CN102744450A - 一种检测机床切削能力的测试试件及其应用 - Google Patents

Abstract

一种检测机床切削能力的测试试件及其应用，属于机床应用领域。该试件由四个测试区域构成，第一测试区的作业面是位于水平方向的台阶面，水平方向的台阶面的各阶梯高度差一致，阶梯高度沿水平方向逐级递增，阶梯宽度一致，阶梯长度一致；第二测试区与第一测试区相邻，第二测试区的作业面为一个位于水平方向的倾斜面；第三测试区垂直于第一测试区，第三测试区的作业面是位于垂直方向的台阶面，垂直方向的台阶面高度差一致，阶梯高度沿垂直方向从上至下逐级递减，阶梯宽度一致，阶梯长度一致，第四测试区垂直于第二测试区，第四测试区的作业面为垂直方向的平面。通过试件的四个测试区可测试机床不发生颤振的切深范围、切宽范围和转速范围，操作简便。

Description

一种检测机床切削能力的测试试件及其应用

技术领域

本发明涉及一种用于检测机床切削能力的测试试件，属于机床应用领域。

背景技术

美国航空航天工业协会(AIA)发布了一系列用于机床切削检测的标准零件National Aerospace Standard（NAS），用于检测机床是否合格以及定期对机床进行精度复检。随后，ISO组织公布了用于检测加工中心精度的标准试件。ISO 10791第七部分定义了两种类型的精加工试件，每种类型有两种规格尺寸。第一种试件用于评定定位精度和轮廓误差，以检验加工中心的几何特性。第二种试件用于检测两次间隔面铣削过程中是否存在接刀痕，用于评价机床Z轴精度是否一致。NAS 979公布了一种用于检测五轴加工轮廓精度的圆锥台试件。德国生产协会也发布了多种用于评价机床加工精度的测试试件，其中包括可用来检测五轴机床加工精度的两种类型测试试件。经过多年发展，国际上出现了多种用于检测机床精度的测试试件，大部分检测元素都与ISO标准相似。然而，无论是三坐标测试件还是五座标测试件，都是用来评定机床加工精度是否符合设计和验收要求的测试试件，都无法进行机床最大切削能力的测试和评定。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提出了一种基于铣削颤振理论检测机床切削能力的测试试件及其应用，结合颤振理论，测试机床发生颤振时的振动状况，对机床切削能力综合评定，该试件既可以配合传感器应用，也可以在无传感器工况下应用。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种检测机床切削能力的测试试件，其特征在于：测试试件由四个测试区域构成，所述的第一测试区的作业面是位于水平方向的台阶面，所述的水平方向的台阶面的各阶梯高度差一致，阶梯高度沿水平方向逐级递增，阶梯宽度一致，阶梯长度一致；所述的第二测试区在水平面内与第一测试区相邻，第二测试区的作业面为一个位于水平方向的倾斜面；所述的第三测试区垂直于第一测试区，第三测试区的作业面是位于垂直方向的台阶面，所述垂直方向的台阶面高度差一致，阶梯高度沿垂直方向从上至下逐级递减，阶梯宽度一致，阶梯长度一致，所述的第四测试区垂直于第二测试区，第四测试区的作业面为垂直方向的平面，所述的第一测试区所在的水平面与第三测试区所在的垂直面之间设有隔离区台阶，所述的第二测试区所在的水平面与第四测试区所在的垂直面之间设有隔离区台阶，所述的各测试区域之间设有退刀槽。

前述测试试件在检测机床切削能力中的应用。

具体应用过程如下：在测试试件上三次装夹铣刀，进行铣削试验，由加工后的测试试件的表面轮廓分布可以直观看出发生颤振的表面和稳定切削的表面临界区域，使用长度测量工具测量已加工表面临界区域尺寸，即可获得发生颤振对应的轴向切深、径向切深、转速等参数；并在第三次装夹时，由变转速-切深组合试验得到的加工表面，记录整个加工表面的纹理分布，测量颤振-稳定切削的临界位置与切削基准间的尺寸，由测绘数据结合给定切削参数，绘制颤振稳定图，进而评估机床切削能力，即未发生颤振的加工表面对应的切深越大表面切削能力越强。

三次装夹铣刀过程如下：

1）第一次装夹，先将铣刀加载在第一测试区，铣刀采用直径为10mm~20mm的立铣刀；

主轴转速：机床最高转速的50%-70%；

进给方向：由左至右；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：1mm；

轴向切深：初始轴向切深1mm，沿水平方向进给，经过每阶梯长度10mm，切深增加1mm，最终轴向切深12mm；

铣削方式：主轴正转，逆铣，侧铣；

铣刀沿第二测试区铣削：先进行主轴正转，逆铣，侧铣；由于第二测试区为一倾斜面，因此，通过与第一测试区相同的侧铣方式即可完成轴向切深由浅到深的连续变参数颤振试验；

采用铣刀直径：10mm~20mm；

主轴转速：机床最高转速的50%-70%；

进给方向：由右至左；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：1mm；

轴向切深：初始轴向切深1mm，沿水平方向，经过斜面侧面逐渐增加，最终轴向切深12mm；

再进行变厚度变转速端铣切削试验：利用铣刀端面在第二测试区的斜面上变转速逐行切削斜面，连续6次，形成变转速-切深加工表面；

铣刀直径：6mm；

主轴转速：机床由1000rpm，每隔一行增加1000rpm，共六行，最终6000rpm；

切削进给方向：由右至左；

每齿进给量：0.05mm/z；

步距进给方向：垂直于铣刀前进方向；

径向切深（步距）：全宽6mm；

轴向切深：初始轴向切深1mm，逐渐增加，最终轴向切深12mm；

铣削方式：正转，对称铣，槽铣。

2）第二次装夹：铣刀加载在第三测试区，铣刀直径：10mm~20mm；

主轴转速：机床最高转速的50%-70%；

进给方向：由左至右；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：径向初始切深0mm，每10mm进给切深增加1mm；

轴向切深：1mm；

铣削方式：正转，逆铣，侧铣。

3）第三次装夹，铣刀加载在第四测试区，铣刀直径：10mm~20mm；

主轴转速：机床最高转速的10%-100%，每10mm进给主轴转速增加10%；

进给方向：由左至右；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：1 mm；

轴向切深：5 mm；

铣削方式：正转，逆铣，侧铣。

本发明的有益效果：本发明采用上述结构，第一测试区用来测试机床在其他参数不变的条件下，阶梯性间断改变切深时机床发生颤振的切深范围，第二测试区用来测试机床在其他参数不变的条件下，连续改变切深时机床发生颤振的切深范围，第三测试区用来测试机床在其他参数不变的条件下，阶梯性改变切削宽度时机床发生颤振的切宽范围，第四测试区用来测试机床在只改变主轴转速条件下机床发生颤振的转速范围。

通过四个测试区可测试机床不发生颤振的切深范围、切宽范围和转速范围。另外，由切深-转速组合试验可在不借助外部设备时获得机床颤振稳定域曲线。同时结合颤振理论，采用加工时在工件切削方向安装加速度传感器测试机床发生颤振时的振动状况，应用表面粗糙度仪或轮廓仪测试加工表面轮廓在相应颤振时的铣刀、工件频率，进而识别出发生颤振时影响加工纹理分布的频率成分。采用上述方法，综合评定机床适合切削的最大切削能力范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的另一方向视图。

图3是图1中第一测试区的测试状态图，切削方向由左至右。

图4是图1中第二测试区的测试状态图，切削方向由右至左。

图5是图1中第三测试区的测试状态图，切削方向由左至右。

图6是图1中第四测试区的测试状态图，切削方向由左至右。

图7是本试件第二测试区变轴向切深-变转速条件下铣刀全宽逐行铣削示意图，其中切削第1行对应的主轴转速1000rpm，第2行对应转速2000rpm，以此类推，到第6行对应主轴转速为6000rpm。

图8是图7中已加工表面测绘得到的类似仿真计算获得的颤振稳定域曲线图。

图中1为零件第一测试区，2为零件第二测试区，3为零件第三测试区，4为零件第四测试区，5为第二测试区与第四测试区之间在水平面和垂直面的隔离区台阶，6为第一测试区与第三测试区之间在水平面和垂直面的隔离区台阶，7为第一测试区与第二测试区之间的退刀槽，8为第三测试区与第四测试区之间的退刀槽，9为在第一测试区进行切削试验设计的退刀槽，10为在第三测试区进行切削试验设计的退刀槽，11为在第二测试区进行切削试验设计的退刀槽，12为在第四测试区进行切削试验设计的退刀槽，13垂直于第一、二测试区所在平面的基准平面，14垂直于第三、四测试区所在平面的基准平面，15为退刀槽9和10间的基准平面，16为退刀槽11和12间的基准平面,17为加速度传感器，18为刀柄，19为铣刀，20为加速度传感器信号线，21为第二测试区中第二部分变转速-切深试验获得的包含颤振纹理的加工表面。

具体实施方式

一种用于检测机床切削能力的测试试件，分为四个测试区域。其具体结构如下：由第一测试区1的作业面是位于水平方向的台阶面，所述的水平方向的台阶面的各阶梯高度差一致，阶梯宽度一致，阶梯长度逐级递增；所述的第二测试区2与第一测试区1相邻，第二测试区2的作业面为一个位于水平方向的倾斜面；所述的第三测试区3垂直于第一测试区1，第三测试区3的作业面是位于垂直方向的台阶面，所述垂直方向的台阶面高度差一致，阶梯宽度一致，阶梯长度从上至下逐级递减，所述的第四测试区4垂直于第二测试区2，第四测试区4的作业面为垂直方向的平面，在各测试区域之间设有退刀槽7、8、9、10、11、12，第一测试区1所在的水平面与第三测试区3所在的垂直面之间设有隔离区台阶6，在第二测试区2所在的水平面与第四测试区4所在的垂直面之间设有隔离区台阶5。

1.测试样件加工方法

该试件由120×120×100mm的7075航空铝合金试料加工而成。具体加工工序如下：选用120×120×100mm试料，在确保各平面都具备作为加工基准的条件下，以底面为基准，在试料一角加工出图1中第四测试区4和第三测试区3的顶面台阶5、6，以及第一测试区1和第二测试区2之间的退刀槽7，采用逐层面铣削方式每间隔10mm深度加大1mm加工出第一测试区1的台阶面；以面13为基准加工退刀槽8；如图2所示，以面15为基准加工退刀槽9、10，以逐层面铣削方式每间隔10mm深度加大1mm加工出第三测试区3的台阶面；如图3所示，以面16为基准，应用直径为10mm的立铣刀全宽加工出退刀槽11、12，以侧铣方式加工出第二测试区2的倾斜作业面。第二测试区2的垂直方向的平面作为第四测试区4的作业面。

外连传感器增加制造系统成本，使用测力仪等装置装夹工件又会降低工件和夹具的整体刚度，更易产生颤振。此方法可以在不应用加速度传感器和振动测试系统的前提下，通过直接切削试验在测试样件不同作业区按如下切削方法，直观获得稳定切削和不稳定切削的参数范围和临界稳定区域。

若条件允许，利用振动（加速度）传感器进行辅助测试，有助于辨识切削振幅、振动频率等参数，帮助分析机床的切削能力，获得更好的效果。

2.切削试验方法：

第一次装夹，第一测试区，如图3所示，其中17是单方向加速度传感器，18是刀柄，19是铣刀，20是加速度传感器信号线：

铣刀直径：10mm~20mm；

主轴转速：机床最高转速的50%-70%；

进给方向：由左至右；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：1mm；

轴向切深：初始轴向切深1mm，沿水平方向进给，经过每阶梯长度10mm，切深增加1mm，最终轴向切深12mm；

铣削方式：主轴正转，逆铣，侧铣。

第二测试区：

第二测试区加工分为两个部分。

第一部分，如图4所示，主轴正转，逆铣，侧铣。通过与第一测试区相同的侧铣方式完成轴向切深由浅到深的连续变参数颤振试验；

铣刀直径：10mm~20mm；

主轴转速：机床最高转速的50%-70%；

进给方向：由右至左；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：1mm；

轴向切深：初始轴向切深1mm，沿水平方向，经过斜面侧面逐渐增加，最终轴向切深12mm。

第二部分，变厚度变转速端铣切削试验。利用铣刀端面在第二测试区2斜面上由退刀槽7开始向面15所在平面方向变转速逐行切削斜面，连续6次，形成变转速-切深加工表面21，如图7所示，直至距离面15剩余近5mm停止切削，以保留第二测试区2第一部分切削时获得的变厚度加工侧表面。

铣刀直径：6mm；

主轴转速：机床由1000rpm，每隔一行增加1000rpm，共六行，最终6000rpm；

切削进给方向：由右至左；

每齿进给量：0.05mm/z；

步距进给方向：由槽7向槽5方向；

径向切深（步距）：全宽6mm；

轴向切深：初始轴向切深1mm，逐渐增加，最终轴向切深12mm；

铣削方式：正转，对称铣，槽铣。

第二次装夹，第三测试区，如图5所示：

铣刀直径：10mm~20mm；

主轴转速：机床最高转速的50%-70%；

进给方向：由左至右；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：径向初始切深0mm，每10mm进给切深增加1mm。

轴向切深：1mm；

铣削方式：正转，逆铣，侧铣。

第三次装夹，第四测试区，如图6所示：

铣刀直径：10mm~20mm；

主轴转速：机床最高转速的10%-100%，每10mm进给主轴转速增加10%；

进给方向：由左至右；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：1 mm；

轴向切深：5 mm；

铣削方式：正转，逆铣，侧铣。

3.测试结果的分析与评定

在不分析振动传感器17测得的振动数据时，单由第一、二、三、四测试区铣刀侧刃加工表面分别可识别出在某一切深和切宽下发生颤振时的主轴转速、在某一转速和切宽下发生颤振的切削深度、以及在某一转速和切深下发生颤振的切削宽度。

在一次装夹进行第二测试区的第二部分变轴向切深和转速试验时，可以在不借助外部设备的条件下，通过直接铣削加工找出发生颤振的转速-切深匹配范围，由加工表面使用直尺测绘出颤振稳定域图谱。即第二测试区在加工时用直径为6mm的直角螺旋立铣刀逐行铣削平面后会由于切深和转速的变化在一定匹配组合时引起颤振而在加工表面上形成振纹，从而在已加工表面21上形成明显的颤振稳定和不稳定区域，至此，在不借助外部设备的条件下便形成了类似图8颤振稳定域图谱。

在应用振动传感器进行机床颤振试验时，利用检测试件可以快捷获得发生颤振的加工表面，方便试验设计，可快捷进行颤振模型的试验验证。利用振动测试系统对装有铣刀的主轴和工件进行锤击试验，获得铣刀和工件的各阶频率。试件切削过程中，应用布置在零件端面沿铣刀进给方向的单方向加速度传感器测试并记录进给方向切削振动。加工后的各区域表面利用粗糙度仪沿切削进给方向获得表面波动曲线，将曲线做FFT变换获得频域曲线。由发生颤振的粗糙度波纹各阶频率与铣刀频率、工件频率、主轴回转频率以及切削颤振频率比对，识别出各频率内容，可以发现产生各部分加工表面的主要原因。

Claims (4)

1.一种检测机床切削能力的测试试件，其特征在于：测试试件由四个测试区域构成，所述的第一测试区的作业面是位于水平方向的台阶面，所述的水平方向的台阶面的各阶梯高度差一致，阶梯高度沿水平方向逐级递增，阶梯宽度一致，阶梯长度一致；所述的第二测试区在水平面内与第一测试区相邻，第二测试区的作业面为一个位于水平方向的倾斜面；所述的第三测试区垂直于第一测试区，第三测试区的作业面是位于垂直方向的台阶面，所述垂直方向的台阶面高度差一致，阶梯高度沿垂直方向从上至下逐级递减，阶梯宽度一致，阶梯长度一致，所述的第四测试区垂直于第二测试区，第四测试区的作业面为垂直方向的平面，所述的第一测试区所在的水平面与第三测试区所在的垂直面之间设有隔离区台阶，所述的第二测试区所在的水平面与第四测试区所在的垂直面之间设有隔离区台阶，所述的各测试区域之间设有退刀槽。

2.权利要求1所述的测试试件在检测机床切削能力中的应用。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：在测试试件上三次装夹铣刀，进行铣削试验，由加工后的测试试件的表面轮廓分布得出发生颤振的表面和稳定切削的表面临界区域，使用长度测量工具测量已加工表面临界区域尺寸，获得发生颤振对应的轴向切深、径向切深、转速参数；并在第三次装夹时，由变转速-切深组合试验得到的加工表面，记录整个加工表面的纹理分布，测量颤振-稳定切削的临界位置与切削基准间的尺寸，由测绘数据结合给定切削参数，绘制颤振稳定图，进而评估机床切削能力。

4.根据权利要求3所述应用：其特征在于：

所述的三次装夹铣刀过程如下：

1）第一次装夹，先将铣刀加载在第一测试区，铣刀采用直径为10mm~20mm的立铣刀；

主轴转速：机床最高转速的50%-70%；

进给方向：由左至右；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：1mm；

轴向切深：初始轴向切深1mm，沿水平方向进给，经过每阶梯长度10mm，切深增加1mm，最终轴向切深12mm；

铣削方式：主轴正转，逆铣，侧铣；

铣刀沿第二测试区铣削：先进行主轴正转，逆铣，侧铣；由于第二测试区为一倾斜面，因此，通过与第一测试区相同的侧铣方式即可完成轴向切深由浅到深的连续变参数颤振试验；

采用铣刀直径：10mm~20mm；

主轴转速：机床最高转速的50%-70%；

进给方向：由右至左；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：1mm；

轴向切深：初始轴向切深1mm，沿水平方向，经过斜面侧面逐渐增加，最终轴向切深12mm；

再进行变厚度变转速端铣切削试验：利用铣刀端面在第二测试区的斜面上变转速逐行切削斜面，连续6次，形成变转速-切深加工表面；

铣刀直径：6mm；

主轴转速：机床由1000rpm，每隔一行增加1000rpm，共六行，最终6000rpm；

切削进给方向：由右至左；

每齿进给量：0.05mm/z；

步距进给方向：垂直于铣刀前进方向；

径向切深：全宽6mm；

轴向切深：初始轴向切深1mm，逐渐增加，最终轴向切深12mm；

铣削方式：正转，对称铣，槽铣；

2）第二次装夹：铣刀加载在第三测试区，铣刀直径：10mm~20mm；

主轴转速：机床最高转速的50%-70%；

进给方向：由左至右；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：径向初始切深0mm，每10mm进给切深增加1mm；

轴向切深：1mm；

铣削方式：正转，逆铣，侧铣；

3）第三次装夹，铣刀加载在第四测试区，铣刀直径：10mm~20mm；

主轴转速：机床最高转速的10%-100%，每10mm进给主轴转速增加10%；

进给方向：由左至右；

每齿进给量：0.05mm/z；

径向切深：1 mm；

轴向切深：5 mm；

铣削方式：正转，逆铣，侧铣。

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