数控机床的八大选型步骤

 
　随着现代制造技术的发展，企业选用数控设备已是大势所趋。目前市面上的数控设备可谓琳琅满目，如何才能既经济又合理地选择到适合本企业的数控设备，一直是人们关注的话题。本文完全从技术的角度对选型中应注意的问题进行了全面的论述。

　　对一个制造企业来说，提高生产能力往往从生产管理、制造工艺、生产设备等方面入手进行技术改造，而这几部分内容又是互为影响和制约的。在技改中对生产设备、数控机床的更新、维修、采购等的选择上必须考虑到要在什么样环境下使用、如何管理、怎样能达到最好的经济效果等问题。

　　选择制造设备是要为制造某一些产品服务的，选择的设备可能用于产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决于工艺过程的设计，它将决定用什么方法和手段来加工，从而也决定了对使用设备的基本要求，这也是对生产进行技术组织和管理的依据。设备选择的基本要求确定后还要根据市场上能提供什么样技术水平的装备来选择，针对大部分中小批量生产的制造企业，选择数控机床来替代旧机床或增强生产能力已是发展趋势。

　　比较普通和数控两类机床的性能，数控机床具有加工复杂形面零件能力强、适应多种加工对象(柔性强);加工质量、精度和加工效率高;适应CAD/CAM联网、适合制造加工信息集成管理;设备的利用率高、正常运行费用低等特点。

　　选择数控机床是一个综合性技术问题，现在无论国内还是国外，都能生产提供多种多样的设备。数控机床经几十年发展已演变出一个庞大家族群，能完成各种各样的加工制造要求。如何从品种繁多、价格昂贵的设备中选择适用的设备，如何使这些设备在制造中充分发挥作用而且又能满足企业以后的发展，如何正确、合理地选购与主机配套的附件、工具、软件技术、售后技术服务等，使采购的设备能达到较好的投入比……这些问题都是广大采购者必须考虑，并逐一要处理好的问题。

　　一、确定典型加工工件“族”

　　确定加工什么样零件是选择设备的第一步。企业根据技术改造和生产发展需要，确定有哪些零件、那些工序准备用新的加工设备来完成，要考虑到产品发展的远景规划。用成组技术把这些零件进行分组归类，确定准备主要加工对象的典型零件族。在归类中往往会遇到零件规格大小相差很多、零件形状相差较大、各类零件加工工时大大超过设备满负荷工时等问题，因此，要进一步选择确定生产纲领又比较接近要求的典型工件族。典型工件族按外型可以分为菱形类(箱体类)、板类、回转体类(盘、套、轴、法兰)和异形类等;按加工精度要求又可分普通级和精密级等。典型零件分类清楚了，基本加工设备也就比较明确了。

　　二、典型零件族的工艺规程设计

　　在确定加工零件后还必须用数控加工工艺的学观点对工艺流程进行新的规划设计，这里包括对原工艺生产流程的变革、探索实现新工艺方法的可行性、探索实现现代生产管理和物流管理可行性、探索使用先进刀具工装大幅度提高生产效率的可行性、探索在生产线上数控设备和其他设备(普通的、专机的)的合理配制工艺等，目的是希望得到使用数控机床后的最佳工艺制造流程。下面是几个典型类零件的合理加工工艺。

　　轴类零件：铣端面打中心孔→数控车床(粗加工)→数控磨床(精加工);

　　法兰和盘类件：数控车床(粗加工)→车削中心(精加工);

　　型腔模具零件：普通机床加工外形及基面→数控铣床加工型面→高速数控铣精加工→抛光或电腐蚀型面;

　　板类零件：双轴铣床或龙门铣床加工大平面→立式加工中心上加工各类孔;

　　箱体零件：立式加工中心上加工底面→卧式加工中心上加工四周面各工艺面。

　　在安排工艺流程中考虑下列因素：

　　(1)选择最短的加工工艺流程。

　　(2)数控机床有相当大适应性，但也不是万能的，从经济观点考虑，典型工件族中每一种零件都有一个经济批量，应在经济批量基础上使用比较先进的工艺手段。

　　(3)尽量发挥机床的各种工艺特点，追求最大限度地发挥数控机床的综合加工能力特长(多工序集中的工艺特点)，应在生产流程中配置最少的机床数量、最少的工艺装备和夹具。

　　(4)要考虑生产线或生产车间的各种设备能力的平衡。作为单台数控机床的选择或一条生产线的配置，单一的设备不可能完全包下一个工件的全部加工工序，必然有和其他设备的工序转接，各设备之间的生产能力要平衡，满足生产节拍的综合要求，所以安排每台设备上的工序数量、加工工序顺序等既要发挥各台数控机床的特长、满足精度要求，还要进一步应考虑各台机床上工件转序时工艺基准的合理使用。

　　(5)在安排数控加工工艺中经常碰到的问题是工序集中与工艺加工渐精原则的矛盾。在数控机床的使用上，人们普遍采用将多工序集中在一台机床上完成的工艺集中原则，以此来追求提高生产率，缩短零件加工周期，甚至希望工件在一次装卡中全部加工完毕。但实际上对一些复杂的、精度要求较高的工件，由于在加工过程中的热变形、内应力引起的工件变形、工夹具夹紧变形、热处理要求时效等工艺因素和程编者操作因素等，很难一次装卡完成全部加工。基本工艺准则中对加工零件的逐步精化要求制约着工序集中的数量，妥善处理这两者矛盾是数控加工工艺的重要内容。

　　(6)在对典型工件族工艺流程的安排中，应妥善安排各台机床和生产线的手工调整和检测等工作，即人工干预的影响。企业要根据自身的技术装备能力、技术水平和技术改造投入的力度，确定在工艺流程中人工干预的程度，这决定了对选择数控机床的自动化水平和功能要求。应客观考虑适当采用手工调整来补充企业要达到完全自动化的能力，对企业的工艺能力和设备水平确切定位。

　　三、数控机床主要特征规格的选择

　　机床特征规格应包括机型、机床规格参数和机床主电机功率等。在确定工艺内容的前提下，机型选择就较明确了。例如，回转体零件加工主要可供选择设备有车床、车削中心、数控磨床等;箱体的加工则应以立式或卧式加工中心为主。

　　数控机床已发展成品种繁多、可供广泛选择的商品，在机型选择中应在满足加工工艺要求的前提下越简单越好。例如，车削中心和数控车床都可以加工轴类零件，但一台满足同样加工规格的车削中心价格要比数控车床贵几倍，如果没有进一步工艺要求，选数控车床应是合理的。在加工型腔模具零件中，同规格的数控铣床和加工中心都能满足基本加工要求，但两种机床价格相差20%——50%，所以在模具加工中要采用常更换刀具的工艺可安排选用加工中心，而固定一把刀具长时间铣削的可选用数控铣床。

　　数控机床的最主要规格是几个数控轴的行程范围和主轴电机功率。机床的三个基本直线坐标(X、Y、Z)行程反映该机床允许的加工空间，在车床中两个坐标(X、Z)反映允许回转体的大小。一般情况下加工工件的轮廓尺寸应在机床的加工空间范围之内，例如，典型工件是450 mm ×450 mm ×450 mm的箱体，那么应选取工作台面尺寸为500mm×500 mm的加工中心。选用工作台面比典型工件稍大一些是出于安装夹具考虑的。机床工作台面尺寸和三个直线坐标行程都有一定的比例关系，如上述工作台(500 mm ×500 mm)的机床，x轴行程一般为(700——800)mm、y轴为(500——700)mm、z轴为(500——600)mm左右。因此，工作台面的大小基本上确定了加工空间的大小。个别情况下也允许工件尺寸大于坐标行程，这时必须要求零件上的加工区域处在行程范围之内，而且要考虑机床工作台的允许承载能力，以及工件是否与机床交换刀刀具的空间干涉、与机床防护罩等附件发生干涉等系列问题。

　　数控机床的主电机功率在同类规格机床上也可以有各种不同的配置，一般情况下反映了该机床的切削刚性和主轴高速性能。例如，轻型机床比标准型机床主轴电机功率就可能小1——2级。目前一般加工中心主轴转速在(4000——8000)r/min，高速型机床立式机床可达(20000——70000)r/min，卧式机床(10000——20000)r/min，其主轴电机功率也成倍加大。主轴电机功率反映了机床的切削效率，从另一个侧面也反映了切削刚性和机床整体刚度。在现代中小型数控机床中，主轴箱的机械变速已较少采用，往往都采用功率较大的交流可调速电机直联主轴，甚至采用电主轴结构。这样的结构在低速中扭矩受到限制，即调速电机在低转速时输出功率下降， 为了确保低速输出扭矩，就得采用大功率电机，所以同规格机床数控机床主轴电机比普通机床大好几倍。当使用单位的一些典型工件上有大量的低速加工时，也必须对选择机床的低速输出扭矩进行校核。轻型机床在价格上肯定便宜，要求用户根据自己的典型工件毛坯余量大小、切削能力(单位时间金属切除量)、要求达到的加工精度、实际能配置什么样刀具等因素综合选择机床。

　　近年来数控机床上高速化趋势发展很快，主轴从每分钟几千转到几万转，直线坐标快速移动速度从(10——20)m/min上升到80m/min以上，当然机床价格也相应上升，用户单位必须根据自己的技术能力和配套能力做出合理选择。例如，立式加工中心上主轴最高转速可达(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贵。一些高速车床都可以达到(6000——8000)r/min以上，这时车刀的配置要求也很高。

　　对少量特殊工件仅靠三个直线坐标加工不能满足要求，要另外增加回转坐标(A、B、C)或附加工坐标(U、V、W)等，目前机床市场上这些要求都能满足，但机床价格会增长很多，尤其是对一些要求多轴联动加工要求，如四轴、五轴联动加工，必须对相应配套的编程软件、测量手段等有全面考虑和安排。

　　四、机床精度的选择

　　典型零件的关键部位加工精度要求决定了选择数控机床的精度等级。数控机床根据用途又分为简易型、全功能型、超精密型等，其能达到的精度也是各不一样的。简易型目前还用于一部分车床和铣床，其最小运动分辩率为0.01mm，运动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，其精度可达0.001mm以下。这里主要讨论应用最多的全功能数控机床(以加工中心为主)。

　　按精度可分为普通型和精密型，一般数控机床精度检验项目都有20——30项，但其最有特征项目是：单轴定位精度、单轴重复定位精度和两轴以上联动加工出试件的圆度。

　　定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了该轴在行程内任意定位点的定位稳定性，这是衡量该轴能否稳定可靠工作的基本指标。目前数控系统中软件都有丰富的误差补偿功能，能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。例如，传动链各环节的间隙、弹性变形和接触刚度等变化因素，它们往往随着工作台的负载大小、移动距离长短、移动定位速度的快慢等反映出不同的瞬时运动量。在一些开环和半闭环进给伺服系统中，测量元件以后的机械驱动元件，受各种偶然因素影响，也有相当大的随机误差影响，如滚珠丝杠热伸长引起的工作台实际定位位置漂移等。总之，如果能选择，那么就选重复定位精度最好的设备!

　　铣削圆柱面精度或铣削空间螺旋槽(螺纹)是综合评价该机床有关数控轴(两轴或三轴)伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标，评价方法是测量加工出圆柱面的圆度。在数控机床试切件中还有铣斜方形四边加工法，也可判断两个可控轴在直线插补运动时的精度。在做这项试切时，把用于精加工的立铣刀装到机床主轴上，铣削放置在工作台上的圆形试件，对中小型机床圆形试件一般取在Ф200——Ф300，然后把切完的试件放到圆度仪上，测出其加工表面的圆度。铣出圆柱面上有明显铣刀振纹反映该机床插补速度不稳定;铣出的圆度有明显椭圆误差，反映插补运动的两个可控轴系统增益不匹配;在圆形表面上每一可控轴运动换方向的点位上有停刀点痕迹(在连续切削运动中，在某一位置停止进给运动刀具就会在加工表面上形成一小段多切去金属的痕迹)时，反映该轴正反向间隙没有调整好。

　　单轴定位精度是指在该轴行程内任意一个点定位时的误差范围，它直接反映了机床的加工精度能力，所以是数控机床最关键技术指标。目前全世界各国对这指标的规定、定义、测量方法和数据处理等有所不同，在各类数控机床样本资料介绍中，常用的标准有美国标准(NAS)和美国机床制造商协会推荐标准、德国标准(VDI)、日本标准(JIS)、国际标准化组织(ISO)和我国国家标准(GB)。在这些标准中规定最低的是日本标准，因为它的测量方法是使用单组稳定数据为基础，然后又取出用±值把误差值压缩一半，所以用它的测量方法测出的定位精度往往比用其他标准测出的相差一倍以上。

　　其他几种标准尽管处理数据上有所区别，但都反映了要按误差统计规律来分析测量定位精度，即对数控机床某一可控轴行程中某一个定位点误差，应该反映出该点在以后机床长期使用中成千上万次在此定位的误差，而我们在测量时只能测量有限次数(一般5——7次)。

　　五、数控系统的选择

　　随着市场需求多样化，机床制造商往往提供同一种机床可配置多种数控的选择或数控系统中多种选择功能的选择。

　　机床制造商提供的机床配置的数控系统分为主流系统及可适应的系统，主流系统相对来说技术成熟性好一些，但对使用用户应另有要求，例如对名牌系统的质量追求、希望在国内有较好的售后技术条件、在用户单位使用的数控系统相对集中在几家等要求，以便使用掌握和维修配件准备，所以用户单位都愿意配置自己信得过或比较熟悉的数控系统。

　　在可供选择的系统中性能高低差别很大，直接影响到设备价格构成，因此不能片面追求高水平、新系统，而应以满足主机性能为主，对系统性能和价格等作一个综合分析，选用合适的系统。目前世界上比较着名的数控系统有日本的FANUC、德国的SINUMERIK、法国的NUM、意大利的FIDIA、西班牙的FAGO和美国的A-B等。各大机床制造厂商也有自己的一些系统，如MAZAK、OKUMA等。国内也有航天集团、机电集团、华中理工大学、辽宁蓝天、南京大方集团、北方凯奇等数控系统供应商，每家公司也都有一系列的各种规格的产品。

　　用户选择系统的基本原则是：性能价格比要高、购后的使用维护要方便、系统的市场寿命要长(不能选淘汰系统，否则使用几年后将找不到维修备件)等。

　　数控系统中除基本功能以外还有很多可供选择的功能。对配在机床上的系统，由于机床使用基本要求所需的数控系统选择功能已由制造商选配，用户可以根据自己的生产管理、测量要求、刀具管理、程序编制要求等，额外再选择一些功能列入订货单中，如DNC接口联网要求等。

　　六、自动换刀装备(ATC)、自动交换工作台(APC)和刀柄的选择配置

　　1.ATC的选择

　　在具备综合加工能力的一些数控机床上，如加工中心、车削中心和带交换冲头的数控冲床等，自动交换装置是这些设备的基本特征附件，它的工作质量直接关系到整机的质量，也是构成设备投资中的重要组成部分(经费占整机成本的10%——30%)。因此，在选择主机设备时必须得重视所配ATC自动换刀装置的工作质量和刀具储存量。目前加工中心自动换刀装置的配套较为规范，以下以加工中心的ATC装置为例来说明其选择原则。

　　现场经验表明，在加工中心的使用故障中有50%左右与ATC装置有关，但ATC又是提高设备加工效率的基本部件，因此建议用户应在满足使用要求的前提下，尽量选用结构简单和可靠性高的ATC，这样也可以相应地降低整机价格。

　　下面介绍与ATC装置相关的主要技术参数。

　　(1)刀柄型号

　　刀柄型号取决于机床主轴装刀柄孔的规格。现在绝大部分加工中心机床主轴孔都是采用ISO规定的7:24锥孔，常用的有40号、45号、50号等，个别的还有30号和35号。机床规格越小，刀柄规格也应选小的，但小规格刀柄对加工大尺寸孔和长孔很不利，所以对一台机床如果有大规格的刀柄可选择时，应该尽量选择大的，但刀库容量和换刀时间都要受到影响。近年来加工中心和数控铣床都向高速化方向发展，许多实验数据表明：当主轴转速超过10000r/min以上时，7:24锥孔由于离心力作用会有一定涨大，影响刀柄的定位精度。为此，一种观点是建议采用德国VDI推荐的短锥刀柄HSK系列，另外，在日本已有部分商品的锥面和端面同时接触的过定位锥面刀柄，但在定心精度和重复定位精度方面，HSK系列要好一些，目前在国内还很少有厂家生产。

　　对同一种锥面规格的刀柄有日本BT标准、美国CAT标准、德国VDI标准等，他们规定机械手爪夹持的尺寸不一样，刀柄的拉紧钉尺寸也不一样，所以选择时必须考虑齐全，对已经拥有一定数量数控机床的用户或即将采购一批数控机床的用户，应尽可能选择互相能通用的、单一标准的刀柄系列。

　　(2)换刀时间

　　换刀时间是指刀柄交换时间，即从主轴上换下用过的刀具、装上新的刀具的总时间。细分又有两种规定方式，即刀对刀时间(Tool to tool)和总换刀时间(Chip to chip)，总换刀时间包含了旧刀具加工完毕离开加工区域到刀具交换完毕主轴上装上新刀具进入新的加工前之间的时间。目前最快的纯换刀时间可达0.7s左右，总换刀时间在3——12s之间，立式机床换刀时间一般比卧式的短。换刀时间短意味着机床生产效率高。

　　(3)最大刀具重量

　　最大刀具重量是指在自动刀具交换情况下允许的最大刀具重量，锥度40号左右刀柄最大允许重量在7——8kg，50号刀柄在15kg，一些重型刀具可达25——30kg，但这时换刀速度要减慢。最大刀具直径和长度主要受刀库尺寸空间的限制。

　　(4)刀库容量

　　一些加工中心机床上配置的刀库容量往往有几种规格供选择，有十几把到40、60、100把等，一些柔性加工单元(FMC)配置中央刀库后刀具储存量可达近千把，刀库的容量只要能满足基本需要，一般不宜选得太大，因为容量大，刀库成本高，结构复杂，故障率也相应增加，刀具管理也较为复杂。在单台机床使用中，当更换一种新的工件时，操作者要根据新的工艺资料对刀库进行一次清理，刀库中无关的刀具越多，整理工作量也就越大，也就越容易出现人为的差错。所以用户一般应根据典型工件的工艺分析，算出需用刀具数量，进而确定刀库的容量。如果不是按柔性加工单元或柔性制造系统来考虑，一般机床的刀库以满足一种工件一次装夹所需的全部刀柄数量作为选择依据。根据国外对中小型加工中心加工典型工件的工艺分析，认为中小型机床刀具储存量应在4——48把之间。

　　在纳入柔性制造单元的机床中，考虑到适应多工件、多工序同时加工的要求，需要配置大容量的刀库，此时应增加相应的刀具管理措施。

　　2.刀柄和刀具的选择

　　在主机和自动换刀装置(ATC)确定后，要选择所需的刀柄和刀具(刃具)。数控机床所用刀柄系列基本都已标准化，尤其是加工中心所用刀柄，如美国的CAT、日本的BT和我国的JT等。数控机床加工工件最终要靠的是切削刃具，但刃具和机床的连接、在自动交换刀具时提供给机械手的夹持部位等都要靠刀柄来解决，所以选择刀具实质上是包括刃具和刀柄的配置。刃具选择取决于加工工艺要求，刃具确定后还必须配置相应刀柄，例如，工艺要求钻一个直径6mm的小孔，则刃具选用直径6mm直柄麻花钻头，然后还要选用一个能夹持钻头的刀柄。现在有一部分刀柄本身也配置专用的刃具，如精镗刀柄等。总之，这些附件绝大部分都已标准化，由专业化生产厂供货，机床用户要根据具体加工对象合理选用。由于刀柄可供选择的范围很广，但选多了将加大投资，选少了将影响机床的开动率，所以应慎重对待。

　　对一些总批量超过几千件、反复投产的工件加工来说，在工艺安排中可以考虑采用复合刀具，即利用数控机床主切削功率较大、机床刚度较好的特长，采用复合刀具进行多刀多刃的强力切削，可提高生产率和缩短生产节拍。但一把复合刀具价格要贵得多，而且变成专用工具，必须考虑工件有足够数量时才经济。

　　近年在数控机床使用的刀具上开发出了许多新的产品，大大丰富了数控机床的加工工艺，例如，万能垂直铣头、反刮刀具、去毛刺刀具、增速头、铣螺纹刀和内冷刀具等(详见产品样本)。

　　3.自动交换工作台

　　自动交换工作台是在主机上配置的附件，配置的数量有2、4、6、10个等，除双交换工作台以外，主要用柔性制造单元配置。双交换工作台的配置可以大大节省复杂零件装卸定位夹紧的辅助时间，提高机床开动率，但增加该功能设备，投资至少要加10万元以上。多数量交换工作台用于柔性制造单元，适用于24小时少人或无人化管理，适应多品种工件交替投产加工，这里应注意增加质量检查措施，否则投资增长20%——50%是不经济的。

　　七、机床选择功能及附件的选择

　　在选购数控机床时，除满足基本要求的功能及基本件外，还应充分考虑选择件选择功能及附件。选择原则是：全面配置，充分发挥主机的最大潜力，远近期效益综合考虑。对一些价格增加不多，但对使用带来很多方便的，应尽可能配置齐全。附件配套要保证机床到现场后能立即投入使用，切忌花几十万元甚至几百万购买的一台机床，到货后因缺乏一个几十元或几百元的附件而长期不能使用的情况的发生。

　　对数控系统选择功能应以实用为主，不一定选太多，尤其是纳入批量生产线中的设备，应越简单越好，对多品种、小批量生产方式的机床要加强编程功能的选择，如随机程序编制(后台编程)、运动图形显示、人机对话程序编制(GPS)、宏程序编程等，虽然可加快程序编制速度，但费用也要相应增加。另一种配置方案是简化配置数控系统程序编制的功能，单独另外配置自动编程机及与数控系统的通信接口，程序处理都事先在编程机上做完成任务，然后花几分钟时间，送入数控系统，这样做能进一步提高机床开动率。

　　在提高加工质量和工作可靠性上也发展了许多附件，如自动测量装置、接触式测头及相应测量软件、刀具长度和磨损检测、机床热变形补偿软件等附件，这些附件选用原则是要求工作可靠、不片面追求新颖。对一些辅助功能附件，如冷却、防护和排屑等装置主要根据今后在现场使用要求和工艺要求而定，例如，考虑以后加工大裕量铸铁件的要求，则要选用高密封防护罩、大流量淋浴式冷却方式、纸质冷却液过滤器装置等。总之，要选择与生产能力相适应的辅件。

　　八、技术服务

　　数控机床作为一种高科技产品，包含了多学科的专业内容，对这样复杂的技术设备，要应用好、维修好单靠应用单位自身努力是远远不够的，而且也很难做到，必须依靠和利用社会上的专业队伍。因此，在选购设备时还应综合考虑选购其围绕设备的售前、售后技术服务，其宗旨就是要使设备尽快尽量地发挥作用。

　　对一些新的数控机床用户来说，最困难的不是缺乏资金购买设备，而是缺乏一支高素质的技术队伍，因此新用户从开始选择设备时起，包括以后的设备到货安装验收、设备操作、程序编制、机械和电气维修等，都需要人才和技术支持。这些条件在短时间内由用户解决是很困难的，当前，各机床制造商已普遍重视商品的售前、售后服务，协助用户对典型工件作工艺分析、进行加工可行性工艺试验以及承担成套技术服务，包括工艺装备研制、程序编制、安装调试、试切工件，直到全面投入生产后快速响应保修服务，为用户举办各类技术人员培训等。

　　总之，凡重视技术队伍建设、重视职工素质提高的企业，数控机床就能得到合理使用。所以在选择机床时，建议用户花一部分资金选购针对自己短缺的技术服务，使设备尽快发挥作用。