数控机床切削负荷检验方法及试验.docx

数控机床切削负荷检验方法及试验*仇健葛任鹏张学桐( 沈阳机床( 集团) 有限责任公司高档数控机床国家重点实验室 辽宁 沈阳 110142)摘 要: 阐述国内外现行的数控机床切削负荷检验方法，介绍现有标准中切削负荷试验的检测内容和流程。以三轴立式加工中心为测试对象，分别进行了机床主传动系统最大扭矩切削、最大功率切削等检测 试验。通过机床在最大扭矩、最大功率时对应的材料去除率，评估机床重切削能力。最后，对试验 结果进行了分析，并在此基础上探讨了切削负荷试验在机床设计中的应用。关键词: 切削负荷检验; 扭矩试验; 切削抗力试验; 最大功率试验; 颤振极限试验中图分类号: tg502文献标志码: bcutting load test method of machining centre and its experimental testqiu jian，ge renpeng，zhang xuetong( state key laboratory of high grade nc machine tools，shenyangmachine tool ( group) co. ，ltd. ，shenyang 110142，chn)abstract: a system elaboration on the current machining centre cutting loading test method of home and abroad hasbeen carried out，content and process of cutting loading test in the existing standard is presented. use the 3 axial vertical machining center as a test machine，main drive system cutting test with maximum torque，main drive system cutting test with maximum power have been implemented，respectively. ma- terial removal rate corresponding to maximum torque，maximum power is evaluated，and then heavy cut- ting ability of the machine tool is evaluated. finally，the measured results are analyzed，and on this ba- sis，application of cutting test in machine tool design has been discussed.keywords: cutting loading test;torque test; cutting resistance test; maximum power test; chatter limitation test数控机床的切削负荷试验一般也称为重切削 试 验，是检验机床实际切削能 力的重要检验试验。负荷试验的目的是 检验机床 的 刚度和各工作机构的强度， 特别是考核机床主传动系统是否能承受 设计所允许的最大转矩和功率。试验重 点关注主轴电机的功率、扭矩、主轴相对 工作台的切削抗力以及主要部件的切削 抗振性，有 时 也关注近满负荷加工时的 振动量以及加工质量。文献1 4分别给出了机床切削负 荷试验的 检 测内容和检验方法，对 机 床 切削性 能 检测具有一定的现实指导意 义。徐卫东5讨论了切削负荷试验参数 的确定方 法，并给出了最大扭矩试验与 最大切削抗力试验合并进行检测的具体 条件。谢金华6分析了机床切削颤振控 制研究现 状，归纳了调整切削参数控制 颤振的一 些 研 究 成 果，如通过在一定范 围内调节 主 轴 转 速，寻找最佳主轴转速 使切削宽 度 达到其最大切削稳定极限; 通过调整主轴转速使颤振频率等于切削 系统固有 频 率，从而使系统稳定性达到 最佳，此时颤振将被抑制。到最大 功 率并不意味着能满足使用要 求，从而输 出 和承受足够的扭矩和切削 力; 同 样，当机床能够满足扭矩、切 削 抗 力和功率 试 验 要 求 时，也并不一定能够 满足抗振性切削试验要求。床负荷试验一般在机床试车和空运 转试验合格后进行。负荷试验要求机床 所有机构、各运动部件动作平稳、工作正 常、无振动和噪声，并且主轴的转速不得 比空运转转 速 降 低 5% 以 上。试 验 中 需 要记录使用的刀具、被切削工件的材质、 切削参数、切削方式和方向、使用的冷却 润滑方式等，此外，试验应记录被测机床 包括规 格、参 数、设 计 指 标 等 的 基 本 信 息，同时记录试验时的环境温度、湿 度、 压强等参 考 信 息，个别场合也测试和记 录切削过程的振动、噪声和受力情况。1现行标准检验现状综述由于机床负荷试验是为了考核机床的极限切削能力，因此，试验中涉及的各项测试所包含的试验参数一般来源于机 床设计自身，试验的目的仅仅是验证机 床是否达到了设计的预期值。各项测试 内容是针对不同的考核目的而专门设置 的，各测试项目间不存在相互替代关系。 这是因为 机 床在实际使用时，机 床 能 达*国家科技重大专项( 2010zx04015 011) 189 为了系统地研究机床切削负荷试验检验方法，对 现行的有关机床负荷试验 的标准进行了总结如表 1 所示。对比发 现，gb 9061 2006、jb / t 8801 1998 和asme b5. 54 等标准中涉及一些机床切 削负 荷 检 验 内 容，其 中 gb 9061 2006 和 jb / t 8801 1998 对机床承载工件最 大重量时 的 运 转 状 况、主传动系统的最 大扭矩、抗力、功率等检验做了较为详细 的规定。3 个标准对机床主 传 动 系 统 的 最大扭矩 试 验都进行了明确规定，相 比 于 asme 标 准，我 国 标 准 中 对 满 扭 矩 试 验的要求更侧重于主电动机驱 动 运 动 部 件的纯粹意义上的输测和抽查: 机床承载工件最大重量的 运转试验( 抽 查) ; 机 床 主 传 动 系 统 最 大扭矩的试 验; 机床最大切削抗力的 试验( 抽查) ; 机 床 主 传 动 系 统 达 到 最大功率的试 验 ( 抽 查) ; 机 床 抗 振 性 切 削试验( 颤振极限试验) 。( 1) 机床的空运转试验 数控机床的空运转试验是为了检验机床在不 进 行切削时的功率损耗，进 而 评定机床的电动机效率。试 验 时，主 运动机构应 从 最低转速起依次运转，每 级速度的运转时间不得少于 2 min。无 级 变速的机床可做低、中、高 速 运 转，最 高 速度运转时间不得少于 1 h。对 直 线 坐 标、回转坐标上的运动部件，分 别 用 低、 中、高进给速度和快进进行空运转试验， 其运动应平稳、可靠，要求在高速时无振 动、低速时无明显爬行现象。此外，机床 主传动系统的空运转功率不应超过设计 文件的规 定，整机测量的噪声声压级不 应超过 83 db( a) 。( 2) 主传动系统扭矩试验 机床主传动系统的扭矩试验是为了直接检查其传动件的强度是否足够和工作是否 正 常 可 靠。机 床 的 齿 轮、轴 的 强 度、摩擦离合器或无级变速器是否打滑、 安全保护 装 置 是 否 可 靠、变 速 手 柄 是 否 移位，以及 机 床主传动系统达到规定扭 矩后各传动元件和变速机构是否平稳和 运动是否准确。试验时，应 在 机 床 主 轴 恒 扭 矩 调 速 范围内选 择 一个适当的主轴转速，通 过改变进给 速 度 或 切 削 深 度，使 机 床 主 传动系统达到设计规定的最大扭矩。扭矩 测试可应用扭矩测试仪或可用功率表和 转速表分别测量机床电动机的输入功率 和机床主轴转速，并由式( 1) 近似计算出 机床的扭矩。切削抗力 25% 时，机床各运动机构和传 动机构的运行状况是否正常、可靠，机床 几何精度是否稳定。试验时，应在等于或小于机床计算转 速范围内选一适当转速，通过改变进给速 度或切削深度，使机床达到设计规定的最 大切削抗力。记录机床类型和参数、工件 材料、刀具和夹具、切削参数、对应切削抗力、加工 流 程、测 试 仪 器、方 法、结 果 等。 扭矩测试可应用扭矩测试仪或可用功率 表和转速表分别测量机床电动机的输入 功率和机床主轴转速，由式( 2) 近似计算 出机床的扭矩:9 550 ( p p0 )( 2)frn表 1 机床负荷试验现行标准1 3式中: f 为切削抗力的主分力，n; r 为 工件或刀具的切削半径，m; p、p0 、n 含义同 式( 1) 。值得注 意 的 是，机 床 的 扭 矩 试 验 和 切削抗力试验参数在机床的设计初期给定，负荷试 验 则是对机床设计要求的一 种验证和检 验。试 验 得 到 的 fmax 和 tmax等参数是 后 续 零、部件结构及强度设计 的依据，但 是 由于实际设计过程中大多 采用经验 设 计 的 方 法，即通过类比的方 法来选择主电动机，设计零部件，因而导致了机床 已 设 计 出 来，却还未能确定各 参数间的关系。( 4) 主 传 动 系 统达到的最大功率 试验机床主传动系统达到最大功率的试验用于检验机床在满功率切削的情况下 各个部分 的 工作状态是否正常、金 属 切 除率及电 气 系统等是否可靠、机 床 抗 颤 振稳定性和主电动机功率是否能达到额 定值。从切削效率和机床动刚度角度考 验机床性能。试验时，应 在 机 床 主 轴 恒 功 率 调 速范围内选 择 一适当的主轴转速，通 过 逐 步改变进给量或切削深度使机床达到主 电动机的额定功率或设计规定的最大功 率，试验过 程 中应保证机床各部分工作 正常、可 靠，无明显的颤振现象，并 记 录 金属切除率。由于机床电动机在应用中存在功率 损耗，其输入功率不等于其输出功率，因此，功率试 验 时测得的输入功率必须考 虑电动机的效率问题5。出能 力，而 asme 标 准 在 满 足 主 传动系统满负荷运转的前提下还引入了切 削颤振的 影 响，对最大扭矩试验的规定 更为严 格。asme 标 准 和 gb9061 标 准对机床的 抗 振性切削进行了规定，其 中 asme 标准1给出了铣削加工中的颤振 极限试验 的 检测内容和试验方法，给 出 了更具针 对 性 的 规 定，能够更好地预测 和验证机床的颤振极限。t9 550 ( p p ) / n( 1)0式中: t 为 扭 矩，nm; p 为 切 削 时 电 动机的输入 功 率，kw; p0 为 机 床 装 有 工 件 或刀具时的空运转功率，kw; n 为机床主轴转速，r / min。( 3) 机床切削抗力试验 机床切削抗力试验是检验机床主要部件的接 触 刚度和机床的综合刚度，检验机床进 给 系 统 拖 动 能 力，检 验 机 床 在 最大切削抗力作用下和短时间超过最大2切削负荷试验检测内容和 流程机床 在 确定进行切削负荷检验后，应依据有关标准按照机床设计要求或用户关注项目进行如下负荷试验的例行检 190 项目asme b5. 54gb 9061 2006jb / t8801 1998承 载 工 件 最 大 重 量 运转试验抽查抽查主 传 动 系 统 最 大 扭 矩试验必检必检必检最 大 切 削 抗力试验抽查抽查主 传 动 系 统 最 大 功 率试验抽查抽查抗 振 性 切 削试验抽查抽查( 5) 抗振性切削试验抗振性切削试验是评价机床动力特 性的一种 方 法，在 asme 标 准 中 也 称 为 颤振极限试验。试验时需严格控制试验 条件来得 出 有可比价值的试验结果，从 而评定机床的动力特性。试验需在相同 条件下进行，参数不允许更改，以确保试 验结果的可比性。国内标准2 规定了抗 振性切削 试 验的检测内容和试验方法， 该试验包括有限功率切削试验 ( 由 于 工 艺条件限制而不能使用全部功率 ) 和 极 限切削宽度试验。试验根据不同机床类 型、加工方式和切削刀具 ( 材料和几何参 数) ，检验不同参数下的机床 结 构 的 稳 定性。影响切 削 颤 振 的 因 素 众 多，工 件 的 材料、刀具材料和规格、刀 具 装 夹、切 削 参数、机床的结构、轴承的预载等都会对 切削颤振的结果产生影响。但是影响机 床抗振性能的主要因素是机床自身的结 构，其次是加工和装配质量因素。asme 标准1给 出 了 铣 削 加 工 中 的 颤振极限 试 验的检测内容和试验方法， 试验目的是在机床处于相等的扭矩和功 率下时 评 价机床的刚度和切削稳定程 度。试验时，使用标准刀具铣削不 同 材 料的试验 工 件，不断改变切深直到颤振 轻微出现，颤 振出现时的切深即认为是 切削性能的极限切深。颤 振 试 验 中，颤 振极限并不取决于每齿进给量，因此，在 试验进行 时 应选择比较薄的切屑，每 齿 进给量取平面铣 中 c = 0. 15 mm，端 铣 中c = 0. 1 mm。表 2 给 出了不同铣削条件 下进行 抗 振性切削试验推荐的每齿进 给量。最低转速 nmin 不应小于 29fn / d，其中 fn 为主振 型 固 有 频 率，hz; d 为 刀 具 半 径， mm。机床在较高的转速下，颤 振 稳 定 域 叶瓣图的 稳 定叶瓣宽度更大，机 床 更 具 有实现稳定加工状态的可能。但 是，在 一些试 验 条件或技术水平不具备的场 合，很难得到准确的叶瓣图，此时若盲目 选择较高 转 速进行切削颤振极限试验， 可能 会 导 致 试验结果不明 显。 因 此， asme 标准中给出了推荐主 轴 转 速 的 最 大极限 nmax 作为试验切削速度的指导，即 nmax 不应大于 16fn / m，其中 fn 为主振型固 有频率，hz; m 为刀具上刀齿数。在抗 振 性 切 削这一测试项目 中， asme 标准中给出了更具针对性的规定， 能够更 好 地预测和验证机床的颤振极 限。但是需 要 指 出 的 是，对 于 不 同 的 两 台机床在 进 行 测 试 比 较 时，抗 振 性 切 削 试验中不允许为了获得更高的颤振极限 而牺牲 进 给速度或切宽而变换切削参 数。进行抗振性切削建议的目的是为了 获得更为 优 良 的 结 构 设 计，也 是 机 床 抗 振性能的基本保证。上述试验除了需要记录对应测试项 目的目标 数 据 外，还需要记录测试机床 类型 和 参 数、工 件 材 料、刀 具 和 夹 具、切 削参数和加工流程、各构件运转状况、测 试仪器和测试方法、测试结果等。例，主电动 机 的额定功率和额定扭矩分 别为 7. 5 kw 和 37 nm，如图 2，超出额 定功率 25% 的 s3 区域功率为 11 kw，同 样，最大扭矩为 70 nm。试 验 试 料 材 质 为 ht200，刀 具 为sandvik 直 径 为 80 mm 的 5 齿 面 铣 刀。 主轴 转 速 2 000 r / min，进 给 速 度 1 000 mm / min，切削 宽 度 为 60 mm。每 间 隔 1 mm 增 大，逐 渐 改 变 切 深 由 2 mm 到 5 mm。当主 传 动 系 统的功率达到额定功 率时，材料 去 除率基本达到了设计目标 3检测试验实例以 机 床 为 高 速 卧 式 加 工 中 心vmc850e 进行最大功率和最大扭矩试验 为例说明。根据机床制造与验收技术要 求，设计机 床 主传动系统最大扭矩切削 试验、机床 主 传动系统最大功率切削试 验和机床最大切削抗力试验。通过测量 机床在加 工 过程中主轴功率、扭 矩 和 切 削力随不 同 设定切削参数变化情况，分 析机床的切削加工性能和承载能力。测试 仪 器 选 用 kistler 三 向 测 力 仪 ( 包 括 5070 多通道电荷放 大 器、9265b 三向测力仪、dynoware 数 据 处 理 软 件) 、 dewetron 信 号 分 析 仪 等。试 验 仪 器 如图 1 所示。( 1) 面铣削最大功率试验进给沿 x 轴正向至 x 轴负向或者 y轴正向 至 y 轴 负 向，此 处 以 y 轴 运 动 为3180 mm / min，如 图 3 所 示，并 且 在 加 工中未发生 颤 振，主轴和工作台的振动幅 值在允许范围内。表 2 切削性能试验中的每齿进给量进行颤振试验时，asme 给出了依据刀具的经验寿命数据选择主轴转速的公 式。除 此 之 外，根 据 颤 振 理 论，asme 中 规定了切削颤振极限试验中允许的最低转速和最高转速。由于在较低转速下切 削会因为加工阻尼的作用抑制颤振的发生。因此，切削颤振极限试验中允 许 的( 2) 面铣削最大扭矩试验主传动系统最大扭矩试验中试料材 质 ht200，直径 80 mm 盘铣刀、5 齿，主轴 191 切削试验每齿进给量 / ( mm / 齿)颤振 平面铣0. 15颤振 端铣0. 10满扭矩铣削0. 30海 克 斯 康 参 加dm p 20142014 年 第 16 届 dmp( 东 莞 国 际 模具、金属加工、橡塑胶 及 包 装 展 暨 国 际 ( 东莞) 铸业展) 于 11 月 19 22 日在中 国东莞市厚街镇广东现代国际展览中心 隆重举行。海克斯康此次也带来了不少 耀眼产品。快，无论何 种 材 料。同 时，hp l 20 8是第一款经过验证符合 iso 10360 8 标 准的 romer 绝对臂激光扫描测头。hp l 20 8 完 全 被 集成 在 romer 绝 对 臂 上， 采用最新 功 能 包，无 需 额 外 的电 缆 或 控 制 器。 获 得 专 利的 hp l 扫描技术，可根 据曲 面颜色或反射率进行 自动适应，无 需手动调节激光功率。多 传感器技术，扫 描 和 触 发 一 键 式 无 缝 切 换，扫描测头快速装卸无 需 再 校 准 的 可 重复性安装，使得 hp l 20 8 激光扫 描测头成为 romer 绝对臂最优秀的外 接式扫描应用配置。用二维光学成像重建工件的三维数学模型。这种革命 性 的 测 量 系 统，具 有 独 特 的高速数据获取能力，可完成工业设计、 产品开发和质量评估、现场测量、过程检 测、模具的设计与试制、现场根源分析和 车辆试产支持等各种测量与检测任务。cognitens拍1romer 绝对关节臂新一代 外 接 式激光扫描测头 hp l 20 8海克斯康激光扫描测头 hp l 照 式 测 量 系 统 为三 维 光 学 测 量 带 来新的标准，采 用 独特的蓝光 技 术，单次拍摄 覆 盖 面 积 大，能够在车间环境 下高精度、可靠运行，提供丰富而全面的 三维信息。cognitens 提供 wls400 、wls qflash 系 列 机 型， wls400 包 括 wls400m 手动 版 和 wls400a 自 动 版 白 光测量系统，wls400a 整合机器人，提供 了自 动、快 速、柔 性 的 现 场 快 速 测 量 方 案。wls qflash 源 自 成 熟 的 wls400 产品家族的技术，它占地小、重量轻而且 经济实用， 所有的主机附件都可以容纳 于一个箱子，并且便于搬运。20 8 提供了更高的扫描性能，尤其 适 用于更具挑战性的发光材料工件和复杂曲 面的扫描，如 切 削、铸 造、冲 压 或 锻 造 的 金属，塑料，碳纤维等材料。hp l 20 8 与 新 一 代 romer 绝 对臂完美 结 合，为用户提供了一流的便 携式坐标 测 量 系 统，其扫描系统的精度 已经获得完全验证。hp l 20 8 具有 独特的可 变 线 宽 扫 描 技 术，其 最 大 扫 描 线宽达 230 mm，最高扫描频率达 150，000 点 / s，这意味着曲面捕获速度比之前更2cognitens 白光测量系 统:高效的曲线曲面检测cognitens 白 光 测 量 系 统，致 力 于 为制造业尤其是汽车行业提供一流的非接触式三维光学测量解决方案。其独有的 专利技术，能够在苛刻的工业环境中，利转速 1 000 r / min，切 宽 60 mm，切 深 3mm。改变进 给 速 度，分 别 为 1 000 mm /min 和 2 000 mm / min 时测得对应的主传 动系统最大扭矩，如图 4。当主轴扭矩达到额定值 时，基本达到设计要求的材料 去除率 180 mm3 / min。率等检验做了较为 详 细 的 规 定。asme标准在主传动系统满负荷检验和抗振性 切削等检验内容上给出了更具针对性的 规定，而我国标准对切削功率、抗力和承 载极限进行了更全面的介绍。( 2) 对现 今实行的数控机床切削负 荷检验目的、内容、流程和方法进行了综 合介绍，