2018年第四季度，ISO/TC39/SC2即國際標準化組織/機床技術(shù)委員會/金屬切削機床檢驗條件分技術(shù)委員會第83次會議在奧地利的薩爾茨堡召開。經(jīng)過大會的審議和表決，由航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司（以下簡稱“成飛集團”）自主研發(fā)，用于高端五軸聯(lián)動數(shù)控機床動態(tài)加工精度檢測的S形試件進入了國際標準最終草案(FDIS)階段，這標志著該S形試件即將進入國際標準序列。這也是我國在金屬切削機床檢測領(lǐng)域首次制定出了國際認可的通用標準。

成飛集團在上世紀90年代初即開始大量引入五軸聯(lián)動數(shù)控機床，當時對機床進行動態(tài)加工精度驗收主要依據(jù)美國NASA在1969年制定的“通用切削測試——NAS系列金屬切削裝備規(guī)范”來進行。該規(guī)范包含了兩個試件，試件A主要用來檢測機床平動軸幾何精度和位置精度，試件B又被稱為NAS979圓錐臺試件，主要用于多軸聯(lián)動數(shù)控機床的轉(zhuǎn)動軸精度檢測。時至今日，NAS979圓錐臺試件仍然是應(yīng)用最廣泛的多軸聯(lián)動數(shù)控機床精度檢測試件。

NAS979試件A

NAS979試件B(圓錐臺試件)然而事不遂人愿，成飛集團在某三代機零部件加工生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)了一些詭異的現(xiàn)象，那就是大量已經(jīng)通過了NAS979圓錐臺試件檢驗合格的多軸聯(lián)動數(shù)控機床在加工大型航空薄壁件等復雜曲面零部件的時候，經(jīng)常出現(xiàn)過切、欠切、振紋和表面質(zhì)量超差的情況，出現(xiàn)問題的機床品牌遍布全球各大著名航空機床廠商，甚至連業(yè)界翹楚——瑞士斯達拉格(Starrag)的設(shè)備也未能幸免。現(xiàn)實讓成飛集團意識到，這一現(xiàn)象的背后可能存在共性問題。經(jīng)過長時間的深入調(diào)查研究，成飛集團的技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，NAS979圓錐臺試件確實存在根本性的問題。首先，NAS979圓錐臺試件的錐面與水平面的夾角是75°，也就是說錐面法矢量和底座面法矢量的夾角也為75°，根據(jù)開閉角的定義（加工面法矢量與底座面法矢量的夾角小于直角即為閉角，反之則為開角），這個角度屬于閉角范疇。也就是說在機床加工錐面的過程中，開閉角為定值即75°，刀具始終處在閉角范圍內(nèi)，并不存在開閉角的轉(zhuǎn)換，從而無法檢驗機床在開角區(qū)的加工精度；更為嚴重的問題是，開閉角轉(zhuǎn)換區(qū)間是加工的難點，需要機床有很強的擺角能力和很高的多軸聯(lián)動精度，對伺服系統(tǒng)的要求非常苛刻，而NAS979圓錐臺試件根本無法檢測開閉角轉(zhuǎn)換區(qū)間的加工精度。其次，NAS979圓錐臺試件的側(cè)面是可展曲面，其扭曲角為零，不存在加工原理誤差，根本無法檢測機床在加工不可展曲面時的刀具擺動和多軸聯(lián)動的平穩(wěn)性和精度。另外，NAS979圓錐臺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圓錐臺試件根本無法檢測機床在應(yīng)對曲率變化（尤其是不連續(xù)變化）和法曲率跳變時的加工精度。最后，NAS979圓錐臺試件在加工過程中機床的A軸只出現(xiàn)兩次反向擺動，B軸只出現(xiàn)一次反向擺動，無法充分反應(yīng)AB軸的反向間隙誤差。正因為如此，在采用NAS979圓錐臺試件檢測多軸聯(lián)動數(shù)控機床的時候，會漏掉很多硬件設(shè)計的缺陷和數(shù)控編程的bug，從而不能及早發(fā)現(xiàn)問題。針對NAS979圓錐臺試件的上述問題，成飛集團自主研發(fā)了全新的S形試件。其實S形試件的建模并不復雜，在上下兩個平行的基準平面分別取50個基準點分別各建立一條S形三階樣條曲線，并保證上下兩條曲線在基準平面上的投影不重合；然后連接上下兩個基準平面上的對應(yīng)基準點構(gòu)建一個直紋面，再將直紋面增厚至3mm，最后在一個基準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閉角轉(zhuǎn)換；而且側(cè)曲面為不可展曲面，存在扭曲角，嚴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)，存在著多個極值點和曲率轉(zhuǎn)向點，其中法曲率甚至出現(xiàn)不連續(xù)的跳變，使得刀具在單位時間內(nèi)的切削量變化劇烈，極易誘發(fā)刀具和機床零部件的振動，破壞加工穩(wěn)定性。以上的特點使得S形試件能充分的檢驗機床的幾何精度、定位精度、多軸聯(lián)動精度、五軸插補精度、機床剛度和振動特性等指標；此外，在加工S形試件的時候，機床的A軸和B軸會分別出現(xiàn)2次和4次反向擺動，對于反向間隙誤差的測量也遠比NAS979圓錐臺試件充分得多。S形試件推出之后，馬上便成為了成飛集團對于所采購的多軸聯(lián)動數(shù)控機床的標準測試件。由于這一時期國際航空制造的同行也紛紛發(fā)現(xiàn)了類似問題，成飛集團S形試件也迅速成為了國際航空制造巨頭們的標準測試件。因為愛惜羽毛的斯達拉格首先承認了這一標準，航空機床廠商們也很快把成飛集團S形試件納入了出廠檢驗的標準測試件范疇。2009年，S形試件在中國注冊專利；2011年在美國注冊專利。2012年，成飛集團數(shù)控技術(shù)團隊向國際標準提出申請，經(jīng)過六年的不懈努力，S形試件順利的通過了項目提案(NP)，工作組草案(WD)，委員會草案(CD)和國家標準草案(DIS)，最終順利進入了國際標準最終草案(FDIS)階段，這就意味著S形試件距離最終成為國際標準只是個時間問題。

意大利帕爾帕斯(Parpas)加工中心正在加工S形試件標準是工業(yè)的靈魂。我國的產(chǎn)業(yè)升級需要更多的“中國標準”，航空強國建設(shè)也呼喚更多的“中國標準”，我們堅信，在制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展總目標的引領(lǐng)之下，更多的“中國標準”將會源源不斷的涌現(xiàn)出來，甚至成為國際標準，為新時代的制造業(yè)注入更多的中國力量。