數控機床切削性能測試和評價（jià）體係（xì） -齒輪加工機床網-數控機（jī）床（chuáng）市場網

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數控機（jī）床（chuáng）切削性能測試和評價體係

2013-12-15 來源：數控機床市場網作者：馬曉波孫名佳仇健

摘要：詳細說明了進行數控機床切削性能測試和評價的意義，以及（jí）測試評價體係的研究內容和流程。依據（jù）數控機床切削負荷（hé）能力、工作精度、切削狀態和加工表麵質量等指標對數控機床進行切削性能（néng）考核，得出機床的加工適用範圍、工作精度等級以及加工表現。有助於為機床製造商（shāng）了解和（hé）掌握（wò）機床的真實應用性（xìng）能，進行（háng）麵向用戶需求的數控機（jī）床開發和進一步對機床產品進行（háng）試製和優化；同時有利於為機床用戶進行機床的采購和驗收，找出機床工作精度問題並進行定期精度檢查，尋找機床最佳精度範圍，減（jiǎn）少機床應用中問題的判斷和（hé）維修時間。

關鍵詞：切削性能；性能測試；機（jī）床評價；負荷試驗（yàn）；切削精度

數控機床（chuáng）的水平、品（pǐn）種和生產能力直接反映了國家的技術、經濟綜合國力。數控機床作為國防軍工的戰略（luè）裝備，是各種武（wǔ）器裝備（bèi）最（zuì）重要的製（zhì）造手段，是國防軍工裝備現代化的重要保證（zhèng）。數控機床的綜合性能（néng）水平，決定了國（guó）家工業（yè）製（zhì）造水平。為了滿足（zú）典型行業用戶對數控機床的應（yīng）用，機床製（zhì）造商除了提供功能完備、易用和易於（yú）維護的機床產（chǎn）品外，還應（yīng）根據用戶零（líng）件的加工（gōng）工藝特點（diǎn），重點在（zài）機床的（de）幾何精度、加工精度、加工效率、設備利用率等性能指標（biāo）上滿足用戶對零件加工的要求（qiú）。

1 、切削性能測試和評價意義

數控機床的實際應用性能，主要表現（xiàn）為：靜態特性、動態特性、運（yùn）動特性、熱特性、可（kě）靠性、切削加工的加工（gōng）效率（lǜ）、精度和應用（yòng）水（shuǐ）平等，對其進（jìn）行測試和評價，可（kě）在機床（chuáng）的運動學和動（dòng）力學等方麵，對機床的（de）運（yùn）動和動力（lì）學性（xìng）能進行深（shēn）入了（le）解，並可（kě）進一步有針對性（xìng）地提出改進意見，優（yōu）化機床性能。

了（le）解和掌握數（shù）控機床的應（yīng）用性能可（kě）通過性能測試和切削加（jiā）工兩種（zhǒng）方式。性能測試可以獲得機床全麵的（de）幾何精度（dù）、運動精度、熱力學性能、動態性能、承載和變形、以及（jí）機床可靠性情況。而切削加工可以綜合獲得機床的工作精度、負荷能力、加工質量和包含幾何精度、運動精度、熱力學（xué）性能、動態性（xìng）能、承載和變形等性能（néng）的綜合表現（xiàn）。

在進行數控機床性能測試時，由於試（shì）驗（yàn）測試是通過應用先進的測試儀器進行數據的采集和處理，與用戶處使用（yòng）機床的真實環境存在區別，測試過程中一般沒有（yǒu）載荷，並且不存在刀具與工具之間的相互作用，切屑和切削過（guò）程（chéng）中的各種狀態量無法體現，導致儀器測試（shì）得到的數據與真實切削存在差異。另外，數控機床的性能測試需要大量專業儀器，多數製造商和用戶不（bú）具備（bèi）完善的測試條件。因此，最直接和最真實的檢測評價方法是通過切削加工和零件（jiàn）的檢測來實（shí）現（xiàn）。

對於機床用戶來說（shuō），開展數控機床的切削性能測試和評價研（yán）究，可以：

有利於進行機床（chuáng）的采購和驗收

找出機床工作（zuò）精度問題或在使用中進行定期精度檢查

尋找機床最佳精度範圍，以便獲（huò）得良好加工品質

減少機床應用中問（wèn）題的判斷和維修時間

核心是幫助用戶（hù）進行機床選型和應用

對於機床生產廠（chǎng）商來說，開展數控（kòng）機床的切削性能（néng）測試和評價研究，可以：

了解和掌握機床的真實應用（yòng）性能

進行麵向用戶需求的數控機床開發（fā）

有利於機床新樣機試製和優化

獲得更高的加工精度（dù）、更大的加工效（xiào）率（lǜ）

核心是提供（gòng）給用戶更優質的機床產品

2 、評價體係研究內容（róng）和流程

依據數控（kòng）機床切削性能的測試和評價兩個（gè）主要階段，對數控機床切削性能測（cè）試流程劃分如圖1所示（shì）。首先，需要確定評價的對象和體（tǐ）係適用範（fàn）圍，一（yī）般可依據測試（shì）目的（de）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、以及用戶處長期使用的數（shù）控機床的定（dìng）期檢（jiǎn）驗。隨後（hòu）需要進行具體的測試和評（píng）價，主要針對數控機（jī）床的工作精度、承載能力、切削加工表現等幾個方麵（miàn）開展測（cè）試和評價研究。並依（yī）據具體的測（cè）試方法和（hé）測試流程（chéng）進行測試，與單（dān）純的（de）切削（xuē）加工不同，進行數（shù）控機床切削（xuē）性能測試除了需要進行必要的機床、試料、刀具、夾具等工藝係統準備，還需要對測試（shì）儀器進（jìn）行調試安裝，此外，對切削試驗的方（fāng）案、方法和參數進行規範化執行。試驗中，需要記錄必要（yào）的數據，並進行（háng）數據結果（guǒ）的（de）統計和分析。最後依據有關國際國內標準和企業內部規範，確定設計目標和評價標準，並將試驗獲得的數據指標與評價標準（zhǔn）比較，綜合進行（háng）機床真實切削性能的評價，給出機床適用的範圍（wéi）。

圖1. 數控機床切削性能測試和評價體（tǐ）係流程（chéng）

現行（háng）數（shù）控機床切削性能測試和評價方法包括：空運轉（zhuǎn）實驗（yàn）、切削（xuē）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弊端主要有：

隻關注工（gōng）作精度和切削負荷，這樣（yàng）的測試（shì）和評價（jià）並不全麵。

負荷試驗（yàn）對（duì）機床有一定破壞作用（yòng），容易在機床（chuáng）未磨合應用前造成（chéng）早期（qī）破壞，從而影響後期的實際應用。

根據這樣的現狀，沈陽機床高檔（dàng）數控機床國家重（chóng）點實驗室通過大量的機床樣機定型檢驗和機床產品出廠檢驗，提出數控機床切削性能測試和評價的內容除上述負荷試（shì）驗和精度試驗（yàn）檢測外，還應該包括，如圖2：

多種單一精度的檢測評價（jià）；

切削能力（lì）評估；

切削狀態評價；

加（jiā）工質量評價等內容。

圖2. 數控（kòng）機床切削性能測試和評價體係內容

3、切削性能（néng）測試

（1）切削（xuē）負荷測試

切削負荷試驗包括主軸空（kōng）運轉試驗、主傳動係（xì）統的最大扭矩（jǔ）、最大功率和最大軸向抗力試驗，以及機床剛性攻絲試驗、鏜削能力試（shì）驗等（děng），如圖3所示。有關的參考依據為國家標準和企業（yè）根據用戶需求提出的企（qǐ）業內部標準。

圖3. 切削負（fù）荷試驗內容（róng）和流程

1)空運轉試驗

進行空運轉試驗（yàn）是為（wéi）了（le）得出主軸在不同轉速下的實際功率，確定對應功率損耗。由（yóu）於主軸的實際切削功率=總（zǒng）功率-空運轉功率損耗。試驗中需要主軸在五個不同轉速範圍進行測（cè）試，即主軸最高轉速（sù）的20%，40%，60%，80%，100%。

2)主傳（chuán）動係統最大扭矩測試試驗（yàn）

主傳動係統最大扭矩測試的目的是（shì）為了確定機床在不同加工方式下的實際切（qiē）削參數是否達到設計參數，驗證機床（chuáng）在最大切削負荷下的材料去除率。

試驗需要在機床主軸恒扭矩調速範圍內，選擇一適當的主（zhǔ）軸轉速，采用銑削（xuē）方式進行試驗。通過（guò）改變進給速度，使機床主傳動（dòng）係統達到設計規定的最大扭矩（jǔ）。試驗中需要記錄：

出現最大扭（niǔ）矩時的主軸功率和對應進給量，計算材料去除率

主軸和工作台的振動量

觀察（chá）加工表麵是否出現振紋

3)主傳動係統最大功率測試試驗

主傳動係統（tǒng）最大功率測試是（shì）為了確定機床在不同（tóng）加工方式下的實際切削參數是否達（dá）到設計參數，驗證機床在最大切削負荷下的材料去除率。

同樣（yàng），試驗需要在在機床主軸恒功率調速範圍內，選擇一適當的主軸（zhóu）轉速，采用銑削方式進行試驗（yàn）。通（tōng）過改變切削深度，使機床主傳動係（xì）統達到設計（jì）規定（dìng）的最大功率。記錄：

出現最大功率時（shí）的主（zhǔ）軸扭矩和對應切深（shēn），計算材（cái）料去除率

主軸和工（gōng）作台的振動量

觀察加工表麵是否出現振紋

4)主傳動係統（tǒng）最大軸向抗力測（cè）試試驗

主（zhǔ）傳動係統最大軸（zhóu）向抗力測試是為（wéi）了驗證機床能夠承受設計（jì）要求（qiú）的最大軸（zhóu）向切削抗力。

試驗在機床主軸恒扭矩調速範圍內，選擇一適當的主軸轉速，采用鑽削方式進行加工，並注入水基冷卻液（yè），通過改變進給速（sù）度，使機床達到設計（jì）規定的軸向抗（kàng）力。記錄：

相應主軸負荷率下的進給速度，並計算材料去除率

主軸軸向切削抗力，用以比對設計指標（biāo）

5)剛性攻（gōng）絲測試（shì）試驗（yàn）

剛性攻絲測試是為了評定機床設計規定的螺紋（wén）加工表現。對於給定（dìng）直徑絲錐，選擇一固定主軸轉速和切深，依（yī）據螺紋設計導程（chéng）和進給（gěi）量進行攻絲，評價螺紋孔加工精度是否達到設（shè）計要求。

（2）切削（xuē）精度檢（jiǎn）測

切削精度檢測（cè）主要是通過典型驗收檢驗零件的加工和檢測來實（shí）現。依據可實現的不同加工型麵分為三軸檢測零件和五軸檢測零件兩類，典型的三軸檢測零件由ISO標準（zhǔn）零件（jiàn）、美國NAS三軸檢測零件和ASME檢測零件，德國的NCG檢測零件（jiàn）等。典型的五軸檢（jiǎn）測零件由NAS圓錐台，日本的四角（jiǎo）錐（zhuī）台，德國的NCG 2005試件，以及我國的S型檢測試件，如圖4。

圖4. 標準試驗係統結果曲線

以ISO檢測零（líng）件和S型檢測零件為例分別對三軸和五軸檢測零件的檢測內容，代表零件的型麵特征進行說明：

1)ISO 10791標準試件

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

圖5. 標準試驗係統結果曲線

表1 ISO標準（zhǔn）試件檢測（cè）內容及評定標準（zhǔn）

2)“S”型檢測（cè）試件

“S”型試（shì）件是（shì）成都飛機工業（集團）有限責任公司提出的用來評價與檢驗五軸機床性能的數控機床驗收檢驗零件，其測量結果可作為評價五軸機床（chuáng）工作精度的重要依據。研究（jiū）“S”型試件的（de）加工對於機床製造企業研究機床（chuáng）精度與性能（néng）具有極其重要的意義（yì），其型麵如圖6(a)所示。“S”型檢測試件主要由底座和S型緣（yuán）條組成，如圖6(b)，其中底座特征包括：安裝定位孔、基（jī）準孔；S型（xíng）緣條包括：上下兩條S型曲線、直紋母線。

圖6. 標準試驗係統結果曲線

零件（jiàn）曲率變化劇烈，上下兩條S型曲線在（zài）零件中心實（shí）現穿越，要求機床具有更（gèng）好的換向和軸間轉換能力，並且由於零件屬（shǔ）於薄壁結構，要求機床剛性高，並且具有良好的動態性能。該零件可綜合反映數控機（jī）床的幾何精度、動態性能、加減速性能、擺角換向能力、軸間轉換能力（lì）和機床剛度。

(3)單一精度（dù）測試

上述ISO零件和S試件（jiàn）的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（jì）標準和我國標準和規範。典型的測試零件、加工方法、流程等還可依據（jù）NAS標準、ASME標準、日本標準和德國標準分別對圖5所示各種零件進行切削和（hé）檢驗。

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

切削熱態精度

圓運動切削精度

主軸不平衡精度

刀具（jù）磨損等

麵銑削精度檢測

切削力變形檢測

4、結論（lùn）

以往在進行數控（kòng）機床切削有關測試和評價主要是針對數控（kòng）機床切削負荷能力和（hé）切削精度進行檢驗和評價。

現（xiàn）在（zài），沈陽機（jī）床集團依據用戶需求和企業對產品的更高要求，對數控機床檢驗和（hé）評價除包含切削負荷檢驗和切削精（jīng）度檢驗外，還進行（háng）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和評價私下，並且對加工獲（huò）得的表麵質量進（jìn）行評價，可以更全麵和係統地反映數控機床的實際應用性能。

將來，將注（zhù）重在數控機床的工序複合能（néng）力，即在一台機床上完成全部（bù）工序的能力、切削加工振動抑製和加工誤差控製能（néng）力、節能和（hé）高效加工能力、應用和維護便易性等體現數控機床（chuáng）集成性、智能化、綠色性和易維護（hù）性（xìng）等方麵進行更為綜合的檢測和（hé）評價。（文自：沈陽機（jī）床（集團）有限責（zé）任公（gōng）司）

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