有独立知识产权的3MW风电增速箱设计。

经业内人士推荐得知了秦川集团的齿轮专家毛世民教授，在百度上看到这样的信息：“他出生在扶风，是全球为数不多的锥齿轮啮合原理方面的顶尖专家之一，在英国拿着高工资，却在年过半百时毅然回到了祖国。他的名字叫毛世民。”未见其人便已神往，终于2013年3月11日笔者采访到了毛教授。

蒙恩师教诲 自奋发图强

成功的故事有着很多相似之处，遇恩师就是其中最重要的因素之一。

1978年，毛教授进入西安交通大学。大二听机械原理老师的课知道了齿轮是最复杂最难加工的零件之一，所以从大三开始自学微分几何等相关课程。西安交大在齿轮加工方面有着很强的优势，因此毛教授选择了在西安交大继续攻读硕士和博士，并且硕士师从吴序堂教授，博士师从乐兑谦教授。毛教授提到他的两位导师时，赞誉和感激之情溢于言表：我国解放后齿轮加工、刀具和机床行业中乐老师被公认为贡献最大，堪称是齿轮行业影响最大的人物。毛教授上学的时候哈一工、汉江工具厂、重庆工具厂等国内最大的齿轮刀具厂家的总工几乎都是乐老师的学生，他们经常回到西交大，请教乐老师问题，毛教授坐在后面的时候如饥似渴地倾听和学习。乐老师60年所编制的《齿轮刀具》，解决了齿轮加工的很多问题，从此齿轮刀具打破前苏联谢明钦科的体系，有了中国自已的体系。西安交大在刀具学科方面就此崛起。《齿轮刀具》可以比作中国齿轮刀具的圣经，这是毛教授仔细研读的最早的一本专业书籍。刚解放时乐老师曾经在上海交大工作，当时苏联援助我们一批专家，乐老师和他们一起工作一起生活，整理苏联的资料，我国最早的一本《金属切削原理及刀具》就是乐老师当时整理编译的。

上世纪80年代中美建交以后，随着格里森机床进口到中国，带来一批有关锥齿轮加工计算和设计的资料。当时美国的这些技术搞得很神秘，计算卡上没有完整公式，关键公式被拆分得七零八落，用括弧和数字表示，很难搞清楚原理。为了打破垄断，掌握锥齿轮技术，当时的第一机械工业部组织了一批工厂和研究所，其中包括西安交大、重庆大学、天津第一机床和300厂等在内的技术人员消化吸收这些技术。在理解和消化这些资料的工作上，重庆大学郑昌启老师和交大吴序堂老师贡献非常大。当时格里森在齿轮加工方面有8种方法，弧齿锥齿轮和准双曲线齿轮各4种。吴序堂老师破译了其中5种方法的工作原理和计算方法，并因此得了奖。毛教授当时跟着吴老师破译了其中一种方法——准双曲线齿轮刀倾半展成加工法，简称HFT（Hypoid Format Tilt）。在吴老师的指导下，毛教授把一个个理论公式的来龙去脉搞清楚、重新推导，编写程序，做切齿实验，并在格里森的基础上向前走了一步。当时格里森基本方法的加工参考点都是固定的，带来一定的缺陷。毛教授就开发了任意指定参考点的方法，克服了固有缺陷，对齿面接触区的控制更加准确和灵活。这个创新于1985年在交大学报上发表了题为“任意指定接触基准点的切齿理论——对格里森半展成法加工弧齿维齿轮和准双曲面齿轮方法的改进”的文章。当时中国齿轮界人士勤奋钻研，可以说已经完全掌握了格里森的锥齿轮理论。

摸索前进 不忘初衷

1995年，首次有了出国的机会，出国单位自己联系，学校或企业皆可，毛教授申请来到了世界上在锥齿轮领域最享盛誉的公司之一德国克林贝格公司进行了为期一年的访问考察。由于在国内多年对齿轮理论的刻苦研究，毛教授发现在德国自己的理论水平相比于同资历的工作人员一点儿不差。曾有一次，毛教授指出工作中的一个问题，德国同事查找出保存的40年代的手稿的记录竟然和毛教授说的相同。这一方面反映了像毛教授这样的中国专家通过刻苦学习能够让自己和国外专家们平起平坐，同时也反映出国外资料的传承性非常好。

建国初期，在齿轮加工方面有些想法虽然很好，但是由于当时机床水平有限，无法实现，只能放弃。到了1995年左右，加工齿轮的六轴联动机床已经比较成熟。毛教授在1997年申请承担、99年结题的一项国家自然科学基金项目“基于功能需求的齿面主动设计和先进制造技术研究”中，将在圆柱齿轮加工中发展的比较完善的齿面修形理论应用到曲线锥齿轮加工中，提出“齿面主动设计”的理论，即从齿面本身要求出发，用六轴联动机床在齿轮传统加工的基础上再进行齿面修形，使得齿轮啮合过程中接触应力、齿面磨损、齿轮振动和噪音等性能可以得到更大的改善。但是当时工厂并不接受这样的改进，原因是用这种理论做出来的锥齿轮和格里森做出来的锥齿轮有微小差别。而目前锥齿轮的修形在齿轮界中已得到广泛认可，毛教授谦虚而快乐地说自认为在推动锥齿轮修形上作了一些工作。目前毛教授承担的一个重大专项“数控螺旋锥齿轮磨床”完全以这套理论做基础。

由于锥齿轮本身的复杂性，造成锥齿轮的使用者盲目相信格里森机床及加工方法，对锥齿轮本身还没有做锥齿轮机床的人更了解。一些企业用格里森六轴机床加工锥齿轮时仍当做传统的摇盘式机床使用，没有把其强大的功能充分发挥出来。究其原因，就是大部分锥齿轮最终用户不知道怎样齿面的锥齿轮最适应于自己的需求，所以作为锥齿轮的生产厂家应该帮助用户搞清楚用什么样的齿轮最合适。脱离实际使用工况无法评判锥齿轮的好坏，只有装在驱动桥、减速箱等传动装置中并加载，通过运行后才能判断其性能的优劣。而实际应用状况五花八门，因此更要求锥齿轮生产厂家根据最终用户的不同需求加工出符合需求的各种锥齿轮。齿面主动设计理论为达到这一目标提供了理论基础，但仍有许多具体的技术难点需要克服。

上世纪90年代末，国内机械行业发展步入低谷，毛教授所在的实验室面临着无项目可做的窘境。2000年，英国 Romax Technology公司因缺乏锥齿轮相关技术，向在德国一举成名的毛教授抛来橄榄枝。斟酌再三，毛教授成了该公司客座齿轮专家，不久就担任了该公司的高级齿轮工程师。2003年，毛教授去英国SMT公司任职，前后在英国待了9年光景。

在国外的这些期间，虽然毛教授当时感觉在理论上进步不大，但是回想起来当时繁多的工作机会给他提供了另一种锻炼机会，和中国的工厂交流比在国内还多。毛教授在工作中也不忘思考，渐渐对世界齿轮行业的发展有了一些困惑，感觉锥齿轮加工理论一直没有脱离最初摇盘机床的模式，有了僵化和拘泥的趋势，齿轮加工方法越来越复杂，但效果并不是特别好。

世界三大公司加工锥齿轮都是使用一种特殊的刀具——刀盘，由于工艺要求，刀盘直径要和被加工的锥齿轮直径相当。多年实践证明，这种方式加工直径1 m以下的锥齿轮具有无可代替的优势。但当齿轮直径继续增大时，因为刀盘直径过大，不仅刀盘本身制作困难（磨齿用的大直径筒形砂轮制造也非常困难），机床主轴受力非常恶劣，加工质量无法保证，而且磨齿用大于1 m直径的筒形砂轮也很危险。但随着科学技术的发展和各种新兴产业的出现，对大直径锥齿轮的要求越来越多。例如安装在海洋平台上的采油钻机转台的锥齿轮副，大轮直径要求2 m以上。还有平台动力定位系统的推进器和大型船舰的推进器都需要大直径的锥齿轮。而且，由于这些场合的特殊性，对锥齿轮的可靠性提出极高的要求，必须采用高精度硬齿面。为了解决大型高精度硬齿面锥齿轮制造的难题，国内外多家企业都形成了放弃刀盘加工工艺，另辟道路的共识。而促成毛教授思考这一问题是得益于2004年去重庆齿轮厂，发现他们需花费70～100万元人民币去芬兰购买1.2 m左右的锥齿轮用于水泥立磨减速器。尽管价格昂贵，供货期往往还在一年以上，成了该厂立磨减速器生产的瓶颈。

毛教授认为齿轮副齿面之间具有啮合关系，是一对共轭曲面，不同于一般的自由曲面，所以加工齿轮齿面的首选方法应是展成法。不管是圆柱齿轮还是圆锥齿轮，展成加工的理论是相通的，其核心是产形轮。用现行的刀盘工艺加工收缩齿锥齿轮，由于齿轮副中的大小轮无法用同一个产形轮加工，加工出的齿面理论上就不是共轭齿面，为了得到满足要求的齿面局部接触和运动传递精度要求，不得不对小轮的加工进行各种极为复杂的修正，这是造成当前的锥齿轮加工技术极为复杂的根本原因。如果放弃刀盘工艺，利用已经发展很成熟的多轴联动技术，就可以彻底克服这些缺陷。基本思想是针对齿轮副应用要求设计产形轮齿面，然后确定用通用刀具（或砂轮）形成所设计的产形轮齿面的运动和产形轮展成被加工齿轮的运动，这样理论上就可以加工出各种形式的锥齿轮。而目前普遍应用的锥齿轮制式，如格里森制、奥利康制和克林根贝尔格制等只是其中的特例。当时有这个想法的时候毛教授很激动，特地从英国给吴序堂老师打电话，吴老师赞赏说“返璞归真”。得到老师的肯定，毛教授马上利用周末和假日开始理论研究，并在2009年回来工作之前，所有的理论工作都已经完成。

殊途同归 实现梦想

2008年，秦川机床工具集团有限公司董事长龙兴元去英国考察项目，访问了SMT公司。那天，龙总满怀激情地对毛教授讲述了秦川集团的发展志向：“国内机床生产近年来取得了很大成绩，但中国并不是机床生产强国，我们在世界上仅处于第二梯队。而秦川集团的目标，则是要成为国际市场上能与欧美等磨齿机制造巨头抗衡的民族品牌，早日跨入第一梯队。”一席肺腑之言，深深打动了毛教授。龙兴元的理想，不正是自己多年想做、而又苦于没有机会实现的追求吗？就这样，毛教授做出了加入秦川集团的决定。

这几年，毛教授在秦川机遇很好。由于在产形轮理论上的创新，秦川在激烈的竞争中争取到了大型锥齿轮的国家重大专项。产形轮理论被评价为是具有原创性的理论，而毛教授则谦虚地说，只是捅破了一层窗户纸。但是没有对整个齿轮加工理论的充分理解，又如何捅得破这层窗户纸，即便捅破了也没有足够的信心和能力去试试这个设想。

毛教授感叹把一个设想化为实际，所需付出的劳动和艰辛及碰到的问题超出了他的想象，这三年半在秦川的时间里，没有周末，没有假日，每天从早8点工作到晚10点。就这样毛教授说还有很多问题没有解决，笔者听出了毛教授他们付出的辛苦，也听出了即便这样也不会放弃的决心。功夫不负有心人，利用秦川优越的平台和领导层的大力支持，毛教授用了3年半的时间和他的团队把概念转化成了生产力。秦川磨削的2.2 m高精度锥齿轮副于2011年在EMO展出（见右图），吸引了格里森和克林贝格的很多人来观看，世界各地的很多用户也到展位参观咨询。

毛教授指出产形轮理论主要适用于大中型锥齿轮制造。小型锥齿轮用刀盘加工更高效。而用产形轮理论进行加工，由于刀具直径小，加工效率会比较低，且刀具磨损造成的误差也会影响齿面精度。

毛教授称赞秦川龙兴元董事长志向高远，愿意为实现在秦川打造国际一流的锥齿轮装备和大型高精度硬齿面锥齿轮零件的产业链的宏伟目标尽全力工作。并且要在“做好用户工艺师”的思想指导下，设计生产出适合每个用户使用的最佳性能的锥齿轮。目标光荣而远大，深入进去，要做的工作会越来越多。

寻根溯源 透过现象看本质

毛教授认为就个体而言，我国做锥齿轮研究的技术人员技术水平一点儿不差，包括在国外会议上讨论的问题也很受关注。而且中国人非常吃苦耐劳，可以加班加点做事情，但是由于方方面面的原因最终产品总是不尽如人意。到底为什么？毛教授说了一些他在国外工作的体会：国外开发产品必须经过反反复复试验，尽可能利用已有手段发现问题，彻底解决后才会上市，不会为把不成熟的东西轻易展出或销售。在国外一个项目再急，没想明白之前，绝不会动手做，首先就是开会，让团队所有成员充分发表意见，使每个人的作用都能得到充分的发挥，再根据讨论结果制定出详细的项目计划。计划一旦定下来，执行过程中原则上不再修改，即便进行过程中发现确有不周之处，也不修改，因为项目计划是周密的系统工程，往往牵一发而动全身，而是吸取经验，下个项目再引以为戒。毛教授希望跟大家分享自己的这些实际感受。

现在国家对高端制造装备行业的支持力度让各国同行都非常羡慕，而且很多设备也非常优良。如果遵循产品规律扎扎实实地进行研究，我国的技术人员是有实力做出国际一流产品的。

毛教授说自己在做学生学习的过程中，有时会突然很激动地自认为有了新突破，但常常被老师告知或通过进一步学习发现其实前人已经做过。估计很多孜孜以求的学者们都会有这样的经历，这是一种对自己成绩喜悦和对前人钦慕之情的美好情感。

在知识密集型的今天，把过去的知识学习消化吸收，再总结，透过这些知识的现象看本质，去伪存真，总结出解决现实问题的方法，是很多专家走过的道路。世界本来很简单，只有不懈努力的人才能在看似复杂的理论内涵中时刻把握技术发展的脉搏和技术自身的本质。笔者认为，在人类历史各领域的发展中存在着新事物从出现时的充满生命力到后期由于惯性和人性等原因导致不能适应新形势而被另一个新事物替代，而对新事物的发现基本都是来源于对历史技术和知识的充分掌握和对现实需求的认真对待和合理解决。这个规律在人类人文、社会和自然科学中不断重复着，无数的学者们用自己的勤奋和智慧为各自的文明成就不断添砖加瓦，又不断推陈出新。

毛教授被一些同行评价为“真正懂得锥齿轮”。祝毛教授在自己追求的道路上幸福而快乐!