數(shù)控機床的選型

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數(shù)控機床的選型--------北京機床研究所 俞圣梅,吳梅英
5 W$ k4 Q+ q: o) n( {1 f$ W  隨著現(xiàn)代制造技術的發(fā)展,，企業(yè)選用數(shù)控設備已是大勢所趨,。目前市面上的數(shù)控設備可謂琳瑯滿目,，如何才能既經(jīng)濟又合理地選擇到適合本企業(yè)的數(shù)控設備,，一直是人們關注的話題,。本文完全從技術的角度對選型中應注意的問題進行了全面的論述,。
# n4 t* B/ O7 N: n對一個制造企業(yè)來說,，提高生產(chǎn)能力往往從生產(chǎn)管理、制造工藝,、生產(chǎn)設備等方面入手進行技術改造,，而這幾部分內(nèi)容又是互為影響和制約的,。在技改中對生產(chǎn)設備,、數(shù)控機床的更新、維修,、采購等的選擇上必須考慮到要在什么樣環(huán)境下使用,、如何管理、怎樣能達到最好的經(jīng)濟效果等問題,。
選擇制造設備是要為制造某一些產(chǎn)品服務的,，選擇的設備可能用于產(chǎn)品零件的一部分工序加工、也可能用于全部工序加工,。制造水平的高低首先取決于工藝過程的設計,，它將決定用什么方法和手段來加工，從而也決定了對使用設備的基本要求,，這也是對生產(chǎn)進行技術組織和管理的依據(jù),。設備選擇的基本要求確定后還要根據(jù)市場上能提供什么樣技術水平的裝備來選擇，針對大部分中小批量生產(chǎn)的制造企業(yè),，選擇數(shù)控機床來替代舊機床或增強生產(chǎn)能力已是發(fā)展趨勢,。
比較普通和數(shù)控兩類機床的性能，數(shù)控機床具有加工復雜形面零件能力強,、適應多種加工對象（柔性強）,；加工質量、精度和加工效率高,；適應CAD/CAM聯(lián)網(wǎng),、適合制造加工信息集成管理；設備的利用率高,、正常運行費用低等特點,。
, Z' @3 s+ G! Q0 E& R& \- I5 Q選擇數(shù)控機床是一個綜合性技術問題，現(xiàn)在無論國內(nèi)還是國外,，都能生產(chǎn)提供多種多樣的設備,。數(shù)控機床經(jīng)幾十年發(fā)展已演變出一個龐大家族群，能完成各種各樣的加工制造要求,。如何從品種繁多,、價格昂貴的設備中選擇適用的設備，如何使這些設備在制造中充分發(fā)揮作用而且又能滿足企業(yè)以后的發(fā)展,，如何正確,、合理地選購與主機配套的附件、工具、軟件技術,、售后技術服務等,，使采購的設備能達到較好的投入比……這些問題都是廣大采購者必須考慮，并逐一要處理好的問題,。
一,、確定典型加工工件“族”
4 j  a. i3 w0 E; {: r8 U2 X確定加工什么樣零件是選擇設備的第一步。企業(yè)根據(jù)技術改造和生產(chǎn)發(fā)展需要,，確定有哪些零件,、那些工序準備用新的加工設備來完成，要考慮到產(chǎn)品發(fā)展的遠景規(guī)劃,。用成組技術把這些零件進行分組歸類,，確定準備主要加工對象的典型零件族。在歸類中往往會遇到零件規(guī)格大小相差很多,、零件形狀相差較大,、各類零件加工工時大大超過設備滿負荷工時等問題，因此,，要進一步選擇確定生產(chǎn)綱領又比較接近要求的典型工件族,。典型工件族按外型可以分為菱形類（箱體類）、板類,、回轉體類（盤,、套、軸,、法蘭）和異形類等,；按加工精度要求又可分普通級和精密級等。典型零件分類清楚了,，基本加工設備也就比較明確了,。
2 b( F1 ~6 ^. T   二、典型零件族的工藝規(guī)程設計
在確定加工零件后還必須用數(shù)控加工工藝的學觀點對工藝流程進行新的規(guī)劃設計,，這里包括對原工藝生產(chǎn)流程的變革,、探索實現(xiàn)新工藝方法的可行性、探索實現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)管理和物流管理可行性,、探索使用先進刀具工裝大幅度提高生產(chǎn)效率的可行性,、探索在生產(chǎn)線上數(shù)控設備和其他設備（普通的、專機的）的合理配制工藝等,，目的是希望得到使用數(shù)控機床后的最佳工藝制造流程,。下面是幾個典型類零件的合理加工工藝。
軸類零件：銑端面打中心孔→數(shù)控車床（粗加工）→數(shù)控磨床（精加工）,；
; e6 S4 H2 H$ V4 u( P# e: y: ~法蘭和盤類件：數(shù)控車床（粗加工）→車削中心（精加工）,；
* X9 e5 n0 z0 B/ P型腔模具零件：普通機床加工外形及基面→數(shù)控銑床加工型面→高速數(shù)控銑精加工→拋光或電腐蝕型面,；
3 B+ L/ \2 m7 @0 t2 F( z板類零件：雙軸銑床或龍門銑床加工大平面→立式加工中心上加工各類孔；
) A$ k# `3 Q) C0 g" y% h( y: H1 @# E箱體零件：立式加工中心上加工底面→臥式加工中心上加工四周面各工藝面,。
在安排工藝流程中考慮下列因素：
$ ?2 s% ]# M0 _/ B0 F1 ]6 N    (1) 選擇最短的加工工藝流程,。
    (2) 數(shù)控機床有相當大適應性，但也不是萬能的,，從經(jīng)濟觀點考慮,，典型工件族中每一種零件都有一個經(jīng)濟批量，應在經(jīng)濟批量基礎上使用比較先進的工藝手段,。
    (3) 盡量發(fā)揮機床的各種工藝特點,，追求最大限度地發(fā)揮數(shù)控機床的綜合加工能力特長(多工序集中的工藝特點),，應在生產(chǎn)流程中配置最少的機床數(shù)量,、最少的工藝裝備和夾具。
    (4) 要考慮生產(chǎn)線或生產(chǎn)車間的各種設備能力的平衡,。作為單臺數(shù)控機床的選擇或一條生產(chǎn)線的配置,，單一的設備不可能完全包下一個工件的全部加工工序，必然有和其他設備的工序轉接,，各設備之間的生產(chǎn)能力要平衡,，滿足生產(chǎn)節(jié)拍的綜合要求，所以安排每臺設備上的工序數(shù)量,、加工工序順序等既要發(fā)揮各臺數(shù)控機床的特長,、滿足精度要求，還要進一步應考慮各臺機床上工件轉序時工藝基準的合理使用,。
    (5) 在安排數(shù)控加工工藝中經(jīng)常碰到的問題是工序集中與工藝加工漸精原則的矛盾,。在數(shù)控機床的使用上，人們普遍采用將多工序集中在一臺機床上完成的工藝集中原則,，以此來追求提高生產(chǎn)率,，縮短零件加工周期，甚至希望工件在一次裝卡中全部加工完畢,。但實際上對一些復雜的,、精度要求較高的工件，由于在加工過程中的熱變形,、內(nèi)應力引起的工件變形,、工夾具夾緊變形、熱處理要求時效等工藝因素和程編者操作因素等,，很難一次裝卡完成全部加工,。基本工藝準則中對加工零件的逐步精化要求制約著工序集中的數(shù)量,，妥善處理這兩者矛盾是數(shù)控加工工藝的重要內(nèi)容,。
    (6) 在對典型工件族工藝流程的安排中,，應妥善安排各臺機床和生產(chǎn)線的手工調(diào)整和檢測等工作，即人工干預的影響,。企業(yè)要根據(jù)自身的技術裝備能力,、技術水平和技術改造投入的力度，確定在工藝流程中人工干預的程度,，這決定了對選擇數(shù)控機床的自動化水平和功能要求,。應客觀考慮適當采用手工調(diào)整來補充企業(yè)要達到完全自動化的能力，對企業(yè)的工藝能力和設備水平確切定位,。

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三,、數(shù)控機床主要特征規(guī)格的選擇

    機床特征規(guī)格應包括機型、機床規(guī)格參數(shù)和機床主電機功率等,。在確定工藝內(nèi)容的前提下,，機型選擇就較明確了。例如,，回轉體零件加工主要可供選擇設備有車床,、車削中心、數(shù)控磨床等,；箱體的加工則應以立式或臥式加工中心為主,。
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$ V$ ~- N! }- j3 o7 T- k0 w    數(shù)控機床已發(fā)展成品種繁多、可供廣泛選擇的商品,，在機型選擇中應在滿足加工工藝要求的前提下越簡單越好,。例如，車削中心和數(shù)控車床都可以加工軸類零件,，但一臺滿足同樣加工規(guī)格的車削中心價格要比數(shù)控車床貴幾倍,，如果沒有進一步工藝要求，選數(shù)控車床應是合理的,。在加工型腔模具零件中,，同規(guī)格的數(shù)控銑床和加工中心都能滿足基本加工要求，但兩種機床價格相差20%～50%,，所以在模具加工中要采用常更換刀具的工藝可安排選用加工中心,，而固定一把刀具長時間銑削的可選用數(shù)控銑床。

5 I/ W8 D. j" [' \9 w    數(shù)控機床的最主要規(guī)格是幾個數(shù)控軸的行程范圍和主軸電機功率,。機床的三個基本直線坐標（X,、Y、Z）行程反映該機床允許的加工空間,，在車床中兩個坐標（X,、Z）反映允許回轉體的大小,。一般情況下加工工件的輪廓尺寸應在機床的加工空間范圍之內(nèi)，例如,，典型工件是450 mm ×450 mm ×450 mm的箱體,，那么應選取工作臺面尺寸為500mm×500 mm的加工中心。選用工作臺面比典型工件稍大一些是出于安裝夾具考慮的,。機床工作臺面尺寸和三個直線坐標行程都有一定的比例關系,，如上述工作臺（500 mm ×500 mm）的機床，x軸行程一般為（700～800）mm,、y軸為（500～700）mm,、z軸為（500～600）mm左右。因此,，工作臺面的大小基本上確定了加工空間的大小,。個別情況下也允許工件尺寸大于坐標行程，這時必須要求零件上的加工區(qū)域處在行程范圍之內(nèi),，而且要考慮機床工作臺的允許承載能力,，以及工件是否與機床交換刀刀具的空間干涉、與機床防護罩等附件發(fā)生干涉等系列問題,。

* T; g! G. t9 Q, m6 s2 @5 A1 }- D# ~( r    數(shù)控機床的主電機功率在同類規(guī)格機床上也可以有各種不同的配置，一般情況下反映了該機床的切削剛性和主軸高速性能,。例如,，輕型機床比標準型機床主軸電機功率就可能小1～2級。目前一般加工中心主軸轉速在(4000～8000)r/min,，高速型機床立式機床可達(20000～70000)r/min,，臥式機床(10000～20000)r/min，其主軸電機功率也成倍加大,。主軸電機功率反映了機床的切削效率,，從另一個側面也反映了切削剛性和機床整體剛度。在現(xiàn)代中小型數(shù)控機床中,，主軸箱的機械變速已較少采用,，往往都采用功率較大的交流可調(diào)速電機直聯(lián)主軸，甚至采用電主軸結構,。這樣的結構在低速中扭矩受到限制,，即調(diào)速電機在低轉速時輸出功率下降，為了確保低速輸出扭矩,，就得采用大功率電機,，所以同規(guī)格機床數(shù)控機床主軸電機比普通機床大好幾倍。當使用單位的一些典型工件上有大量的低速加工時,，也必須對選擇機床的低速輸出扭矩進行校核,。輕型機床在價格上肯定便宜,，要求用戶根據(jù)自己的典型工件毛坯余量大小、切削能力（單位時間金屬切除量）,、要求達到的加工精度,、實際能配置什么樣刀具等因素綜合選擇機床。

    近年來數(shù)控機床上高速化趨勢發(fā)展很快,，主軸從每分鐘幾千轉到幾萬轉,，直線坐標快速移動速度從（10～20）m/min上升到80m/min以上，當然機床價格也相應上升,，用戶單位必須根據(jù)自己的技術能力和配套能力做出合理選擇,。例如，立式加工中心上主軸最高轉速可達（50000～80000）r/min,，除了一些加工特例以外,，一般相配套的刀具就很昂貴。一些高速車床都可以達到（6000～8000）r/min以上,，這時車刀的配置要求也很高,。

    對少量特殊工件僅靠三個直線坐標加工不能滿足要求，要另外增加回轉坐標（A,、B,、C）或附加工坐標(U、Ｖ,、Ｗ)等,，目前機床市場上這些要求都能滿足，但機床價格會增長很多,，尤其是對一些要求多軸聯(lián)動加工要求,，如四軸、五軸聯(lián)動加工,，必須對相應配套的編程軟件,、測量手段等有全面考慮和安排。

7 u: H; `5 F/ `3 D1 t) K9 ?) x: A    四,、機床精度的選擇
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    典型零件的關鍵部位加工精度要求決定了選擇數(shù)控機床的精度等級,。數(shù)控機床根據(jù)用途又分為簡易型、全功能型,、超精密型等,，其能達到的精度也是各不一樣的。簡易型目前還用于一部分車床和銑床,，其最小運動分辯率為0.01mm,，運動精度和加工精度都在(0.03～0.05)mm以上。超精密型用于特殊加工,，其精度可達0.001mm以下,。這里主要討論應用最多的全功能數(shù)控機床（以加工中心為主）,。
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) J2 {! N% j9 m$ @3 l* [  按精度可分為普通型和精密型，一般數(shù)控機床精度檢驗項目都有20～30項,，但其最有特征項目是：單軸定位精度,、單軸重復定位精度和兩軸以上聯(lián)動加工出試件的圓度，如表1所示,。

, G1 D1 H- k9 [; R其他精度項目與表1內(nèi)容都有一定的對應關系,。定位精度和重復定位精度綜合反映了該軸各運動部件的綜合精度。尤其是重復定位精度,，它反映了該軸在行程內(nèi)任意定位點的定位穩(wěn)定性,，這是衡量該軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標。目前數(shù)控系統(tǒng)中軟件都有豐富的誤差補償功能,，能對進給傳動鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進行穩(wěn)定的補償,。例如，傳動鏈各環(huán)節(jié)的間隙,、彈性變形和接觸剛度等變化因素,，它們往往隨著工作臺的負載大小、移動距離長短,、移動定位速度的快慢等反映出不同的瞬時運動量,。在一些開環(huán)和半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)中，測量元件以后的機械驅動元件,，受各種偶然因素影響,，也有相當大的隨機誤差影響，如滾珠絲杠熱伸長引起的工作臺實際定位位置漂移等,。總之,，如果能選擇,，那么就選重復定位精度最好的設備！