數控（kòng）機床切削性能測試和評價（jià）體係（xì） -數控機床市場網（wǎng）

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數控機床切削性能測試（shì）和評價體係

2013-12-15 來（lái）源：數控機床市場網（wǎng）作者：馬曉波孫名佳仇健

摘要：詳細說明了進行數控機床（chuáng）切削性能測試和評價的意義，以及測試評價體係的研究內容和流程。依據（jù）數控機床切削負荷能力、工作精度、切削狀態和加工表麵質量（liàng）等（děng）指標對數控機床（chuáng）進行切削性能考核（hé），得出（chū）機床的加工適用範圍、工作精度等級（jí）以及加工表現。有助於為機（jī）床製（zhì）造商了解和掌握機床的真實（shí）應用性（xìng）能，進（jìn）行麵（miàn）向用戶需求（qiú）的數控機（jī）床開發和（hé）進一步對機（jī）床產品進行試製和優化；同（tóng）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，減少機床應用中問題的（de）判斷（duàn）和維修時間。

關鍵詞：切削性能；性能測試（shì）；機床評（píng）價；負荷試驗；切削精度

數控（kòng）機床的（de）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（zhǒng）武器裝備最重要的製造手段，是國防軍（jun1）工裝備現代化的重要保證。數控機（jī）床（chuáng）的綜合性能水（shuǐ）平，決定了國家工業製造水平。為了滿足典型（xíng）行業用戶對數控機床的應用，機床（chuáng）製造商除了提供功（gōng）能完備、易用和易於維護的機床產品外，還應根據用戶零件（jiàn）的加工工藝特點，重點在機（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上滿（mǎn）足用戶對零件加工的要求。

1 、切削性能測試（shì）和評價意義

數控機床的實際應用性能，主要表現為：靜態（tài）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（jià），可在機（jī）床的運動學和動力學等方麵，對機床的運動和動力學性能進行深入了解，並（bìng）可進一步有針（zhēn）對性地提出改進意見，優化機床性能。

了解和掌（zhǎng）握數控機床的應用性能（néng）可通過性能測試和切削加工兩種方式（shì）。性能測試可以獲得機床全麵的幾何精（jīng）度、運動精度、熱力學性能、動態性能、承載和變形（xíng）、以及機床可靠性情況。而切削加工可以綜合獲（huò）得機床的工作精度、負荷能力、加工質量和包含幾（jǐ）何精度、運（yùn）動（dòng）精度、熱力學性能（néng）、動態性能、承載和變形等性能的（de）綜（zōng）合表（biǎo）現。

在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（yí）器進行（háng）數據的（de）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，並且不存在刀（dāo）具（jù）與工（gōng）具之間的相互作用，切屑和切削過（guò）程中的各種狀態量無法體現（xiàn），導致儀器測試得到的數（shù）據與真實切削存在差異（yì）。另外，數（shù）控（kòng）機床的性（xìng）能測試需要大量專業儀器，多數製造商和用（yòng）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（shí）現。

對於機床用戶來說，開展數控機床的切削（xuē）性（xìng）能測試和評價（jià）研究，可以：

有利於進行機床的（de）采購和驗收

找出機床工作精度問題或在使（shǐ）用中進行定期精度檢查

尋找（zhǎo）機床最佳精（jīng）度範圍，以便獲得良好加工品質

減（jiǎn）少機床應用中問題的判斷（duàn）和維修時間

核心是幫助用戶（hù）進行機床選（xuǎn）型和（hé）應用

對於機床（chuáng）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（chuáng）的真實（shí）應用性能

進行（háng）麵（miàn）向用戶需求的數控（kòng）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（hé）心是提供給用戶更優質（zhì）的機床產品（pǐn）

2 、評價體係研究內容和流程

依據數控機床（chuáng）切削性能的測試和評價兩個主要階段，對數控（kòng）機床切削性能測試流程劃分如圖1所示。首（shǒu）先（xiān），需要確（què）定評價的對象和體係適（shì）用範圍，一般可依據測試目的（de）分為新型數控（kòng）機（jī）床（chuáng）樣機的檢測評價、新（xīn）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。隨後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（jiā）工表現（xiàn）等幾個方（fāng）麵開展測試和評價研究。並依據具體（tǐ）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（shù）控機床切削（xuē）性（xìng）能測試除了需要進行必要的機床、試料、刀具、夾（jiá）具等工藝係統準備，還需要（yào）對測試儀器進行調試安裝，此外，對切削試驗（yàn）的方案（àn）、方（fāng）法和參數（shù）進行規範化執行。試驗中，需要記（jì）錄必（bì）要的數據，並進行數據結果的統計和分析。最後依據有關（guān）國際國內（nèi）標準和企業內部規範，確定（dìng）設計目標和評價標準，並將試驗獲得的數據指標（biāo）與評價標準比較，綜（zōng）合進行機床真（zhēn）實切削性能的（de）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體係流程

現行數控機床切削性能測試和評價方法包（bāo）括：空運轉實驗、切（qiē）削（xuē）負荷試驗（yàn）、國標件或NAS件的切削和檢測等。這樣的現狀存在的（de）問題和弊端主要有：

隻關注工作精度和切削負荷，這樣的測試和（hé）評（píng）價並不全（quán）麵。

負荷試驗對（duì）機床有一定破壞作用（yòng），容易在機（jī）床未磨合應用前造（zào）成早期破壞，從而影（yǐng）響後期（qī）的實際應（yīng）用。

根據這樣的現狀，沈陽機床高檔數（shù）控機床國家重點實驗（yàn）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（shù）控機床（chuáng）切（qiē）削性能測試和評價（jià）的內容除上（shàng）述負荷試驗（yàn）和精度試驗檢測外（wài），還應該包括，如圖2：

多種單一精度的檢測評價；

切削（xuē）能力評估；

切（qiē）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（hé）評價體係內容

3、切削性能測試

（1）切削負荷測試

切（qiē）削負荷試驗包括主（zhǔ）軸空運（yùn）轉試驗、主傳動係統的（de）最大扭矩、最（zuì）大功率和最大軸向抗力試驗，以及機床剛（gāng）性攻絲試驗、鏜削能力（lì）試驗等，如圖3所（suǒ）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（yàn）內容和流程

1)空運轉試驗

進行（háng）空運轉試驗是（shì）為了得出（chū）主軸在不同轉速下的實際功率，確定對應功率損耗（hào）。由於主軸的實際切削功率=總功率-空（kōng）運轉功率損耗。試驗中需要主軸在五個不同轉速範（fàn）圍（wéi）進（jìn）行測試（shì），即主軸最高轉速的20%，40%，60%，80%，100%。

2)主（zhǔ）傳動係統（tǒng）最大扭矩測試試驗

主（zhǔ）傳動係統最大扭矩測試的目的（de）是為了確定機（jī）床在不同加工方式下的實際（jì）切削參數是否達到設計參數，驗證機床在最大（dà）切削負荷下的材料去除率。

試驗需（xū）要在機床主軸恒扭矩調速範圍內，選擇一適當的主軸轉速，采用銑削（xuē）方（fāng）式進行試驗（yàn）。通過（guò）改變進給速度，使機床（chuáng）主（zhǔ）傳（chuán）動係統達到設計規定的最（zuì）大扭（niǔ）矩。試（shì）驗中需（xū）要（yào）記（jì）錄：

出（chū）現最大扭（niǔ）矩時的主軸功率和對應（yīng）進給量，計算材料去除（chú）率

主軸（zhóu）和工作台（tái）的振（zhèn）動量

觀察加工表麵是否出現振紋

3)主（zhǔ）傳動係統最大功率測試試驗

主傳動（dòng）係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（shù）是否達到設計參數，驗證機（jī）床在最大切削負荷下（xià）的材料去除率（lǜ）。

同樣，試（shì）驗需要在在機床主軸恒功率（lǜ）調速範圍內，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，使機床主傳動係統達到設計規定的最（zuì）大功率。記錄：

出現最大功率時的主軸扭矩和對應切（qiē）深，計算材料去除率

主軸和（hé）工作台的振動量

觀察加工表麵是否（fǒu）出現振紋

4)主傳動係（xì）統最大軸向抗力測試試驗

主傳（chuán）動係統最大軸向抗力測試是為了驗證（zhèng）機床能夠承受設計要求（qiú）的最大軸向切削抗力。

試驗在（zài）機床主（zhǔ）軸恒（héng）扭矩調速（sù）範圍內，選擇一適當的主（zhǔ）軸轉速，采用鑽削方式進行加工，並注入水基冷卻液（yè），通過改變進給速度，使（shǐ）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（gěi）速度，並計算材料去除率

主軸軸向切削抗力，用以比對設計（jì）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（dìng）的螺紋加工表現。對（duì）於給定直徑絲錐，選擇一固定（dìng）主軸轉速和切（qiē）深（shēn），依據（jù）螺紋設計導程和進（jìn）給（gěi）量進行攻絲，評價螺紋孔（kǒng）加工精度是否達到設計要求。

（2）切（qiē）削精度檢測

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現。依據可實現的不同加工型麵（miàn）分為三軸檢測零（líng）件（jiàn）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（jiǎn）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（líng）件由（yóu）NAS圓錐（zhuī）台，日本的四角錐台（tái），德國的NCG 2005試件，以（yǐ）及我國的S型（xíng）檢測試件，如圖4。

圖（tú）4. 標準（zhǔn）試驗係（xì）統結果曲線

以ISO檢測零件和S型檢測零件（jiàn）為（wéi）例（lì）分別對三軸和五軸檢（jiǎn）測零件的檢測內（nèi）容，代表零件的型麵特征進行說明：

1)ISO 10791標準（zhǔn）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（tū）台三個階梯型麵組成，在其（qí）上分（fèn）別有位於中心的中心孔，四個直角出的（de）位置孔以及底座相鄰兩個邊上的3o角斜麵。表（biǎo）1為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（biāo）準試件檢測內容及評（píng）定標準

2)“S”型檢測試（shì）件

“S”型試件是成都飛機工業（集團）有限責任公司提（tí）出的用（yòng）來評價（jià）與檢（jiǎn）驗五軸機床性能的數（shù）控機床驗收檢驗零件，其測（cè）量結果可作為（wéi）評價五軸機床工作精度的重要依據。研究“S”型試件的加工對於機床製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（tiáo）包（bāo）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

零件曲率變（biàn）化劇烈，上下兩條S型曲線在零件中心實現穿越，要求（qiú）機床具有更好的換向和軸間轉換能力，並且由於（yú）零件屬於薄壁結構，要求機床剛（gāng）性高，並且具有良好的動態性（xìng）能。該零件可綜合反映數控（kòng）機床的幾何精度（dù）、動態（tài）性能、加減速性能、擺角（jiǎo）換向能力、軸間轉換能力和（hé）機床剛度。

(3)單一精度測（cè）試

上（shàng）述ISO零件和S試件的工作精度測試主要是針對典（diǎn）型驗證零（líng）件（jiàn）加工和精度檢測，參考國際標準和我國標準和規範（fàn）。典型的測試零件、加工方（fāng）法、流程等還可依據NAS標準、ASME標準、日本標準和德國標準分別對圖5所示各（gè）種零件（jiàn）進行切（qiē）削和檢驗。

除此之外，還可以針對（duì）機床的實（shí）際應用需求進行若（ruò）幹（gàn）單一目（mù）標的切削精度檢驗（yàn），包括：

切削熱態精度

圓運動（dòng）切削精度

主軸不平衡精（jīng）度

刀具磨損等

麵銑削精度檢測

切削力變形（xíng）檢測

4、結論

以往在進行數（shù）控機床切削（xuē）有關測試和評價（jià）主要是針對數控機床切削負荷能（néng）力和切削精度進行檢驗和（hé）評價。

現（xiàn）在，沈陽機床集團依（yī）據用戶需求和企業對產品的更高要求，對數控機床檢驗（yàn）和評價除包含切削負荷檢驗（yàn）和切削精度檢驗外，還進行多種單因素切削精度檢（jiǎn）測（cè），提出（chū）切削能力預（yù）測（cè）和（hé）評價概念，引入數控機床切削加工狀態監測（cè）和評價私下，並且對加工獲得的表麵質量進行評價，可以更全麵和係統地反（fǎn）映數控機床的（de）實際應用（yòng）性能。

將（jiāng）來（lái），將注重在數控機床的工序複合能力，即在一台機床上完成全部工序的（de）能力、切削加工（gōng）振動抑製和加工誤差控（kòng）製能力、節能和高（gāo）效加工能（néng）力、應用和維護便易性等體現數控機床（chuáng）集成性、智能化、綠色性和易維護性等方（fāng）麵進行更為綜合的檢測和（hé）評價。（文自：沈（shěn）陽機床（集團）有限責（zé）任公司）

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