机床大讲堂第43讲——数控机床切削性能测试典型试件综述（一）数控机床切削性能测试典型试件综述（一）机床的精度主要包括机床的几何精度、定位精度和切削精度3个方面。其中更能综合而真实反映数控机床实际应用时工作精度的指标是数控机床加工典型试件的切削精度。 关注机床验收试件的研究并进行数控机床验收试件切削检验对提升数控机床性能的意义在于： (1)有助于快速检测和评价数控机床的工作精度和切削性能，使机床检验和验收有据可依; (2)数控机床工作精度检测有助于使切削行为量化，有助于解决机床精度存在的问题，并进一步帮助机床研发人员有针对性地提升机床改进效率; (3)有利于建立一组具备行业用户加工工件工艺特性的测试试件，进一步了解具体行业用户对机床产品的需求，并缩短对用户工艺的认识周期，深入掌握机床加工用户工件的表现。 通常数控机床的切削验收只是按照机床出厂合格证书上提供的ISO或NAS标准验收实际切削和测定内容完成各项技术工作精度指标的检测。机床的切削精度会受到机床的机械特性、控制系统参数设定、刀具选用和切削工艺、刀具轨迹规划和加工方法、被切削材料类型、工件的型面特征等因素影响，如图1。因此，为了了解一台机床的真实应用性能需要排除与机床无关的因素对切削性能的影响，对切削工件的材料、形式，工件的加工方法、流程，使用刀具和机床所处环境以及切削后工件的测量检验等进行固化，只关注与机床相关的因素对最终工作精度的影响，如图1所示。 除了进行典型验收试件的工作精度检验外，绝大多数机床用户会对机床可适用的切削参数范围感兴趣，迫切希望机床制造商提供机床实际应用中合适的切削参数，以便给予指导性选择。这就需要机床制造商在机床出厂前对产品的切削负荷能力进行试验考核。机床的工作精度和切削负荷能力这两项与切削有直接关系的指标也是衡量机床性能优劣的重要标志，成为众多检验机床性能的国内外标准中的主要内容。而两项重要指标的检验和验证一般是通过典型验收试件的切削和检测来进行检定和评价的。 通过应用专业检测仪器测量可以直接了解数控机床精度，如图2所示。表1列举了其中几种测试仪器可获得的精度指标。此外，也可以通过对典型验收试件进行切削和检测间接获得机床精度。比较而言，通过验收试件的切削和检验可以更为真实地获得机床在不同加工方式、插补方式、加减速条件下针对多种型面特征切削时的工作精度。 数控机床的验收检验试件一般按照用途可分为机床精度检验试件和机床性能检验试件。精度检验试件主要针对的检测内容包括： (1)面铣、侧刃铣、钻孔、镗孔、螺纹加工等加工方式; (2)应用钻头、立铣刀、面铣刀、镗刀、螺纹镗刀等类型刀具加工; (3)对平面、侧面、正方形、菱形、圆形、基准孔、同轴阶梯孔、对称位置孔、螺纹、圆锥等型面特征的加工精度; (4)针对单轴直线运动、两轴联动斜线运动、圆插补运动、螺旋插补等多种插补运动形式下的联动精度以及轴间换向、摆角转换等多轴联动运动精度; (5)两轴等速联动或不等速联动、三轴联动、五轴联动、不同进给速度、不同加工直径、不同联动轴匹配等进给运动条件和加减速性能; (6)可反映热误差对加工精度影响程度的初始加工和终止加工时的轴线或径向变形量。 而加工中心的性能验收检验试件主要体现在机床的切削负荷性能和切削极限能力检验，以及集成度转角过切、插补精度、热态性能、机床刚度和动态性能等性能指标的检验。 综上，三轴和五轴精度检测试件以及加工中心性能验收检验试件的型面特征和反映的机床精度、性能等问题，这些试件具有的共同特征可概括为：(1)容易制造并且能快速加工;(2)能实现快速测量，测量结果易于评估;(3)能够提供大量完整检测和评价结果;(4)能够揭示机床精度而不是刀具或者刀具安装等其他误差影响因素;(5)能够揭示与加工策略高度相关的误差影响因素;(6)试件适用于不同形式的加工中心制造和检测。 以一台普通立式加工中心的工作精度检测为例，需要综合反映该设备的关键机械零部件和组装后的整机几何形状误差，反映机床各运动部件如工作台、立柱、滑板、滑鞍、主轴箱等的运动精度，以及执行切削加工主运动的主要部件如主轴的自身回转精度和直线精度，依据不同部件和运动形式，包括：工作台面的平面度;各坐标方向移动的相互垂直度;X、Y坐标方向移动的工作台面的平行度;主轴轴向的经时窜动;主轴孔的径向圆跳动;主轴箱沿Z坐标轴心线方向移动时主轴线的平行度;主轴回转轴心线对工作台面的垂直度;主轴在Z轴坐标方向移动的直线度;主轴相对工作台处于不同位置时的位置精度等。 依据美国航天工业协会(AIA)于1966年提出了NAS 979三轴机床检测试件，开启了利用检测试件的实际切削和检测来评估数控机床工作精度的方法。工作精度测试是一种复杂测试，测量误差同时包含多种误差源。NAS979中提供的4.3.3.5.1试件形式如图3所示，该试件分别需要加工试件中心直径为φ20 mm，深40 mm的孔、边长为140 mm的外正方形、边长约为100 mm的菱形、角为5°的倾斜面以及直径为φ16 mm深30 mm的孔。实现钻头钻孔、立铣刀侧铣平面、面铣刀铣平面、镗刀镗孔等多种加工方式，可完成包括单轴直线、两轴联动插补直线和圆、两轴联动不等速插补、三轴联动螺旋插补等多种形式运动，可以系统检验三轴机床的工作精度。 我国引进NAS检测试件及相关技术后，对试件检验项目和允差做了重新规定，如表2所示。机床生产商一般会在产品验收时严格依据标准执行，但也会依据用户需求或企业产品升级对检验允差提出更高要求。 继NAS 979试件提出之后，国际标准化组织在其标准ISO 10791-7中提出了两种形式的机床验收工作精度的检测试件。第一种试件用来检测机床使用铣、镗、钻等方式在多种插补方式下精加工不同型面特征的精度，试件如图4，与NAS试件类似，该试件也需要完成中心孔、外正四方形、菱形、圆形、斜面以及位置孔等型面特征的加工。第二种试件用来检测机床的面铣削精加工精度。这两种试件可作为不同结构形式机床的工作精度验收使用。 值得注意的是，应保持刀具与下表面平面离开零点几毫米的距离，以避免在不同的轴向高度加工不同的轮廓表面造成面接触。对试件型面包含直边的正四方形、菱形和斜面等元素测量，为获得直线度、垂直度和平行度的偏差，测头至少应包含10个测点;对于圆度或圆柱度检验，如果测量为非连续性的，则在每个平面高度至少检验15个测点。 第二种试件包含两种尺寸，检验机床面铣削精度的方法是通过对试件毛坯进行两次连续面铣削，测量加工表面的平面度误差。大尺寸试件不超过0.03 mm，小尺寸试件不超过0.02 mm;测量垂直进给方向的直线度误差，用以检验机床在两次切削加工中表现出的重叠性;测量平行于进给方向的直线度误差，用以检验机床正反进给和顺逆铣削加工的影响情况。 与ISO 10791-7第一种试件相同，日本、中国等多个国家将ISO试件加入各自机床检验标准中，并对试件及允差进行了重新规定，陆续推出了JIS B 6336-7-2000、JB/T 8772.7-1998、GB/T 20957.7-2007、GB/T 18400.7-2010等标准。随后，美国机械工程师协会在ASME B5.54标准中介绍了一种用于检测和评价加工中心工作精度的验收试件，如图5所示。相比ISO10791-7试件，该试件多出了位于试件上表面的4个螺纹加工孔和位于底面的同轴孔等两个主要特征，分别用于评定机床刚性攻丝精度和某些带回转工作台的机床工作台翻转180°加工孔的镗孔精度和位置精度。该试件较ISO标准试件，对数控机床的工作精度检测更为多样，精度要求更为复杂。 德国NCG公司提出了NCG2004 PART 1应用于高速数控机床工作精度检验的试件，形式如图6所示。试件由小圆台阶、45°方台阶、大圆台、锥台、球面、3D型面、0.5°斜面、n和c字型槽面、两侧孔等特征组成。 NCG2004试件随后被德国及欧洲多数国家作为高速加工机床工作精度检测广泛应用。NCG 2004试件分为大小两个规格，试件各主要型面特征具体表述如图7所示，以大尺寸试件为例介绍各型面特征所反映的机床精度指标：(a)a1凸圆台阶(a2凹圆孔)：评估不同高度、不同进给速度下过象限位置的工作精度;(b)45°菱形台阶：评估机床两轴以相同运动速度联动做线性插补的工作精度;(c)大圆台：评估两轴联动圆插补运动，过象限位置一轴加速度突然反向，另一轴加速度达到最大时的机床驱动部件执行响应能力，控制系统精度等;(d)90°方台阶：评估单轴恒速直线运动时的加工精度;(e)上表面不同位置孔：评估机床在不同位置加工孔时的位置精度，孔圆度误差评定主轴-刀具系统刚度;(f)XY联动沿X轴和Y轴向呈0.5°斜面：评估两轴极端不等速联动时的插补精度;(g)XZ联动和YZ联动0.5°斜面：评估机床水平轴与垂直轴在极端不等速下联动时的插补精度;(h)锥台：评估机床动力学性能和控制系统的动态响应性能;(i)球面：评估3个轴线小增量恒定线性插补联动加工，检验机床不正确插补带来的错误型面映射;(j)3D型面：评估机床在不同速度下的颤振趋势，检验机床在曲率突变位置的干涉情况;(k)nc字母槽面：评估主轴发热伸长量;(l)两侧孔：评估旋转轴回转位置或角度偏移偏差。
此外，NCG公司随后还推出了NCG2006[4]和NCG2007试件，如图8所示。
文献[6]针对雷诺汽车机床验收试件(图9)，用以检验机床孔加工圆度误差和定位精度。除关注加工精度外，还主要关注机床在加工试件不同型面特征的完成质量和加工时间。该试件由直径为80 mm和25 mm的两个主要圆孔、两个垂直立面、6个垂直凹槽和若干小孔组成，分别用来检验机床镗孔圆度、侧刃铣削直线度、位置精度和攻丝精度等。
德国某汽车公司提出一种检验带回转工作台的卧式加工中心的测试件，如图10。综合反映此类机床位置偏差、同轴度、垂直度、直线度、平行度、倾斜度、圆度、对称度、相对位置偏差等精度指标的检测试件，利用试件轮廓特征反映机床误差元素分布，并以试件的精度检测结果作为评价机床的依据。试件由3个正方形、1个圆形、4个定位阶梯孔、1个中心基准阶梯孔、2个1°斜角、2个侧面定位孔以及用于实现试件装夹的3个安装通孔和安装定位的2个定位孔共同构成。不同于NAS三坐标试件，该试件的定位孔L和M可实现回转工作台±90°孔加工同轴度的检测。
文献[7]利用NAS 979三轴标准试件检验机床的体积误差，了解机床加工空间内任意点的三轴定位精度，用于等价空间对角线上各点定位误差检验。试件分为四方形底座、其上方的正三角形凸台和最上方的圆形凸台组成，正三角形凸台和圆形凸台的切削起点都是坐标平面过圆心直线沿Y轴的正向交点。
文献[8]试件用于检验机床沿X和Y轴单轴运动的直线度误差，以及两轴联动时的直线度误差，如图11。该研究为了避免偶然因素影响最终切削精度的判断，切削10～20个同样试件并进行统计特征分析。另外，还建立了加工精度与生产成本间的关系，分析了加工精度的影响因素(图12)，指出随着加工精度的提高，所需提供的生产成本呈指数增加。 （未完待续，下期放送） |
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