數(shù)控機(jī)床切削性能測試典型試件綜述（二）

　　NAS 979標(biāo)準(zhǔn)中除規(guī)定了典型三軸機(jī)床檢測試件外，還有一種用于檢測五軸數(shù)控機(jī)床工作精度的檢測試件。它是目前國際上認(rèn)可的一種用于五軸機(jī)床精度的測試試件，試件整體呈現(xiàn)出圓錐臺形式，如圖13，加工后的試件需要檢查切削表面粗糙度、圓度、錐度等。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定單位為英寸，發(fā)展至今，試件的尺寸和檢驗允差不斷變化，尺寸和允差可依據(jù)企業(yè)或用戶標(biāo)準(zhǔn)提供，允差隨著機(jī)床技術(shù)的不斷進(jìn)步也在不斷減小。文獻(xiàn)[9]中通過對1969-2006近40年的圓錐臺切削數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，機(jī)床設(shè)計的圓度精度要求和實(shí)際切削獲得的圓度都顯著提高，并且預(yù)計未來10年間還會繼續(xù)提高，如圖14。

　　最初發(fā)布的NAS圓錐臺試件底面直徑10英寸，2.5英寸高，加工錐臺輪廓時，主軸升高1英寸加工180°輪廓，同時主軸下降1英寸加工180°輪廓。測量時沿著刀具軸線方向測量。規(guī)定進(jìn)給速度為25英寸/min，主軸轉(zhuǎn)速1800 r/min，圓度誤差0.004英寸，圓柱度誤差0.004英寸，角度誤差±0.0012°。

　　國內(nèi)對NAS979圓錐臺試件尺寸、材料ZL102和加工允差進(jìn)行了重新規(guī)定(圖13)。基本保留了試件的原有形狀，將尺寸要求依據(jù)國際單位制進(jìn)行了設(shè)計，工件傾斜15°加工錐面及Φ50 mm孔。試切刀具推薦選用Φ16 mm或Φ20 mm硬質(zhì)合金立銑刀加工。切削參數(shù)：切削速度400 m/min，每齒進(jìn)給量約為0.05～0.1 mm，切削深度0.2 mm。檢驗項目及允差見表3。

　　針對五軸加工機(jī)床工作精度的檢測，日本學(xué)者提出了一種四角錐臺精加工試件，圖15a，檢測機(jī)床的直線度、垂直度、平行度等，試件可實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作精度在機(jī)檢測。堤正臣在加工中選擇主軸轉(zhuǎn)速1000 r/min，進(jìn)給速度400 mm/min，使用直徑20 mm的兩齒高速鋼銑刀，輪廓精度如圖15b。五軸數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行三軸試件切削時可以檢驗和評價機(jī)床的固有幾何誤差，以及回轉(zhuǎn)軸的螺距誤差和主軸的傾斜誤差。而在進(jìn)行五軸聯(lián)動的試件切削時可以檢驗和評價機(jī)床的直線度、圓弧插補(bǔ)精度、五軸聯(lián)動精度等。

　　德國NCG公司針對五軸機(jī)床的切削驗收提出了NCG 2005檢測試件，形式如圖16所示。試件型面由圓形表面輪廓、正方形、棱錐、圓錐、N和C型字母、以及類似人鼻和嘴的多種型面組成，不同型面一般分左右成對出現(xiàn)，分布用來評價機(jī)床在快速進(jìn)給、慢速進(jìn)給加工輪廓以及順時針和逆時針運(yùn)動時伺服軸對加工狀況的影響情況，并且字母N和C分別在試件加工初始和結(jié)束階段加工，用于評定機(jī)床的熱態(tài)加工精度。另外，試件還特別注重刀具回轉(zhuǎn)中心(TCP)和輪廓精度的評定。

　　我國有關(guān)數(shù)控機(jī)床切削檢測最著名檢測試件是成飛數(shù)控加工廠提出的“S”型試件。該試件不同于NAS 979圓錐臺試件在加工時始終處于開角加工區(qū)域，不能正確反映多軸聯(lián)動加工中各運(yùn)動部件的綜合精度和動態(tài)響應(yīng)特性，如圖17?！癝”型試件的產(chǎn)生彌補(bǔ)了國際上通用的NAS五坐標(biāo)錐臺檢測試件檢測項目過于簡單、結(jié)果過于單一的缺點(diǎn)。試件的主體是一個呈“S”型走向的扭曲曲面形成的等厚度緣條。由于緣條與底平面的夾角連續(xù)變化，在連續(xù)加工“S”形曲面緣條兩側(cè)時可實(shí)現(xiàn)檢查數(shù)控機(jī)床切削加工的表面粗糙度、厚度、輪廓誤差等目的。由于切削時處于連續(xù)變軸加工，驗證機(jī)床開、閉角轉(zhuǎn)換時的性能，可更好地反映多軸聯(lián)動加工中各運(yùn)動部件的綜合精度和動態(tài)響應(yīng)特性，并且由于試件壁厚較小，加工中材料去除率大、試件剛度弱、轉(zhuǎn)向多變，因此，更能體現(xiàn)航空薄壁零件的特征。其曲面形狀復(fù)雜且單薄，切削材料去除量大。目前，該試件已取得中美兩國發(fā)明專利，并已將成果提交國際專利，不久將與著名的NAS試件一道成為檢測和評價數(shù)控機(jī)床切削精度能力的重要參考指標(biāo)。

　　NAS 979圓錐臺、日本四角錐臺和我國“S”型試件的檢測項目得知，“S”型試件更能體現(xiàn)五軸機(jī)床的動力學(xué)性能和加減速性能，尤其適合反映機(jī)床的剛性和動態(tài)性能、軸間轉(zhuǎn)換、軸向變換以及回轉(zhuǎn)軸的擺角轉(zhuǎn)換能力。

　　Cooke等人應(yīng)用了一種改良的NAS 979三軸試件，用于對電子束和激光束兩種加工方法獲得的加工精度進(jìn)行比較和評估。將原作中試件中心的圓柱中心孔改進(jìn)為倒錐孔，最終形成由倒錐孔、菱形、圓形、正方形和5°斜面組成的檢測試件，如圖18，用來對加工中心包括五軸加工的工作精度進(jìn)行檢測。該試件加工獲得的一系列型面用測量內(nèi)容包括正方形旋轉(zhuǎn)45°后形成的菱形的尺寸精度、上表面平面度、臨邊的垂直度、對邊的平行度以及加工表面質(zhì)量的完成情況;5°斜面的角度偏差;圓形臺階的尺寸精度、圓度和表面質(zhì)量;倒錐孔半徑、底面圓度、錐角和錐面加工質(zhì)量等。

　　針對NAS 979圓錐臺試件檢測的誤差分離，日本京都大學(xué)Matsushita開展了剝離出試件型面誤差中反映的六項機(jī)床幾何誤差。

　　東京農(nóng)工大學(xué)Tsutsumi提出了四角錐臺試件，如圖19，可以辯識出機(jī)床的圓度、直線度、垂直度和平行度加工誤差。東京農(nóng)工大學(xué)堤正臣教授在利用球桿儀進(jìn)行五軸機(jī)床精度檢測時比對NAS979圓錐臺切削，檢測機(jī)床圓運(yùn)動誤差、加工試件的尺寸誤差、轉(zhuǎn)動軸擺角誤差以及多軸聯(lián)動加工的同軸度誤差，最終利用球桿儀實(shí)現(xiàn)虛擬圓錐臺模擬加工，從而達(dá)到不進(jìn)行加工來評價機(jī)床精度的目的。

　　牛尾設(shè)計了一種用于檢驗五軸搖籃加工中心的試驗測試樣件，如圖20。該試件由平行底面的平面截取而成?？捎脕頇z測機(jī)床回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動精度和多軸聯(lián)動運(yùn)動精度。該研究還對現(xiàn)行的一些典型機(jī)床精度測試試件和測試方法進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)這種測試試件可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)現(xiàn)行試件無法檢測的機(jī)床精度性能，其中不乏以往無法檢測的精度指標(biāo)。該研究使用直徑為10 mm、齒數(shù)為6的整體硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)行試件加工，每齒進(jìn)給量0.01 mm，主軸轉(zhuǎn)速1900 r/min，對應(yīng)進(jìn)給速度114 mm/min。

　　牛尾認(rèn)為機(jī)床驗收試件間接測定機(jī)床加工形狀精度，設(shè)計切削試件形狀需要考慮所要反映的機(jī)床精度參數(shù)，并指出機(jī)床切削形狀精度受切削條件影響很大。該研究同時還提出一種用于檢驗機(jī)床加工圓度的圓形試件，如圖21，并與NAS 979試件做了比較。試件直徑250 mm，厚度20 mm，可用來做平面內(nèi)的兩軸聯(lián)動精度檢驗。而NAS 979五軸聯(lián)動試件直徑254 mm的圓錐臺，厚度63.5 mm，圓錐半頂角15°，錐臺底面安裝傾斜15°。研究還針對NAS錐臺、四角錐臺和菱形錐臺等3種五軸機(jī)床檢測試件的加工工藝，比較了利用球頭刀具三軸聯(lián)動在等高面上加工以及利用五軸聯(lián)動刀具傾斜功能等高線加工試件的刀具運(yùn)動軌跡。

　　文獻(xiàn)利用圓錐臺對包含動態(tài)誤差的加工中心進(jìn)行工作精度評估。為了檢驗仿真模型的準(zhǔn)確性，試驗分別在不同的圓錐直徑D、傾斜角φ、錐角θ以及試件安裝位置等組合下進(jìn)行3種條件的圓錐臺切削驗證，并比較了仿真軌跡和實(shí)際切削加工獲得的軌跡，如圖22a、b、c。最后，給出了經(jīng)過補(bǔ)償?shù)膶?shí)際加工軌跡來驗證預(yù)測和補(bǔ)償效果，如圖22d。3種條件下試件的尺寸參數(shù)如表4所示。

　　森精機(jī)公司為了說明其產(chǎn)品應(yīng)用性能以及機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)異，在產(chǎn)品樣本中增加NAS 979試件切削精度檢測結(jié)果，并提供對應(yīng)切削參數(shù)。切削進(jìn)給速度2000 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速2000 r/min，直徑40 mm的2齒硬質(zhì)合金立銑刀。相比通常切削檢驗20～30 μm的圓度誤差，該機(jī)床的加工圓度誤差達(dá)到2.92 μm。

　　國內(nèi)機(jī)床廠應(yīng)用NAS 979標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)控機(jī)床工作精度進(jìn)行檢驗，保留原標(biāo)準(zhǔn)中試件形式，將7075鋁合金更改為國內(nèi)普遍應(yīng)用的HT200。試件的所有外表面推薦選用直徑為Φ32 mm的硬質(zhì)合金立銑刀加工。Φ20 mm和Φ16 mm的孔推薦選用相應(yīng)直徑的鉆頭和鏜刀進(jìn)行加工。沈陽機(jī)床與西南交通大學(xué)利用圓錐臺試件共同進(jìn)行了AC軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角誤差辨識和驗證，如圖23。首先，利用球桿儀在C回轉(zhuǎn)臺上XY平面做RPCP同步運(yùn)動，得到相應(yīng)的坐標(biāo)位移誤差。進(jìn)一步利用誤差辨識和補(bǔ)償算法提取誤差項，并進(jìn)行補(bǔ)償。同理，A軸在YZ平面做RPCP同步運(yùn)動，得到相應(yīng)的坐標(biāo)位移誤差，并進(jìn)行誤差辨識和補(bǔ)償。

　　文獻(xiàn)[18]為了評價五軸聯(lián)動機(jī)床的精度，首先進(jìn)行了TCP精度檢測，但是TCP檢測只能反映五軸聯(lián)動的靜態(tài)精度，而不能表達(dá)五軸聯(lián)動的實(shí)際切削精度，因此，進(jìn)行NAS 979切削，并將切削后的試件在三坐標(biāo)測量機(jī)上檢測。值得一提的是，該研究在檢測試件時選擇中心孔和外圓面的測量點(diǎn)數(shù)12個，中心孔加工孔徑由加工者選定。試件檢測包括圓錐臺底圓半徑、圓度誤差、錐面粗糙度和錐面傾斜度等4項指標(biāo)。

　　上海交通大學(xué)與沈陽機(jī)床合作開展了ISO 10791-7三坐標(biāo)測試件的切削試驗，用于檢驗上海交通大學(xué)開發(fā)的熱誤差補(bǔ)償器的補(bǔ)償效果，并比較沈陽機(jī)床生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償前后的效果，如圖24所示。

　　由于NAS 979圓錐臺檢測試件加工檢測得到的是機(jī)床的綜合切削精度，很難進(jìn)行各項運(yùn)動誤差的分離，因此，文獻(xiàn)[19-20]提出了多種加工方式并集中通過兩種試件反映搖籃擺臺機(jī)床回轉(zhuǎn)C軸切削精度，檢驗機(jī)床的轉(zhuǎn)軸運(yùn)動學(xué)誤差。通過一系列切削試驗，檢驗和辨識五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動學(xué)誤差，前后共進(jìn)行11種方式的直線側(cè)切銑削試驗，加工后的試件幾何誤差和機(jī)床運(yùn)動學(xué)誤差之間的關(guān)系可用五軸機(jī)床運(yùn)動學(xué)模型表示，利用計算模型從加工試件的幾何誤差中辨識出機(jī)床的動力學(xué)誤差，并且將辨識結(jié)果與球桿儀評測結(jié)果進(jìn)行了對比。兩種試件形式分別如圖25和圖26所示。

　　文獻(xiàn)[21]中，Ya Zhang等設(shè)計了一種用于識別五軸搖籃機(jī)床轉(zhuǎn)動軸運(yùn)動誤差的試件，如圖27，并通過對該試件的切削來驗證所建立起來的誤差模型。通過優(yōu)化坐標(biāo)系，基于機(jī)床基本運(yùn)動鏈，改進(jìn)和優(yōu)化運(yùn)動誤差模型，并從試件的加工精度驗證模型辨識的適用性，結(jié)果顯示改進(jìn)模型可以降低辨識的復(fù)雜程度、減少時間消耗。

　　文獻(xiàn)[22]介紹了一種用于檢驗并聯(lián)機(jī)床切削精度的測試試件，如圖28。該試件具有多種不同的幾何型面特征，用于檢驗機(jī)床真實(shí)銑削時的機(jī)床配置參數(shù)，提供機(jī)床加工自由曲面精度，尤其是針對模具行業(yè)型面加工。其中主要由4段型面組成，分別用來檢驗機(jī)床在進(jìn)行相切但不連續(xù)曲面、連續(xù)多項式合成曲線、圓插補(bǔ)曲率不連續(xù)曲面以及連續(xù)多項式平滑曲面等型面加工時的切削精度。

　　文獻(xiàn)[23]通過進(jìn)行探測過程間歇檢測查找切削加工造成的系統(tǒng)誤差，尤其是加工薄壁零件時偏轉(zhuǎn)誤差。該研究提出了一種僅應(yīng)用在線檢測數(shù)據(jù)在零件半精加工到精加工過程中補(bǔ)償?shù)毒邇A斜誤差的通用模型，同時指出切削補(bǔ)償系數(shù)與切深造成的整體系統(tǒng)偏差有關(guān)。為了檢驗補(bǔ)償模型對最終切削精度的補(bǔ)償效果，設(shè)計了一種與最終切深和工件剛度有關(guān)的用于檢驗直線薄壁零件和檢驗圓孔薄壁的檢測試件，進(jìn)而在實(shí)際加工中驗證補(bǔ)償模型對于減小切削誤差的實(shí)際效果。其中，直線型薄壁試件(圖29a)由厚度為3 mm的薄壁和位于薄壁兩端的安裝孔組成，試件薄壁型面高度40 mm，長度110 mm;圓孔薄壁試件(圖29b)由底座和薄壁型面組成，薄壁型面高度40 mm，厚度3 mm，內(nèi)孔直徑72 mm，為了增加薄壁型面剛度，圓孔薄壁在整個圓外徑保留了部分余量，而整個型面只有兩個1/4圓弧厚度為3 mm。

　　文獻(xiàn)[24]中提出的檢測試件包含多種型面特征，用于驗證所提出的五軸機(jī)床的幾何誤差修正和補(bǔ)償方法，補(bǔ)償與位置有關(guān)的幾何誤差量以及與位置無關(guān)的誤差量，從而提高機(jī)床加工精度。該研究設(shè)計了一種誤差補(bǔ)償算法，并通過Matlab語言實(shí)現(xiàn)，基于誤差表、三次樣條曲線擬合、回歸分析等方法綜合建立誤差模型，并對機(jī)床實(shí)際刀路進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)刀具位置和路徑的補(bǔ)償。進(jìn)而將刀具路徑轉(zhuǎn)換成真實(shí)補(bǔ)償后的NC代碼，并將修正后的NC代碼反饋給五軸機(jī)床的控制器。該研究通過對包含特殊型面特征的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行多件重復(fù)切削和測量來驗證技術(shù)的有效性。結(jié)果顯著改進(jìn)五軸機(jī)床參數(shù)和體積工作空間精度。該研究中的驗證試件的最終型面由正方體內(nèi)開若干相互垂直的階梯臺階、與銑削主軸垂直平面上的半球體及其上方多個孔、以及垂直車削主軸平面上的菱形和圓形臺階及其上方圓形臺階上加工形成的多棱面體組成，如圖30。

　　文獻(xiàn)[25]進(jìn)行了兩個相切凹面錐臺試件切削(圖31)。與NAS錐臺不同，內(nèi)凹的圓錐輪廓圓錐斜度40°，上緣直徑190.5 mm。用來檢驗和比較在應(yīng)用全局自由空間誤差補(bǔ)償系統(tǒng)(VEC)補(bǔ)償前后的切削精度，并對包括錐角、圓直徑等指標(biāo)進(jìn)行了誤差分布統(tǒng)計。研究證明VEC補(bǔ)償后誤差分布集中，效果良好。