机床大讲堂第43讲——数控机床切削性能测试典型试件综述（二）数控机床切削性能测试典型试件综述（二）NAS 979标准中除规定了典型三轴机床检测试件外，还有一种用于检测五轴数控机床工作精度的检测试件。它是目前国际上认可的一种用于五轴机床精度的测试试件，试件整体呈现出圆锥台形式，如图13，加工后的试件需要检查切削表面粗糙度、圆度、锥度等。标准中规定单位为英寸，发展至今，试件的尺寸和检验允差不断变化，尺寸和允差可依据企业或用户标准提供，允差随着机床技术的不断进步也在不断减小。文献[9]中通过对1969-2006近40年的圆锥台切削数据统计发现，机床设计的圆度精度要求和实际切削获得的圆度都显著提高，并且预计未来10年间还会继续提高，如图14。
最初发布的NAS圆锥台试件底面直径10英寸，2.5英寸高，加工锥台轮廓时，主轴升高1英寸加工180°轮廓，同时主轴下降1英寸加工180°轮廓。测量时沿着刀具轴线方向测量。规定进给速度为25英寸/min，主轴转速1800 r/min，圆度误差0.004英寸，圆柱度误差0.004英寸，角度误差±0.0012°。 国内对NAS979圆锥台试件尺寸、材料ZL102和加工允差进行了重新规定(图13)。基本保留了试件的原有形状，将尺寸要求依据国际单位制进行了设计，工件倾斜15°加工锥面及Φ50 mm孔。试切刀具推荐选用Φ16 mm或Φ20 mm硬质合金立铣刀加工。切削参数：切削速度400 m/min，每齿进给量约为0.05～0.1 mm，切削深度0.2 mm。检验项目及允差见表3。 针对五轴加工机床工作精度的检测，日本学者提出了一种四角锥台精加工试件，图15a，检测机床的直线度、垂直度、平行度等，试件可实现机床工作精度在机检测。堤正臣在加工中选择主轴转速1000 r/min，进给速度400 mm/min，使用直径20 mm的两齿高速钢铣刀，轮廓精度如图15b。五轴数控机床在进行三轴试件切削时可以检验和评价机床的固有几何误差，以及回转轴的螺距误差和主轴的倾斜误差。而在进行五轴联动的试件切削时可以检验和评价机床的直线度、圆弧插补精度、五轴联动精度等。 德国NCG公司针对五轴机床的切削验收提出了NCG 2005检测试件，形式如图16所示。试件型面由圆形表面轮廓、正方形、棱锥、圆锥、N和C型字母、以及类似人鼻和嘴的多种型面组成，不同型面一般分左右成对出现，分布用来评价机床在快速进给、慢速进给加工轮廓以及顺时针和逆时针运动时伺服轴对加工状况的影响情况，并且字母N和C分别在试件加工初始和结束阶段加工，用于评定机床的热态加工精度。另外，试件还特别注重刀具回转中心(TCP)和轮廓精度的评定。 我国有关数控机床切削检测最著名检测试件是成飞数控加工厂提出的“S”型试件。该试件不同于NAS 979圆锥台试件在加工时始终处于开角加工区域，不能正确反映多轴联动加工中各运动部件的综合精度和动态响应特性，如图17。“S”型试件的产生弥补了国际上通用的NAS五坐标锥台检测试件检测项目过于简单、结果过于单一的缺点。试件的主体是一个呈“S”型走向的扭曲曲面形成的等厚度缘条。由于缘条与底平面的夹角连续变化，在连续加工“S”形曲面缘条两侧时可实现检查数控机床切削加工的表面粗糙度、厚度、轮廓误差等目的。由于切削时处于连续变轴加工，验证机床开、闭角转换时的性能，可更好地反映多轴联动加工中各运动部件的综合精度和动态响应特性，并且由于试件壁厚较小，加工中材料去除率大、试件刚度弱、转向多变，因此，更能体现航空薄壁零件的特征。其曲面形状复杂且单薄，切削材料去除量大。目前，该试件已取得中美两国发明专利，并已将成果提交国际专利，不久将与著名的NAS试件一道成为检测和评价数控机床切削精度能力的重要参考指标。 NAS 979圆锥台、日本四角锥台和我国“S”型试件的检测项目得知，“S”型试件更能体现五轴机床的动力学性能和加减速性能，尤其适合反映机床的刚性和动态性能、轴间转换、轴向变换以及回转轴的摆角转换能力。 Cooke等人应用了一种改良的NAS 979三轴试件，用于对电子束和激光束两种加工方法获得的加工精度进行比较和评估。将原作中试件中心的圆柱中心孔改进为倒锥孔，最终形成由倒锥孔、菱形、圆形、正方形和5°斜面组成的检测试件，如图18，用来对加工中心包括五轴加工的工作精度进行检测。该试件加工获得的一系列型面用测量内容包括正方形旋转45°后形成的菱形的尺寸精度、上表面平面度、临边的垂直度、对边的平行度以及加工表面质量的完成情况;5°斜面的角度偏差;圆形台阶的尺寸精度、圆度和表面质量;倒锥孔半径、底面圆度、锥角和锥面加工质量等。 针对NAS 979圆锥台试件检测的误差分离，日本京都大学Matsushita开展了剥离出试件型面误差中反映的六项机床几何误差。 东京农工大学Tsutsumi提出了四角锥台试件，如图19，可以辩识出机床的圆度、直线度、垂直度和平行度加工误差。东京农工大学堤正臣教授在利用球杆仪进行五轴机床精度检测时比对NAS979圆锥台切削，检测机床圆运动误差、加工试件的尺寸误差、转动轴摆角误差以及多轴联动加工的同轴度误差，最终利用球杆仪实现虚拟圆锥台模拟加工，从而达到不进行加工来评价机床精度的目的。 牛尾设计了一种用于检验五轴摇篮加工中心的试验测试样件，如图20。该试件由平行底面的平面截取而成。可用来检测机床回转轴运动精度和多轴联动运动精度。该研究还对现行的一些典型机床精度测试试件和测试方法进行了比较，发现这种测试试件可以实现多数现行试件无法检测的机床精度性能，其中不乏以往无法检测的精度指标。该研究使用直径为10 mm、齿数为6的整体硬质合金铣刀进行试件加工，每齿进给量0.01 mm，主轴转速1900 r/min，对应进给速度114 mm/min。 牛尾认为机床验收试件间接测定机床加工形状精度，设计切削试件形状需要考虑所要反映的机床精度参数，并指出机床切削形状精度受切削条件影响很大。该研究同时还提出一种用于检验机床加工圆度的圆形试件，如图21，并与NAS 979试件做了比较。试件直径250 mm，厚度20 mm，可用来做平面内的两轴联动精度检验。而NAS 979五轴联动试件直径254 mm的圆锥台，厚度63.5 mm，圆锥半顶角15°，锥台底面安装倾斜15°。研究还针对NAS锥台、四角锥台和菱形锥台等3种五轴机床检测试件的加工工艺，比较了利用球头刀具三轴联动在等高面上加工以及利用五轴联动刀具倾斜功能等高线加工试件的刀具运动轨迹。
文献利用圆锥台对包含动态误差的加工中心进行工作精度评估。为了检验仿真模型的准确性，试验分别在不同的圆锥直径D、倾斜角φ、锥角θ以及试件安装位置等组合下进行3种条件的圆锥台切削验证，并比较了仿真轨迹和实际切削加工获得的轨迹，如图22a、b、c。最后，给出了经过补偿的实际加工轨迹来验证预测和补偿效果，如图22d。3种条件下试件的尺寸参数如表4所示。
森精机公司为了说明其产品应用性能以及机床结构优异，在产品样本中增加NAS 979试件切削精度检测结果，并提供对应切削参数。切削进给速度2000 mm/min，主轴转速2000 r/min，直径40 mm的2齿硬质合金立铣刀。相比通常切削检验20～30 μm的圆度误差，该机床的加工圆度误差达到2.92 μm。 国内机床厂应用NAS 979标准对数控机床工作精度进行检验，保留原标准中试件形式，将7075铝合金更改为国内普遍应用的HT200。试件的所有外表面推荐选用直径为Φ32 mm的硬质合金立铣刀加工。Φ20 mm和Φ16 mm的孔推荐选用相应直径的钻头和镗刀进行加工。沈阳机床与西南交通大学利用圆锥台试件共同进行了AC轴转台的转角误差辨识和验证，如图23。首先，利用球杆仪在C回转台上XY平面做RPCP同步运动，得到相应的坐标位移误差。进一步利用误差辨识和补偿算法提取误差项，并进行补偿。同理，A轴在YZ平面做RPCP同步运动，得到相应的坐标位移误差，并进行误差辨识和补偿。
文献[18]为了评价五轴联动机床的精度，首先进行了TCP精度检测，但是TCP检测只能反映五轴联动的静态精度，而不能表达五轴联动的实际切削精度，因此，进行NAS 979切削，并将切削后的试件在三坐标测量机上检测。值得一提的是，该研究在检测试件时选择中心孔和外圆面的测量点数12个，中心孔加工孔径由加工者选定。试件检测包括圆锥台底圆半径、圆度误差、锥面粗糙度和锥面倾斜度等4项指标。 上海交通大学与沈阳机床合作开展了ISO 10791-7三坐标测试件的切削试验，用于检验上海交通大学开发的热误差补偿器的补偿效果，并比较沈阳机床生产的数控机床在进行热误差补偿前后的效果，如图24所示。
由于NAS 979圆锥台检测试件加工检测得到的是机床的综合切削精度，很难进行各项运动误差的分离，因此，文献[19-20]提出了多种加工方式并集中通过两种试件反映摇篮摆台机床回转C轴切削精度，检验机床的转轴运动学误差。通过一系列切削试验，检验和辨识五轴数控机床的运动学误差，前后共进行11种方式的直线侧切铣削试验，加工后的试件几何误差和机床运动学误差之间的关系可用五轴机床运动学模型表示，利用计算模型从加工试件的几何误差中辨识出机床的动力学误差，并且将辨识结果与球杆仪评测结果进行了对比。两种试件形式分别如图25和图26所示。
文献[21]中，Ya Zhang等设计了一种用于识别五轴摇篮机床转动轴运动误差的试件，如图27，并通过对该试件的切削来验证所建立起来的误差模型。通过优化坐标系，基于机床基本运动链，改进和优化运动误差模型，并从试件的加工精度验证模型辨识的适用性，结果显示改进模型可以降低辨识的复杂程度、减少时间消耗。 文献[22]介绍了一种用于检验并联机床切削精度的测试试件，如图28。该试件具有多种不同的几何型面特征，用于检验机床真实铣削时的机床配置参数，提供机床加工自由曲面精度，尤其是针对模具行业型面加工。其中主要由4段型面组成，分别用来检验机床在进行相切但不连续曲面、连续多项式合成曲线、圆插补曲率不连续曲面以及连续多项式平滑曲面等型面加工时的切削精度。
文献[23]通过进行探测过程间歇检测查找切削加工造成的系统误差，尤其是加工薄壁零件时偏转误差。该研究提出了一种仅应用在线检测数据在零件半精加工到精加工过程中补偿刀具倾斜误差的通用模型，同时指出切削补偿系数与切深造成的整体系统偏差有关。为了检验补偿模型对最终切削精度的补偿效果，设计了一种与最终切深和工件刚度有关的用于检验直线薄壁零件和检验圆孔薄壁的检测试件，进而在实际加工中验证补偿模型对于减小切削误差的实际效果。其中，直线型薄壁试件(图29a)由厚度为3 mm的薄壁和位于薄壁两端的安装孔组成，试件薄壁型面高度40 mm，长度110 mm;圆孔薄壁试件(图29b)由底座和薄壁型面组成，薄壁型面高度40 mm，厚度3 mm，内孔直径72 mm，为了增加薄壁型面刚度，圆孔薄壁在整个圆外径保留了部分余量，而整个型面只有两个1/4圆弧厚度为3 mm。
文献[24]中提出的检测试件包含多种型面特征，用于验证所提出的五轴机床的几何误差修正和补偿方法，补偿与位置有关的几何误差量以及与位置无关的误差量，从而提高机床加工精度。该研究设计了一种误差补偿算法，并通过Matlab语言实现，基于误差表、三次样条曲线拟合、回归分析等方法综合建立误差模型，并对机床实际刀路进行修正，实现刀具位置和路径的补偿。进而将刀具路径转换成真实补偿后的NC代码，并将修正后的NC代码反馈给五轴机床的控制器。该研究通过对包含特殊型面特征的标准试件进行多件重复切削和测量来验证技术的有效性。结果显著改进五轴机床参数和体积工作空间精度。该研究中的验证试件的最终型面由正方体内开若干相互垂直的阶梯台阶、与铣削主轴垂直平面上的半球体及其上方多个孔、以及垂直车削主轴平面上的菱形和圆形台阶及其上方圆形台阶上加工形成的多棱面体组成，如图30。
文献[25]进行了两个相切凹面锥台试件切削(图31)。与NAS锥台不同，内凹的圆锥轮廓圆锥斜度40°，上缘直径190.5 mm。用来检验和比较在应用全局自由空间误差补偿系统(VEC)补偿前后的切削精度，并对包括锥角、圆直径等指标进行了误差分布统计。研究证明VEC补偿后误差分布集中，效果良好。 |
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