2018年第四季度，ISO/TC39/SC2即國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織/機(jī)床技術(shù)委員會(huì)/金屬切削機(jī)床檢驗(yàn)條件分技術(shù)委員會(huì)第83次會(huì)議在奧地利的薩爾茨堡召開(kāi)。經(jīng)過(guò)大會(huì)的審議和表決，由航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“成飛集團(tuán)”）自主研發(fā)，用于高端五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)加工精度檢測(cè)的S形試件進(jìn)入了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)最終草案(FDIS)階段，這標(biāo)志著該S形試件即將進(jìn)入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)序列。這也是我國(guó)在金屬切削機(jī)床檢測(cè)領(lǐng)域首次制定出了國(guó)際認(rèn)可的通用標(biāo)準(zhǔn)。

成飛集團(tuán)在上世紀(jì)90年代初即開(kāi)始大量引入五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，當(dāng)時(shí)對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)態(tài)加工精度驗(yàn)收主要依據(jù)美國(guó)NASA在1969年制定的“通用切削測(cè)試——NAS系列金屬切削裝備規(guī)范”來(lái)進(jìn)行。該規(guī)范包含了兩個(gè)試件，試件A主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)床平動(dòng)軸幾何精度和位置精度，試件B又被稱為NAS979圓錐臺(tái)試件，主要用于多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)動(dòng)軸精度檢測(cè)。時(shí)至今日，NAS979圓錐臺(tái)試件仍然是應(yīng)用最廣泛的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)試件。

NAS979試件A

NAS979試件B(圓錐臺(tái)試件)

然而事不遂人愿，成飛集團(tuán)在某三代機(jī)零部件加工生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了一些詭異的現(xiàn)象，那就是大量已經(jīng)通過(guò)了NAS979圓錐臺(tái)試件檢驗(yàn)合格的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在加工大型航空薄壁件等復(fù)雜曲面零部件的時(shí)候，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)切、欠切、振紋和表面質(zhì)量超差的情況，出現(xiàn)問(wèn)題的機(jī)床品牌遍布全球各大著名航空機(jī)床廠商，甚至連業(yè)界翹楚——瑞士斯達(dá)拉格(Starrag)的設(shè)備也未能幸免。現(xiàn)實(shí)讓成飛集團(tuán)意識(shí)到，這一現(xiàn)象的背后可能存在共性問(wèn)題。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的深入調(diào)查研究，成飛集團(tuán)的技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，NAS979圓錐臺(tái)試件確實(shí)存在根本性的問(wèn)題。

首先，NAS979圓錐臺(tái)試件的錐面與水平面的夾角是75°，也就是說(shuō)錐面法矢量和底座面法矢量的夾角也為75°，根據(jù)開(kāi)閉角的定義（加工面法矢量與底座面法矢量的夾角小于直角即為閉角，反之則為開(kāi)角），這個(gè)角度屬于閉角范疇。也就是說(shuō)在機(jī)床加工錐面的過(guò)程中，開(kāi)閉角為定值即75°，刀具始終處在閉角范圍內(nèi)，并不存在開(kāi)閉角的轉(zhuǎn)換，從而無(wú)法檢驗(yàn)機(jī)床在開(kāi)角區(qū)的加工精度；更為嚴(yán)重的問(wèn)題是，開(kāi)閉角轉(zhuǎn)換區(qū)間是加工的難點(diǎn)，需要機(jī)床有很強(qiáng)的擺角能力和很高的多軸聯(lián)動(dòng)精度，對(duì)伺服系統(tǒng)的要求非常苛刻，而NAS979圓錐臺(tái)試件根本無(wú)法檢測(cè)開(kāi)閉角轉(zhuǎn)換區(qū)間的加工精度。

其次，NAS979圓錐臺(tái)試件的側(cè)面是可展曲面，其扭曲角為零，不存在加工原理誤差，根本無(wú)法檢測(cè)機(jī)床在加工不可展曲面時(shí)的刀具擺動(dòng)和多軸聯(lián)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度。另外，NAS979圓錐臺(tái)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著變化的曲率和跳變的法曲率，因此NAS979圓錐臺(tái)試件根本無(wú)法檢測(cè)機(jī)床在應(yīng)對(duì)曲率變化（尤其是不連續(xù)變化）和法曲率跳變時(shí)的加工精度。

最后，NAS979圓錐臺(tái)試件在加工過(guò)程中機(jī)床的A軸只出現(xiàn)兩次反向擺動(dòng)，B軸只出現(xiàn)一次反向擺動(dòng)，無(wú)法充分反應(yīng)AB軸的反向間隙誤差。正因?yàn)槿绱?，在采用NAS979圓錐臺(tái)試件檢測(cè)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的時(shí)候，會(huì)漏掉很多硬件設(shè)計(jì)的缺陷和數(shù)控編程的bug，從而不能及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

針對(duì)NAS979圓錐臺(tái)試件的上述問(wèn)題，成飛集團(tuán)自主研發(fā)了全新的S形試件。其實(shí)S形試件的建模并不復(fù)雜，在上下兩個(gè)平行的基準(zhǔn)平面分別取50個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)分別各建立一條S形三階樣條曲線，并保證上下兩條曲線在基準(zhǔn)平面上的投影不重合；然后連接上下兩個(gè)基準(zhǔn)平面上的對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)直紋面，再將直紋面增厚至3mm，最后在一個(gè)基準(zhǔn)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

由于S形試件上下兩條曲線在基準(zhǔn)平面上的投影并不是重合的，因此在加工工程中存在多次開(kāi)閉角轉(zhuǎn)換；而且側(cè)曲面為不可展曲面，存在扭曲角，嚴(yán)重影響刀具與被加工平面的貼合程度；再加上側(cè)曲面很薄，曲率和法曲率的變化又并不連續(xù)，存在著多個(gè)極值點(diǎn)和曲率轉(zhuǎn)向點(diǎn)，其中法曲率甚至出現(xiàn)不連續(xù)的跳變，使得刀具在單位時(shí)間內(nèi)的切削量變化劇烈，極易誘發(fā)刀具和機(jī)床零部件的振動(dòng)，破壞加工穩(wěn)定性。

以上的特點(diǎn)使得S形試件能充分的檢驗(yàn)機(jī)床的幾何精度、定位精度、多軸聯(lián)動(dòng)精度、五軸插補(bǔ)精度、機(jī)床剛度和振動(dòng)特性等指標(biāo)；此外，在加工S形試件的時(shí)候，機(jī)床的A軸和B軸會(huì)分別出現(xiàn)2次和4次反向擺動(dòng)，對(duì)于反向間隙誤差的測(cè)量也遠(yuǎn)比NAS979圓錐臺(tái)試件充分得多。

S形試件推出之后，馬上便成為了成飛集團(tuán)對(duì)于所采購(gòu)的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件。由于這一時(shí)期國(guó)際航空制造的同行也紛紛發(fā)現(xiàn)了類似問(wèn)題，成飛集團(tuán)S形試件也迅速成為了國(guó)際航空制造巨頭們的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件。因?yàn)閻?ài)惜羽毛的斯達(dá)拉格首先承認(rèn)了這一標(biāo)準(zhǔn)，航空機(jī)床廠商們也很快把成飛集團(tuán)S形試件納入了出廠檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件范疇。

2009年，S形試件在中國(guó)注冊(cè)專利；2011年在美國(guó)注冊(cè)專利。2012年，成飛集團(tuán)數(shù)控技術(shù)團(tuán)隊(duì)向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提出申請(qǐng)，經(jīng)過(guò)六年的不懈努力，S形試件順利的通過(guò)了項(xiàng)目提案(NP)，工作組草案(WD)，委員會(huì)草案(CD)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)草案(DIS)，最終順利進(jìn)入了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)最終草案(FDIS)階段，這就意味著S形試件距離最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)只是個(gè)時(shí)間問(wèn)題。
 

意大利帕爾帕斯(Parpas)加工中心正在加工S形試件

標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)的靈魂。我國(guó)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)需要更多的“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)”，航空強(qiáng)國(guó)建設(shè)也呼喚更多的“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)”，我們堅(jiān)信，在制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展總目標(biāo)的引領(lǐng)之下，更多的“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)”將會(huì)源源不斷的涌現(xiàn)出來(lái)，甚至成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為新時(shí)代的制造業(yè)注入更多的中國(guó)力量。