高端数控机床精度检测有了“中国标准”!

2018年第四季度，ISO/TC39/SC2即国际标准化组织/机床技术委员会/金属切削机床检验条件分技术委员会第83次会议在奥地利的萨尔茨堡召开。经过大会的审议和表决，由航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司（以下简称“成飞集团”）自主研发，用于高端五轴联动数控机床动态加工精度检测的S形试件进入了国际标准最终草案(FDIS)阶段，这标志着该S形试件即将进入国际标准序列。这也是我国在金属切削机床检测领域首次制定出了国际认可的通用标准。

成飞集团在上世纪90年代初即开始大量引入五轴联动数控机床，当时对机床进行动态加工精度验收主要依据美国NASA在1969年制定的“通用切削测试——NAS系列金属切削装备规范”来进行。该规范包含了两个试件，试件A主要用来检测机床平动轴几何精度和位置精度，试件B又被称为NAS979圆锥台试件，主要用于多轴联动数控机床的转动轴精度检测。时至今日，NAS979圆锥台试件仍然是应用最广泛的多轴联动数控机床精度检测试件。

NAS979试件A

NAS979试件B(圆锥台试件)然而事不遂人愿，成飞集团在某三代机零部件加工生产实践中发现了一些诡异的现象，那就是大量已经通过了NAS979圆锥台试件检验合格的多轴联动数控机床在加工大型航空薄壁件等复杂曲面零部件的时候，经常出现过切、欠切、振纹和表面质量超差的情况，出现问题的机床品牌遍布全球各大著名航空机床厂商，甚至连业界翘楚——瑞士斯达拉格(Starrag)的设备也未能幸免。现实让成飞集团意识到，这一现象的背后可能存在共性问题。经过长时间的深入调查研究，成飞集团的技术人员发现，NAS979圆锥台试件确实存在根本性的问题。首先，NAS979圆锥台试件的锥面与水平面的夹角是75°，也就是说锥面法矢量和底座面法矢量的夹角也为75°，根据开闭角的定义（加工面法矢量与底座面法矢量的夹角小于直角即为闭角，反之则为开角），这个角度属于闭角范畴。也就是说在机床加工锥面的过程中，开闭角为定值即75°，刀具始终处在闭角范围内，并不存在开闭角的转换，从而无法检验机床在开角区的加工精度；更为严重的问题是，开闭角转换区间是加工的难点，需要机床有很强的摆角能力和很高的多轴联动精度，对伺服系统的要求非常苛刻，而NAS979圆锥台试件根本无法检测开闭角转换区间的加工精度。其次，NAS979圆锥台试件的侧面是可展曲面，其扭曲角为零，不存在加工原理误差，根本无法检测机床在加工不可展曲面时的刀具摆动和多轴联动的平稳性和精度。另外，NAS979圆锥台试件的上下两条曲线均为圆周，曲率为定值，且锥面的法曲率是均匀变化的，而大型航空薄壁件往往存在着变化的曲率和跳变的法曲率，因此NAS979圆锥台试件根本无法检测机床在应对曲率变化（尤其是不连续变化）和法曲率跳变时的加工精度。最后，NAS979圆锥台试件在加工过程中机床的A轴只出现两次反向摆动，B轴只出现一次反向摆动，无法充分反应AB轴的反向间隙误差。正因为如此，在采用NAS979圆锥台试件检测多轴联动数控机床的时候，会漏掉很多硬件设计的缺陷和数控编程的bug，从而不能及早发现问题。针对NAS979圆锥台试件的上述问题，成飞集团自主研发了全新的S形试件。其实S形试件的建模并不复杂，在上下两个平行的基准平面分别取50个基准点分别各建立一条S形三阶样条曲线，并保证上下两条曲线在基准平面上的投影不重合；然后连接上下两个基准平面上的对应基准点构建一个直纹面，再将直纹面增厚至3mm，最后在一个基准平面上加上矩形底座即可。其形状大致如下图所示。

典型的S形试件由于S形试件上下两条曲线在基准平面上的投影并不是重合的，因此在加工工程中存在多次开闭角转换；而且侧曲面为不可展曲面，存在扭曲角，严重影响刀具与被加工平面的贴合程度；再加上侧曲面很薄，曲率和法曲率的变化又并不连续，存在着多个极值点和曲率转向点，其中法曲率甚至出现不连续的跳变，使得刀具在单位时间内的切削量变化剧烈，极易诱发刀具和机床零部件的振动，破坏加工稳定性。以上的特点使得S形试件能充分的检验机床的几何精度、定位精度、多轴联动精度、五轴插补精度、机床刚度和振动特性等指标；此外，在加工S形试件的时候，机床的A轴和B轴会分别出现2次和4次反向摆动，对于反向间隙误差的测量也远比NAS979圆锥台试件充分得多。S形试件推出之后，马上便成为了成飞集团对于所采购的多轴联动数控机床的标准测试件。由于这一时期国际航空制造的同行也纷纷发现了类似问题，成飞集团S形试件也迅速成为了国际航空制造巨头们的标准测试件。因为爱惜羽毛的斯达拉格首先承认了这一标准，航空机床厂商们也很快把成飞集团S形试件纳入了出厂检验的标准测试件范畴。2009年，S形试件在中国注册专利；2011年在美国注册专利。2012年，成飞集团数控技术团队向国际标准提出申请，经过六年的不懈努力，S形试件顺利的通过了项目提案(NP)，工作组草案(WD)，委员会草案(CD)和国家标准草案(DIS)，最终顺利进入了国际标准最终草案(FDIS)阶段，这就意味着S形试件距离最终成为国际标准只是个时间问题。

意大利帕尔帕斯(Parpas)加工中心正在加工S形试件标准是工业的灵魂。我国的产业升级需要更多的“中国标准”，航空强国建设也呼唤更多的“中国标准”，我们坚信，在制造业高质量发展总目标的引领之下，更多的“中国标准”将会源源不断的涌现出来，甚至成为国际标准，为新时代的制造业注入更多的中国力量。