機床的精度主要包括機床的幾何精度、定位精度和切削精度3個方面。其中更能綜合而真實反映數控機床實際應用時工作精度的指標是數控機床加工典型試件的切削精度。
關注機床驗收試件的研究并進行數控機床驗收試件切削檢驗對提升數控機床性能的意義在于：
(1)有助于快速檢測和評價數控機床的工作精度和切削性能，使機床檢驗和驗收有據可依;
(2)數控機床工作精度檢測有助于使切削行為量化，有助于解決機床精度存在的問題，并進一步幫助機床研發(fā)人員有針對性地提升機床改進效率;
(3)有利于建立一組具備行業(yè)用戶加工工件工藝特性的測試試件，進一步了解具體行業(yè)用戶對機床產品的需求，并縮短對用戶工藝的認識周期，深入掌握機床加工用戶工件的表現。
通常數控機床的切削驗收只是按照機床出廠合格證書上提供的ISO或NAS標準驗收實際切削和測定內容完成各項技術工作精度指標的檢測。機床的切削精度會受到機床的機械特性、控制系統(tǒng)參數設定、刀具選用和切削工藝、刀具軌跡規(guī)劃和加工方法、被切削材料類型、工件的型面特征等因素影響，如圖1。因此，為了了解一臺機床的真實應用性能需要排除與機床無關的因素對切削性能的影響，對切削工件的材料、形式，工件的加工方法、流程，使用刀具和機床所處環(huán)境以及切削后工件的測量檢驗等進行固化，只關注與機床相關的因素對最終工作精度的影響，如圖1所示。
除了進行典型驗收試件的工作精度檢驗外，絕大多數機床用戶會對機床可適用的切削參數范圍感興趣，迫切希望機床制造商提供機床實際應用中合適的切削參數，以便給予指導性選擇。這就需要機床制造商在機床出廠前對產品的切削負荷能力進行試驗考核。機床的工作精度和切削負荷能力這兩項與切削有直接關系的指標也是衡量機床性能優(yōu)劣的重要標志，成為眾多檢驗機床性能的國內外標準中的主要內容。而兩項重要指標的檢驗和驗證一般是通過典型驗收試件的切削和檢測來進行檢定和評價的。
通過應用專業(yè)檢測儀器測量可以直接了解數控機床精度，如圖2所示。表1列舉了其中幾種測試儀器可獲得的精度指標。此外，也可以通過對典型驗收試件進行切削和檢測間接獲得機床精度。比較而言，通過驗收試件的切削和檢驗可以更為真實地獲得機床在不同加工方式、插補方式、加減速條件下針對多種型面特征切削時的工作精度。
數控機床的驗收檢驗試件一般按照用途可分為機床精度檢驗試件和機床性能檢驗試件。精度檢驗試件主要針對的檢測內容包括：
(1)面銑、側刃銑、鉆孔、鏜孔、螺紋加工等加工方式;
(2)應用鉆頭、立銑刀、面銑刀、鏜刀、螺紋鏜刀等類型刀具加工;
(3)對平面、側面、正方形、菱形、圓形、基準孔、同軸階梯孔、對稱位置孔、螺紋、圓錐等型面特征的加工精度;
(4)針對單軸直線運動、兩軸聯(lián)動斜線運動、圓插補運動、螺旋插補等多種插補運動形式下的聯(lián)動精度以及軸間換向、擺角轉換等多軸聯(lián)動運動精度;
(5)兩軸等速聯(lián)動或不等速聯(lián)動、三軸聯(lián)動、五軸聯(lián)動、不同進給速度、不同加工直徑、不同聯(lián)動軸匹配等進給運動條件和加減速性能;
(6)可反映熱誤差對加工精度影響程度的初始加工和終止加工時的軸線或徑向變形量。
而加工中心的性能驗收檢驗試件主要體現在機床的切削負荷性能和切削極限能力檢驗，以及集成度轉角過切、插補精度、熱態(tài)性能、機床剛度和動態(tài)性能等性能指標的檢驗。
綜上，三軸和五軸精度檢測試件以及加工中心性能驗收檢驗試件的型面特征和反映的機床精度、性能等問題，這些試件具有的共同特征可概括為：(1)容易制造并且能快速加工;(2)能實現快速測量，測量結果易于評估;(3)能夠提供大量完整檢測和評價結果;(4)能夠揭示機床精度而不是刀具或者刀具安裝等其他誤差影響因素;(5)能夠揭示與加工策略高度相關的誤差影響因素;(6)試件適用于不同形式的加工中心制造和檢測。
以一臺普通立式加工中心的工作精度檢測為例，需要綜合反映該設備的關鍵機械零部件和組裝后的整機幾何形狀誤差，反映機床各運動部件如工作臺、立柱、滑板、滑鞍、主軸箱等的運動精度，以及執(zhí)行切削加工主運動的主要部件如主軸的自身回轉精度和直線精度，依據不同部件和運動形式，包括：工作臺面的平面度;各坐標方向移動的相互垂直度;X、Y坐標方向移動的工作臺面的平行度;主軸軸向的經時竄動;主軸孔的徑向圓跳動;主軸箱沿Z坐標軸心線方向移動時主軸線的平行度;主軸回轉軸心線對工作臺面的垂直度;主軸在Z軸坐標方向移動的直線度;主軸相對工作臺處于不同位置時的位置精度等。
依據美國航天工業(yè)協(xié)會(AIA)于1966年提出了NAS 979三軸機床檢測試件，開啟了利用檢測試件的實際切削和檢測來評估數控機床工作精度的方法。工作精度測試是一種復雜測試，測量誤差同時包含多種誤差源。NAS979中提供的4.3.3.5.1試件形式如圖3所示，該試件分別需要加工試件中心直徑為φ20 mm，深40 mm的孔、邊長為140 mm的外正方形、邊長約為100 mm的菱形、角為5°的傾斜面以及直徑為φ16 mm深30 mm的孔。實現鉆頭鉆孔、立銑刀側銑平面、面銑刀銑平面、鏜刀鏜孔等多種加工方式，可完成包括單軸直線、兩軸聯(lián)動插補直線和圓、兩軸聯(lián)動不等速插補、三軸聯(lián)動螺旋插補等多種形式運動，可以系統(tǒng)檢驗三軸機床的工作精度。
我國引進NAS檢測試件及相關技術后，對試件檢驗項目和允差做了重新規(guī)定，如表2所示。機床生產商一般會在產品驗收時嚴格依據標準執(zhí)行，但也會依據用戶需求或企業(yè)產品升級對檢驗允差提出更高要求。
繼NAS 979試件提出之后，國際標準化組織在其標準ISO 10791-7中提出了兩種形式的機床驗收工作精度的檢測試件。第一種試件用來檢測機床使用銑、鏜、鉆等方式在多種插補方式下精加工不同型面特征的精度，試件如圖4，與NAS試件類似，該試件也需要完成中心孔、外正四方形、菱形、圓形、斜面以及位置孔等型面特征的加工。第二種試件用來檢測機床的面銑削精加工精度。這兩種試件可作為不同結構形式機床的工作精度驗收使用。
值得注意的是，應保持刀具與下表面平面離開零點幾毫米的距離，以避免在不同的軸向高度加工不同的輪廓表面造成面接觸。對試件型面包含直邊的正四方形、菱形和斜面等元素測量，為獲得直線度、垂直度和平行度的偏差，測頭至少應包含10個測點;對于圓度或圓柱度檢驗，如果測量為非連續(xù)性的，則在每個平面高度至少檢驗15個測點。
第二種試件包含兩種尺寸，檢驗機床面銑削精度的方法是通過對試件毛坯進行兩次連續(xù)面銑削，測量加工表面的平面度誤差。大尺寸試件不超過0.03 mm，小尺寸試件不超過0.02 mm;測量垂直進給方向的直線度誤差，用以檢驗機床在兩次切削加工中表現出的重疊性;測量平行于進給方向的直線度誤差，用以檢驗機床正反進給和順逆銑削加工的影響情況。
與ISO 10791-7第一種試件相同，日本、中國等多個國家將ISO試件加入各自機床檢驗標準中，并對試件及允差進行了重新規(guī)定，陸續(xù)推出了JIS B 6336-7-2000、JB/T 8772.7-1998、GB/T 20957.7-2007、GB/T 18400.7-2010等標準。隨后，美國機械工程師協(xié)會在ASME B5.54標準中介紹了一種用于檢測和評價加工中心工作精度的驗收試件，如圖5所示。相比ISO10791-7試件，該試件多出了位于試件上表面的4個螺紋加工孔和位于底面的同軸孔等兩個主要特征，分別用于評定機床剛性攻絲精度和某些帶回轉工作臺的機床工作臺翻轉180°加工孔的鏜孔精度和位置精度。該試件較ISO標準試件，對數控機床的工作精度檢測更為多樣，精度要求更為復雜。
德國NCG公司提出了NCG2004 PART 1應用于高速數控機床工作精度檢驗的試件，形式如圖6所示。試件由小圓臺階、45°方臺階、大圓臺、錐臺、球面、3D型面、0.5°斜面、n和c字型槽面、兩側孔等特征組成。
NCG2004試件隨后被德國及歐洲多數國家作為高速加工機床工作精度檢測廣泛應用。NCG 2004試件分為大小兩個規(guī)格，試件各主要型面特征具體表述如圖7所示，以大尺寸試件為例介紹各型面特征所反映的機床精度指標：(a)a1凸圓臺階(a2凹圓孔)：評估不同高度、不同進給速度下過象限位置的工作精度;(b)45°菱形臺階：評估機床兩軸以相同運動速度聯(lián)動做線性插補的工作精度;(c)大圓臺：評估兩軸聯(lián)動圓插補運動，過象限位置一軸加速度突然反向，另一軸加速度達到最大時的機床驅動部件執(zhí)行響應能力，控制系統(tǒng)精度等;(d)90°方臺階：評估單軸恒速直線運動時的加工精度;(e)上表面不同位置孔：評估機床在不同位置加工孔時的位置精度，孔圓度誤差評定主軸-刀具系統(tǒng)剛度;(f)XY聯(lián)動沿X軸和Y軸向呈0.5°斜面：評估兩軸極端不等速聯(lián)動時的插補精度;(g)XZ聯(lián)動和YZ聯(lián)動0.5°斜面：評估機床水平軸與垂直軸在極端不等速下聯(lián)動時的插補精度;(h)錐臺：評估機床動力學性能和控制系統(tǒng)的動態(tài)響應性能;(i)球面：評估3個軸線小增量恒定線性插補聯(lián)動加工，檢驗機床不正確插補帶來的錯誤型面映射;(j)3D型面：評估機床在不同速度下的顫振趨勢，檢驗機床在曲率突變位置的干涉情況;(k)nc字母槽面：評估主軸發(fā)熱伸長量;(l)兩側孔：評估旋轉軸回轉位置或角度偏移偏差。
此外，NCG公司隨后還推出了NCG2006[4]和NCG2007試件，如圖8所示。
文獻[6]針對雷諾汽車機床驗收試件(圖9)，用以檢驗機床孔加工圓度誤差和定位精度。除關注加工精度外，還主要關注機床在加工試件不同型面特征的完成質量和加工時間。該試件由直徑為80 mm和25 mm的兩個主要圓孔、兩個垂直立面、6個垂直凹槽和若干小孔組成，分別用來檢驗機床鏜孔圓度、側刃銑削直線度、位置精度和攻絲精度等。
德國某汽車公司提出一種檢驗帶回轉工作臺的臥式加工中心的測試件，如圖10。綜合反映此類機床位置偏差、同軸度、垂直度、直線度、平行度、傾斜度、圓度、對稱度、相對位置偏差等精度指標的檢測試件，利用試件輪廓特征反映機床誤差元素分布，并以試件的精度檢測結果作為評價機床的依據。試件由3個正方形、1個圓形、4個定位階梯孔、1個中心基準階梯孔、2個1°斜角、2個側面定位孔以及用于實現試件裝夾的3個安裝通孔和安裝定位的2個定位孔共同構成。不同于NAS三坐標試件，該試件的定位孔L和M可實現回轉工作臺±90°孔加工同軸度的檢測。
文獻[7]利用NAS 979三軸標準試件檢驗機床的體積誤差，了解機床加工空間內任意點的三軸定位精度，用于等價空間對角線上各點定位誤差檢驗。試件分為四方形底座、其上方的正三角形凸臺和最上方的圓形凸臺組成，正三角形凸臺和圓形凸臺的切削起點都是坐標平面過圓心直線沿Y軸的正向交點。
文獻[8]試件用于檢驗機床沿X和Y軸單軸運動的直線度誤差，以及兩軸聯(lián)動時的直線度誤差，如圖11。該研究為了避免偶然因素影響最終切削精度的判斷，切削10～20個同樣試件并進行統(tǒng)計特征分析。另外，還建立了加工精度與生產成本間的關系，分析了加工精度的影響因素(圖12)，指出隨著加工精度的提高，所需提供的生產成本呈指數增加。
（未完待續(xù)，下期放送）
聯(lián)系客服
