CN111266928B - 一种检测机床精度及其薄壁件加工能力的试件及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测机床精度及其薄壁件加工能力的试件及检测方法，包括“△”形尺、不规则“O型环”试件及其底座三部分。该发明的“△+O”形试件，以“△”形尺的不同台阶面到顶部端面的距离偏差评价机床单轴的移动精度。不规则“O型环”试件左半部分同轴半圆环在不同高度处的外圆圆度及其同轴度误差，评价机床C轴的旋转精度。不规则“O型环”试件的右半部分与底座之间的夹角，沿着曲线路径呈非均匀变化。通过开闭角转换，检验数控机床多轴联动的加工能力。将不规则“O型环”试件加工到半径与壁厚比为x：1时，通过检测其内轮廓精度，评价机床加工薄壁零件的能力。

Description

一种检测机床精度及其薄壁件加工能力的试件及检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测机床精度及其薄壁件加工能力的试件及检测方法，特别适用于检测大型精密数控机床多轴运动精度及其加工薄壁零件能力，属于机床加工技术领域。

背景技术

数控机床加工精度的检测方法可分为直接测量与间接测量法。直接测量法利用各类精度测量工具对机床的加工精度进行直接测量。与加工精度标准进行比对确定是否达到加工精度要求；间接测量法即机床加工标准检测试件，加工完成后对试件进行检测。通过标准试件的加工精度来推断机床的加工精度是否达到精度要求。援引美国加联数据库的定义，标准试件含义为参照物。实际上就是这一试件提供一个或多个量值作为其他测量值是否准确的“参照值”。采用一种方法对机床加工精度进行测量，如测量得到的值在其提供的“参照值”范围内，则待测机床加工精度是合格的；相反，如不在这一范围，则待测机床加工精度是不合格的。目前在不同的检测试件中，应用最广的是ISO国际标准试件。该标准测试件多用于三轴机床精度检测，能较好地检验机床平动轴的动该标准测试件多用于三轴机床精度检测，能较好地检验机床平动轴的动态精度。但无法评价多轴机床转动轴的动态精度，如多轴插补精度等。特别是针对本发明研究的典型航天件，主要特征为：零件大都为回转体、壁厚较小而直径较大。使用当前标准试件，无法检测机床加工这类零件的精度。

目前用于检测数控机床的标准试件种类较多，应用较为广泛的有如下几种：

(1)ISO国际标准试件：ISO/TC39机床技术委员会于1988年制定了针对加工中心的国际标准草案ISO10791，其中在精加工试件精度检验标准部分，规定了用于评定机床的切削精度的标准试件，提供端铣试件和轮廓加工两种。其中，端铣试件用来评价机床加工平面的精度等级，这种试件的评价指标单一，应用范围及其有限。

(2)NASA979系列标准试件：美国国家航空航天局(NASA)于1969年制定了“通用切削测试——NAS系列金属切削装备规范”，该规范共包含了两个试件。其中，NASA979试件主要用于检测三轴机床平动轴的几何精度和位置精度；NAS979圆锥台试件，主要用于多轴联动机床转动轴精度检测。

(3)“S”形试件：成都飞机工业集团公司发明了“S”形检测试件，“S”形试件及其测试方法是用于检测五轴联动机床精度的。“S”形试件的主体是一个呈S形走向的扭曲曲面形成的等厚度缘条，缘条与坐标平面的夹角连续变化，曲面形状复杂。“S”形试件源于典型航空件的结构且具有一定的薄壁特征。

(4)“X”形试件：上海理工大学设计了一种“X”型检测试件。“X”形航空薄壁标准试件由非均匀薄壁厚度的“X”型曲面件和矩形基座组合而成。X形试件是根据典型航空薄壁零件的几何特征与型面特征归纳而成，以反映所用数控机床对加工航空薄壁零件的特性。

综上所述与分析，以上相关技术的主要缺点概括如下：

1.现有标准试件不能分辨出机床单轴移动精度及旋转轴的旋转精度，不能为控制或提高机床精度的误差补偿提供科学依据。

2.现有标准试件大多针对典型航空件，一旦实际被加工零件与上述典型航空件的形状、尺寸或薄壁特征不相符合，使用现有标准件去检测加工上述与典型航空件不相符合零件用的机床能力，一定会产生较大程度的加工误差。

3.现有标准试件主要用以检测各种形状组合而成的零件加工机床精度，没有对机床加工薄壁件，尤其是50:1或更薄的薄壁件加工能力的判断。

针对上述专利的缺陷，本发明在综合考虑了多种超大型、超大长(径)厚比的航天薄壁零件特征，以及机床运动精度的检测要求和薄壁件加工变形的工艺控制要素等，提出并设计了一种综合检测机床精度及其薄壁件加工能力的三角形尺+不规则O型环试件，即解决多轴机床精度检测及其薄壁件加工能力检测合二为一的综合方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种多轴机床精度检测及其薄壁件加工能力检测合二为一的综合方案。

为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种检测机床精度及其薄壁件加工能力的试件及检测方法，其特征在于，所述试件包括三角形尺、不规则O型环和底座，所述三角形尺、不规则O型环均设于底座上。所述的三角形尺由两根两两垂直的直角边及一根斜边组成，且三者为一个整体。所述的三角形尺的两个直角边外侧面及顶部端面经精密加工形成，以三角形尺的两个直角边外侧面及顶部端面为定位面，加工斜边外侧面，斜边外侧面在Z方向上为台阶面，在X、Y方向上为锯齿型面。所述的不规则O型环试件由左、右两部分组成，左半部分为同轴的尺寸不等的半圆环；右半部分为特定曲面环。所述不规则O型环试件的左半部分为同轴半圆环，且在不同高度具有不同半径的圆环。所述不规则O型环试件的右半部分外部是由顶部为椭圆弧和底部为圆弧形成的相贯曲面，顶部和底部两条弧线在底座上投影相交叉，并在相交处形成开闭角状态，试件与底座之间的夹角，沿着曲线路径呈非均匀变化。所述的底座是用于支撑三角形尺、不规则O型环的板式基础件，其与三角形尺、不规则O型环连接处设有退刀槽，所述的底座上还设有用于与机床连接的两个定位孔和四个T型螺栓孔。

使用上述试件检测机床精度及其薄壁件加工能力的方法为：以定位面为基准，分别测量锯齿面到X轴和Y轴的距离，以及不同台阶面到顶部端面的距离，它们与理论值的偏差用于评价机床X轴、Y轴、Z轴移动精度；测量所述不规则O型环试件的左半部分不同高度处圆环的外圆圆度及同轴度，用于评价机床旋转C轴旋转精度；所述不规则O型环试件的右半部分外部是由顶部为椭圆弧和底部为圆弧形成的相贯曲面，顶部和底部两条弧线在底座上投影相交叉，并在相交处形成开闭角状态，试件与底座之间的夹角，沿着曲线路径呈非均匀变化，通过夹角及开闭角转换，检验数控机床多轴联动的能力；所述不规则O型环试件内轮廓表面被加工到半径与壁厚比为x：1时，通过检测内轮廓精度，以判别机床及其工艺加工薄壁零件的能力，例如，所述不规则O型环试件内轮廓表面被加工到半径与壁厚比为200：1或50：1时，通过检测内轮廓精度，以判别机床加工薄壁零件的能力。

本发明提供的一种检测机床精度及其薄壁件加工能力的试件及检测方法，是一种将多轴机床精度检测及其薄壁件加工能力检测合二为一的综合方案。三角形试件用于检测机床平动轴单轴运动的(X轴、Y轴、Z轴)的运动精度的测试。不规则O型环试件用于检测机床的回转轴C轴的运动精度及机床的五轴联动能力，并通过特定的加工工艺，来判别机床加工薄壁零件的能力。

本发明主要技术适用于航天航空、汽车、船舶及核电等薄壁关键结构件，以及数控机床对于薄壁关键结构件的加工能力。该发明包括“△”形尺、不规则O型环及其底座三部分。以“△”形尺的两个直角边外侧面及顶部端面为定位面而加工斜边外侧面在Z方向上为台阶面，在X、Y方向上为锯齿型面。以定位面为基准，通过测量锯齿面到X轴和Y轴的距离及不同台阶面到顶部端面的距离偏差，来评价机床单轴(X轴、Y轴、Z轴)的移动精度。通过测量不规则O型环试件的左半部分为同轴半圆环在不同高度处的外圆圆度及同轴度误差来评价机床旋转轴C轴的旋转精度。而不规则O型环试件的右半部分外部是由顶部为椭圆弧和底部为圆弧形成的曲面环。两个弧线在底座上投影相交叉，并在相交处形成开闭角状态。且不规则O型环试件与底座之间的夹角，沿着曲线路径呈非均匀变化。通过夹角及开闭角转换，检验数控机床多轴联动的能力。将不规则O型环试件内轮廓表面加工到其半径与壁厚比为x：1(如200：1或50:1)时，通过检测内轮廓精度，以判别机床加工薄壁零件的能力。

本发明深入总结已经公开的常用标准试件特征基础上，对现有常用的航空薄壁零件几何特征进行归纳，根据五轴机床检测要求设计了三角形尺+不规则O型环试件。该试件能够分离出机床单轴移动精度的基础数据，机床旋转轴C轴旋转精度的基础数据，可为后续的机床精度控制提供依据。该试件也可以通过开闭角的转换来判断机床多轴联动精度。根据试件的特定加工要求，三角形尺+不规则O型试件可以分离机床的运动精度和薄壁件变形对加工误差的影响，从而能够判别机床加工薄壁零件的能力。能够有效的考核机床对于薄壁关键结构件的加工工艺适应性。

附图说明

图1是本发明的三角形尺+不规则O型环试件的三维示意图；

图2是本发明的三角形尺+不规则O型环试件的俯视图；

图3是本发明的三角形尺+不规则O型环试件的左视图；

图4是本发明的三角形尺+不规则O型环试件的正视图；

图5是图2所示结构的A-A处剖面图；

图6是图4所示结构的B-B处剖面图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

如图1至图6所示为本发明的一种检测机床精度及其薄壁件加工能力的三角形尺(“△”形尺)+不规则O型环(“O型环”)试件。

如图2所示，三角形尺+不规则O型环试件由三角形尺、不规则O型环及其底座三部分组成。底座是用于支撑三角形尺和不规则O型环的平板式基础件且与三角形尺和不规则O型环连接处有退刀槽，其具有用于在机床上进行安装的两个定位孔和四个T型螺栓孔。

“△”形尺由AB’、AC’两条垂直的直角边、过度边BB’、CC’及BC斜边组成。首先，将“△”形尺的两个直角边外侧面AB’、AC’及顶部端面精密加工成为基准面。然后，以加工好的基准面作为定位面，加工斜边外侧面BC。斜面外侧面在Z方向上为台阶面，在X、Y方向上为锯齿型面。最后，以定位面为基准，分别测量锯齿面到X轴和Y轴的距离及不同台阶面到顶部端面的距离，它们与理论值的偏差为机床平动轴(X轴、Y轴、Z轴)的运动精度。

“O型环”试件由左、右两部分组成。左半部分为同轴环状半圆；右半部分为特定环状曲面环。如图3所示，“O型环”试件的左半部分为同轴状半圆，且不同高度上的圆的半径不同，最小圆半径D1、E1、F1位于试件顶端，最大圆半径D2、E2、F2位于试件底端，测量不同高度处圆环的外圆圆度及同轴度，其圆度和同轴度误差即为机床旋转C轴旋转精度。如图4所示，右半部分外部是由顶部为椭圆弧D1、G1、F1和底部为圆弧D2、G2、F2形成的曲面，椭圆弧D1、G1、F1和圆弧D2、G2、F2在底座上投影相交叉，其夹角沿着曲线路径呈非均匀变化。椭圆弧D1、G1、F1和圆弧D2、G2、F2在底座上投影相交叉形成开闭角状态变化。通过夹角及开闭角转换，来检验数控机床多轴联动的能力。

将不规则O型环试件内轮廓表面加工到半径与壁厚比为x：1时(本专利涉及的薄壁件半径与壁厚比为200：1或更大)，通过检测内轮廓精度，以判别机床及其工艺加工薄壁零件的能力。从图5、图6中可以看出，不规则O型环试件的薄壁特征。

下表1为本发明试件的几何特征与机床精度的关系。

表1几何特征与机床精度的关系

序号	特征	机床精度
			1	“△”形尺AB’、AC’、顶端面	基准面
2	“△”形尺外侧阶梯面	Z轴移动精度
			3	“△”形尺外侧锯齿面	X、Y轴移动精度
4	“O型环”试件同轴状半圆	C轴旋转精度
			5	“O型环”试件不规则圆	A轴运动精度、多轴联动精度
6	“O型环”试件内轮廓精度	机床加工薄壁零件的能力

Claims (4)

1.一种检测机床精度及其薄壁件加工能力的试件，其特征在于，所述试件包括三角形尺、不规则O型环和底座，所述三角形尺、不规则O型环均设于底座上；所述的三角形尺由两根两两垂直的直角边及一根斜边组成，且三者为一个整体；所述的三角形尺的两个直角边外侧面及顶部端面经精密加工形成，以三角形尺的两个直角边外侧面及顶部端面为定位面，加工斜边外侧面，斜边外侧面在Z方向上为台阶面，在X、Y方向上为锯齿型面；所述的不规则O型环由左、右两部分组成，左半部分为同轴的尺寸不等的半圆环；右半部分为特定曲面环；所述不规则O型环的左半部分为同轴半圆环，且在不同高度具有不同半径的圆环；所述不规则O型环的右半部分外部是由顶部为椭圆弧和底部为圆弧形成的相贯曲面，顶部和底部两条弧线在底座上投影相交叉，并在相交处形成开闭角状态，不规则O型环与底座之间的夹角，沿着曲线路径呈非均匀变化。

2.如权利要求1所述的一种检测机床精度及其薄壁件加工能力的试件，其特征在于，所述的底座是用于支撑三角形尺、不规则O型环的板式基础件，其与三角形尺、不规则O型环连接处设有退刀槽，所述的底座上还设有用于与机床连接的两个定位孔和四个T型螺栓孔。

3.使用权利要求2所述的试件检测机床精度及其薄壁件加工能力的方法，其特征在于，以定位面为基准，分别测量锯齿面到X轴和Y轴的距离，以及不同台阶面到顶部端面的距离，它们与理论值的偏差用于评价机床X轴、Y轴、Z轴移动精度；测量所述不规则O型环的左半部分不同高度处圆环的外圆圆度及同轴度，用于评价机床旋转C轴旋转精度；所述不规则O型环的右半部分外部是由顶部为椭圆弧和底部为圆弧形成的相贯曲面，顶部和底部两条弧线在底座上投影相交叉，并在相交处形成开闭角状态，不规则O型环与底座之间的夹角，沿着曲线路径呈非均匀变化，通过夹角及开闭角转换，检验数控机床多轴联动的能力；所述不规则O型环内轮廓表面被加工到半径与壁厚比为 x：1时，通过检测内轮廓精度，以判别机床及其工艺加工薄壁零件的能力。

4.如权利要求3所述的一种检测机床精度及其薄壁件加工能力的方法，所述的半径与壁厚比x：1为200：1或50：1。

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