摘  要：詳（xiáng）細說明了進行數控機床切削性能測試和評價的意義，以及測試評價體係的研究內容和（hé）流程。依據數控機床切削（xuē）負荷能力、工作精度、切（qiē）削狀態和（hé）加工表（biǎo）麵質（zhì）量等指標對數控機床進行切削性能考核，得出機床的（de）加工適用範圍、工作精度等（děng）級以及加工表現。有助於為機床製（zhì）造商了解和（hé）掌握機床（chuáng）的真實應用性能，進行麵向用戶（hù）需求的數控機（jī）床開（kāi）發（fā）和進（jìn）一步對（duì）機（jī）床產品進行試製和優化；同時有利於為機床用戶進行機床的采購和（hé）驗收， 找出機床（chuáng）工作精度問題並進行定期精度檢（jiǎn）查，尋找機床最佳精度範圍， 減（jiǎn）少機床應用中問（wèn）題的判斷和維修時間。

      關鍵詞：切削性能；性能測（cè）試；機床評價；負荷試（shì）驗；切削精度
 

       數控機床的水平、品種和生產能力直接反映了國家的技術、經濟綜合國（guó）力。數控機床作為國防軍工的戰略裝備，是各種武器裝備最重要的製造手段，是國防軍工（gōng）裝備現代化（huà）的重要（yào）保證。數（shù）控機床的綜合性能水平，決定了國家工業製造（zào）水平。為了滿足典型行業用戶對數控機床（chuáng）的應用（yòng），機床製造（zào）商除了提供功能完備、易用（yòng）和易（yì）於維護的機床產品外（wài），還應根據用戶（hù）零（líng）件的加工工藝特點，重點在機床的幾何精度、加工精度、加工效率、設備（bèi）利用率等性能指（zhǐ）標上滿足用戶（hù）對零件加工的要求。

       1、 切削性能測試和（hé）評價意義

       數控機床的實際應用性能，主要（yào）表現為：靜態特（tè）性（xìng）、動態特性、運動特性、熱特性、可靠性、切削加工的加工效率、精度（dù）和應（yīng）用水平等，對（duì）其進行測試和評價，可在（zài）機床的運動學和動力學等方麵，對機床的運動和動力學性能進（jìn）行深入了（le）解，並可進一步有針對性地提出改進（jìn）意見，優（yōu）化機床（chuáng）性能。

       了解和掌握數控機床的應（yīng）用性（xìng）能可通過性能測試和切削加工兩種方式。性能測試可以獲得機床全麵的幾何精度、運動精（jīng）度、熱（rè）力學性能、動態性能、承載（zǎi）和變形、以及機（jī）床可靠性情況。而切削加工可以綜合獲得機床的工作精度、負荷能力、加工（gōng）質量和包含幾何精度、運動精度、熱力學性（xìng）能、動態性能、承載和變形等性能的（de）綜合表現。

       在進行（háng）數控機床性能測試時，由於試驗測試是通過應用先進的測試儀器進行（háng）數據的采集和處理，與用戶處使用機床的真實（shí）環（huán）境存（cún）在區別，測（cè）試過程中一般沒有載荷，並（bìng）且不存在刀具與工具之間的相互作（zuò）用（yòng），切屑和切削過程中的各種狀態（tài）量無法體現，導致儀（yí）器測試得到的數據與（yǔ）真實切削存在差異（yì）。另外，數控機（jī）床的性能測試需要大量專業儀器，多數製造（zào）商（shāng）和用戶不具備完善的測（cè）試條件。因此，最直接和最真實的檢測評價方法是通過切削（xuē）加工和零件的檢測來實現。

      對於機床用戶來說，開展數控機床的切削性（xìng）能測（cè）試和（hé）評價研究（jiū），可（kě）以：

    A 有利於進行機床的采購和驗（yàn）收
   B 找出機床工（gōng）作精度問題或在使用中進行定期精度檢查
   C 尋找機床最佳精度範圍，以便獲得良好加工品質
   D 減少機床應用中問題的判斷和維修時間

       核心是幫助用戶進行機床選（xuǎn）型和應用

       對於機床生產廠商（shāng）來說，開（kāi）展數控機床的切削性能測試和評價研究，可以：

   A 了解和（hé）掌握機床的真（zhēn）實應用性能
   B 進行麵向用戶需求（qiú）的數控機床開（kāi）發
   C 有（yǒu）利（lì）於機床新樣機試製（zhì）和優化
   D 獲得更高的加工精度、更大的加工效（xiào）率

       核心是提（tí）供給用戶更優質的機床產品

       2、評價體係研究內（nèi）容和流程

       依據數控機床切削（xuē）性能的測試和評價兩個主要階段，對（duì）數控機床切削（xuē）性能測試流程劃分如圖1所示。首（shǒu）先，需要確定評價（jià）的對象和體（tǐ）係適用範圍，一般可依（yī）據測試目的分為新型數控機床樣機的檢測評價、新出廠樣機的例行檢驗、以及用（yòng）戶處長期使用的數控機床的定期檢驗。隨後需要進行（háng）具體的測試和評價，主要針對數控機（jī）床的工作（zuò）精度、承載能力、切（qiē）削加工表現等幾個方麵開展測試和評價研（yán）究。並依據具體的測試方法和（hé）測試流（liú）程進行測試，與單純的切削加工不同，進行數控機床切削性能測試除了需要進行必要的機（jī）床、試料（liào）、刀具、夾具等工（gōng）藝係統準備，還（hái）需要對測（cè）試儀器進行調試安裝（zhuāng），此外，對（duì）切削試驗的方案、方法和參數進行規範化執行。試驗中，需要記錄必要的數據，並進行（háng）數據結果的統計和分析。最後依據有關（guān）國際國內標準和（hé）企業內部規範，確定設計目標和評價標準，並將試（shì）驗獲得的數據指標與評價標準比較，綜合進行機（jī）床真實切削性能的評價，給出機床適用的範圍。
 
 
      圖1. 數控機床切削性能測（cè）試和評價體係流程

        現（xiàn）行數控機床切削性能（néng）測試和評價方法包（bāo）括：空運轉實驗、切削負荷試驗、國標件或NAS件的切削和檢測等。這樣的現狀存在的問題和（hé）弊端主要有：

 隻關注工作（zuò）精度和切（qiē）削負荷，這樣的測試和評價並（bìng）不全麵。

 負荷試驗對機床有一定破壞作用，容易在機床（chuáng）未磨合應用前造成早（zǎo）期破壞，從而影（yǐng）響（xiǎng）後期的實際應用。

       根據這樣的現狀，沈陽機床高（gāo）檔數控機床國家（jiā）重點實驗室通過大量的機床樣機定型檢驗（yàn）和機床產品出廠檢驗（yàn），提出數控機床切（qiē）削性能測試和評價的內容除上述（shù）負荷試驗和精度試驗檢測外，還應該包（bāo）括，如圖（tú）2：

 A 多種單一精（jīng）度的檢測評價；
 B 切削能力評估；
 C 切削狀態（tài）評（píng）價；
 D 加工質量評價（jià）等內容。

 
  圖2. 數控（kòng）機床切削性能測試和評價體係內容

       3、切削（xuē）性（xìng）能測試

       （1）切削負荷測試

       切削負荷試（shì）驗包括主軸空運轉試驗、主傳（chuán）動係統的最（zuì）大扭矩（jǔ）、最大功率和最大（dà）軸向抗力試驗，以及機床剛性攻絲試驗、鏜削（xuē）能力試驗（yàn）等（děng），如圖3所（suǒ）示。有關的參考依據為國家標準和企業根據用戶（hù）需求提出的企業內部標準。

 
    圖3. 切削負（fù）荷試驗內容和流程

       1)空運轉試驗

       進行空運轉試驗是為（wéi）了（le）得出主軸在（zài）不同轉速下的（de）實際功率，確定對（duì）應功率損耗。由於主軸（zhóu）的實際切削功率=總功率-空運轉功（gōng）率損耗（hào）。試驗中需要主軸（zhóu）在（zài）五個不同轉速範圍進行測試，即（jí）主軸最高（gāo）轉（zhuǎn）速的20%，40%，60%，80%，100%。

       2)主傳動係統最大扭矩測試試驗

       主傳動係統最大（dà）扭矩測試的目的是為了確（què）定機床在不（bú）同加工方式下的實際切削參數（shù）是否達到設計參數，驗證機床在最大切削負荷下的（de）材料去除（chú）率。

       試驗需要（yào）在機床主軸恒扭矩調速範圍內，選擇一適（shì）當的（de）主軸轉速，采用銑削方式進行試驗。通過改變進給速度，使機床主傳動係統（tǒng）達到設計規定（dìng）的最大扭矩。試驗中需要記錄（lù）：

 A 出現最大（dà）扭矩時的主（zhǔ）軸（zhóu）功率和（hé）對應進給量，計算材（cái）料去除率
 B 主軸和工作台的振動量
 C 觀察（chá）加（jiā）工（gōng）表麵是否出現振（zhèn）紋

       3)主傳動係統最大功率測（cè）試試驗

       主傳動係統最大功率測試是為了確定（dìng）機床在不同加工方式（shì）下的實際切削參數（shù）是否達（dá）到設計參數，驗證機床在最大（dà）切削負荷下的材料去除率（lǜ）。

       同（tóng）樣，試驗需要在在機床主（zhǔ）軸恒功率（lǜ）調速範圍內，選擇一適當（dāng）的主（zhǔ）軸轉速（sù），采用（yòng）銑削方式進行試驗。通過改變切削深度，使機床主傳動係（xì）統達到設計規定（dìng）的最大功率。記錄（lù）：

 A 出現（xiàn）最大功率時的主軸扭矩和對應切深，計算材料去（qù）除率
 B 主軸（zhóu）和工作台的振動量
 C 觀察加工表麵是否出現振紋

       4)主（zhǔ）傳動係（xì）統最大軸向抗力測試試驗

       主傳動係統（tǒng）最大軸向（xiàng）抗力測試是為了驗證機床能夠承（chéng）受設計要求的最大軸向切（qiē）削抗力。

       試驗在機床主軸恒扭矩調速範圍內，選擇（zé）一適當的（de）主軸（zhóu）轉速，采用鑽削方式進行加工，並注入水基冷卻液，通過改變進給速度，使機床達到設計規定的軸向抗力。記錄：

  A 相應主軸負荷率（lǜ）下的進給速度，並計算材料去除率
  B 主軸軸向切削抗力，用以比對設計指標

       5)剛（gāng）性攻絲測試試（shì）驗

       剛性（xìng）攻絲測試是為了評定機床設計規定的螺紋加（jiā）工表現。對於給定直徑絲錐，選擇一固定主（zhǔ）軸轉速和切深，依據螺紋（wén）設計導程和進給量進行攻絲，評價螺紋孔加工精（jīng）度是否達到設計（jì）要求。

       （2）切削精度檢測

       切削精（jīng）度檢（jiǎn）測主要（yào）是通過典型驗收檢驗零件的加工和檢測來實現。依據可實現（xiàn）的不同加工型麵分（fèn）為三軸檢測零件和五軸檢測零件兩（liǎng）類，典型的三（sān）軸檢測零件由ISO標準零件、美國NAS三軸檢測零件和ASME檢測（cè）零件，德國的NCG檢測（cè）零件等。典型的五（wǔ）軸檢測零件由NAS圓（yuán）錐台，日本的四角錐台，德國的NCG 2005試件，以及我國的S型檢測（cè）試件，如（rú）圖（tú）4。

 
   圖4. 標準試驗係統結果曲線

       以ISO檢測（cè）零件（jiàn）和S型檢測（cè）零件為例分別對三軸和五軸檢測零件的檢測內容，代表（biǎo）零件的（de）型麵特征進（jìn）行說明：

       1)ISO 10791標準試件

       ISO檢測零件形式如圖5所示，零件由底（dǐ）座正方向、菱形凸台和圓（yuán）形凸台三個階梯型麵組成，在其上分別有位於中心的（de）中心孔，四個直角出的位置孔以及底座相鄰兩個邊上的3º角斜麵。表1為ISO標準試件（jiàn）檢測內容和評價允差。

 
   圖5. 標準試（shì）驗係（xì）統結果曲線

   表1 ISO標準試件檢測內容及評定標準

  
       2)“S”型檢測試件

       “S”型試件是成都飛機工業（集團）有限責任公司提（tí）出的（de）用來評價與檢驗五軸機床性能的數控機床驗收檢驗零件（jiàn），其測量結果可作為評價五軸機（jī）床工作精度（dù）的重要依據。研究“S”型試件的加工對於機床製造企業（yè）研究機床精度與性能具有極其重要的（de）意義，其型麵如圖6(a)所（suǒ）示。“S”型檢測試件主要由底座（zuò）和S型緣條組成，如圖6(b)，其中底座特征包（bāo）括：安裝定位孔、基準孔；S型緣條包括（kuò）：上下兩條S型曲線、直紋母（mǔ）線。
      
       
 
       (a)S型試件

       
 
       (b) S型特征

    
       圖6. 標準（zhǔn）試驗係統結（jié）果曲線

       零件曲率變化劇烈，上下兩條S型曲（qǔ）線在零件中心實現穿越，要求機床具有更好的換向和軸（zhóu）間轉換能力，並（bìng）且由於零件屬於薄壁結構，要求機床（chuáng）剛性高，並且具有良好的動態（tài）性能。該零件可綜合反（fǎn）映數控機床的幾何精度、動態性能、加減（jiǎn）速性能、擺角換向能力、軸間轉換能力和機床剛度。

       (3)單一精度測試

       上述ISO零（líng）件（jiàn）和S試件的（de）工作精度測試主要是針對典型驗證零件加工和精度檢測（cè），參考國際標準和我國標準和規範。典型的測試零件（jiàn）、加工方法、流程等還可依據NAS標準、ASME標準、日本標準（zhǔn）和德（dé）國標準分別對圖5所示各種零件進（jìn）行切削和檢驗。

       除此之外，還可以針對機床的實際應用需求進（jìn）行若幹單一目標的切削精度檢驗，包括：

   A 切削熱態精度
   B 圓運動切削精度
   C 主軸（zhóu）不平衡（héng）精度（dù）
   D 刀具磨損等
   E 麵銑削精度檢測
   F 切削力變形（xíng）檢測

        4、結論

       以往在進行數控機床切削有關測試（shì）和評價主要（yào）是針對數控機床切削負荷能（néng）力和切削精度進行檢驗和評價。

       現在，沈陽機床集團依據用戶（hù）需求和（hé）企業對產品的更高要求，對數控機床檢驗和評價除包含切削負荷檢驗（yàn）和切削精度檢驗外，還進行多種單因素切削精度檢測，提出切削能力預測和評價概念，引入數控機床切削加工狀態監測（cè）和（hé）評價私下，並且對加工獲得（dé）的表麵質量進行評價，可以更全麵和係統地（dì）反映數控機床的實際應（yīng）用性能。

       將來，將注重在數控機床的工序複合能力，即在一台機床上完成全部工序的能力、切削加工（gōng）振動抑製和（hé）加工誤差控製能力、節（jiē）能和高效加工能力、應用和維護便易性等體現（xiàn）數控機床集成性、智（zhì）能化、綠色性和易維護性等方麵進行（háng）更（gèng）為綜合的檢測和評價。 (本文來自：沈陽機床（集團）有限責（zé）任公司)