在中国运载火箭技术研究院首都航天机械有限公司的车间里，数控机床高速运转。随着刀具上下翻飞，火箭外壳、整流罩、贮箱……巨大而泛着金属光泽的原材料被迅速雕琢成型。
这里是中国航天的发祥地，也是中国运载火箭的诞生地。“金牌火箭”长征三号甲、载人火箭长征二号F、新一代大型运载火箭长征五号等多型运载火箭，都是该公司承制的。而为火箭生产车间里一台台数控机床赋予“智慧”的，便是该公司一车间数控加工技术研究室刘争带领的团队。他的工作，就是“指挥”数控机床将图纸上的设计变为实物，为火箭加工出所需的各类零件。
17年来，刘争改造设备、优化工艺，开发出国内领先的角铣头五轴联动技术，提升了火箭壳段网格壁厚控制精度，不断升级火箭各部件的加工效率和产品精度。从中国运载火箭研究院首届劳动模范，到中国航天基金奖、德国纽伦堡国际发明展金奖，刘争近年来屡获殊荣；年，他更是荣获了“全国五一劳动奖章”。
刘争在调试数控机床本报记者王海欣摄
长征二号F运载火箭本报记者王海欣摄
?到中国制造业最前沿去
“小时候家里没钱买玩具，我就自己做。用塑料泡沫做成船的形状，再找别人不要的小电机装上去，加个螺旋桨，就成了。”从小，刘争就显示出很强的动手能力；高考，他顺利考入清华大学机械工程及自动化专业。
大学期间，两场讲座奠定了刘争未来的人生道路。第一场讲座的主讲人是清华大学教授、中国工程院院士柳百成，他讲到，中国称得上制造业大国，但称不上制造业强国。在讲座的最后，他语重心长地说：“身为清华机械系的学生，振兴中国制造业，就是你们的责任。”这句话在刘争的心中扎了根。
第二场讲座，则来自首都航天机械有限公司时任总工程师王国庆。在大学毕业前夕，刘争面临着人生的重要抉择。作为清华学子，摆在他面前的选项其实很多，比如继续读书深造，再比如入职高薪企业。这场讲座，是他与航天结缘的关键一刻。当他走进公司参观，看到厂房内一台台高达数米的机床，航天与机械加工的联系在他的脑海里逐渐明朗起来。
“这里是中国制造业的最前沿。我几乎在一瞬间就认定了，这就是我要来的地方！”
当时，我国航天领域面临着设计强但工艺弱的困境。刘争入职时，正是该公司从手摇机床到数控机床转型的关键时期。刚走出校门，面对全新的设备、工艺、软件，他只用一个月时间，就在建模软件里把多个零件模型操作了一遍，并迅速成长为公司的业务骨干。
在跟随师父学习时，刘争对一个火箭零件的加工过程印象极深：它整体呈长方形，六个面都需要进行精细加工，其中还包括部分曲面结构。最初，技术工人使用手摇机床进行加工，一个月才能生产出一件。而引入数控机床，让这个零件的加工周期缩短至一周，曲面加工精度也大幅提升。
但“快”也带来了问题。高速的刀具切削零件时会产生振动，如果振动频率恰好引发共振，轻则使零件报废，重则影响到机床本身甚至周围人员的安全。于是在实际生产中，技术人员往往会选择比较稳妥的低转速。但低转速产生的大应力会使零件发生微小变形，需要再有针对性地增加一道热处理工序，生产流程因此拉长。
“千台数控机床增效工程”便是针对这一问题开展的。当时，年仅24岁的刘争就成了公司内这一课题的负责人。火箭的大量零件并非标准品，刘争和同事要针对每个零件的特点摸索独特的工艺路线和切削参数，在项目进行的两年间，为了一个零件连轴转二三十个小时，几乎是他们的常态。
一张张图纸堆起了小山，一行行代码反复调了又调，终于到了检验成果的时刻。刘争按下了启动键，平时，机床切出的金属切屑都是自然落地，而这次，高速加工中，切屑竟像子弹一样横向飞出，噼里啪啦地打在机床玻璃上。这一幕虽已过去十多年，但每每回忆起来，刘争依然难掩激动，“这就是先进数控设备真正的威力！这才是数控加工！”经此一役，车间内的多台数控机床效率提升了20%至50%，刘争“数控骄子”的名号也在同事之间叫响。
?给机床装上灵活“手腕”
机床加工，无外乎两种方式——车和铣。如果以陶艺打比方，车床就是为陶泥塑形，铣床再进行精雕细琢，最终制出成品。
随着技术发展，数控机床逐渐在公司实现了大规模应用，但原材料的装夹仍需要人工操作。生产人员将大体积的原材料放入机床时，难免会出现毫米级的细微偏移，而那时的五轴机床只能实现绕自身转台中心旋转加工，如果原料放置时偏离了机床中心点，加工出的产品必然会存在偏差。于是，为了保证大型零件的加工精度，操作人员在放入原材料后，要准确测量其与设备中心基准的误差，工艺人员再通过调整计算机里的三维模型，按零件的实际位置重新编程，消除误差后才能进行后续加工。
每安装一次零件，都要重新测一次位置、处理一次程序，如果零件结构复杂，加工中途还要反复对半成品进行精度测量。数据在不同工序之间传递，每个环节都要反复核对，也拉长了工作流程：每个零件的平均加工时间要12小时之久，生产人员则要24小时待命。
当时刘争正在学习数控加工相关技术，数控编程、虚拟仿真、机床结构、数控系统、五轴联动、后置处理等技术相互印证，逐渐融会贯通——五轴机床加工完全不必这么复杂！他重新编制了后置处理软件，构建了五轴机床仿真环境，通过旋转刀尖控制点功能，实现了零件随意装夹就可加工，不再需要人员24小时待命。
“还有一类零件的工序极其繁琐，但是最终成品的精度还不高。”刘争回忆，在火箭制造过程中，常常需要对筒状零件内部进行精细雕刻，要高精度地完成这类零件的生产，难度呈几何级数上升。
“这就像是画鼻烟壶，但鼻烟壶能边看边画，我们的零件却是金属的，操作人员也没有透视眼。”刘争笑道，面对这种任务，他需要通过数据建模，计算出零件内部的每个精细特征及加工方式，现场操作人员则面临更繁杂的操作，“比如一个零件内部既有水平槽也有斜槽，这两种凹槽就要用到不同形状的刀具，而每换一次刀具，都要重新校准机床。”
刀具角度需要与零件内部平行，必须手动校准；刀尖接触到零件表面的坐标值需要回传，确定位置后才能开始加工；如果零件的特征点不明显，还要边加工边测量、对刀、校正……看起来并不复杂的零件，一来二去就要干上一两天；期间，人工操作和协调的过程需要进行数百次。
于是，刘争和同事打起了五轴联动铣床的主意，如果让机床的刀具具备摆动功能，机床便拥有了“手腕”。“就像是牙医用到的一种L形打磨头，如果铣床能在圆筒内部旋转起来，配上L形角铣头，就能用一次编程实现零件内壁的整体加工。”
“当时我们调研了很久，用五轴联动实现角铣头‘一键式加工’，没有任何成功先例。”但刘争不服气，理论上行得通，就肯定能找到办法。他每天都要和同事讨论思路、查阅资料，偶然间，一本机床手册上的一个界面给了他启发，“就像是窗户纸被一下子捅破了，豁然开朗！”
在年北京奥运会前夕，这项技术终于成型。“当时为了给测试增加难度，我们特意没把原料放正，但机床不负众望，加工一气呵成！”刘争输入程序并启动了机床，刀具在圆柱形的铝棒周围翻飞，很快，一个奥运五环就显现出来。
曾经需要连续干上12小时的工作量，大幅缩短到了3小时。只需两次校准，确定主轴与铣头的水平、竖直距离，铣床的“手腕”便在后台程序的指挥下灵活地动起来，实现任意角度、任意位置的切削，技术水平达到国内领先。
又经过几个月的完善，这项技术很快便推广到了各型火箭的制造中。启动键按下，在不更换刀具的情况下，就能连续实现同种零件的批量生产，生产效率大幅提升。
?微米级误差也不能放过
“航天科技的不断发展，需要的是创新性的工艺。我们的很多工作方向都是自己主动探索的，现场加工人员遇到了困难，我们就要想办法去解决，提高加工的质量、效率和精度。”在17年的工作中，刘争从不畏难，“我不怕难题，有时候还会自己去找难题。”
火箭氢氧发动机具备的高比冲特点，让火箭能够以较少的燃料获得较长时间的推力。不过，液氢的温度约为零下摄氏度，点火发射时却将产生约摄氏度的高温，这对发动机零件来说是“冰火两重天”的考验。为了让氢氧发动机更耐用，科研人员设计了一个小巧的结构——在总厚度仅几毫米的零件表面开出数百根槽，每道槽的剩余壁厚只有零点几毫米，还不足一张身份证的厚度。液氢先流过沟槽，再进入喷管混合点燃，在这一过程中可以对周围的零件进行冷却，以抵挡尾焰的高温。
而这个零件的加工过程，可谓是在“针尖上跳舞”。由于零件过薄，如果加工时背后没有支撑，零件就会“躲闪”——刀尖伸过来它会调皮地躲开，刀具收回后又弹回。虽然曲面零件会搭配形状相同的模具，但刚性模具很难实现与零件的完美贴合，哪怕是0.1毫米的间隙，都会导致成品超出标准公差范围。
多年来，这个问题难倒了无数技术人员。年，刘争把它列进了研究计划。但和其他人不断优化模具以消除间隙的思路不同，他用了逆向思维：既然缝隙消除不掉，那我们把间隙扩大再填上，不就行了？
为此，他制作了一个试验模型。待加工的零件用半截柔软的塑料瓶模拟，中间则是刻意留有缝隙的金属垫具，用手一捏，“零件”的变形情况就一目了然。那么，哪种材料既方便灌入间隙，又能撑住零件防止微小变形？在近一年的时间里，刘争先尝试了各类沙子，但不管怎么压实，挤压时仍会出现变形；将锡、锑这类熔点低的金属加热成液体注入，再放到室温就可以固化，但它可能会与零件发生化学反应；注水结冰的办法虽然可行，但需要大量能源，结冰过程中的膨胀也可能损坏零件……没想到，最终的解决办法竟藏在影视布景技术里——把两种液体高分子材料分别注入缝隙，混合后就能变为固态，撑起待加工的零件。
新版垫具的缝隙反而更大了，这是刘争为了便于填充材料而特意设计的。上机测试后，成品的公差%合格，“老大难”问题终于被攻破。最近，使用这项技术加工的产品已经在进行后续焊接剖切等一系列试验。“我们所做的很多研究，都是为型号应用提前做好技术储备，一旦有需要，立刻就能顶上。”
?用1%成本实现%成效
由火箭院抓总研制的长征二号F运载火箭，是我国第一型载人火箭。火箭要能将更多载荷送入太空，就必须在保证自身强度的前提下不断“瘦身”。虽然箭体材质以铝合金为主，自重已经很轻，但依然要通过轻质化设计持续减轻自身重量。
又轻又结实，这两个看似相互矛盾的要求，便是对生产技术人员提出的挑战。火箭外壳看起来“光溜溜”，其内侧面却采用了网格结构设计。纵横交错的“筋骨”织成一张网，保证结构的强度，而网格之间的区域则需要加工得尽量轻薄，实现减重。
“用来加工火箭外壳的原料，其实就是一整块金属板，需要我们用机床把网格的位置切削变薄。”刘争解释道。但每一片火箭外壳上都排布着上百个网格，即使每处网格仅加厚0.1毫米，对体积庞大的火箭来说，增加的重量都不可忽视。而若是薄了0.1毫米，则可能导致箭体强度不足，产品就必须报废。
曾经，技术人员要手持设备，一格格地测量计算再调整机床参数，这样的繁琐操作被刘争通过巧妙的设计简化。他对现有机床进行了改造，让它能“抓”着超声测厚仪测量零件，这样测得的数据更加稳定。数据回传到系统后则自动计算补偿量，再根据需要进行二次加工，将偏厚的部分切削至理想厚度。
“平均下来，这项技术在保证结构强度的基础上，能让火箭单个壳段减重克以上。”凭借这项技术，刘争获得了德国纽伦堡国际发明展金奖，“其实测量补偿技术国外也是有的，但他们使用的是专门的设备，一台设备的价值可能就要上千万。我们对普通的标准设备进行改造，自己编写控制程序，实现了同样的功能和加工精度，成本却只有国外的1%。”
提升原材料的利用率和加工效率，是刘争一直追求的目标。特别是对于批量化零件的生产，刘争在十多年前就运用“阵列循环”的思路，对机床既有程序进行了二次开发，“其实技术本身不难，但优化之后，我们就把公司的生产需求、流程和程序本身更好地结合了起来。”不论原材料的尺寸有多独特，工艺人员都无需再提前计算排布，只要把原料的长宽高和零件数据输入系统，程序就能自己“跑起来”。
敲敲键盘，用控制程序实现生产效率的提升，这件事听起来容易，但要想实现，需要全盘掌握机床结构、数控编程、生产流程等各环节。多轴工艺方案设计、数控编程、虚拟仿真、在线测量补偿加工、复杂工装设计……在同事眼中，刘争是一位“六边形战士”，“遇到解决不了的难题，找刘工准没错。”
刘争研发的大量新技术，每迭代一次就能将加工效率提升数倍。而现在，他又将目光投向了编制程序的效率提升。将常见的零件特征编写成一个个加工程序模块，当遇到新零件时，技术人员无需再重新编写程序，而能像搭积木一样，选取所需的模块组装起来。点几下鼠标，机床就能“听话”地开始工作。最近，刘争和同事们正在研究如何利用机器学习等人工智能技术，计算出刀具用怎样的速度、轨迹进行加工才能实现最优，以此不断优化加工模块，“这样的编程方式，可以超越人的极限。”
在刘争的办公室里，即使关上厚重的门，飞速运转的机床声也止不住往耳朵里钻。但刘争对此却不以为意，始终埋头钻研最新技术。“中国航天从无到有、从弱到强，离不开老一辈航天人的努力。作为青年航天人，我真的很幸运，赶上了中国航天高速发展的时期，只有勇于创新突破，我们的火箭才能飞得更高、更远。希望我们的后代仰望星空时，得到的不仅是星辰大海的治愈，还有民族的自豪与骄傲。”
（原标题：雕刻火箭）
来源：北京日报记者：刘苏雅
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