数控机床选型小贴士
2017-09-29 韩德良 电子手轮
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。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 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。
接下去，将从几个方面分别阐述数控机床选型的注意事项：
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 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 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 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 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 的工艺手段。
(3) 尽量发挥机床的各种工艺特点，追求 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 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。
对定位精度要求较高的机床，必须关注它的进给伺服系统是采用半闭环方式，还是全闭环方式，必须关注使用检测元件的精度及稳定性。机床采用半闭环伺服驱动方式时的精度稳定性要受到一些外界因素影响，例如，传动链中因工作温度变化引起滚珠丝杠长度变化，这必然使工作台实际定位位置产生漂移影响，进而影响加工件的加工精度。在半闭环控制方式下，位置检测元件放在伺服电机另一端。滚珠丝杠轴向位置主要靠一端固定，另一端可以自由伸长，当丝杠伸长时工作台就一个附加移动量。在一些新型中小数控机床上，采用减小导轨负荷（用直线滚动导轨）、提高丝杠制造精度、丝杠两端加预拉伸和丝杠中心通恒温油冷却等措施，在半闭环系统中也得到了较稳定的定位精度。
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 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。
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 totool）和总换刀时间(Chip tochip)，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) 刀具重量
刀具重量是指在自动刀具交换情况下允许的 刀具重量，锥度40号左右刀柄 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。 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
