机床大讲堂第43讲——数控机床切削性能测试典型试件综述（三）数控机床切削性能测试典型试件综述（三）不同于以往测试试件只关注机床的加工精度，同时将检测机床切削性能的重点也放在机床的切削能力极限的检验，以及保证稳定切削时可能获得的最大切削极限，从而实现机床最大切削效率的检验。 数控机床在样机定型或出厂验收时一般需要经过重切削性能检验，检测时需要对标准试料进行切削，记录达到最大负荷时的扭矩、功率及轴向抗力等数据。数控机床的重切削性能可体现为数控机床的材料去除率和最大进给速度两种性能。重切削性能的检验过程中用到的试件形式简单，但对试料的尺寸、材质有明确要求。总结国内外有关标准发现，机床重切削检验所使用的试料一般多为铸铁或45钢等材质，用于多齿面铣刀切削(齿数≤5)，试件尺寸宽度为1D~2D，长度3D~4D，高度0.75D~1D，其中D为刀具直径。除此之外，试料需要预留安装孔或其他安装位置。试验中需根据具体的设计指标选择切削参数，并记录试验中的切削负荷，加工后的试件需要观察获得的表面纹理，必要的还需进行粗糙度检测。文献[26]在进行最大扭矩重切削试验时使用感压纸获得刀具加工的纹路。某些国家标准(如JIS)还规定重切削试验达到最大扭矩时的加工表面粗糙度值应不超过25 μm。图32为ASME B5.54标准中提出的一种典型试料尺寸形式。数控机床的重切削能力可以通过重切削试验结果来衡量，一般高品质机床每千瓦的材料去除率应大于28 cm^3，中等品质机床应大于25 cm^3，而普通品质机床为20 cm^3。 数控机床切削性能除了与机床的重切削能力有关外，还体现在数控机床的快速进给切削能力。快速进给切削能力主要用于检验机床在最大速度指令下的实际运行速度以及对应的切削表现。大体可分为平面铣削和垂直侧刃铣削。该项检验关注机床往复高速进给运动下因机床大件惯性引发的低频振动及其对表面质量的影响。图33为文献[27]给出的高速进给下得到的加工试件，走刀方式为平面往复运动和侧刃单轴运动，数控指令为G01，相邻两次的进刀间距为0.1 mm。 上述数控机床重切削检验和快速进给切削检验都是在理想的切削状况下进行的机床切削性能检验。而用户在进行实际工件加工时，有时机床主传动系统尚未达到理论上的最大负荷就产生了切削颤振，导致机床切削潜能无法充分发挥。可见切削颤振是影响数控机床重切削能力的重要因素。文献[28]为了评估制约数控机床加工薄壁铝合金工件生产率的加工振动状况，设计了一种倾斜薄壁结构试件，如图34。通过加工该试件验证颤振数值仿真的正确性，进而对优化和选择合理的切削参数，为获得良好的加工精度和加工表面提供帮助。 文献[29]给出了一种用于检验切削颤振临界切深和转速的匹配关系的检测试件，如图35，并给出在给定刀具、刀柄和主轴组合下的切削参数和发生颤振的切深表格。该研究切削试验用时半小时，每个台阶对应一个主轴转速，主轴由6000~11500 r/min，每间隔500 r/min进行一次切削。每次切削对应台阶高度相同，在相同主轴转速、轴向切深和进给速度下，每个台阶刀具由切入到切出径向切深随着倾斜台阶逐渐增大，实现变径向切深切削，从而获得对应不同转速下的颤振临界切深和稳定切削条件和颤振参数表。该研究中所使用的试件可以实现颤振临界切深的检验，并可通过对试件切削应用试切法获得颤振稳定域。 严格来说，机床的工作精度检验试件和切削性能检验试件都是为了进行机床性能评价而设计的试件，主要体现在对机床的精度、刚性等性能的检验。除此之外，机床性能评价还关注能够检验和评价机床加工表面的质量、机床伺服性能、数控插补指令、轴系加减速等性能。针对机床单一性能的切削应用检验的测试件一般需要进行多件切削，以便比较改进和优化前后的机床使用性能。 文献[27]介绍和使用了多种用于检测数控机床转角切削精度的机床验收检验试件。图36为其中3个检测试件，试件Ⅰ由2个二次抛物线连接而成，连接处接R5导角;试件Ⅱ为两个突起弧面连接而成，连接处理论上应平滑连贯。这两个试件在切削时的走刀方式都为往返运动，可分别用来评定机床在高速凹面和凸面运行下的转角过切情况。试件Ⅲ毛坯尺寸240 mm×30 mm，铝合金材质，最终型面由165°~85°斜面和R2~R50 mm圆角组成。使用直径为6 mm的2齿整体硬质合金球头铣刀进行加工。该试件同样用来评定数控机床在高速运动下的转角加工时所反映出的过切情况。 此外，文献[27]还进行了图37a所示试件的切削验证，该试件被国外机床厂商尤其是德国机床厂商广泛应用，用来综合评定数控机床的切削精度，在国内外主要展会上也多次出现这一试件，如EMO 2011展会，如图37b。 文献[30]展示了一种用于检测五轴铣削加工中心热变形敏感性的检测试件，如图38a。试件包含3个圆形台阶。机床回转A轴可沿Y轴导轨上下移动，为了衡量主轴沿Y轴是否存在向上的热变形，对试件分3次进行切削。采用整体式螺旋铣刀，第一次切削，工作台沿Y轴移动到最上端，主轴不动，A轴旋转加工出第一个圆形台阶;第二次切削，工作台沿Y轴移动到工作台最下端，同样主轴不动，A轴旋转加工出第二个圆形台阶;第三次切削，工作台沿Y轴移动到前两次的中间位置，主轴相对工作台做X-Y插补圆运动。如果Z轴存在沿Y轴向上的热变形，那么第一个圆台阶的半径要大于理论值，第二个台阶的圆台阶半径小于理论值，而第三个台阶相差不大。 文献[30]中还特别设计了另一种可用于精度检测的测试试件，如图39所示。该试件同样是用来评定机床的热变形。该试件设计成方锥形，包含7个连续台阶，其上包含一个内接圆台阶，分别在机床应用神经网络方法做热补偿前后加工一个试件，再在加工所得试件上进行测量以了解热变形程度，以及衡量热补偿的效果。 文献[31]，为了实时补偿和验证模型方便，设计试件如图40所示，基准面为底面和两个相邻侧面。主轴在800 r/min下空转，间隔一定时刻加工1个凸台和3个侧面，评价机床在热态下的加工精度。沿机床3个坐标方向加工一系列表面并比较加入热误差补偿的结果，评定补偿效果。 为了有效防止刀具碰撞，文献[32]中介绍了一种能够将CAM、后处理和刀轨仿真有效集成的方法，在获取最大材料去除率的同时，定义合理的刀具方位变化以防止加工碰撞，改善加工质量。通过对图41中试件的切削试验，验证优化前后的应用效果。将以往固定的刀具方位角进行自适应优化，加工后的型面凹坑高度由优化前的115 μm减小到35 μm。
2012年南京机床展上Fanuc公司推出应用纳米插补的高精度控制系统，展出了应用纳米插补前后的鼠标模具，从图42可以显著看出应用前有明显的加工条纹，该功能可以有效提高零件的加工质量。此外，Fanuc推出刀具前端指令位置控制功能的数控系统，并通过对叶轮不同叶片的切削，比较了应用高速平滑TCP和普通数控系统切削获得的表面质量。应用该功能可以获得更为突出的加工质量。 沈阳机床机床针对立式加工中心产品出厂检验中的机床电气系统优化应用了如图43所示试件，用于检验电气调试后关于机床特性的匹配状况。该试件由处于同一底座上的带倒角的阶梯圆柱、圆柱弧面、菱形和半圆球组成。要求电气优化和调试后的机床在实际切削样件时圆柱面侧壁不能有撞刀和振刀痕迹，并且加工出的样件尺寸误差小于0.01 mm。 Kopac对当今机床的最新技术，包括森精机的重心驱动DCG(drive in centre of gravity)、Sodick的前瞻功能LAF(look ahead function on machine)、高速主轴(20000~60000 r/min)、直线电动机驱动等技术进行了研究。认为获得高质量加工零件的前提除了与机床性能有关外，还与被加工材料的硬度、组织结构、晶粒尺寸等因素有关。该研究以医药模具加工为例介绍了一种典型医药药片模具零件的特征，如图44。该零件型面要求机床能够快速换刀，药片槽应用球头铣刀加工，主轴在刀库、测量系统零点以及工件之间快速移动，加工参数为主轴转速28000 r/min，进给速度依据加工质量要求分别在800~2300 mm/min中变化。药槽的加工要求极精密，可达粗糙度Ra 0.2 μm，如图44b。 综上所述，依据试件的适用领域和测试内容大体可分为机床工作精度检测试件、重切削性能和切削颤振极限检测试件以及体现数控机床单一性能检测的检测试件，各种数控机床切削性能的检测试件各有其侧重点和不同的适用范围。因此，在实际应用中应根据具体情况选择测试试件，也可以根据需求设计符合自身情况的试件和检测方法。未来各行业领域和大型企业会根据自身情况开发更能反映数控机床综合性能的测试试件，并建立符合企业实际状况的性能评价体系。
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