數(shù)控機(jī)床的選型

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數(shù)控機(jī)床的選型--------北京機(jī)床研究所 俞圣梅,吳梅英
  隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)選用數(shù)控設(shè)備已是大勢(shì)所趨。目前市面上的數(shù)控設(shè)備可謂琳瑯滿(mǎn)目，如何才能既經(jīng)濟(jì)又合理地選擇到適合本企業(yè)的數(shù)控設(shè)備，一直是人們關(guān)注的話(huà)題。本文完全從技術(shù)的角度對(duì)選型中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了全面的論述。
對(duì)一個(gè)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，提高生產(chǎn)能力往往從生產(chǎn)管理、制造工藝、生產(chǎn)設(shè)備等方面入手進(jìn)行技術(shù)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(duì)生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)控機(jī)床的更新、維修、采購(gòu)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(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效果等問(wèn)題。
& Q" g- s! A+ A* D& o, n( X選擇制造設(shè)備是要為制造某一些產(chǎn)品服務(wù)的，選擇的設(shè)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(guò)程的設(shè)計(jì)，它將決定用什么方法和手段來(lái)加工，從而也決定了對(duì)使用設(shè)備的基本要求，這也是對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)組織和管理的依據(jù)。設(shè)備選擇的基本要求確定后還要根據(jù)市場(chǎng)上能提供什么樣技術(shù)水平的裝備來(lái)選擇，針對(duì)大部分中小批量生產(chǎn)的制造企業(yè)，選擇數(shù)控機(jī)床來(lái)替代舊機(jī)床或增強(qiáng)生產(chǎn)能力已是發(fā)展趨勢(shì)。
比較普通和數(shù)控兩類(lèi)機(jī)床的性能，數(shù)控機(jī)床具有加工復(fù)雜形面零件能力強(qiáng)、適應(yīng)多種加工對(duì)象（柔性強(qiáng)）；加工質(zhì)量、精度和加工效率高；適應(yīng)CAD/CAM聯(lián)網(wǎng)、適合制造加工信息集成管理；設(shè)備的利用率高、正常運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。
) K9 @' R6 \* H3 `' {選擇數(shù)控機(jī)床是一個(gè)綜合性技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)在無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都能生產(chǎn)提供多種多樣的設(shè)備。數(shù)控機(jī)床經(jīng)幾十年發(fā)展已演變出一個(gè)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(jià)格昂貴的設(shè)備中選擇適用的設(shè)備，如何使這些設(shè)備在制造中充分發(fā)揮作用而且又能滿(mǎn)足企業(yè)以后的發(fā)展，如何正確、合理地選購(gòu)與主機(jī)配套的附件、工具、軟件技術(shù)、售后技術(shù)服務(wù)等，使采購(gòu)的設(shè)備能達(dá)到較好的投入比……這些問(wèn)題都是廣大采購(gòu)者必須考慮，并逐一要處理好的問(wèn)題。
一、確定典型加工工件“族”
確定加工什么樣零件是選擇設(shè)備的第一步。企業(yè)根據(jù)技術(shù)改造和生產(chǎn)發(fā)展需要，確定有哪些零件、那些工序準(zhǔn)備用新的加工設(shè)備來(lái)完成，要考慮到產(chǎn)品發(fā)展的遠(yuǎn)景規(guī)劃。用成組技術(shù)把這些零件進(jìn)行分組歸類(lèi)，確定準(zhǔn)備主要加工對(duì)象的典型零件族。在歸類(lèi)中往往會(huì)遇到零件規(guī)格大小相差很多、零件形狀相差較大、各類(lèi)零件加工工時(shí)大大超過(guò)設(shè)備滿(mǎn)負(fù)荷工時(shí)等問(wèn)題，因此，要進(jìn)一步選擇確定生產(chǎn)綱領(lǐng)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(lèi)（箱體類(lèi)）、板類(lèi)、回轉(zhuǎn)體類(lèi)（盤(pán)、套、軸、法蘭）和異形類(lèi)等；按加工精度要求又可分普通級(jí)和精密級(jí)等。典型零件分類(lèi)清楚了，基本加工設(shè)備也就比較明確了。
   二、典型零件族的工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
/ W4 n( z6 G" ^, R5 I3 c在確定加工零件后還必須用數(shù)控加工工藝的學(xué)觀(guān)點(diǎn)對(duì)工藝流程進(jìn)行新的規(guī)劃設(shè)計(jì)，這里包括對(duì)原工藝生產(chǎn)流程的變革、探索實(shí)現(xiàn)新工藝方法的可行性、探索實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)管理和物流管理可行性、探索使用先進(jìn)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(xiàn)上數(shù)控設(shè)備和其他設(shè)備（普通的、專(zhuān)機(jī)的）的合理配制工藝等，目的是希望得到使用數(shù)控機(jī)床后的最佳工藝制造流程。下面是幾個(gè)典型類(lèi)零件的合理加工工藝。
  u2 N9 a8 F8 K; C1 N軸類(lèi)零件：銑端面打中心孔→數(shù)控車(chē)床（粗加工）→數(shù)控磨床（精加工）；
法蘭和盤(pán)類(lèi)件：數(shù)控車(chē)床（粗加工）→車(chē)削中心（精加工）；
) ?( W. ^3 ~4 ]; j  K6 g1 e型腔模具零件：普通機(jī)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；
板類(lèi)零件：雙軸銑床或龍門(mén)銑床加工大平面→立式加工中心上加工各類(lèi)孔；
; m; F& S- a) p9 n7 P4 t& ~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：
    (1) 選擇最短的加工工藝流程。
    (2) 數(shù)控機(jī)床有相當(dāng)大適應(yīng)性，但也不是萬(wàn)能的，從經(jīng)濟(jì)觀(guān)點(diǎn)考慮，典型工件族中每一種零件都有一個(gè)經(jīng)濟(jì)批量，應(yīng)在經(jīng)濟(jì)批量基礎(chǔ)上使用比較先進(jìn)的工藝手段。
    (3) 盡量發(fā)揮機(jī)床的各種工藝特點(diǎn)，追求最大限度地發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的綜合加工能力特長(zhǎng)(多工序集中的工藝特點(diǎn))，應(yīng)在生產(chǎn)流程中配置最少的機(jī)床數(shù)量、最少的工藝裝備和夾具。
8 D2 l4 L; A1 \" h' J1 |7 f7 d( s    (4) 要考慮生產(chǎn)線(xiàn)或生產(chǎn)車(chē)間的各種設(shè)備能力的平衡。作為單臺(tái)數(shù)控機(jī)床的選擇或一條生產(chǎn)線(xiàn)的配置，單一的設(shè)備不可能完全包下一個(gè)工件的全部加工工序，必然有和其他設(shè)備的工序轉(zhuǎn)接，各設(shè)備之間的生產(chǎn)能力要平衡，滿(mǎn)足生產(chǎn)節(jié)拍的綜合要求，所以安排每臺(tái)設(shè)備上的工序數(shù)量、加工工序順序等既要發(fā)揮各臺(tái)數(shù)控機(jī)床的特長(zhǎng)、滿(mǎn)足精度要求，還要進(jìn)一步應(yīng)考慮各臺(tái)機(jī)床上工件轉(zhuǎn)序時(shí)工藝基準(zhǔn)的合理使用。
3 z% i: u! k/ D9 A' R- z    (5) 在安排數(shù)控加工工藝中經(jīng)常碰到的問(wèn)題是工序集中與工藝加工漸精原則的矛盾。在數(shù)控機(jī)床的使用上，人們普遍采用將多工序集中在一臺(tái)機(jī)床上完成的工藝集中原則，以此來(lái)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(shí)際上對(duì)一些復(fù)雜的、精度要求較高的工件，由于在加工過(guò)程中的熱變形、內(nèi)應(yīng)力引起的工件變形、工夾具夾緊變形、熱處理要求時(shí)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(zhǔn)則中對(duì)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(duì)典型工件族工藝流程的安排中，應(yīng)妥善安排各臺(tái)機(jī)床和生產(chǎn)線(xiàn)的手工調(diào)整和檢測(cè)等工作，即人工干預(yù)的影響。企業(yè)要根據(jù)自身的技術(shù)裝備能力、技術(shù)水平和技術(shù)改造投入的力度，確定在工藝流程中人工干預(yù)的程度，這決定了對(duì)選擇數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化水平和功能要求。應(yīng)客觀(guān)考慮適當(dāng)采用手工調(diào)整來(lái)補(bǔ)充企業(yè)要達(dá)到完全自動(dòng)化的能力，對(duì)企業(yè)的工藝能力和設(shè)備水平確切定位。

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三、數(shù)控機(jī)床主要特征規(guī)格的選擇
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- N" _# ?1 b, m) _9 A8 K    機(jī)床特征規(guī)格應(yīng)包括機(jī)型、機(jī)床規(guī)格參數(shù)和機(jī)床主電機(jī)功率等。在確定工藝內(nèi)容的前提下，機(jī)型選擇就較明確了。例如，回轉(zhuǎn)體零件加工主要可供選擇設(shè)備有車(chē)床、車(chē)削中心、數(shù)控磨床等；箱體的加工則應(yīng)以立式或臥式加工中心為主。
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    數(shù)控機(jī)床已發(fā)展成品種繁多、可供廣泛選擇的商品，在機(jī)型選擇中應(yīng)在滿(mǎn)足加工工藝要求的前提下越簡(jiǎn)單越好。例如，車(chē)削中心和數(shù)控車(chē)床都可以加工軸類(lèi)零件，但一臺(tái)滿(mǎn)足同樣加工規(guī)格的車(chē)削中心價(jià)格要比數(shù)控車(chē)床貴幾倍，如果沒(méi)有進(jìn)一步工藝要求，選數(shù)控車(chē)床應(yīng)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(mǎn)足基本加工要求，但兩種機(jī)床價(jià)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(zhǎng)時(shí)間銑削的可選用數(shù)控銑床。
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    數(shù)控機(jī)床的最主要規(guī)格是幾個(gè)數(shù)控軸的行程范圍和主軸電機(jī)功率。機(jī)床的三個(gè)基本直線(xiàn)坐標(biāo)（X、Y、Z）行程反映該機(jī)床允許的加工空間，在車(chē)床中兩個(gè)坐標(biāo)（X、Z）反映允許回轉(zhuǎn)體的大小。一般情況下加工工件的輪廓尺寸應(yīng)在機(jī)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(yīng)選取工作臺(tái)面尺寸為500mm×500 mm的加工中心。選用工作臺(tái)面比典型工件稍大一些是出于安裝夾具考慮的。機(jī)床工作臺(tái)面尺寸和三個(gè)直線(xiàn)坐標(biāo)行程都有一定的比例關(guān)系，如上述工作臺(tái)（500 mm ×500 mm）的機(jī)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(tái)面的大小基本上確定了加工空間的大小。個(gè)別情況下也允許工件尺寸大于坐標(biāo)行程，這時(shí)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(jī)床工作臺(tái)的允許承載能力，以及工件是否與機(jī)床交換刀刀具的空間干涉、與機(jī)床防護(hù)罩等附件發(fā)生干涉等系列問(wèn)題。
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    數(shù)控機(jī)床的主電機(jī)功率在同類(lèi)規(guī)格機(jī)床上也可以有各種不同的配置，一般情況下反映了該機(jī)床的切削剛性和主軸高速性能。例如，輕型機(jī)床比標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)床主軸電機(jī)功率就可能小1～2級(jí)。目前一般加工中心主軸轉(zhuǎn)速在(4000～8000)r/min，高速型機(jī)床立式機(jī)床可達(dá)(20000～70000)r/min，臥式機(jī)床(10000～20000)r/min，其主軸電機(jī)功率也成倍加大。主軸電機(jī)功率反映了機(jī)床的切削效率，從另一個(gè)側(cè)面也反映了切削剛性和機(jī)床整體剛度。在現(xiàn)代中小型數(shù)控機(jī)床中，主軸箱的機(jī)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(jī)直聯(lián)主軸，甚至采用電主軸結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)在低速中扭矩受到限制，即調(diào)速電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)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(jī)，所以同規(guī)格機(jī)床數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)比普通機(jī)床大好幾倍。當(dāng)使用單位的一些典型工件上有大量的低速加工時(shí)，也必須對(duì)選擇機(jī)床的低速輸出扭矩進(jìn)行校核。輕型機(jī)床在價(jià)格上肯定便宜，要求用戶(hù)根據(jù)自己的典型工件毛坯余量大小、切削能力（單位時(shí)間金屬切除量）、要求達(dá)到的加工精度、實(shí)際能配置什么樣刀具等因素綜合選擇機(jī)床。

    近年來(lái)數(shù)控機(jī)床上高速化趨勢(shì)發(fā)展很快，主軸從每分鐘幾千轉(zhuǎn)到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，直線(xiàn)坐標(biāo)快速移動(dòng)速度從（10～20）m/min上升到80m/min以上，當(dāng)然機(jī)床價(jià)格也相應(yīng)上升，用戶(hù)單位必須根據(jù)自己的技術(shù)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(zhuǎn)速可達(dá)（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(chē)床都可以達(dá)到（6000～8000）r/min以上，這時(shí)車(chē)刀的配置要求也很高。
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5 F( l( Q+ |1 s# E! N    對(duì)少量特殊工件僅靠三個(gè)直線(xiàn)坐標(biāo)加工不能滿(mǎn)足要求，要另外增加回轉(zhuǎn)坐標(biāo)（A、B、C）或附加工坐標(biāo)(U、Ｖ、Ｗ)等，目前機(jī)床市場(chǎng)上這些要求都能滿(mǎn)足，但機(jī)床價(jià)格會(huì)增長(zhǎng)很多，尤其是對(duì)一些要求多軸聯(lián)動(dòng)加工要求，如四軸、五軸聯(lián)動(dòng)加工，必須對(duì)相應(yīng)配套的編程軟件、測(cè)量手段等有全面考慮和安排。

: s+ L6 G9 p* q! }; m! o# o& D5 u    四、機(jī)床精度的選擇
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    典型零件的關(guān)鍵部位加工精度要求決定了選擇數(shù)控機(jī)床的精度等級(jí)。數(shù)控機(jī)床根據(jù)用途又分為簡(jiǎn)易型、全功能型、超精密型等，其能達(dá)到的精度也是各不一樣的。簡(jiǎn)易型目前還用于一部分車(chē)床和銑床，其最小運(yùn)動(dòng)分辯率為0.01mm，運(yùn)動(dòng)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(dá)0.001mm以下。這里主要討論應(yīng)用最多的全功能數(shù)控機(jī)床（以加工中心為主）。

  按精度可分為普通型和精密型，一般數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)項(xiàng)目都有20～30項(xiàng)，但其最有特征項(xiàng)目是：?jiǎn)屋S定位精度、單軸重復(fù)定位精度和兩軸以上聯(lián)動(dòng)加工出試件的圓度，如表1所示。
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其他精度項(xiàng)目與表1內(nèi)容都有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。定位精度和重復(fù)定位精度綜合反映了該軸各運(yùn)動(dòng)部件的綜合精度。尤其是重復(fù)定位精度，它反映了該軸在行程內(nèi)任意定位點(diǎn)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(biāo)。目前數(shù)控系統(tǒng)中軟件都有豐富的誤差補(bǔ)償功能，能對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進(jìn)行穩(wěn)定的補(bǔ)償。例如，傳動(dòng)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(tái)的負(fù)載大小、移動(dòng)距離長(zhǎng)短、移動(dòng)定位速度的快慢等反映出不同的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)量。在一些開(kāi)環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，測(cè)量元件以后的機(jī)械驅(qū)動(dòng)元件，受各種偶然因素影響，也有相當(dāng)大的隨機(jī)誤差影響，如滾珠絲杠熱伸長(zhǎng)引起的工作臺(tái)實(shí)際定位位置漂移等。總之，如果能選擇，那么就選重復(fù)定位精度最好的設(shè)備！