“S形试件国际标准”制定的背后

随着制造业的发展，企业选用五轴数控机床进行各种复杂曲面的加工已是大势所趋。机床的精度直接决定了所加工零件的精度，如何判断五轴数控机床的加工精度是否满足加工要求一直是国内外研究的热点话题。在过去，机床精度验收的依据一般是NAS 979标准，然而早年中航工业成飞工业（集团）有限责任公司（以下简称：成飞）在采购进口机床过程中却发现了一个新问题——依据NAS 979标准来进行机床验收，合格后却也会在加工某些复杂零件时，发现精度存在问题。这给后续引进机床的验收提出严峻挑战。因此，为了验证机床的加工精度，建立新的检测标准势在必行。

中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司原数控加工厂厂长 汤立民

为保证加工质量，成飞设计了最初版本S形试件。经过多年完善，S形试件于2008年正式成为成飞公司企业标准（Q/3A 11F1-2008），并于2009年和2011年先后获得中国发明专利授权ZL200710048269.7及美国发明专利US8061052B2，在行业范围内推广应用。此后，历时8年、13次会议、30余次修改，于2020年1月29日在ISO官网正式发布，成为中国第一项金切机床精度测评国际标准。

在今年3月份荣格工业传媒举办的2021重庆高效加工与智能化升级峰会上，中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司原数控加工厂厂长汤立民做了关于“S形试件国际标准对国产五轴联动机床的促进”的报告，分享了S形试件国际标准的建立过程以及对国产五轴联动机床的深远影响。

S形试件国际标准的形成
早在90年代初，成飞大量就引进了五轴联动数控机床，采用当时国际上通用的、也是唯一的NAS 979圆锥台试件进行验收。然而采用圆锥台验收合格的机床，加工某些飞机结构件典型特征时频繁出现表面波纹、过切等质量问题。为保证零件的加工质量，技术人员根据飞机结构件典型特征设计了最初版本S形试件（跨奇异、变曲率、变扭曲特性非可展直纹曲面、薄壁），用于检验五轴联动机床加工飞机结构件复杂曲面的精度。随后，成飞又对尺寸及加工工艺进行了进一步规范，并写入到五轴联动机床采购技术协议中，用于进口五轴联动机床的验收。2006年，成飞对检测点及评价标准进行了进一步规范，S形试件申报成飞公司的企业标准，两年之后，正式成为成飞公司企业标准（Q/3A 11F1-2008），并在行业范围内推广应用。

值得一提的是，2020年1月29日，由中国主持修订的ISO10791-7: 2020《Test conditions for machining centres-Part7: Accuracy of finished test pieces（加工中心检验条件第7部分：精加工试件精度检验）》国际标准，获国际标准化组织（ISO）批准正式发布，标志着中国“S试件”五轴机床检测方法正式成为国际标准。这是中国在金属切削机床测试领域第一次制定出国际认可的通用标准，也是中国首次在该领域取得的历史新突破，标志着中国机床制造业首次掌握制定验收标准的主动权。

在这一标准正式发布后的一年，我们在CIMT 2021展会现场看到了包括意特利、海德汉在内的不少企业就针对S形试件进行了展示，据意特利集团常务副总李小雷介绍：“检验五轴机床的真正精度，目前国内主要通过加工S形件来进行。通常会聚焦在工件表面光洁度、加工精度尺寸、加工效率，以及如何进行这些检验等方面的问题。”据了解，目前意特利机床在与成都航空产业园的相关客户配套时，加工S形试件的精度方面整体情况比较好。在汤立民看来，“S形试件”五轴机床检测方法的推出正深入地影响中国机床行业，助力配套的企业在提供高质量加工方面不断突破。

S形试件的深远影响
据汤立民介绍，机床加工精度通常涉及几何精度、位置精度、动态精度等方面，受数十项几何误差参数和伺服参数的共同作用，是几何学、运动学、动力学耦合的复杂问题。在机床实际运动过程中，机床受到材料、环境温度、刀具性能以及切削工况等的影响，极易造成加工误差，而对具有特定几何特性试件的加工，能够客观真实地反映机床的加工性能，更好地检测机床的精度。因此，标准试件法仍是五轴联动精度测评的主要手段。

事实上，标准试件法除了有美国航空航天局（NASA）于1969年提出的NAS 979 标准中的圆锥台试件外，其他一些国家也提出可用于检测数控机床精度的试件，其中比较典型的有日本提出的四角锥台试件、德国NCG 2004试件和西班牙试件。然而，这些试件法难以实现对误差因素的解耦及和机床误差的溯源。

汤立民认为，来自中国的S形试件几何特性更丰富，加工过程中机床速度、加速度等变化复杂，可充分反映复杂曲面五轴联动加工特性。他介绍说：“数百篇国内外学术论文基于S形试件开展了技术研究，一致认为S形试件能实现五轴联动机床精度的全面测评。S形试件可广泛应用于五轴联动数控机床和数控系统制造企业、以及五轴联动数控机床用户企业。”

“对于机床制造企业来说，S形试件能够检测机床复杂曲面加工精度，对机床精度进行调试和优化，指导机床设计和制造改进。”汤立民继续介绍，“而对机床用户企业来说，S形试件也大有用处，比如验收新机床复杂曲面加工精度，验证机床维修后的加工精度，帮助分析复杂曲面加工质量问题等。S形试件国际标准制订过程中，工信部和金切委牵头组建了国内工作组，多家机床制造企业参与对S形试件进行验证，并通过S形试件提升其产品制造水平。”

汤立民透露，据不完全统计，S形试件已应用于17种型号352台国产五轴联动机床、5种型号433套国产五轴联动数控系统的设计制造、验收和优化调试中，促进了国产五轴联动机床制造水平提升。
应用案例1：中捷机床VMC25100u立式五轴联动机床加工S形试件不合格，经分析发现Y轴传动系统刚度不足、间隙大等问题，改进设计制造后生产的VMC35120U等型号立式五轴联动机床通过S形试件检验，已批量销售应用。

应用案例2：济南第二机床厂一台高架AC摆头五轴联动机床加工S形试件不合格，分析发现机床机电匹配存在问题，通过机械调整和伺服参数优化后得到显著改善，通过了S形试件的检验，获得用户认可。

应用案例3：普什宁江机床厂一台卧式双摆台五轴联动机床加工S形试件轮廓精度不达标，分析发现机床动态精度不足，通过对前馈、速度、加速度、电流环、速度环、位置环等相关伺服参数优化调整，最终通过了S形试件检验。

谈及S形试件后续应用，汤立民提出，该标准还需要从以下四个方面发力：持续开展研究，完善S形试件加工误差与机床存在问题之间的直接映射关系，实现误差溯源，进一步增强指导性；探索在不同材料中应用，形成针对不同材料的加工要求；探索小尺寸S形试件，扩大在小型精密五轴联动机床上的应用；制定国家标准（已形成报批稿），扩大其在国内的广泛应用，推动在航天、能源、船舶等行业复杂曲面加工中的应用。

期待在“S形试件”五轴机床检测方法的助力下，更多的中国制造能奋起发力——机床供应商们可以有标准可依，用户们则能在高精度的挑战方面游刃有余、轻松应对。

来源：荣格-《国际金属加工商情》


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