仇 健

沈陽機床（集團）有限責任公司高檔數(shù)控機床國家重點實驗室，沈陽，110142

0 引言

S形試件及其測試方法［1］是成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司針對五軸聯(lián)動機床精度測試而發(fā)明的，已獲得中美兩國發(fā)明專利。開展S形試件的研究有助于理解和掌握飛機大型復雜整體結(jié)構(gòu)件的多軸聯(lián)動高速切削加工工藝及其關鍵技術，發(fā)現(xiàn)機床的技術問題，從而提升國產(chǎn)五軸聯(lián)動機床的制造水平。

S形試件的主體是一個呈S形走向的扭曲曲面形成的等厚度緣條，緣條與坐標平面的夾角連續(xù)變化，曲面形狀復雜。S形試件具有薄壁特征，它來源于典型航空結(jié)構(gòu)，其加工狀況還能反映機床的剛性、振動等特性。

1 三類試件的對比分析

對比分析美國航天局 NAS 979試件［2］、四角錐臺試件［3］以及S形試件［1］在銑削加工過程中對誤差的映射性能，從檢測零件的設計依據(jù)、使用范圍、所反映出的機床綜合性能［4］以及零件的加工準備和檢測要求等方面綜合比較三種試件的性能特點，三類試件的對比分析見表1，可見S形試件更能真實地反映五軸數(shù)控機床的動態(tài)性能和擺角精度，可有效彌補NAS圓錐臺和日本四角錐臺的缺點，但不可否認的是，S形試件誕生時間較短，在零件的檢測以及檢測結(jié)果與反映機床問題的量化指標的對應等方面還有很多工作要做。

2 三維建模及型面特征

利用高度Z＝0和Z＝40mm的各50個坐標點建立S形試件的兩條導線，以上下兩條導線相連形成的線段為母線進行掃掠形成直紋面，并做厚度為3mm的實體而形成S形試件輪廓型面，如圖1所示。S形試件由一個呈S形狀的直紋面等厚緣條和一個矩形基座組合而成。

表1 三類檢測試件對比表

圖1 S形試件組成特征

將理想S形試件的上下兩樣條曲線向Z＝0的平面投影得到圖2，可見，S形試件上下兩條導線并不重合，而是在S形試件的中心位置交叉形成換向，從而使得刀具在加工該零件時由一段外輪廓加工經(jīng)過中心位置而進入內(nèi)輪廓加工，刀具在中心點必須由回轉(zhuǎn)軸換向而實現(xiàn)開閉角轉(zhuǎn)換，這在一定程度上可反映五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工動態(tài)綜合精度。零件型面表面呈不規(guī)則S形，輪廓曲率在零件各位置均不相同，且無規(guī)律可循，這使得該零件的加工能夠反映機床的隨機誤差，更能體現(xiàn)五軸加工的精度要求。綜上，S形試件不僅包含NAS 979試件的幾何特征，還具備更多的曲面特性，因此其加工精度能更完整地體現(xiàn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床的加工精度。

圖2 S形試件上樣條曲率分析

3 S形試件受力仿真和變形分析

由于S形試件曲率和加工換向復雜，應用試驗方法獲得的切削力信號很難按照軸向或零件矢量方向精確分解，故采用一種結(jié)合有限元和理論分析的理想狀態(tài)進行受力分析。首先，將S形試件三維模型導入有限元分析軟件ANSYS中進行網(wǎng)格劃分，這里采用殼單元類型以及映射網(wǎng)格劃分方法來劃分網(wǎng)格。然后，設定模擬的邊界條件。由于實際加工中零件底面與機床工作臺貼合，由壓板緊密壓緊，并用螺栓實現(xiàn)軸向定位，故將壓板和工作臺視為剛性體，仿真時將零件底面和兩個垂直側(cè)面設為固定約束。零件為航空鋁合金7075－T7451，材料屬性如下：彈性模量72GPa，硬度 HB 160，密度2.8×103kg/m3，泊松比0.3。

將試驗中機床擺頭處于標準軸向位置時測力儀獲得的切削力三分量作為理想切削力條件，并加載于零件敏感位置。將三個軸向力分別為FX＝300N，F(xiàn)Y＝150N，F(xiàn)Z＝50N的切削力合力分別加載到沿S形試件導線距離切入端20mm、試件中心、距離切出端20mm，且在垂直方向沿母線距離上表面5mm的位置，經(jīng)計算獲得加工變形如圖3所示?？梢娏慵跇藴是邢髁ψ饔孟碌淖冃沃饕憩F(xiàn)為法向變形，并且切入端和切出端的變形幅度相當，方向相反，而中心位置由于零件局部剛度略高于導線兩端，變形相對較小。這說明在S形試件加工中曲面法向上產(chǎn)生的變形對零件的最終加工精度有直接影響，而切向力對工件變形的影響相對較小，可忽略不計。同理可計算得到S形試件各位置的變形。

圖3 S形試件受力分析

得到零件的受力變形后，結(jié)合所施加的力載荷大小，可獲得零件在機床加工中的法向剛度。將法向變形和法向剛度在S形試件曲面的法向方向上以直線長短表示其大小，即可直觀地看出加工中S形試件的法向變形和法向剛度沿曲面的變化規(guī)律［5－6］。結(jié)合銑削S形試件的數(shù)控加工程序，得到數(shù)控銑床的總體剛度特性隨刀具姿態(tài)改變的變化規(guī)律，如圖4a所示［6－8］。其中，S形試件法向線段長度表示機床總剛度在S形試件不同位置的大小。比較切削時獲得的振動信號（圖4b）可發(fā)現(xiàn)，在剛度突變的位置，振動明顯加強，說明機床系統(tǒng)剛度對加工狀態(tài)有顯著影響，刀具在切削掃掠到突變區(qū)域時，會產(chǎn)生大幅變形，從而引起振動，伴隨產(chǎn)生刀具的切不足和過切現(xiàn)象，最終影響零件的加工精度和加工表面質(zhì)量。

圖4 機床總體剛度特性及對應的加工過程

由單自由度振動系統(tǒng)基礎知識可知，剛度k越小，振動幅值越大。因此，在銑削S形試件過程中，隨著機床－S形試件系統(tǒng)剛度的變化，刀具和S形試件都將隨著加工位置變化產(chǎn)生不同幅值的振動，即刀具沿S形試件加工表面的切削量會發(fā)生較大波動，進而形成較差的表面質(zhì)量。由圖4可見，刀具在經(jīng)過圖中①、②、③、④4個位置時，會因S形試件剛度發(fā)生突變而導致刀具的切削受力變形加大，進而振動加劇，切削狀態(tài)波動較大，從而導致加工表面質(zhì)量惡化。

4 零件加工過程狀態(tài)分析

主軸安裝三方向加速度傳感器用于測量刀具切削工件時傳遞給刀具和主軸的方向振動量，由于刀具空間位置時刻在變化（圖5），所以此處傳感器更能反映出刀具在不同位姿［9］狀態(tài)下的法向、切向和軸向振動狀況。

圖5 加工路徑示意圖

圖6所示為粗加工S形試件一層兩側(cè)面時主軸－刀具的振動信號，此時追求更高的材料去除率，實際上是三軸加工，切削過程中記錄的主軸X、Y、Z向和S形試件X、Y、Z向信號方向一致。

圖6 粗加工時主軸和S形試件單層雙側(cè)振動信號

上述測試的目的是衡量機床粗加工S形試件的效率，即機床的加工精度和效率是機床設計追求的兩大目標。機床的結(jié)構(gòu)剛度直接影響零部件的加工精度，而結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性決定機床的生產(chǎn)效率，本測試在機床定型試制后，通過對粗加工時的振動信號進行提取，來衡量機床承受給定切削用量下的加工狀態(tài)，可間接評價機床的生產(chǎn)能力。并且測試信號沒有發(fā)生急劇的振蕩，說明機床在粗加工時不發(fā)生切削振顫。而顫振屬于機床的自激振動，是在一定的條件下產(chǎn)生的，與機床結(jié)構(gòu)及切削條件有關，此處切削狀況良好，說明機床的動態(tài)性能優(yōu)異，還存在很大的提高生產(chǎn)效率的潛力。

對于精加工，將三方向加速度傳感器分別安裝在主軸端面和工件基座上，主軸傳感器的坐標方向能夠在加工過程中始終與主軸坐標一致，而工件傳感器坐標方向始終與機床坐標方向一致。切削一層單側(cè)獲得的主軸和S形試件振動信號及其頻譜分別如圖7和圖8所示?？梢?，S形試件在不同位置處的材料去除量、切削負荷及沖擊不同，并且零件不同位置的結(jié)構(gòu)剛度存在差別，因此，加工后的零件精度、表面質(zhì)量有明顯差異。

圖7 精加工主軸振動加速度及其頻譜

對主軸和S形試件振動信號頻率進行統(tǒng)計，形成頻率分布表，兩齒銑刀在機床主軸最高轉(zhuǎn)速24 000r/min以下的主要頻率列于表2中。

主軸的頻率峰值主要有50Hz、100Hz、200Hz、300Hz、250Hz，工件的頻率峰值主要有450Hz、525Hz、600Hz、675Hz?？梢?00Hz和600Hz在S形試件和主軸兩個傳感器上都是主要頻率，因此，這兩個頻率是由切削時刀具和工件接觸所激發(fā)的切削頻率，與切削參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速9000r/min和4500r/min成1倍頻和1/2倍頻，在選擇切削參數(shù)時應盡可能避開與9000r/min成倍數(shù)的轉(zhuǎn)速。另外，當主軸低于9000r/min時，還可能激發(fā)出主軸的頻率，引起主軸系統(tǒng)振動，而工件的頻率相對較高，一般空轉(zhuǎn)時很難激發(fā)。為了更直觀地了解切削S形試件時的時域和頻域特性，以及時頻特性間的聯(lián)系，經(jīng)MATLAB軟件計算得到時頻域分析，如圖9所示。

圖8 精加工S形試件振動加速度及其頻譜

表2 頻率分布表

最終加工后獲得的S形試件如圖10所示。加工后，在現(xiàn)場不借助精密檢測儀器的條件下，利用視覺觀察和觸覺等方法可大致衡量出加工的質(zhì)量，初步判斷加工質(zhì)量較高。圖11所示為測量平面距底座平面高度h分別為10mm、22.5mm、35mm時加工后零件三個軸向25個測試點的檢測精度，可見各點都達到設計要求。

圖9 S形試件單側(cè)面的時頻域分析

圖10 加工后的S形試件

圖11 加工后零件檢測精度

5 結(jié)論

（1）系統(tǒng)分析了國內(nèi)外現(xiàn)行的五坐標數(shù)控機床檢測試件的優(yōu)缺點，以及S形試件的結(jié)構(gòu)特點。S形試件更能反映多軸機床的運動學動態(tài)性能、加工精度、加工狀況以及機床的結(jié)構(gòu)剛性和振動特性。

（2）零件的結(jié)構(gòu)剛度在單側(cè)加工時主要有4個突越區(qū)域，在突越區(qū)附近剛度的大幅變化是直接導致切削變形、振動和精度喪失的主要原因。

（3）零件粗加工階段的切削狀態(tài)平穩(wěn)，可間接說明所使用機床的生產(chǎn)能力較強。零件在精加工階段進行的切削過程中表現(xiàn)出了多個明顯的頻率分布，頻率為300Hz和600Hz時刀具切削工件激發(fā)出切削振動。

［1］ Song Zhiyong，Cui Yawen.S－shape Detection Test Piece and a Detection Method for Detection the Precision of the Numerical Control Milling Machine：US，20100004777A1［P］.2010－01－07.

［2］ National Aerospace Standard.NAS 979－1969，Uniform Cutting Tests－NAS Series：Metal Cutting Equipment Specifications［S］.Washington D.C.：Aerospace Industries Association of America，1969.

［3］ 堤正臣.5軸數(shù)控機床檢驗規(guī)格（ISO）的最新動向［R］.沈陽：沈陽機床（集團）有限責任公司，2010.

［4］ American National Standards Committee.ASME B 5.54－2005Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers［S］.New York：The American Society of Mechanical Engineers，2005.

［5］ 丁杰雄，譚陽，崔浪浪，等.一種五軸機床檢驗試件輪廓誤差的處理與顯示技術研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2012（10）：39－43.Ding Jiexiong，Tan Yang，Cui Langlang，et al.Study on Processing and Displaying Contour Error at Testing Specimen for Five－axis Machine Tool［J］.Modular Machine Tool ＆ Automatic Manufacturing Technique，2012（10）：39－43.

［6］ 杜麗，王偉.五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工精度測試［R］.成都：電子科技大學，2012.

［7］ 杜麗，崔浪浪，趙波，等.基于S型檢驗試件的數(shù)控機床動態(tài)性能辨識新方法［J］.制造技術與機床，2012（12）：152－156.Du Li，Cui Langlang，Zhao Bo，et al.New Method of Identification on the Dynamic Performance Factors of CNC Machine Tool Based on the “S”Specimen［J］.Manufacturing Technology ＆ Machine Tool，2012（12）：152－156.

［8］ 謝東，丁杰雄，霍彥波，等.數(shù)控機床轉(zhuǎn)動軸進給系統(tǒng)輪廓誤差分析［J］.中國機械工程，2012，23（12）：1387－1392.Xie Dong，Ding Jiexiong，Huo Yanbo，et al.Contour Error Analysis for Rotation Feed Axis in CNC Machines［J］.China Mechanical Engineering，2012，23（12）：1387－1392.

［9］ 閆蓉，彭芳瑜，李斌，等.多軸數(shù)控加工刀具姿態(tài)優(yōu)化及其剛度性能指標分析［J］.中國機械工程，2008，19（22）：2645－2649.Yan Rong，Peng Fangyu，Li Bin，et al.Tool－posture Optimization and Stiffness Index Analysis for Multiaxis NC Machine Tools［J］.China Mechanical Engineering，2008，19（22）：2645－2649.