摘  要：詳細說明了進行數（shù）控機（jī）床（chuáng）切削性能測試和評價的意義，以及測（cè）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（jiā）工表麵質量等指標（biāo）對數控機（jī）床進行切削性能考（kǎo）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。有助於為機床製造商了解和掌握機床的真實應用性（xìng）能，進行（háng）麵向用戶需求（qiú）的數控機床開發和進一步（bù）對機床（chuáng）產品進行（háng）試製和優（yōu）化；同時（shí）有利於為機床用（yòng）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（zuì）佳精度範圍， 減少機床應用中問題的判斷和維修時間。

      關（guān）鍵詞：切（qiē）削性能；性能測試；機床評價；負荷試驗；切削精度
 

       數控機床（chuáng）的水平（píng）、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（kòng）機床作為國防軍工的戰略裝備，是各種武器裝備最重要的製造手段，是（shì）國防軍工裝備現代化的重要保證。數控機床的（de）綜合性能（néng）水平，決定了國家工業製（zhì）造水平。為（wéi）了（le）滿（mǎn）足典型行業用戶對數控機床的應用，機床製造商除（chú）了提供功能（néng）完備、易（yì）用和易於（yú）維護（hù）的機（jī）床產品外，還應（yīng）根據用戶零（líng）件的（de）加工工藝特點，重點在機床（chuáng）的幾何精度、加工精度、加工效率、設備利用率等性能（néng）指標上滿（mǎn）足用戶對零件加工的要求。

       1、 切削性能（néng）測試和評價意義

       數控機床的實際應（yīng）用性能，主要表現為：靜態特性、動態特性、運動特性、熱特（tè）性、可靠性、切削加工的（de）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麵，對（duì）機床的（de）運動（dòng）和（hé）動力學性能（néng）進行深入了解，並可進（jìn）一步有針對性（xìng）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（shì）。性能測試可以獲得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、以及機床可靠性情況。而切削加工可以綜合獲（huò）得機床的（de）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（xìng）能、動態性（xìng）能、承載和變（biàn）形等性能（néng）的綜合表現。

       在進行數控機床（chuáng）性能測試時，由於試驗測試是通過應用先進的測試儀（yí）器進（jìn）行數據的采集（jí）和處理，與用戶處使用機床的真（zhēn）實環境存在區別，測試過（guò）程中一般沒有（yǒu）載荷，並且不存在刀具與工具之間的（de）相互作（zuò）用，切屑和切削過程中的各種狀態量無法體現，導致（zhì）儀器測試得到的數據與真實切削存在差異。另（lìng）外，數控機床的性能（néng）測試需要大量（liàng）專業儀器，多數製造商和用戶不具（jù）備完善的測試條件。因（yīn）此，最直接和最真實的檢測評價方法是通過切削加（jiā）工和零件的檢測來（lái）實現。

      對於機床用戶來說，開展數控機床的切削性能（néng）測試和評價研究（jiū），可以：

    A 有利於進行（háng）機床的采購和驗（yàn）收
   B 找出（chū）機床工作精度問（wèn）題或在使用中進行定期精（jīng）度檢查
   C 尋找機床（chuáng）最佳精度範圍，以便獲（huò）得良好加工品質
   D 減少機（jī）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

       對於（yú）機床生產廠商來說（shuō），開展數控機床的切削性能測試和評價研究，可以：

   A 了解（jiě）和掌（zhǎng）握機床的真實應用性能
   B 進行麵向用戶需求的數控機床開發
   C 有利於機床新樣機試製和優化
   D 獲得更高的加工精度、更（gèng）大的加工效率

       核心是（shì）提供給用戶更優質的機床產品

       2、評價體係研究內容（róng）和（hé）流程

       依據數控機床（chuáng）切削（xuē）性能的測試和評價兩個主要階（jiē）段，對數控機床切削性能測試流（liú）程劃分如圖1所示。首先，需要確定評價的對象和體係適用（yòng）範圍，一般可依據測試目的分為新型數控機床樣機的檢（jiǎn）測評價、新出廠樣機（jī）的例行檢驗、以及（jí）用戶處長（zhǎng）期使用的（de）數控（kòng）機床的定（dìng）期檢驗。隨後（hòu）需要進行具體（tǐ）的測試和評價（jià），主要針對數（shù）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測試和評價研究。並（bìng）依據具體（tǐ）的測試方法和測試（shì）流程進行測試，與單純的切削加工不同，進行數控（kòng）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、夾具等工藝係（xì）統準備，還需要對測試儀器進行調試安（ān）裝（zhuāng），此外（wài），對切削試驗（yàn）的方（fāng）案、方法和參數進行規範化執行。試驗中，需要記錄（lù）必要的數據，並進行數據結果的統（tǒng）計和分析。最後依據有關國際國內標準和企業內部規範，確（què）定設計目標和評價標（biāo）準，並將試驗獲得（dé）的數據指標與評（píng）價標準比較，綜合進行機床真實切削性能的評價，給（gěi）出機床適用的範圍。
 
 
      圖（tú）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（néng）測試（shì）和評價方法包括：空運轉實驗、切削負荷試驗、國（guó）標件或NAS件的切削和檢測等。這（zhè）樣的現狀存在的問題和弊端主要有：

 隻關注工作精度和切（qiē）削負荷，這樣的測試和評價並不全麵。

 負荷試驗對機床有一（yī）定破壞作用，容易在機床未（wèi）磨合應用前造成早期破壞，從而影響後（hòu）期（qī）的實（shí）際應用。

       根據這樣的現狀，沈陽（yáng）機床高檔數控機床國家重點實驗室通過大量的機床（chuáng）樣（yàng）機定型檢（jiǎn）驗和機床產品出廠檢驗，提（tí）出數控機床切削性能測試和評價的內容除上（shàng）述負荷試驗和精度試驗檢測外，還應該包括，如圖2：

 A 多種單一（yī）精（jīng）度（dù）的檢測評（píng）價；
 B 切（qiē）削能力評估；
 C 切削狀態評價；
 D 加工質量評（píng）價等內容。

 
  圖2. 數控機床切削性能測（cè）試和評價體係內容

       3、切削性能測試（shì）

       （1）切削負（fù）荷測試（shì）

       切削負荷試驗包括主軸空運轉試驗、主傳動係統的最大扭矩（jǔ）、最（zuì）大功率和最大軸向抗力試驗，以及機床剛性攻絲試驗（yàn）、鏜削能力試驗等，如圖（tú）3所（suǒ）示。有（yǒu）關的參考依據為國家（jiā）標準和企業根據用戶需求提出（chū）的（de）企業（yè）內部標（biāo）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（sù）下的實際功率（lǜ），確定對應功率損（sǔn）耗。由於主軸的實際切削功率（lǜ）=總功率-空運轉功率損耗。試驗中需要主軸在五個不同（tóng）轉速範圍進行（háng）測試，即主軸最高轉速的20%，40%，60%，80%，100%。

       2)主傳動係統最大扭矩測試試驗

       主（zhǔ）傳動係統最大扭矩測試（shì）的目的是（shì）為了確定機床在不同加工方（fāng）式下的實際切削參數是否達到設（shè）計（jì）參數，驗證（zhèng）機床在最（zuì）大切削（xuē）負荷下的材料去除率。

       試驗需要在機床主軸恒扭矩調速範圍內，選擇一適當的主軸轉速（sù），采用銑（xǐ）削方式進行試驗。通過改變進給速度，使機床（chuáng）主傳動係統達到設計規定的最（zuì）大扭矩。試驗中需（xū）要記錄：

 A 出現最大扭矩時的主軸功率和對應進給量（liàng），計算材料去除率
 B 主軸和工作台的振動量
 C 觀察加工表麵是否出（chū）現振紋

       3)主傳（chuán）動係（xì）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（dìng）機床在不（bú）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（chuáng）在最大切削負荷下的材（cái）料去除率。

       同樣，試驗需要在在機床主軸恒功率調速範圍內，選（xuǎn）擇一適當的主軸轉（zhuǎn）速，采用銑削方（fāng）式進（jìn）行試驗（yàn）。通過改變切（qiē）削深度，使機床主傳動係統達到設計規定的最大功率。記錄（lù）：

 A 出現最大功率時的主軸扭矩和對應切深，計算材料去（qù）除率
 B 主（zhǔ）軸和工作台（tái）的振動量
 C 觀察加工（gōng）表麵是否出現（xiàn）振紋

       4)主傳動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（shì）為了驗證（zhèng）機床能夠（gòu）承受（shòu）設計要求（qiú）的最大軸（zhóu）向切削抗力。

       試驗在機床主軸恒扭矩調速範圍（wéi）內，選擇（zé）一適當的主軸轉速，采用鑽（zuàn）削方式進行加工，並注入水基冷卻液，通過（guò）改變進給速度，使機床達到設計規（guī）定的（de）軸向抗力。記錄：

  A 相應主軸負（fù）荷率下的進給速（sù）度，並計算材料去除（chú）率
  B 主（zhǔ）軸軸向切削抗（kàng）力，用（yòng）以（yǐ）比對設計指標

       5)剛性攻絲測試試驗

       剛性攻絲（sī）測試是為了評定機床設計規定（dìng）的螺紋加工表現。對於給定直（zhí）徑絲錐，選擇一固定主軸轉（zhuǎn）速和切深，依（yī）據螺紋（wén）設計導（dǎo）程和進給量（liàng）進（jìn）行攻絲，評價（jià）螺紋孔加工精度（dù）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（jiā）工和檢測來實現。依據（jù）可實現（xiàn）的不同加工（gōng）型（xíng）麵分為三軸檢測零件和五軸檢測零件兩類，典型的三軸檢（jiǎn）測零（líng）件由ISO標準（zhǔn）零件、美國NAS三軸檢測零（líng）件和ASME檢測（cè）零件，德國的NCG檢測零件等。典型的五軸（zhóu）檢測零件由NAS圓錐台，日本的四（sì）角錐台，德國的NCG 2005試件，以及我國的S型檢測試件，如圖（tú）4。

 
   圖4. 標準試驗係統（tǒng）結果曲（qǔ）線

       以ISO檢測零件和S型（xíng）檢測零件為（wéi）例分別對三（sān）軸（zhóu）和五軸檢測零件的檢測內（nèi）容，代表零件的（de）型麵特征（zhēng）進行說明：

       1)ISO 10791標準試件

       ISO檢（jiǎn）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階梯型麵組成，在其上分別有位於（yú）中心的中心（xīn）孔，四個直角出的位（wèi）置孔以及底座相鄰兩個邊上的3º角（jiǎo）斜麵。表1為ISO標準試件檢測內（nèi）容和評價允差。

 
   圖5. 標準試驗係（xì）統結果曲線

   表1 ISO標準試（shì）件檢測（cè）內容及（jí）評定標準（zhǔn）

  
       2)“S”型檢（jiǎn）測試件

       “S”型試件是成都（dōu）飛機工業（集團）有限責（zé）任公（gōng）司提出（chū）的用來評價與檢驗五軸機（jī）床（chuáng）性能的數控機床驗收檢驗零件（jiàn），其測量結果可（kě）作為評價五軸機床工（gōng）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（chuáng）精度與性（xìng）能具（jù）有極（jí）其重要的意（yì）義，其型麵如圖6(a)所示。“S”型檢測試件主（zhǔ）要由底座和S型緣條組（zǔ）成，如圖6(b)，其中（zhōng）底座特征（zhēng）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（zhí）紋母線。
      
       
 
       (a)S型試件

       
 
       (b) S型特征

    
       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（xíng）曲線在零（líng）件中心實現穿越，要（yào）求機床具有更好的換向和軸間轉換能力，並且由於零件屬於薄壁結構，要求（qiú）機床剛性高，並且具有良好的動態性能。該零件可綜合反映數控機（jī）床的幾何精度、動（dòng）態性能、加減速性能、擺角（jiǎo）換向能力、軸間轉換能力（lì）和機床剛度。

       (3)單一精度測試

       上述ISO零件和S試件的（de）工作精（jīng）度測試主要（yào）是針對典型驗證零（líng）件加工和精度檢測，參考國際標準（zhǔn）和我國標準和規範（fàn）。典型的測試零件、加工方法、流程等還可依據NAS標準、ASME標準、日本標準和德國（guó）標準分別對圖5所示各種零（líng）件進（jìn）行切削和檢驗。

       除此之（zhī）外，還可以針對機床的實際應用需求進行若幹單一目（mù）標的切削精度檢驗，包括：

   A 切削熱態精度
   B 圓運動切削精度
   C 主（zhǔ）軸不平衡（héng）精度
   D 刀（dāo）具磨損（sǔn）等
   E 麵（miàn）銑削精度檢測
   F 切削力變形檢測

        4、結論

       以往在進行數控機床切削有關測試和評價主要是針對（duì）數控機（jī）床切削（xuē）負（fù）荷能力和切削精度進行檢驗和評價。

       現在，沈陽機床集團依據用戶需求和企（qǐ）業對產品的更高要求，對數控機床檢驗和評價除（chú）包含切削負荷檢驗和切削精度檢驗外，還（hái）進行多種單因素切削精度檢測，提出切削能（néng）力預測和評價概念，引（yǐn）入數控（kòng）機床切削加工狀態監測和（hé）評價私下，並且對加工獲得的表麵質量進行評價，可以（yǐ）更全麵和係統地反映（yìng）數控機床的實際應用性能。

       將來，將注重在數控（kòng）機床的工序複合能力（lì），即在一台機（jī）床上（shàng）完成全部工（gōng）序（xù）的能力、切削加工振動抑製和加（jiā）工誤（wù）差控製能力、節（jiē）能（néng）和（hé）高效加工能力（lì）、應用和維護便（biàn）易性等（děng）體現數控機（jī）床集成性、智能化、綠色性和易維（wéi）護性等方麵進行更為綜合（hé）的檢測和評（píng）價。 (本文來自：沈陽機床（集團）有限責任公司)