數控機床切削負荷檢驗方法及試驗*＊

仇 健 葛任鵬 張學桐

(沈陽機床(集團)有限責任公司高檔數控機床國家重點實驗室 遼寧 沈陽 110142)

數控機床的切削負荷試驗一般也稱為重切削試驗，是檢驗機床實際切削能力的重要檢驗試驗。負荷試驗的目的是檢驗機床的剛度和各工作機構的強度，特別是考核機床主傳動系統是否能承受設計所允許的最大轉矩和功率。試驗重點關注主軸電機的功率、扭矩、主軸相對工作臺的切削抗力以及主要部件的切削抗振性，有時也關注近滿負荷加工時的振動量以及加工質量。

文獻［1 -4］分別給出了機床切削負荷試驗的檢測內容和檢驗方法，對機床切削性能檢測具有一定的現實指導意義。徐衛東［5］討論了切削負荷試驗參數的確定方法，并給出了最大扭矩試驗與最大切削抗力試驗合并進行檢測的具體條件。謝金華［6］分析了機床切削顫振控制研究現狀，歸納了調整切削參數控制顫振的一些研究成果，如通過在一定范圍內調節主軸轉速，尋找最佳主軸轉速使切削寬度達到其最大切削穩定極限;通過調整主軸轉速使顫振頻率等于切削系統固有頻率，從而使系統穩定性達到最佳，此時顫振將被抑制。

1 現行標準檢驗現狀綜述

由于機床負荷試驗是為了考核機床的極限切削能力，因此，試驗中涉及的各項測試所包含的試驗參數一般來源于機床設計自身，試驗的目的僅僅是驗證機床是否達到了設計的預期值。各項測試內容是針對不同的考核目的而專門設置的，各測試項目間不存在相互替代關系。這是因為機床在實際使用時，機床能達到最大功率并不意味著能滿足使用要求，從而輸出和承受足夠的扭矩和切削力;同樣，當機床能夠滿足扭矩、切削抗力和功率試驗要求時，也并不一定能夠滿足抗振性切削試驗要求。

床負荷試驗一般在機床試車和空運轉試驗合格后進行。負荷試驗要求機床所有機構、各運動部件動作平穩、工作正常、無振動和噪聲，并且主軸的轉速不得比空運轉轉速降低5%以上。試驗中需要記錄使用的刀具、被切削工件的材質、切削參數、切削方式和方向、使用的冷卻潤滑方式等，此外，試驗應記錄被測機床包括規格、參數、設計指標等的基本信息，同時記錄試驗時的環境溫度、濕度、壓強等參考信息，個別場合也測試和記錄切削過程的振動、噪聲和受力情況。

為了系統地研究機床切削負荷試驗檢驗方法，對現行的有關機床負荷試驗的標準進行了總結如表1 所示。對比發現，GB 9061 -2006、JB/T 8801 -1998 和ASME B5.54 等標準中涉及一些機床切削負荷檢驗內容，其中GB 9061 -2006和JB/T 8801 -1998 對機床承載工件最大重量時的運轉狀況、主傳動系統的最大扭矩、抗力、功率等檢驗做了較為詳細的規定。3 個標準對機床主傳動系統的最大扭矩試驗都進行了明確規定，相比于ASME 標準，我國標準中對滿扭矩試驗的要求更側重于主電動機驅動運動部件的純粹意義上的輸

表1 機床負荷試驗現行標準［1-3］

出能力，而ASME 標準在滿足主傳動系統滿負荷運轉的前提下還引入了切削顫振的影響，對最大扭矩試驗的規定更為嚴格。ASME 標準和GB9061 標準對機床的抗振性切削進行了規定，其中ASME 標準［1］給出了銑削加工中的顫振極限試驗的檢測內容和試驗方法，給出了更具針對性的規定，能夠更好地預測和驗證機床的顫振極限。

2 切削負荷試驗檢測內容和流程

機床在確定進行切削負荷檢驗后，應依據有關標準按照機床設計要求或用戶關注項目進行如下負荷試驗的例行檢測和抽查:①機床承載工件最大重量的運轉試驗(抽查);②機床主傳動系統最大扭矩的試驗;③機床最大切削抗力的試驗(抽查);④機床主傳動系統達到最大功率的試驗(抽查);⑤機床抗振性切削試驗(顫振極限試驗)。

(1)機床的空運轉試驗

數控機床的空運轉試驗是為了檢驗機床在不進行切削時的功率損耗，進而評定機床的電動機效率。試驗時，主運動機構應從最低轉速起依次運轉，每級速度的運轉時間不得少于2 min。無級變速的機床可做低、中、高速運轉，最高速度運轉時間不得少于1 h。對直線坐標、回轉坐標上的運動部件，分別用低、中、高進給速度和快進進行空運轉試驗，其運動應平穩、可靠，要求在高速時無振動、低速時無明顯爬行現象。此外，機床主傳動系統的空運轉功率不應超過設計文件的規定，整機測量的噪聲聲壓級不應超過83 dB(A)。

(2)主傳動系統扭矩試驗

機床主傳動系統的扭矩試驗是為了直接檢查其傳動件的強度是否足夠和工作是否正常可靠。機床的齒輪、軸的強度、摩擦離合器或無級變速器是否打滑、安全保護裝置是否可靠、變速手柄是否移位，以及機床主傳動系統達到規定扭矩后各傳動元件和變速機構是否平穩和運動是否準確。

試驗時，應在機床主軸恒扭矩調速范圍內選擇一個適當的主軸轉速，通過改變進給速度或切削深度，使機床主傳動系統達到設計規定的最大扭矩。扭矩測試可應用扭矩測試儀或可用功率表和轉速表分別測量機床電動機的輸入功率和機床主軸轉速，并由式(1)近似計算出機床的扭矩。

式中:T 為扭矩，N·m;P 為切削時電動機的輸入功率，kW;P0為機床裝有工件或刀具時的空運轉功率，kW;n 為機床主軸轉速，r/min。

(3)機床切削抗力試驗

機床切削抗力試驗是檢驗機床主要部件的接觸剛度和機床的綜合剛度，檢驗機床進給系統拖動能力，檢驗機床在最大切削抗力作用下和短時間超過最大切削抗力25%時，機床各運動機構和傳動機構的運行狀況是否正常、可靠，機床幾何精度是否穩定。

試驗時，應在等于或小于機床計算轉速范圍內選一適當轉速，通過改變進給速度或切削深度，使機床達到設計規定的最大切削抗力。記錄機床類型和參數、工件材料、刀具和夾具、切削參數、對應切削抗力、加工流程、測試儀器、方法、結果等。扭矩測試可應用扭矩測試儀或可用功率表和轉速表分別測量機床電動機的輸入功率和機床主軸轉速，由式(2)近似計算出機床的扭矩:

式中:F 為切削抗力的主分力，N;r 為工件或刀具的切削半徑，m;P、P0、n 含義同式(1)。

值得注意的是，機床的扭矩試驗和切削抗力試驗參數在機床的設計初期給定，負荷試驗則是對機床設計要求的一種驗證和檢驗。試驗得到的Fmax和Tmax等參數是后續零、部件結構及強度設計的依據，但是由于實際設計過程中大多采用經驗設計的方法，即通過類比的方法來選擇主電動機，設計零部件，因而導致了機床已設計出來，卻還未能確定各參數間的關系。

(4)主傳動系統達到的最大功率試驗

機床主傳動系統達到最大功率的試驗用于檢驗機床在滿功率切削的情況下各個部分的工作狀態是否正常、金屬切除率及電氣系統等是否可靠、機床抗顫振穩定性和主電動機功率是否能達到額定值。從切削效率和機床動剛度角度考驗機床性能。

試驗時，應在機床主軸恒功率調速范圍內選擇一適當的主軸轉速，通過逐步改變進給量或切削深度使機床達到主電動機的額定功率或設計規定的最大功率，試驗過程中應保證機床各部分工作正常、可靠，無明顯的顫振現象，并記錄金屬切除率。

由于機床電動機在應用中存在功率損耗，其輸入功率不等于其輸出功率，因此，功率試驗時測得的輸入功率必須考慮電動機的效率問題［5］。