高端數控機牀精度檢測有了“中國標準”_風聞

【文/科工力量專欄作者 高航】

2018年第四季度，ISO/TC39/SC2即國際標準化組織/機牀技術委員會/金屬切削機牀檢驗條件分技術委員會第83次會議在奧地利的薩爾茨堡召開。

經過大會的審議和表決，由航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司（以下簡稱“成飛集團”）自主研發，用於高端五軸聯動數控機牀動態加工精度檢測的S形試件，進入了國際標準最終草案（FDIS）階段，這標誌着該S形試件即將進入國際標準序列。這也是我國在金屬切削機牀檢測領域首次制定出了國際認可的通用標準。

成飛集團在上世紀90年代初即開始大量引入五軸聯動數控機牀，當時對機牀進行動態加工精度驗收主要依據美國NASA在1969年制定的“通用切削測試——NAS系列金屬切削裝備規範”來進行。該規範包含了兩個試件，試件A主要用來檢測機牀平動軸幾何精度和位置精度，試件B又被稱為NAS979圓錐台試件，主要用於多軸聯動數控機牀的轉動軸精度檢測。時至今日，NAS979圓錐台試件仍然是應用最廣泛的多軸聯動數控機牀精度檢測試件。

NAS979試件A

NAS979試件B(圓錐台試件)

然而事不遂人願，成飛集團在某三代機零部件加工生產實踐中發現了一些詭異的現象，那就是大量已經通過了NAS979圓錐台試件檢驗合格的多軸聯動數控機牀，在加工大型航空薄壁件等複雜曲面零部件的時候，經常出現過切、欠切、振紋和表面質量超差的情況，出現問題的機牀品牌遍佈全球各大著名航空機牀廠商，甚至連業界翹楚——瑞士斯達拉格（Starrag）的設備也未能倖免。現實讓成飛集團意識到，這一現象的背後可能存在共性問題。經過長時間的深入調查研究，成飛集團的技術人員發現，NAS979圓錐台試件確實存在根本性的問題。

首先，NAS979圓錐台試件的錐面與水平面的夾角是75°，也就是説錐面法矢量和底座面法矢量的夾角也為75°，根據開閉角的定義（加工面法矢量與底座面法矢量的夾角小於直角即為閉角，反之則為開角），這個角度屬於閉角範疇。也就是説在機牀加工錐面的過程中，開閉角為定值即75°，刀具始終處在閉角範圍內，並不存在開閉角的轉換，從而無法檢驗機牀在開角區的加工精度；更為嚴重的問題是，開閉角轉換區間是加工的難點，需要機牀有很強的擺角能力和很高的多軸聯動精度，對伺服系統的要求非常苛刻，而NAS979圓錐台試件根本無法檢測開閉角轉換區間的加工精度。

其次，NAS979圓錐台試件的側面是可展曲面，其扭曲角為零，不存在加工原理誤差，根本無法檢測機牀在加工不可展曲面時的刀具擺動和多軸聯動的平穩性和精度。另外，NAS979圓錐台試件的上下兩條曲線均為圓周，曲率為定值，且錐面的法曲率是均勻變化的，而大型航空薄壁件往往存在着變化的曲率和跳變的法曲率，因此NAS979圓錐台試件根本無法檢測機牀在應對曲率變化（尤其是不連續變化）和法曲率跳變時的加工精度。

最後，NAS979圓錐台試件在加工過程中機牀的A軸只出現兩次反向擺動，B軸只出現一次反向擺動，無法充分反應AB軸的反向間隙誤差。正因為如此，在採用NAS979圓錐台試件檢測多軸聯動數控機牀的時候，會漏掉很多硬件設計的缺陷和數控編程的bug，從而不能及早發現問題。

針對NAS979圓錐台試件的上述問題，成飛集團自主研發了全新的S形試件。其實S形試件的建模並不複雜，在上下兩個平行的基準平面分別取50個基準點分別各建立一條S形三階樣條曲線，並保證上下兩條曲線在基準平面上的投影不重合；然後連接上下兩個基準平面上的對應基準點構建一個直紋面，再將直紋面增厚至3mm，最後在一個基準平面上加上矩形底座即可。其形狀大致如下圖所示。

典型的S形試件

由於S形試件上下兩條曲線在基準平面上的投影並不是重合的，因此在加工工程中存在多次開閉角轉換；而且側曲面為不可展曲面，存在扭曲角，嚴重影響刀具與被加工平面的貼合程度；再加上側曲面很薄，曲率和法曲率的變化又並不連續，存在着多個極值點和曲率轉向點，其中法曲率甚至出現不連續的跳變，使得刀具在單位時間內的切削量變化劇烈，極易誘發刀具和機牀零部件的振動，破壞加工穩定性。

以上的特點使得S形試件能充分的檢驗機牀的幾何精度、定位精度、多軸聯動精度、五軸插補精度、機牀剛度和振動特性等指標；此外，在加工S形試件的時候，機牀的A軸和B軸會分別出現2次和4次反向擺動，對於反向間隙誤差的測量也遠比NAS979圓錐台試件充分得多。

S形試件推出之後，馬上便成為了成飛集團對於所採購的多軸聯動數控機牀的標準測試件。由於這一時期國際航空製造的同行也紛紛發現了類似問題，成飛集團S形試件也迅速成為了國際航空製造巨頭們的標準測試件。因為愛惜羽毛的斯達拉格首先承認了這一標準，航空機牀廠商們也很快把成飛集團S形試件納入了出廠檢驗的標準測試件範疇。

2009年，S形試件在中國註冊專利；2011年在美國註冊專利。2012年，成飛集團數控技術團隊向國際標準提出申請，經過六年的不懈努力，S形試件順利的通過了項目提案(NP)，工作組草案(WD)，委員會草案(CD)和國家標準草案(DIS)，最終順利進入了國際標準最終草案(FDIS)階段，這就意味着S形試件距離最終成為國際標準只是個時間問題。

意大利帕爾帕斯(Parpas)加工中心正在加工S形試件

標準是工業的靈魂。我國的產業升級需要更多的“中國標準”，航空強國建設也呼喚更多的“中國標準”，我們堅信，在製造業高質量發展總目標的引領之下，更多的“中國標準”將會源源不斷的湧現出來，甚至成為國際標準，為新時代的製造業注入更多的中國力量。

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