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數控機床切削性能測試和評價體系

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，以及測試評價體系的研究內容和流程。依據數控機床切削負荷能力、工作精度、切削狀態和加工表面質量等指標對數控機床進行切削性能考核，得出機床的加工適用范圍、工作精度等級以及加工表現。有助于為機床制造商了解和掌握機床的真實應用性能，進行面向用戶需求的數控機床開發和進一步對機床產品進行試制和優化；同時有利于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并進行定期精度檢查，尋找機床最佳精度范圍，減少機床應用中問題的判斷和維修時間。

關鍵詞：切削性能；性能測試；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裝備，是各種武器裝備最重要的制造手段，是國防軍工裝備現代化的重要保證。數控機床的綜合性能水平，決定了國家工業制造水平。為了滿足典型行業用戶對數控機床的應用，機床制造商除了提供功能完備、易用和易于維護的機床產品外，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用戶對零件加工的要求。

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、精度和應用水平等，對其進行測試和評價，可在機床的運動學和動力學等方面，對機床的運動和動力學性能進行深入了解，并可進一步有針對性地提出改進意見，優化機床性能。

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種方式。性能測試可以獲得機床全面的幾何精度、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、熱力學性能、動態性能、承載和變形等性能的綜合表現。

在進行數控機床性能測試時，由于試驗測試是通過應用先進的測試儀器進行數據的采集和處理，與用戶處使用機床的真實環境存在區別，測試過程中一般沒有載荷，并且不存在刀具與工具之間的相互作用，切屑和切削過程中的各種狀態量無法體現，導致儀器測試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，多數制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實現。

對于機床用戶來說，開展數控機床的切削性能測試和評價研究，可以：

有利于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進行定期精度檢查

尋找機床最佳精度范圍，以便獲得良好加工品質

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型和應用

對于機床生產廠商來說，開展數控機床的切削性能測試和評價研究，可以：

了解和掌握機床的真實應用性能

進行面向用戶需求的數控機床開發

有利于機床新樣機試制和優化

獲得更高的加工精度、更大的加工效率

核心是提供給用戶更優質的機床產品

2 、評價體系研究內容和流程

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分如圖1所示。首先，需要確定評價的對象和體系適用范圍，一般可依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、以及用戶處長期使用的數控機床的定期檢驗。隨后需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、切削加工表現等幾個方面開展測試和評價研究。并依據具體的測試方法和測試流程進行測試，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床、試料、刀具、夾具等工藝系統準備，還需要對測試儀器進行調試安裝，此外，對切削試驗的方案、方法和參數進行規范化執行。試驗中，需要記錄必要的數據，并進行數據結果的統計和分析。最后依據有關國際國內標準和企業內部規范，確定設計目標和評價標準，并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，給出機床適用的范圍。

圖1. 數控機床切削性能測試和評價體系流程

現行數控機床切削性能測試和評價方法包括：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弊端主要有：

只關注工作精度和切削負荷，這樣的測試和評價并不全面。

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，從而影響后期的實際應用。

根據這樣的現狀，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；

切削狀態評價；

加工質量評價等內容。

圖2. 數控機床切削性能測試和評價體系內容

3、切削性能測試

（1）切削負荷測試

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

圖3. 切削負荷試驗內容和流程

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率，確定對應功率損耗。由于主軸的實際切削功率=總功率-空運轉功率損耗。試驗中需要主軸在五個不同轉速范圍進行測試，即主軸最高轉速的20%，40%，60%，80%，100%。

2)主傳動系統最大扭矩測試試驗

主傳動系統最大扭矩測試的目的是為了確定機床在不同加工方式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料去除率。

試驗需要在機床主軸恒扭矩調速范圍內，選擇一適當的主軸轉速，采用銑削方式進行試驗。通過改變進給速度，使機床主傳動系統達到設計規定的最大扭矩。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，計算材料去除率

主軸和工作臺的振動量

觀察加工表面是否出現振紋

3)主傳動系統最大功率測試試驗

主傳動系統最大功率測試是為了確定機床在不同加工方式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料去除率。

同樣，試驗需要在在機床主軸恒功率調速范圍內，選擇一適當的主軸轉速，采用銑削方式進行試驗。通過改變切削深度，使機床主傳動系統達到設計規定的最大功率。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

主軸和工作臺的振動量

觀察加工表面是否出現振紋

4)主傳動系統最大軸向抗力測試試驗

主傳動系統最大軸向抗力測試是為了驗證機床能夠承受設計要求的最大軸向切削抗力。

試驗在機床主軸恒扭矩調速范圍內，選擇一適當的主軸轉速，采用鉆削方式進行加工，并注入水基冷卻液，通過改變進給速度，使機床達到設計規定的軸向抗力。記錄：

相應主軸負荷率下的進給速度，并計算材料去除率

主軸軸向切削抗力，用以比對設計指標

5)剛性攻絲測試試驗

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

（2）切削精度檢測

切削精度檢測主要是通過典型驗收檢驗零件的加工和檢測來實現。依據可實現的不同加工型面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標準零件、美國NAS三軸檢測零件和ASME檢測零件，德國的NCG檢測零件等。典型的五軸檢測零件由NAS圓錐臺，日本的四角錐臺，德國的NCG 2005試件，以及我國的S型檢測試件，如圖4。

圖4. 標準試驗系統結果曲線

以ISO檢測零件和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，代表零件的型面特征進行說明：

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、菱形凸臺和圓形凸臺三個階梯型面組成，在其上分別有位于中心的中心孔，四個直角出的位置孔以及底座相鄰兩個邊上的3o角斜面。表1為ISO標準試件檢測內容和評價允差。

圖5. 標準試驗系統結果曲線

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。研究“S”型試件的加工對于機床制造企業研究機床精度與性能具有極其重要的意義，其型面如圖6(a)所示。“S”型檢測試件主要由底座和S型緣條組成，如圖6(b)，其中底座特征包括：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。