数控机床切削负荷检验方法及试验*＊

仇 健 葛任鹏 张学桐

(沈阳机床(集团)有限责任公司高档数控机床国家重点实验室 辽宁 沈阳 110142)

数控机床的切削负荷试验一般也称为重切削试验，是检验机床实际切削能力的重要检验试验。负荷试验的目的是检验机床的刚度和各工作机构的强度，特别是考核机床主传动系统是否能承受设计所允许的最大转矩和功率。试验重点关注主轴电机的功率、扭矩、主轴相对工作台的切削抗力以及主要部件的切削抗振性，有时也关注近满负荷加工时的振动量以及加工质量。

文献［1 -4］分别给出了机床切削负荷试验的检测内容和检验方法，对机床切削性能检测具有一定的现实指导意义。徐卫东［5］讨论了切削负荷试验参数的确定方法，并给出了最大扭矩试验与最大切削抗力试验合并进行检测的具体条件。谢金华［6］分析了机床切削颤振控制研究现状，归纳了调整切削参数控制颤振的一些研究成果，如通过在一定范围内调节主轴转速，寻找最佳主轴转速使切削宽度达到其最大切削稳定极限;通过调整主轴转速使颤振频率等于切削系统固有频率，从而使系统稳定性达到最佳，此时颤振将被抑制。

1 现行标准检验现状综述

由于机床负荷试验是为了考核机床的极限切削能力，因此，试验中涉及的各项测试所包含的试验参数一般来源于机床设计自身，试验的目的仅仅是验证机床是否达到了设计的预期值。各项测试内容是针对不同的考核目的而专门设置的，各测试项目间不存在相互替代关系。这是因为机床在实际使用时，机床能达到最大功率并不意味着能满足使用要求，从而输出和承受足够的扭矩和切削力;同样，当机床能够满足扭矩、切削抗力和功率试验要求时，也并不一定能够满足抗振性切削试验要求。

床负荷试验一般在机床试车和空运转试验合格后进行。负荷试验要求机床所有机构、各运动部件动作平稳、工作正常、无振动和噪声，并且主轴的转速不得比空运转转速降低5%以上。试验中需要记录使用的刀具、被切削工件的材质、切削参数、切削方式和方向、使用的冷却润滑方式等，此外，试验应记录被测机床包括规格、参数、设计指标等的基本信息，同时记录试验时的环境温度、湿度、压强等参考信息，个别场合也测试和记录切削过程的振动、噪声和受力情况。

为了系统地研究机床切削负荷试验检验方法，对现行的有关机床负荷试验的标准进行了总结如表1 所示。对比发现，GB 9061 -2006、JB/T 8801 -1998 和ASME B5.54 等标准中涉及一些机床切削负荷检验内容，其中GB 9061 -2006和JB/T 8801 -1998 对机床承载工件最大重量时的运转状况、主传动系统的最大扭矩、抗力、功率等检验做了较为详细的规定。3 个标准对机床主传动系统的最大扭矩试验都进行了明确规定，相比于ASME 标准，我国标准中对满扭矩试验的要求更侧重于主电动机驱动运动部件的纯粹意义上的输

表1 机床负荷试验现行标准［1-3］

出能力，而ASME 标准在满足主传动系统满负荷运转的前提下还引入了切削颤振的影响，对最大扭矩试验的规定更为严格。ASME 标准和GB9061 标准对机床的抗振性切削进行了规定，其中ASME 标准［1］给出了铣削加工中的颤振极限试验的检测内容和试验方法，给出了更具针对性的规定，能够更好地预测和验证机床的颤振极限。

2 切削负荷试验检测内容和流程

机床在确定进行切削负荷检验后，应依据有关标准按照机床设计要求或用户关注项目进行如下负荷试验的例行检测和抽查:①机床承载工件最大重量的运转试验(抽查);②机床主传动系统最大扭矩的试验;③机床最大切削抗力的试验(抽查);④机床主传动系统达到最大功率的试验(抽查);⑤机床抗振性切削试验(颤振极限试验)。

(1)机床的空运转试验

数控机床的空运转试验是为了检验机床在不进行切削时的功率损耗，进而评定机床的电动机效率。试验时，主运动机构应从最低转速起依次运转，每级速度的运转时间不得少于2 min。无级变速的机床可做低、中、高速运转，最高速度运转时间不得少于1 h。对直线坐标、回转坐标上的运动部件，分别用低、中、高进给速度和快进进行空运转试验，其运动应平稳、可靠，要求在高速时无振动、低速时无明显爬行现象。此外，机床主传动系统的空运转功率不应超过设计文件的规定，整机测量的噪声声压级不应超过83 dB(A)。

(2)主传动系统扭矩试验

机床主传动系统的扭矩试验是为了直接检查其传动件的强度是否足够和工作是否正常可靠。机床的齿轮、轴的强度、摩擦离合器或无级变速器是否打滑、安全保护装置是否可靠、变速手柄是否移位，以及机床主传动系统达到规定扭矩后各传动元件和变速机构是否平稳和运动是否准确。

试验时，应在机床主轴恒扭矩调速范围内选择一个适当的主轴转速，通过改变进给速度或切削深度，使机床主传动系统达到设计规定的最大扭矩。扭矩测试可应用扭矩测试仪或可用功率表和转速表分别测量机床电动机的输入功率和机床主轴转速，并由式(1)近似计算出机床的扭矩。

式中:T 为扭矩，N·m;P 为切削时电动机的输入功率，kW;P0为机床装有工件或刀具时的空运转功率，kW;n 为机床主轴转速，r/min。

(3)机床切削抗力试验

机床切削抗力试验是检验机床主要部件的接触刚度和机床的综合刚度，检验机床进给系统拖动能力，检验机床在最大切削抗力作用下和短时间超过最大切削抗力25%时，机床各运动机构和传动机构的运行状况是否正常、可靠，机床几何精度是否稳定。

试验时，应在等于或小于机床计算转速范围内选一适当转速，通过改变进给速度或切削深度，使机床达到设计规定的最大切削抗力。记录机床类型和参数、工件材料、刀具和夹具、切削参数、对应切削抗力、加工流程、测试仪器、方法、结果等。扭矩测试可应用扭矩测试仪或可用功率表和转速表分别测量机床电动机的输入功率和机床主轴转速，由式(2)近似计算出机床的扭矩:

式中:F 为切削抗力的主分力，N;r 为工件或刀具的切削半径，m;P、P0、n 含义同式(1)。

值得注意的是，机床的扭矩试验和切削抗力试验参数在机床的设计初期给定，负荷试验则是对机床设计要求的一种验证和检验。试验得到的Fmax和Tmax等参数是后续零、部件结构及强度设计的依据，但是由于实际设计过程中大多采用经验设计的方法，即通过类比的方法来选择主电动机，设计零部件，因而导致了机床已设计出来，却还未能确定各参数间的关系。

(4)主传动系统达到的最大功率试验

机床主传动系统达到最大功率的试验用于检验机床在满功率切削的情况下各个部分的工作状态是否正常、金属切除率及电气系统等是否可靠、机床抗颤振稳定性和主电动机功率是否能达到额定值。从切削效率和机床动刚度角度考验机床性能。

试验时，应在机床主轴恒功率调速范围内选择一适当的主轴转速，通过逐步改变进给量或切削深度使机床达到主电动机的额定功率或设计规定的最大功率，试验过程中应保证机床各部分工作正常、可靠，无明显的颤振现象，并记录金属切除率。

由于机床电动机在应用中存在功率损耗，其输入功率不等于其输出功率，因此，功率试验时测得的输入功率必须考虑电动机的效率问题［5］。