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數控機（jī）床切削性能測試和評價體（tǐ）係

2013-12-15 來源：數控機床市（shì）場網作者：馬曉波孫名佳仇健

摘要：詳細說明了進行數（shù）控機床（chuáng）切削（xuē）性能測試（shì）和評（píng）價的（de）意義，以及測（cè）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、切削（xuē）狀態和（hé）加工表（biǎo）麵質量等指標對數控（kòng）機（jī）床進行切削性能考核，得出（chū）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（wéi）機床製造商了解和掌（zhǎng）握機床的真實應用性能，進行麵向用戶需求的數控機床開發和進一步對機床（chuáng）產品進行試製和優化（huà）；同時（shí）有利於為機床用戶進行機床的采購和（hé）驗收，找出機床工作精度問題並進（jìn）行定期精度檢查（chá），尋找機床最（zuì）佳精度範圍，減少機床應用中問題的（de）判斷和維修時間。

關鍵詞：切削性能；性能測試；機床（chuáng）評價（jià）；負荷試驗；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（jiā）的技術、經濟綜合國力（lì）。數（shù）控機床作為國（guó）防軍工的戰略裝備，是各（gè）種武器裝備最重要的製造手段，是國防軍（jun1）工裝備現代化的重（chóng）要保證（zhèng）。數控機床的綜合性能水平，決定了國家工業（yè）製造水平。為了（le）滿足典（diǎn）型（xíng）行業用戶對數控機床的應（yīng）用（yòng），機床製造商除了提供功（gōng）能完備、易用和易於維（wéi）護的（de）機床產品外（wài），還應根據用戶零件的加工工藝特點，重點在機床的幾何精度、加工（gōng）精度、加工效率（lǜ）、設備利（lì）用率等（děng）性能指標（biāo）上滿足用戶對零（líng）件加工的（de）要求。

1 、切削性能測試和（hé）評價意義

數控機床的（de）實際（jì）應用性能，主要表（biǎo）現（xiàn）為：靜態特性、動態特性、運動（dòng）特（tè）性（xìng）、熱（rè）特性（xìng）、可靠性、切削加工的加工效率、精度和應用水平等，對其進（jìn）行測試和評價，可在（zài）機床的運動學和動力學等方麵，對（duì）機床的運動和動力學性能（néng）進行深入了（le）解，並可（kě）進一步有針對性地提（tí）出改進意見，優化機床（chuáng）性（xìng）能。

了解和掌握數控機床的應用性能可通過性能測試和切削加工兩（liǎng）種方式。性能測試可以獲得（dé）機床全麵的幾何精度、運動精度、熱力學性能、動態性能、承載和變形、以及機床可靠性（xìng）情況。而（ér）切削（xuē）加工可（kě）以（yǐ）綜合獲得機床的工作精度、負荷能力（lì）、加工質量和（hé）包含幾何精度、運動精度、熱力學性能、動（dòng）態性能、承（chéng）載和變形等性能的綜合表現。

在進行數控機床性能測試時，由於試驗測（cè）試是通過（guò）應用先進（jìn）的測（cè）試儀器進行數據的采集和處理，與用戶處使用機床的（de）真實環境存在（zài）區別，測試過程中一般沒有載荷，並且不存在（zài）刀具與工具（jù）之（zhī）間（jiān）的相互作用，切屑和切削過程中的各（gè）種狀態量無法體現，導（dǎo）致儀器測試得到的數據與真（zhēn）實切削存在（zài）差異。另外（wài），數控機床的性（xìng）能測試需要大量專業儀器，多數製造商和用戶不具備完善的測試條件。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的檢測來（lái）實現。

對於機床（chuáng）用戶來說（shuō），開（kāi）展數控機床的（de）切削性（xìng）能測試和評價研究，可以：

有（yǒu）利於進行機床的采購和驗收

找出機床工作精度問題或在使用中（zhōng）進行定期精度檢查

尋找機（jī）床最佳精度範圍，以便獲得良好加工品質

減少機床應用中（zhōng）問題的判斷和維修時間

核心是幫助用戶進行機床（chuáng）選型和應用

對於機床生產廠商來（lái）說，開展數控機床的切削性能測（cè）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

有利於機（jī）床新樣機試製和優化

獲得更高的加（jiā）工精度、更大的加工效率

核心是提供給（gěi）用（yòng）戶更優質的機床產品

2 、評價體（tǐ）係研究內容和流程

依據數控機床切削性能的測試和評價兩個主要階段，對數控機床切削性能測試流程劃（huá）分如圖（tú）1所示。首先，需要確定評價的對象和體（tǐ）係適用範圍，一般可依據測試（shì）目的分為新型數（shù）控機床樣機的檢測評價、新出廠樣機（jī）的例行檢驗、以及用戶處長（zhǎng）期使用的數控機床的定期檢驗。隨後需要進行具體（tǐ）的測試和（hé）評價，主要針對數控機床的工作精度、承載能力、切削加工表現等幾個方麵開展（zhǎn）測試和評價研究。並依據（jù）具體的測試方法和測試流程進行測試（shì），與單純的切削加工不同，進行數控機床（chuáng）切削性能測（cè）試除了需要進行必要的機床、試料、刀具、夾具等（děng）工藝係統準備（bèi），還需要對測試儀器進行調試安裝，此外（wài），對（duì）切削試驗的方（fāng）案、方法和參數進行（háng）規範（fàn）化執行。試驗中，需要記錄必要的數據，並進行數據結果的統計和分析。最後依據有關國際（jì）國內（nèi）標準和（hé）企業內部（bù）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比較，綜合進行機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試和評價（jià）體係流程

現行數控機床切削性能測試和評價方法包括（kuò）：空（kōng）運轉實驗、切削（xuē）負荷試驗、國標件或NAS件的切削和檢（jiǎn）測等。這樣的現狀存在的問題（tí）和弊端主要有：

隻關注工作精度和切削負荷（hé），這樣的測試（shì）和（hé）評價並（bìng）不全麵。

負荷試驗對機床有一定破壞作用，容易在機床未磨合應用前造成早期破壞，從而影響後期的實際應用。

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

多種單一精度的檢測評（píng）價；

切削能力評估；

切削狀態評價；

加工質量評價等內容。

圖2. 數控機床切削（xuē）性能（néng）測（cè）試和評價體係內容

3、切削性能測試

（1）切削負（fù）荷測試

切削負荷試驗包括主軸空運轉（zhuǎn）試驗、主傳動係統的最大扭矩（jǔ）、最大功率和最大（dà）軸向抗力試驗，以（yǐ）及機床（chuáng）剛性攻絲（sī）試驗、鏜削能力試驗等，如圖3所示。有關的參考依據為國家標準和（hé）企業根據用戶需求提出的企業內部標準（zhǔn）。

圖3. 切削負荷試驗（yàn）內容和（hé）流程

1)空運轉試驗

進行空運轉試驗是為了得出主軸在不同轉速下的實際功（gōng）率，確定對應功率損耗。由於主（zhǔ）軸的實際切削（xuē）功率=總（zǒng）功率-空運轉功率損耗。試驗（yàn）中需要主軸在五個不同轉速範圍進行（háng）測（cè）試，即主軸最高轉速的20%，40%，60%，80%，100%。

2)主傳動係統（tǒng）最大扭矩測試試驗

主傳動係統最大扭（niǔ）矩測試的（de）目的是為了（le）確定機（jī）床在不同加工方式下的（de）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（fù）荷下的材料去（qù）除率。

試驗需要在機床主軸恒扭矩調速範圍（wéi）內，選擇一（yī）適當的主軸轉速，采用銑削方（fāng）式進行試驗。通過改變（biàn）進給速度，使（shǐ）機床主傳動係（xì）統達到設計規定的最（zuì）大扭矩。試驗中需要記錄：

出現最大扭矩時的主軸功率和對應進給量，計算材料去（qù）除率

主（zhǔ）軸和（hé）工作台的振動（dòng）量

觀察加（jiā）工表麵是否出現振紋

3)主傳動係（xì）統最大功（gōng）率測試試驗

主傳動係統最大功率測試是為了確定機床在不同加工（gōng）方式下（xià）的實際切削參數是否達到（dào）設計參數，驗證機床（chuáng）在最大切削負荷（hé）下（xià）的材料去除率。

同樣，試驗需要在在機（jī）床主軸恒功率調速範圍內，選擇一適當的（de）主軸轉速，采用銑削（xuē）方式進行試（shì）驗。通過改變切削（xuē）深度，使機床主傳動係統達到設計規定（dìng）的最大功率。記錄：

出現最（zuì）大功率時的主軸（zhóu）扭矩和對應切深，計算材料去除率

主軸和工作台（tái）的振動量

觀察加工表麵是否出現振紋

4)主傳動係統（tǒng）最大軸向抗力測試試（shì）驗

主傳（chuán）動係統最大（dà）軸向抗力測試是為（wéi）了驗證機床能（néng）夠承受設計要求的最大軸向切削（xuē）抗力。

試驗在（zài）機床主軸恒扭矩調速範圍內，選擇一適當的主軸（zhóu）轉速，采（cǎi）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（shǐ）機床達到設（shè）計規定的軸向抗力。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（zhóu）向切削（xuē）抗力，用以比對設計指標

5)剛性攻絲測試試驗

剛性攻絲測試是為（wéi）了評定機床設計（jì）規定的螺紋加工（gōng）表現。對於給定直徑絲錐，選擇一固定主軸（zhóu）轉速和切深（shēn），依據螺紋設計導程和進給量進行攻絲，評價螺紋孔加工精度是否達到設（shè）計要求。

（2）切削精度檢測

切削精度檢測主要是通過典（diǎn）型驗收檢（jiǎn）驗零件的加工和檢測來實現。依據可實現的不同加工型麵（miàn）分為三（sān）軸檢測零件（jiàn）和五軸檢測零（líng）件兩類，典（diǎn）型的三軸檢測零件由ISO標準零件（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。典型的五軸檢測零件由NAS圓錐台（tái），日本的四角錐（zhuī）台，德國的NCG 2005試件，以及（jí）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檢測零件和S型檢測零（líng）件為例分別對三（sān）軸和（hé）五軸檢測零件的檢（jiǎn）測內容，代表零件的型麵特（tè）征（zhēng）進行說明：

1)ISO 10791標準試件

ISO檢測零件形式如圖5所示，零件由底座正方向、菱形凸台和圓形凸台三個（gè）階梯型麵（miàn）組成，在其上分別有位於中心的中心孔，四個直（zhí）角出（chū）的位置孔（kǒng）以及底座相鄰兩個邊上的3o角斜麵（miàn）。表1為ISO標（biāo）準試件檢測內容和評（píng）價允差。

圖5. 標準（zhǔn）試驗係統結果曲線

表1 ISO標準試件檢測內容及評定標準

2)“S”型（xíng）檢測試件

“S”型試件是成都飛機工業（集團（tuán））有限責任公司提出的用來（lái）評價與檢驗五軸機床性能的數控機床驗（yàn）收檢驗零件，其測量結果（guǒ）可作為評價五軸機（jī）床工作精度的重要依據。研究“S”型試件的加工對於機床製（zhì）造企業研究機床精度與性能具有極其重要的意義，其型麵如圖6(a)所（suǒ）示。“S”型檢測（cè）試（shì）件主要由底座和S型緣條組成，如圖6(b)，其中底（dǐ）座特征包括：安裝定位孔、基準孔；S型緣條（tiáo）包括：上下兩條S型曲線、直紋母線。

圖6. 標準試驗（yàn）係統結果曲線

零件曲率變化劇烈，上下兩條S型曲線在零件中心實現（xiàn）穿越，要求（qiú）機床具有更好的（de）換向和軸間（jiān）轉換能力（lì），並（bìng）且由於（yú）零件屬於薄壁結構，要求機床剛性高，並且具有良好的動態性能。該零（líng）件可綜合反映數控（kòng）機床的（de）幾何精度、動態性能、加減速性能、擺角換向能力、軸間轉換能力和機床剛度。

(3)單一精度測試（shì）

上述ISO零件和S試件的工作精度測試主要是（shì）針對典型（xíng）驗證零件加工和精度檢測，參考國（guó）際標準和我國標準和規範。典型的測試（shì）零件、加工方法、流程等（děng）還可依據NAS標準（zhǔn）、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（qiē）削和（hé）檢驗。

除此之外，還可以針對機床的實際應用（yòng）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（dòng）切削精度

主軸不平衡精度

刀具磨損等

麵銑削（xuē）精度檢測

切削力變形檢測

4、結論

以往在進行數控機床切削有（yǒu）關測（cè）試（shì）和評價主要是針（zhēn）對數控機床切（qiē）削負荷能力和切削精度進行檢驗和評價。

現（xiàn）在，沈陽機床（chuáng）集團依據用戶需（xū）求和企業對產品的更高要（yào）求，對數控（kòng）機床檢驗和評價除包含切削（xuē）負荷檢驗（yàn）和切削精（jīng）度檢（jiǎn）驗外，還進行多（duō）種單因素切削精度檢測，提出（chū）切削能力預（yù）測和評價概念，引入數控機（jī）床切削加工狀態監（jiān）測和評價私下，並且對加工（gōng）獲得的表麵質量進行評價，可以更（gèng）全麵和係統地反映數控機床的實際應用性能。

將來，將注重在數控機床的工序（xù）複合（hé）能力，即在一台機床上完成全（quán）部工序的能力、切削加工振動（dòng）抑製和加工誤差控製能力、節能和高效加工能（néng）力、應用和維護便易性等體現數控機床集成性、智能（néng）化、綠色性和易維護性等（děng）方麵進行更為綜合的檢測和評（píng）價。（文自：沈陽機床（chuáng）（集團）有限責任公司（sī））

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