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數控（kòng）機床切削性能測試（shì）和評價體係

2013-12-15 來（lái）源：數控（kòng）機床市場（chǎng）網作者：馬曉波孫名佳（jiā）仇健

摘要：詳細說明了進行數控機床切削性（xìng）能測試和（hé）評價的意義，以及測試評價體係的研究內容和流程。依據數控機（jī）床切削負荷能力、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考核，得出機床的加工（gōng）適（shì）用範圍、工作精（jīng）度等級以及加工表現。有助於為機（jī）床製造商了解和掌握機床（chuáng）的真（zhēn）實應用性能，進行（háng）麵向用戶需（xū）求的數控機床開發和進一步對機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（de）采（cǎi）購和驗收（shōu），找出機（jī）床工作（zuò）精度問題（tí）並進行（háng）定期精度檢查，尋找機床最佳精度範圍，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（néng）測（cè）試；機床評價；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（yìng）了國（guó）家的技（jì）術、經濟綜合國力。數控機床作為國防軍工的戰略（luè）裝備，是各種武器裝備最重（chóng）要的製造手段，是國防軍工裝備現代化的重要保證。數控（kòng）機床的綜（zōng）合性能水平，決定了國家工業製造水平。為了滿足典型行業用戶對數控機床的應用，機床製造商除了提供功能完（wán）備、易用和易於維護的機床產品外，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、加工精度、加工效率、設備利用率等性能指標上滿足（zú）用戶對零件（jiàn）加工的（de）要求。

1 、切削性能測試和評價意義

數（shù）控機床的實際應用性能，主要表現為：靜態特性、動態特性、運動特性、熱特性、可靠性、切削加工的加工效率、精度和應（yīng）用水平等，對其進行測試和評價，可在機床的運動學和（hé）動力學等（děng）方麵，對機床的運動和（hé）動力學（xué）性（xìng）能進行深入了解，並（bìng）可進一步有針對性地提出改進意見，優化機床（chuáng）性能。

了解和掌握數控機床的（de）應用性能（néng）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（miàn）的幾何精度、運動精度、熱力學性能、動態性能、承載和變形、以及機床可靠性情況。而切削加工（gōng）可以綜合獲（huò）得機床的工作精度、負荷（hé）能力、加工質量和包含幾何精度、運（yùn）動精（jīng）度（dù）、熱力（lì）學性能、動態性能、承載和變形（xíng）等性能的綜合表現。

在（zài）進行數控機床性能測試時，由於試驗（yàn）測試是通過應用先進（jìn）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環境存在（zài）區別，測試（shì）過程中一（yī）般沒有（yǒu）載荷，並且不存在刀具與工具（jù）之間的相互作用，切屑和切削過程中的各種狀態量無法（fǎ）體現，導致儀器測試得到的數據與真實切削存（cún）在差異。另（lìng）外，數控機床的性能測試需要大量（liàng）專（zhuān）業儀（yí）器，多數製造商和用戶不具備完善的測（cè）試條件。因此，最直接和最真實的（de）檢測評價方法是通（tōng）過切削（xuē）加工和零件的檢測（cè）來（lái）實現。

對（duì）於機床用戶來（lái）說，開展數控機床的切削性能測試和評（píng）價研究，可以：

有利（lì）於進行機床的采購和驗收

找出機床工作精度問題（tí）或在使用中進行定期精度檢查

尋找機床最佳精（jīng）度範圍，以便獲得良好加工品質

減少機床應（yīng）用中問題的判斷和維修時（shí）間

核（hé）心是幫助用戶進行機床選型和應用

對於機床生產廠商來說，開展數控機床的（de）切削性能測試（shì）和評價研究（jiū），可以：

了解和掌握機床的真實應用性能

進行麵向用戶需求的（de）數控機床開發

有利（lì）於機床新樣機試製和優化

獲得更（gèng）高的加工精度（dù）、更大的加工效率

核心是（shì）提供給用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（shù）控機床（chuáng）切削性能的測試和（hé）評（píng）價（jià）兩個（gè）主要階段，對數控機床切削性能測試流程劃分如圖1所示。首先，需要確定評價的對象和體係適用範圍，一般可依據測試目的分為新（xīn）型數控機（jī）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（yòng）的數控機床（chuáng）的定期檢驗。隨後需（xū）要進行具體的測試和評價，主要針對數控機床的工作精度、承載能力、切削加工表（biǎo）現等幾個方麵開展測試和評價（jià）研究。並依據具體的測試方法和測試流程進行測試，與單（dān）純的切削加工不同，進（jìn）行數（shù）控機床（chuáng）切削性能測試（shì）除了需（xū）要進行必要的機床、試料、刀具、夾具等工藝係統準備（bèi），還需要（yào）對測試儀器進行調試（shì）安裝（zhuāng），此外，對切削試驗的方案、方法和參數進行（háng）規範化執行。試驗中，需要記錄必要的數據，並進行數據（jù）結果的統（tǒng）計（jì）和分析。最後依據有關國際國內標準和（hé）企業（yè）內部規範，確定設計目標和評價標（biāo）準，並將試（shì）驗獲得的數據指標與評價標準比較，綜合（hé）進行機床真（zhēn）實切削性能的評價，給出機（jī）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（hé）評價方法包括：空運轉實驗、切（qiē）削負荷（hé）試驗、國標件或NAS件的切削和檢測等。這樣的現狀存在（zài）的問（wèn）題和弊端主要有：

隻關注工作精（jīng）度和切削負荷，這樣的測試和評價並不全麵。

負荷試驗對機床有一定破壞作（zuò）用（yòng），容易在機床未磨合應用前造成（chéng）早（zǎo）期（qī）破壞（huài），從而影響（xiǎng）後期（qī）的實際應用。

根據這樣的現狀，沈陽機床高檔數控機床國家（jiā）重點實（shí）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（de）內容除上述負（fù）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價；

切削能力評估；

切削狀態評（píng）價；

加工（gōng）質量評價等內容。

圖2. 數控機床切削性能（néng）測試（shì）和評價體係內容

3、切削性能（néng）測試（shì）

（1）切削負荷測試

切削負荷試驗包括（kuò）主軸空運轉試驗、主傳動係統（tǒng）的最大扭矩、最大功率和（hé）最大軸向抗力試（shì）驗，以及機床剛性攻絲試驗、鏜削能力試驗（yàn）等，如圖3所示。有關的參考依據為國家標準和企業根據（jù）用戶需求提出的企（qǐ）業內部標準。

圖3. 切削（xuē）負荷試驗內容和流程

1)空運轉試驗

進行空（kōng）運轉試驗是為了得出主軸在不同轉速下的實際功率，確定對應功率損耗。由於（yú）主軸的實際切削功率=總功率（lǜ）-空運轉功率損耗。試驗中（zhōng）需要主軸在五個不同轉速範圍進行測試，即主軸最高轉速的20%，40%，60%，80%，100%。

2)主（zhǔ）傳動係統最大（dà）扭矩（jǔ）測試試驗

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

試驗（yàn）需要在（zài）機床（chuáng）主軸恒扭矩調速（sù）範圍內，選（xuǎn）擇一適當的（de）主軸轉速，采（cǎi）用銑削方（fāng）式進行試驗。通過改變進給（gěi）速度，使機床主傳動係統達到設計規定的最（zuì）大扭矩。試驗中（zhōng）需要記錄（lù）：

出現最（zuì）大扭矩時的主軸功率（lǜ）和對應進給量（liàng），計算材（cái）料去除率

主軸和工作台的振動量

觀察加工（gōng）表麵（miàn）是（shì）否出現（xiàn）振紋

3)主傳動（dòng）係統最大功率測試試驗

主傳動係（xì）統最（zuì）大功率測試（shì）是為了確定（dìng）機床在不同加（jiā）工方（fāng）式（shì）下的實際切削參數是否（fǒu）達到（dào）設計參（cān）數（shù），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（gōng）率（lǜ）調速範圍內，選擇一適當的（de）主軸轉速，采用（yòng）銑削方式進行試驗。通過改（gǎi）變切削深度，使（shǐ）機床主傳動（dòng）係統達到設計規定的最大（dà）功率。記錄：

出現最大功率時的主軸扭矩和對應切深，計算材料去除率

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（dòng）係統最大軸向抗力測試試驗

主傳動係統最大軸向抗力測試是為了驗（yàn）證機床能夠承受設計要求的最大（dà）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（zhù）入水基冷卻液，通過改（gǎi）變進給速度，使機床達到設計規定的軸向抗力。記（jì）錄：

相應主軸負荷率下的（de）進給速度，並計算材料去除率

主軸（zhóu）軸向切削抗力，用以比對設計（jì）指標（biāo）

5)剛性攻絲測試試驗

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

（2）切削精度檢測

切削精度檢測主（zhǔ）要是通過典（diǎn）型（xíng）驗（yàn）收檢（jiǎn）驗零件（jiàn）的加工（gōng）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（cè）零件（jiàn）和五軸檢測零（líng）件兩類，典型的三軸檢測零件由ISO標準零件、美國NAS三軸檢測零件和ASME檢測零（líng）件，德國的NCG檢測零件等。典型的五軸檢測零件（jiàn）由NAS圓錐台，日本的四角錐台，德國的NCG 2005試件（jiàn），以及（jí）我國的S型檢測試件，如圖4。

圖4. 標準試驗係統（tǒng）結果曲線

以ISO檢測零件和S型檢測（cè）零（líng）件（jiàn）為例分別對三軸和五軸檢測零件的檢測內容，代表零（líng）件的型麵特征進行說（shuō）明：

1)ISO 10791標準試件

ISO檢測零件形式（shì）如圖5所（suǒ）示，零件（jiàn）由底（dǐ）座正（zhèng）方向、菱形凸台和圓形凸台三（sān）個階梯型麵組成，在其上分別（bié）有位於中心的中心孔（kǒng），四個直角出（chū）的位置孔（kǒng）以及（jí）底座相鄰兩（liǎng）個邊上的3o角斜麵。表1為ISO標準試件檢測內容和（hé）評價允差。

圖5. 標準試驗（yàn）係統結果曲線

表（biǎo）1 ISO標準試（shì）件檢測內容（róng）及評定標（biāo）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工作精度的重要依據（jù）。研究“S”型試件的加工對於機（jī）床製造企業研究機床精（jīng）度與性能具有極（jí）其重（chóng）要的意義（yì），其型麵如圖6(a)所示。“S”型檢測試件主要由（yóu）底座和S型緣條（tiáo）組成，如圖6(b)，其中底（dǐ）座特征包括：安裝定位孔、基準孔；S型緣條包括：上下兩條S型曲線、直紋母線。

圖6. 標準試驗係統結（jié）果曲線

零件（jiàn）曲率變化劇烈，上（shàng）下（xià）兩條S型曲線在零（líng）件中心實（shí）現（xiàn）穿越，要求機床具有（yǒu）更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（qiě）具有良好的動態性能（néng）。該零件可綜合反映數控機床的（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（dù）測試

上述ISO零件和S試（shì）件的工作精度測試主要（yào）是針對典型驗證零件加工和精度檢測，參考國際標（biāo）準和我國（guó）標準和規範。典（diǎn）型的測試（shì）零件、加工方法、流程等還可依據NAS標準、ASME標準、日本標（biāo）準和德國標準分別對（duì）圖5所示各種零件進行切削和檢驗（yàn）。

除此之外，還可以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（kuò）：

切削熱（rè）態精度

圓運動切削精（jīng）度

主軸不平衡精度

刀（dāo）具磨損等

麵銑削精度檢測

切削（xuē）力變形檢測（cè）

4、結論

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

現在，沈陽機床集（jí）團依據用戶需求和企業對產品的更高要求，對數控機床檢驗和評價除包含切削（xuē）負荷檢驗和切削精（jīng）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（píng）價概念，引入數控機床切削加工狀態監測和評價私下，並且對加工獲得的表麵質量進行評（píng）價，可以更全麵和係統地反（fǎn）映數控機床的實際（jì）應用性能。

將來，將注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工序的能力、切削加工振動（dòng）抑製和加工誤差（chà）控（kòng）製（zhì）能力、節能（néng）和高效加工能（néng）力、應用和維護便易（yì）性等體現數控機床集（jí）成性、智能化（huà）、綠色性和易維護（hù）性等方麵進行（háng）更為綜合的檢測和評價（jià）。（文自：沈陽機床（集團）有限責任（rèn）公司）

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