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       摘  要：詳細(xì)說(shuō)明了進(jìn)行數(shù)控機(jī)床切削性能測(cè)試和評(píng)價(jià)的意義，以及測(cè)試評(píng)價(jià)體系的研究?jī)?nèi)容和流程。依據(jù)數(shù)控機(jī)床切削負(fù)荷能力、工作精度、切削狀態(tài)和加工表面質(zhì)量等指標(biāo)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行切削性能考核，得出機(jī)床的加工適用范圍、工作精度等級(jí)以及加工表現(xiàn)。有助于為機(jī)床制造商了解和掌握機(jī)床的真實(shí)應(yīng)用性能，進(jìn)行面向用戶需求的數(shù)控機(jī)床開(kāi)發(fā)和進(jìn)一步對(duì)機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)行試制和優(yōu)化；同時(shí)有利于為機(jī)床用戶進(jìn)行機(jī)床的采購(gòu)和驗(yàn)收， 找出機(jī)床工作精度問(wèn)題并進(jìn)行定期精度檢查，尋找機(jī)床最佳精度范圍， 減少機(jī)床應(yīng)用中問(wèn)題的判斷和維修時(shí)間。

      關(guān)鍵詞：切削性能；性能測(cè)試；機(jī)床評(píng)價(jià)；負(fù)荷試驗(yàn)；切削精度
 

       數(shù)控機(jī)床的水平、品種和生產(chǎn)能力直接反映了國(guó)家的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合國(guó)力。數(shù)控機(jī)床作為國(guó)防軍工的戰(zhàn)略裝備，是各種武器裝備最重要的制造手段，是國(guó)防軍工裝備現(xiàn)代化的重要保證。數(shù)控機(jī)床的綜合性能水平，決定了國(guó)家工業(yè)制造水平。為了滿足典型行業(yè)用戶對(duì)數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，機(jī)床制造商除了提供功能完備、易用和易于維護(hù)的機(jī)床產(chǎn)品外，還應(yīng)根據(jù)用戶零件的加工工藝特點(diǎn)，重點(diǎn)在機(jī)床的幾何精度、加工精度、加工效率、設(shè)備利用率等性能指標(biāo)上滿足用戶對(duì)零件加工的要求。

       1、 切削性能測(cè)試和評(píng)價(jià)意義

       數(shù)控機(jī)床的實(shí)際應(yīng)用性能，主要表現(xiàn)為：靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、運(yùn)動(dòng)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(duì)其進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)，可在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等方面，對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行深入了解，并可進(jìn)一步有針對(duì)性地提出改進(jìn)意見(jiàn)，優(yōu)化機(jī)床性能。

       了解和掌握數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用性能可通過(guò)性能測(cè)試和切削加工兩種方式。性能測(cè)試可以獲得機(jī)床全面的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度、熱力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)性能、承載和變形、以及機(jī)床可靠性情況。而切削加工可以綜合獲得機(jī)床的工作精度、負(fù)荷能力、加工質(zhì)量和包含幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度、熱力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)性能、承載和變形等性能的綜合表現(xiàn)。

       在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床性能測(cè)試時(shí)，由于試驗(yàn)測(cè)試是通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的測(cè)試儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，與用戶處使用機(jī)床的真實(shí)環(huán)境存在區(qū)別，測(cè)試過(guò)程中一般沒(méi)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(guò)程中的各種狀態(tài)量無(wú)法體現(xiàn)，導(dǎo)致儀器測(cè)試得到的數(shù)據(jù)與真實(shí)切削存在差異。另外，數(shù)控機(jī)床的性能測(cè)試需要大量專業(yè)儀器，多數(shù)制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(shí)的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法是通過(guò)切削加工和零件的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

      對(duì)于機(jī)床用戶來(lái)說(shuō)，開(kāi)展數(shù)控機(jī)床的切削性能測(cè)試和評(píng)價(jià)研究，可以：

?    A 有利于進(jìn)行機(jī)床的采購(gòu)和驗(yàn)收
?   B 找出機(jī)床工作精度問(wèn)題或在使用中進(jìn)行定期精度檢查
?   C 尋找機(jī)床最佳精度范圍，以便獲得良好加工品質(zhì)
?   D 減少機(jī)床應(yīng)用中問(wèn)題的判斷和維修時(shí)間

       核心是幫助用戶進(jìn)行機(jī)床選型和應(yīng)用

       對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)，開(kāi)展數(shù)控機(jī)床的切削性能測(cè)試和評(píng)價(jià)研究，可以：

?   A 了解和掌握機(jī)床的真實(shí)應(yīng)用性能
?   B 進(jìn)行面向用戶需求的數(shù)控機(jī)床開(kāi)發(fā)
?   C 有利于機(jī)床新樣機(jī)試制和優(yōu)化
?   D 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(yōu)質(zhì)的機(jī)床產(chǎn)品

       2、評(píng)價(jià)體系研究?jī)?nèi)容和流程

       依據(jù)數(shù)控機(jī)床切削性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)兩個(gè)主要階段，對(duì)數(shù)控機(jī)床切削性能測(cè)試流程劃分如圖1所示。首先，需要確定評(píng)價(jià)的對(duì)象和體系適用范圍，一般可依據(jù)測(cè)試目的分為新型數(shù)控機(jī)床樣機(jī)的檢測(cè)評(píng)價(jià)、新出廠樣機(jī)的例行檢驗(yàn)、以及用戶處長(zhǎng)期使用的數(shù)控機(jī)床的定期檢驗(yàn)。隨后需要進(jìn)行具體的測(cè)試和評(píng)價(jià)，主要針對(duì)數(shù)控機(jī)床的工作精度、承載能力、切削加工表現(xiàn)等幾個(gè)方面開(kāi)展測(cè)試和評(píng)價(jià)研究。并依據(jù)具體的測(cè)試方法和測(cè)試流程進(jìn)行測(cè)試，與單純的切削加工不同，進(jìn)行數(shù)控機(jī)床切削性能測(cè)試除了需要進(jìn)行必要的機(jī)床、試料、刀具、夾具等工藝系統(tǒng)準(zhǔn)備，還需要對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行調(diào)試安裝，此外，對(duì)切削試驗(yàn)的方案、方法和參數(shù)進(jìn)行規(guī)范化執(zhí)行。試驗(yàn)中，需要記錄必要的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和分析。最后依據(jù)有關(guān)國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)內(nèi)部規(guī)范，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并將試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較，綜合進(jìn)行機(jī)床真實(shí)切削性能的評(píng)價(jià)，給出機(jī)床適用的范圍。
 
 
      圖1. 數(shù)控機(jī)床切削性能測(cè)試和評(píng)價(jià)體系流程

        現(xiàn)行數(shù)控機(jī)床切削性能測(cè)試和評(píng)價(jià)方法包括：空運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、切削負(fù)荷試驗(yàn)、國(guó)標(biāo)件或NAS件的切削和檢測(cè)等。這樣的現(xiàn)狀存在的問(wèn)題和弊端主要有：

? 只關(guān)注工作精度和切削負(fù)荷，這樣的測(cè)試和評(píng)價(jià)并不全面。

? 負(fù)荷試驗(yàn)對(duì)機(jī)床有一定破壞作用，容易在機(jī)床未磨合應(yīng)用前造成早期破壞，從而影響后期的實(shí)際應(yīng)用。

       根據(jù)這樣的現(xiàn)狀，沈陽(yáng)機(jī)床高檔數(shù)控機(jī)床國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)大量的機(jī)床樣機(jī)定型檢驗(yàn)和機(jī)床產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)，提出數(shù)控機(jī)床切削性能測(cè)試和評(píng)價(jià)的內(nèi)容除上述負(fù)荷試驗(yàn)和精度試驗(yàn)檢測(cè)外，還應(yīng)該包括，如圖2：

? A 多種單一精度的檢測(cè)評(píng)價(jià)；
? B 切削能力評(píng)估；
? C 切削狀態(tài)評(píng)價(jià)；
? D 加工質(zhì)量評(píng)價(jià)等內(nèi)容。

 
  圖2. 數(shù)控機(jī)床切削性能測(cè)試和評(píng)價(jià)體系內(nèi)容

       3、切削性能測(cè)試

       （1）切削負(fù)荷測(cè)試

       切削負(fù)荷試驗(yàn)包括主軸空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、主傳動(dòng)系統(tǒng)的最大扭矩、最大功率和最大軸向抗力試驗(yàn)，以及機(jī)床剛性攻絲試驗(yàn)、鏜削能力試驗(yàn)等，如圖3所示。有關(guān)的參考依據(jù)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)根據(jù)用戶需求提出的企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。

 
    圖3. 切削負(fù)荷試驗(yàn)內(nèi)容和流程

       1)空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

       進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)是為了得出主軸在不同轉(zhuǎn)速下的實(shí)際功率，確定對(duì)應(yīng)功率損耗。由于主軸的實(shí)際切削功率=總功率-空運(yùn)轉(zhuǎn)功率損耗。試驗(yàn)中需要主軸在五個(gè)不同轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行測(cè)試，即主軸最高轉(zhuǎn)速的20%，40%，60%，80%，100%。

       2)主傳動(dòng)系統(tǒng)最大扭矩測(cè)試試驗(yàn)

       主傳動(dòng)系統(tǒng)最大扭矩測(cè)試的目的是為了確定機(jī)床在不同加工方式下的實(shí)際切削參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)，驗(yàn)證機(jī)床在最大切削負(fù)荷下的材料去除率。

       試驗(yàn)需要在機(jī)床主軸恒扭矩調(diào)速范圍內(nèi)，選擇一適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速，采用銑削方式進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)改變進(jìn)給速度，使機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的最大扭矩。試驗(yàn)中需要記錄：

? A 出現(xiàn)最大扭矩時(shí)的主軸功率和對(duì)應(yīng)進(jìn)給量，計(jì)算材料去除率
? B 主軸和工作臺(tái)的振動(dòng)量
? C 觀察加工表面是否出現(xiàn)振紋

       3)主傳動(dòng)系統(tǒng)最大功率測(cè)試試驗(yàn)

       主傳動(dòng)系統(tǒng)最大功率測(cè)試是為了確定機(jī)床在不同加工方式下的實(shí)際切削參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)，驗(yàn)證機(jī)床在最大切削負(fù)荷下的材料去除率。

       同樣，試驗(yàn)需要在在機(jī)床主軸恒功率調(diào)速范圍內(nèi)，選擇一適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速，采用銑削方式進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)改變切削深度，使機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的最大功率。記錄：

? A 出現(xiàn)最大功率時(shí)的主軸扭矩和對(duì)應(yīng)切深，計(jì)算材料去除率
? B 主軸和工作臺(tái)的振動(dòng)量
? C 觀察加工表面是否出現(xiàn)振紋

       4)主傳動(dòng)系統(tǒng)最大軸向抗力測(cè)試試驗(yàn)

       主傳動(dòng)系統(tǒng)最大軸向抗力測(cè)試是為了驗(yàn)證機(jī)床能夠承受設(shè)計(jì)要求的最大軸向切削抗力。

       試驗(yàn)在機(jī)床主軸恒扭矩調(diào)速范圍內(nèi)，選擇一適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速，采用鉆削方式進(jìn)行加工，并注入水基冷卻液，通過(guò)改變進(jìn)給速度，使機(jī)床達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的軸向抗力。記錄：

?  A 相應(yīng)主軸負(fù)荷率下的進(jìn)給速度，并計(jì)算材料去除率
?  B 主軸軸向切削抗力，用以比對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)

       5)剛性攻絲測(cè)試試驗(yàn)

       剛性攻絲測(cè)試是為了評(píng)定機(jī)床設(shè)計(jì)規(guī)定的螺紋加工表現(xiàn)。對(duì)于給定直徑絲錐，選擇一固定主軸轉(zhuǎn)速和切深，依據(jù)螺紋設(shè)計(jì)導(dǎo)程和進(jìn)給量進(jìn)行攻絲，評(píng)價(jià)螺紋孔加工精度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

       （2）切削精度檢測(cè)

       切削精度檢測(cè)主要是通過(guò)典型驗(yàn)收檢驗(yàn)零件的加工和檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。依據(jù)可實(shí)現(xiàn)的不同加工型面分為三軸檢測(cè)零件和五軸檢測(cè)零件兩類，典型的三軸檢測(cè)零件由ISO標(biāo)準(zhǔn)零件、美國(guó)NAS三軸檢測(cè)零件和ASME檢測(cè)零件，德國(guó)的NCG檢測(cè)零件等。典型的五軸檢測(cè)零件由NAS圓錐臺(tái)，日本的四角錐臺(tái)，德國(guó)的NCG 2005試件，以及我國(guó)的S型檢測(cè)試件，如圖4。

 
   圖4. 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)果曲線

       以ISO檢測(cè)零件和S型檢測(cè)零件為例分別對(duì)三軸和五軸檢測(cè)零件的檢測(cè)內(nèi)容，代表零件的型面特征進(jìn)行說(shuō)明：

       1)ISO 10791標(biāo)準(zhǔn)試件

       ISO檢測(cè)零件形式如圖5所示，零件由底座正方向、菱形凸臺(tái)和圓形凸臺(tái)三個(gè)階梯型面組成，在其上分別有位于中心的中心孔，四個(gè)直角出的位置孔以及底座相鄰兩個(gè)邊上的3º角斜面。表1為ISO標(biāo)準(zhǔn)試件檢測(cè)內(nèi)容和評(píng)價(jià)允差。

 
   圖5. 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)果曲線

   表1 ISO標(biāo)準(zhǔn)試件檢測(cè)內(nèi)容及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

  
       2)“S”型檢測(cè)試件

       “S”型試件是成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司提出的用來(lái)評(píng)價(jià)與檢驗(yàn)五軸機(jī)床性能的數(shù)控機(jī)床驗(yàn)收檢驗(yàn)零件，其測(cè)量結(jié)果可作為評(píng)價(jià)五軸機(jī)床工作精度的重要依據(jù)。研究“S”型試件的加工對(duì)于機(jī)床制造企業(yè)研究機(jī)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(cè)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(zhǔn)孔；S型緣條包括：上下兩條S型曲線、直紋母線。
      
       
 
       (a)S型試件

       
 
       (b) S型特征

    
       圖6. 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)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(shí)現(xiàn)穿越，要求機(jī)床具有更好的換向和軸間轉(zhuǎn)換能力，并且由于零件屬于薄壁結(jié)構(gòu)，要求機(jī)床剛性高，并且具有良好的動(dòng)態(tài)性能。該零件可綜合反映數(shù)控機(jī)床的幾何精度、動(dòng)態(tài)性能、加減速性能、擺角換向能力、軸間轉(zhuǎn)換能力和機(jī)床剛度。

       (3)單一精度測(cè)試

       上述ISO零件和S試件的工作精度測(cè)試主要是針對(duì)典型驗(yàn)證零件加工和精度檢測(cè)，參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。典型的測(cè)試零件、加工方法、流程等還可依據(jù)NAS標(biāo)準(zhǔn)、ASME標(biāo)準(zhǔn)、日本標(biāo)準(zhǔn)和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)圖5所示各種零件進(jìn)行切削和檢驗(yàn)。

       除此之外，還可以針對(duì)機(jī)床的實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行若干單一目標(biāo)的切削精度檢驗(yàn)，包括：

?   A 切削熱態(tài)精度
?   B 圓運(yùn)動(dòng)切削精度
?   C 主軸不平衡精度
?   D 刀具磨損等
?   E 面銑削精度檢測(cè)
?   F 切削力變形檢測(cè)

        4、結(jié)論

       以往在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床切削有關(guān)測(cè)試和評(píng)價(jià)主要是針對(duì)數(shù)控機(jī)床切削負(fù)荷能力和切削精度進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。

       現(xiàn)在，沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)依據(jù)用戶需求和企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的更高要求，對(duì)數(shù)控機(jī)床檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)除包含切削負(fù)荷檢驗(yàn)和切削精度檢驗(yàn)外，還進(jìn)行多種單因素切削精度檢測(cè)，提出切削能力預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)概念，引入數(shù)控機(jī)床切削加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)私下，并且對(duì)加工獲得的表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以更全面和系統(tǒng)地反映數(shù)控機(jī)床的實(shí)際應(yīng)用性能。

       將來(lái)，將注重在數(shù)控機(jī)床的工序復(fù)合能力，即在一臺(tái)機(jī)床上完成全部工序的能力、切削加工振動(dòng)抑制和加工誤差控制能力、節(jié)能和高效加工能力、應(yīng)用和維護(hù)便易性等體現(xiàn)數(shù)控機(jī)床集成性、智能化、綠色性和易維護(hù)性等方面進(jìn)行更為綜合的檢測(cè)和評(píng)價(jià)。 (本文來(lái)自：沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司)