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走個(gè)S曲線就能判斷機(jī)床好不好？S試件到底是什么？
時(shí)間：2025-04-09搞機(jī)加的大都聽過“S試件”，知道它用來檢驗(yàn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的綜合加工精度，但具體是怎么檢驗(yàn)的卻不太清楚。其實(shí)S試件外形很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)S形的曲線。
什么是S試件
S試件曲面比較特殊，不是圓弧和直線組成的，上下兩條曲線也不一樣的。從三維圖紙看不出這些特點(diǎn)的，除非看二維圖
看似簡(jiǎn)單，只是一個(gè)S形的曲線，但實(shí)際上這個(gè)曲線卻非常巧妙地將航空零件的若干加工特征集成了起來，所有的加工特征集成在了這個(gè)S形的工件上面。目前該樣件基本已經(jīng)被國(guó)內(nèi)的航空廠商所采用，用于檢驗(yàn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的加工性能，特別是國(guó)外知名機(jī)床廠商也曾多次被該樣件難倒。
只要五軸機(jī)床能夠加工合格的S試件，那么該五軸機(jī)床就完全可以安全用于加工航空零件，特別是加工一些復(fù)雜型面的薄壁零件?！癝試件”主要用于檢測(cè)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床動(dòng)態(tài)加工精度，它可以檢驗(yàn)整機(jī)的幾何精度、定位精度、綜合加工效率、綜合表面加工質(zhì)量、整機(jī)振動(dòng)及顫振等一系列問題，也可以發(fā)現(xiàn)和尋找影響機(jī)床加工精度的故障原因，并可以解決機(jī)床精度喪失或降低后修復(fù)問題等。
加工S試件的關(guān)鍵
合格S 件的驗(yàn)收要求一般包括四個(gè)方面：
① 外形輪廓尺寸要求， 公差為±0.05mm（對(duì)于鋁材料零件來講，該公差較嚴(yán)格，這里面包含了零件的變形因素）。
②S件壁厚要求，厚度為3mm，公差要求±0.1mm。
③曲面表面粗糙度值要求，為Ra＝3.2μm。
④零件加工效率要求，這一點(diǎn)視機(jī)床而定，如果是主軸轉(zhuǎn)速超過24 000r/min的高速機(jī)床一般要求為15min，如果主軸轉(zhuǎn)速在8 000～24 000r/min的機(jī)床一般要求為25min，主軸轉(zhuǎn)速小于8 000r/min的機(jī)床一般要求40min。
這四點(diǎn)要求，一般的五軸機(jī)床很難達(dá)到，因?yàn)檫@四點(diǎn)要求需要考核的是一個(gè)五軸數(shù)控機(jī)床的所有坐標(biāo)軸的綜合精度與綜合性能的匹配特性，而國(guó)內(nèi)對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)精度的檢測(cè)仍然存在難點(diǎn)。
其實(shí)，一個(gè)合格的S件需要通過兩個(gè)范疇的關(guān)鍵的內(nèi)容：首先是如何加工出合格的S試件，其次是如何檢驗(yàn)出合格的S試件。
對(duì)于S件的加工，需要對(duì)零件的材料、工藝、刀具進(jìn)行正確的選擇。按照傳統(tǒng)的工藝方法，由一塊毛坯經(jīng)過粗銑、半精、精銑加工完成。其中精銑主要體現(xiàn)加工性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在這個(gè)環(huán)節(jié)零件最終被加工為壁厚為3mm、高度為40mm的薄壁型S件。而一般的材料很難加工出這種特征。這種零件一般是由航空鋁合金材料加工而成。這種材料必須是已經(jīng)消除內(nèi)應(yīng)力的預(yù)拉伸板材，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。普通的鋁材很容易造成熱變形、刀具排屑困難、表面質(zhì)量差等問題。因此，專用的材料成為加工出合格S試件的首要條件。
工藝規(guī)劃
具備了良好的材料和工具的條件下，需要對(duì)零件的工藝程序進(jìn)行準(zhǔn)確的規(guī)劃，因?yàn)檫@種程序軌跡的規(guī)劃影響到加工效率、表面粗糙度和輪廓尺寸精度。特別是這種薄壁零件，在進(jìn)行最后3mm的加工時(shí)很容易引起顫振，一旦發(fā)生振動(dòng)，那么整個(gè)零件的加工將會(huì)徹底失敗。因此在進(jìn)行最終的精加工時(shí)，盡量采用多余量精加工的方式，例如精加工余量3mm。
在進(jìn)行軌跡規(guī)劃的時(shí)候，由于S件是一個(gè)空間的曲面，那么輪廓尺寸也就是由空間曲面上的點(diǎn)構(gòu)成，從加工的角度需要對(duì)三維模型進(jìn)行分析。這個(gè)模型在曲面構(gòu)成上，接近于直紋面，這種直紋面的加工結(jié)合航空零件的加工工藝，會(huì)采用端面立銑刀的側(cè)刃進(jìn)行加工，那么這個(gè)銑刀的側(cè)刃必須時(shí)刻保持與曲面的相切。這種相切的狀態(tài)，會(huì)時(shí)刻讓刀具的軸線發(fā)生擺動(dòng)，這種擺動(dòng)角度以及插補(bǔ)點(diǎn)精度的高低就影響到了實(shí)際的加工零件與理論模型的一致性，也就影響了零件加工最終的精度。
艱辛歷程及意義
2000年，“S試件”日趨成熟，在大批量高性能數(shù)控機(jī)床采購(gòu)中，正式向國(guó)外機(jī)床廠家推出，并成為機(jī)床驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)條款。（此時(shí)僅僅是一項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）
2012年轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)，ISO/TC39/SC2第73次會(huì)議于2012年5月在杭州召開。鑒于“S試件”的優(yōu)越性，標(biāo)委會(huì)決定在本次會(huì)議上以中國(guó)的名義將“S試件”作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案提出。
2012年9月，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織金屬切削機(jī)床測(cè)試條件技術(shù)委員會(huì)第74次會(huì)議在瑞典召開。會(huì)上正式通過了“S試件”的立項(xiàng)工作。
在美國(guó)召開的第75次會(huì)議上，“S試件”提案在本次會(huì)議上遇到了較多問題，預(yù)期在本次會(huì)議通過的工作組草案未能通過。
第76次會(huì)議于2013年10月在英國(guó)召開。由于德國(guó)提出了不同的“S試件”方案，并且與中國(guó)方面無法達(dá)成一致，會(huì)議初步?jīng)Q定由中方和德方就兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，在第77次會(huì)議上進(jìn)行討論。
2014年5月，第77次會(huì)議在意大利如期而至。最終會(huì)議決定將針對(duì)“S試件”作一個(gè)問卷調(diào)查請(qǐng)成員國(guó)作答，并將調(diào)查結(jié)果在2015年的春季會(huì)議上進(jìn)行討論，“S試件”標(biāo)準(zhǔn)制定的周期被迫延長(zhǎng)。
2015年5月第78次國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作會(huì)議在成都召開。為使得外國(guó)專家對(duì)“S試件”測(cè)試方法有更深入的理解，成飛組織了現(xiàn)場(chǎng)參觀，邀請(qǐng)各國(guó)代表參觀了成飛數(shù)控加工廠，并實(shí)地觀看“S試件”在三種不同類型的機(jī)床加工進(jìn)行加工的情況以及加工完成的中國(guó)版“S試件”與德國(guó)版“S試件”的實(shí)物對(duì)比。最終中方代表在奇異點(diǎn)、波紋度測(cè)量方面做出了妥協(xié)，各國(guó)代表對(duì)“S試件”的測(cè)試方法基本達(dá)成了共識(shí)，同意進(jìn)入CD（委員會(huì)草案）階段。
第79次會(huì)議于2016年5在德國(guó)召開，會(huì)議決定“S試件”提案由CD（委員會(huì)草案）階段晉升為DIS（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案）階段。
近日，成飛“五軸聯(lián)動(dòng)加工精度‘S’形試件技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目獲評(píng)“中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)”。
“S”試件是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床驗(yàn)收的依據(jù)，對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能要求很高，可真實(shí)反映機(jī)床的加精度，對(duì)于提升國(guó)內(nèi)五軸機(jī)床性能以及對(duì)于航空和發(fā)電裝備零件的加工意義非常重大。2000年以來，“S”試件被納入進(jìn)口機(jī)床采購(gòu)技術(shù)協(xié)議，在精度驗(yàn)收工作中發(fā)揮了巨大作用，有效避免了大量經(jīng)濟(jì)損失。目前，“S”試件已進(jìn)入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)最終草案階段。
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