加工中心如何選型及參數(shù)選擇

摘要：基于加工中心選型與其相關(guān)招標(biāo)技術(shù)文件制定的過程，結(jié)合機(jī)電設(shè)備評(píng)標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)加工中心的主要組成組件，特提出加工中心選型的組織形式、方法、步驟，以及加工中心的主要技術(shù)參數(shù)選擇，設(shè)備附件、工作條件及服務(wù)條款的制定。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各行各業(yè)產(chǎn)品升級(jí)換代的速度非常迅速，進(jìn)而拉動(dòng)了生產(chǎn)線的技術(shù)改造和瓶頸工序生產(chǎn)能力的提升，加工中心也就成為制造企業(yè)和科研院所更新的主要設(shè)備，它的品種、性能、質(zhì)量和技術(shù)水平直接影響著其他機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、生產(chǎn)技術(shù)水平和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。如何從品種繁多、價(jià)格昂貴的設(shè)備中選擇適用的加工中心，如何正確、合理地選購與主機(jī)配套的附件、工具、軟件技術(shù)、售后技術(shù)服務(wù)等，這一切都體現(xiàn)在設(shè)備的選型和加工中心參數(shù)的確定，并通過招標(biāo)采購所需的加工中心。本文主要探討銑削加工中心的選型和招標(biāo)標(biāo)書參數(shù)的確定。

加工中心是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的適用于復(fù)雜零件加工的高效自動(dòng)化機(jī)床，由于帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置, 工件經(jīng)一次裝夾后, 能對兩個(gè)以上的表面自動(dòng)完成銑、鉆、鏜、鉸、攻螺紋等多種工序的加工, 而且可在加工過程中完成自動(dòng)換刀, 因此使生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度大大提高。企業(yè)在選用加工中心前必須要進(jìn)行充分的調(diào)研和論證,選用一臺(tái)加工中心要考慮諸多因素, 這些因素包括工件的加工規(guī)范、加工精度、生產(chǎn)效率、投資情況、經(jīng)濟(jì)效益以及技術(shù)服務(wù)等。論證必須在工藝部門、設(shè)備維修部門、使用部門及技改部門等共同參與下進(jìn)行，使得設(shè)備的工藝性、加工精度、生產(chǎn)效率、可靠性、可維修性及經(jīng)濟(jì)性方面符合上級(jí)部門及單位發(fā)展的需求。論證報(bào)告批準(zhǔn)后，應(yīng)組織相關(guān)人員重點(diǎn)選擇3 ～ 5 家生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)的對比，形成招標(biāo)文件的技術(shù)參數(shù)。

一般加工中心的主要組成組件如表1，其主要技術(shù)參數(shù)及配置如表2，內(nèi)容涵蓋了與工件加工相關(guān)的尺寸重量參數(shù)、主軸單元參數(shù)、進(jìn)給參數(shù)、精度指標(biāo)、刀庫參數(shù)、控制系統(tǒng)及相關(guān)配置等。經(jīng)過論證選型的設(shè)備需包括表1、表2 中的內(nèi)容，且覆蓋三家以上設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)。

數(shù)控機(jī)床最主要的規(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)基本直線坐標(biāo)（X、Y、Z）行程反映該機(jī)床允許的加工空間，因此，工作臺(tái)面的大小基本上確定了加工空間的大小。選用工作臺(tái)面應(yīng)比典型工件稍大一些，目的是考慮到安裝夾具所需的空間。而且還要考慮機(jī)床工作臺(tái)的允許承載能力，以及工件與機(jī)床交換刀具的空間干涉、與機(jī)床防護(hù)罩等附件發(fā)生干涉等系列問題。對配置轉(zhuǎn)臺(tái)的立式或臥式加工中心，規(guī)格參數(shù)中要增加主軸鼻端到臺(tái)面的最小距離或主軸中心到臺(tái)面的最小距離及主軸端面到轉(zhuǎn)臺(tái)中心的最小距離，以保證與
典型工件的加工要求相一致。

（1）定位精度和重復(fù)定位精度定位精度和重復(fù)定位精度是十分重要的精度指標(biāo)，其取決于數(shù)控機(jī)床的幾何精度、機(jī)床的測量系統(tǒng)精度、進(jìn)給控制系統(tǒng)的精度和剛度及其動(dòng)態(tài)特性等因素。通常數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)項(xiàng)目有20 ～ 30 項(xiàng)，但其最有特征的項(xiàng)目是表3 所示的單軸定位精度、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。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)中的軟件都有豐富的誤差補(bǔ)償功能，能對進(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。銑圓精度是用來綜合評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床有關(guān)數(shù)控軸的伺服系統(tǒng)的跟隨運(yùn)動(dòng)特性，是數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)功能的指標(biāo)。在選擇加工中心精度時(shí)，應(yīng)注意定位精度不是機(jī)床的加工精度，但從機(jī)床定位精度可估算出該機(jī)床加工時(shí)能達(dá)到的精度，如在單軸上移動(dòng)加工兩個(gè)孔的孔距精度約為單軸在該段定位誤差的1 ～ 2 倍（具體誤差值與工藝因素密切相關(guān)）。普通型加工中心已可加工6 ～ 7 級(jí)精度工件，精密級(jí)加工中心可加工5 級(jí)精度工件。

目前，各國對精度指標(biāo)的規(guī)定、定義、測量方法和數(shù)據(jù)處理等有所不同。在各類數(shù)控機(jī)床樣本資料介紹中，常用的標(biāo)準(zhǔn)有德國的VDI/DGQ3441 標(biāo)準(zhǔn)，美國的NMT BA 標(biāo)準(zhǔn)，國際ISO230 標(biāo)準(zhǔn)，日本的JIS B 標(biāo)準(zhǔn)，國標(biāo)GB/JB 標(biāo)準(zhǔn)，以及制造廠家的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等等，在評(píng)定和檢測上其精度數(shù)值是有差別的。就位置精度而言，有的是采用統(tǒng)計(jì)法，有的是采用極差法。從原理上來說，JIS 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定精度是最松的，VDI 標(biāo)準(zhǔn)要求最為嚴(yán)格。因此，在選型時(shí)應(yīng)注意了解制造廠家所用的是何種精度標(biāo)準(zhǔn)，了解系統(tǒng)控制位置精度的控制方法是采用直接測量( 閉環(huán)控制) 還是間接位置測量( 半閉環(huán)控制)，了解數(shù)控系統(tǒng)與控制精度的分辨率，以便確保滿足必要的加工精度。

機(jī)床的幾何精度是保證該機(jī)床加工工件精度的基礎(chǔ)，一般不出現(xiàn)在標(biāo)書的技術(shù)參數(shù)中，而在機(jī)床的驗(yàn)收條款里出現(xiàn)。但為了確保加工中心精度的保持性，往往要求制造商提供已交付用戶的幾何精度檢查報(bào)告，以考察投標(biāo)加工中心的幾何精度和精度裕度。

機(jī)床切削精度的驗(yàn)證可根據(jù)廠家提供的檢驗(yàn)項(xiàng)目或雙方協(xié)商確認(rèn)的試切件圖紙進(jìn)行加工，加工后對工件尺寸精度、形狀誤差、位置誤差及表面粗糙度進(jìn)行檢驗(yàn)。

主軸與驅(qū)動(dòng)的性能指標(biāo)決定機(jī)床的切削性能。主軸電動(dòng)機(jī)功率與扭矩反映了加工中心的切削效率，也從一個(gè)側(cè)面反映了加工中心的切削剛性和機(jī)床整體剛度。加工是靠刀具加工的，按照典型工件的加工方案，選擇安裝刀具的刀柄型號(hào)、主軸單元及驅(qū)動(dòng)單元等。

刀柄型號(hào)取決于機(jī)床主軸裝刀柄孔的規(guī)格。現(xiàn)在絕大部分加工中心機(jī)床主軸孔都是采用ISO 規(guī)定的7:24 錐孔， 常用的有40 號(hào)、45 號(hào)、50 號(hào)等，個(gè)別的還有30 號(hào)和35 號(hào)。機(jī)床規(guī)格越小，刀柄規(guī)格也應(yīng)選小的，而小規(guī)格刀柄對加工大尺寸孔和長孔很不利，所以一臺(tái)機(jī)床如果有大規(guī)格的刀柄可選擇時(shí)，應(yīng)該盡量選擇大的，但刀庫容量和換刀時(shí)間都是要考慮的受影響因素。近年來，加工中心和數(shù)控銑床都向高速化方向發(fā)展，許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過10000r/min 以上時(shí)，7:24 錐孔由于離心力作用會(huì)有一定漲大，會(huì)影響刀柄的定位精度，所以高速主軸建議采用德國VDI 推薦的短錐刀柄HSK 系列。對同一種錐面規(guī)格的刀柄，有日本BT標(biāo)準(zhǔn)、美國CAT 標(biāo)準(zhǔn)、德國VDI 標(biāo)準(zhǔn)等，他們規(guī)定的機(jī)械手爪夾尺的尺寸不一樣，刀柄的拉緊釘尺寸也不一樣，所以選擇時(shí)必須考慮齊全。對已經(jīng)擁有一定數(shù)量數(shù)控機(jī)床的用戶或即將采購一批數(shù)控機(jī)床的用戶，應(yīng)盡可能選擇互相能通用的、單一標(biāo)準(zhǔn)的刀柄系列。

主軸電動(dòng)機(jī)功率在同類規(guī)格的加工中心上可以有各種不同的配置，用戶應(yīng)根據(jù)自身典型零件毛坯余量大小、切削能力（單位時(shí)間金屬切削量）、要求達(dá)到的加工精度、實(shí)際能配置的刀具等因素綜合選擇。目前一般加工中心主軸轉(zhuǎn)速在4000 ～ 8000r/min，立式高速加工中心可達(dá)2 0000 ～ 7 0000r/min，臥式高速加工中心可達(dá)1 0000 ～ 2 0000r/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。

要重點(diǎn)關(guān)注主軸單元轉(zhuǎn)速—功率—扭矩圖，注意連續(xù)功率、扭矩及30 分鐘功率和扭矩。高速主軸選型時(shí)要注意主軸的冷卻要求。

提高機(jī)床轉(zhuǎn)速是目前機(jī)床行業(yè)的發(fā)展趨勢。高轉(zhuǎn)速、小切深、大進(jìn)給是高速加工的發(fā)展方向。高速切削時(shí)，既要有高的主軸轉(zhuǎn)速，同時(shí)也要具備與主軸轉(zhuǎn)速相匹配的進(jìn)給速度。目前，加工中心高速化趨勢發(fā)展很快，主軸從每分鐘幾千轉(zhuǎn)到幾萬轉(zhuǎn)，直線坐標(biāo)快速移動(dòng)速度從10 ～ 20m/min 上升到80m／ min 以上，當(dāng)然其功能部件如電主軸、直線電動(dòng)機(jī)、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、主軸軸承等及相配套的光柵尺、刀具等附件價(jià)格也都相應(yīng)上升，甚至很昂貴。所以，用戶必須根據(jù)自身的技術(shù)能力和配套能力作出合理選擇，招標(biāo)文件的相關(guān)條款內(nèi)容一定要切合自身實(shí)際。

數(shù)控系統(tǒng)直接關(guān)系到機(jī)床整體效益的發(fā)揮。用戶在購買加工中心時(shí)可以向生產(chǎn)廠家要求配置自己指定的數(shù)控系統(tǒng)。知名的數(shù)控系統(tǒng)有日本的FANUC系統(tǒng)、德國的HEIDENHAIN 及SIEMENS 系統(tǒng)等。每種數(shù)控系統(tǒng)都備有許多功能，如隨機(jī)編程、運(yùn)動(dòng)圖形顯示、人機(jī)對話編輯、故障管理等功能。在選擇系統(tǒng)功能時(shí)，既要對現(xiàn)在需要的功能全面配置，又要考慮長遠(yuǎn)的需要，但切忌盲目追求功能全面而造成浪費(fèi)。另外，數(shù)控系統(tǒng)中基本功能以外還有很多選擇功能，用戶可以根據(jù)自己的工件加工要求、測量要求、程序編制要求等，額外再選擇一些功能列
入訂貨合同附件中，特別是實(shí)時(shí)傳輸?shù)腄NC 功能及通信接口等，以及高速數(shù)控加工系統(tǒng)的前瞻功能等。

自動(dòng)換刀裝置是保證加工中心多工序集中加工的基本條件，刀庫容量、換刀時(shí)間和故障率等都是用戶非常關(guān)心的問題。自動(dòng)換刀裝置的投資占整機(jī)的30% ～ 50%，其故障率也占整機(jī)故障率的50% 以上。因此，在選擇自動(dòng)換刀裝置時(shí)，要在滿足使用要求的前提下，盡量選用結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好的裝置。刀庫容量應(yīng)根據(jù)零件在一次裝夾中完成全部工序所需的刀具數(shù)量來確定。單機(jī)使用的加工中心，其刀庫容量不宜太大，因?yàn)樵谑褂弥校?每更換一種新的零件，操作者就要根據(jù)工藝要求對刀具進(jìn)行整理，刀庫中無關(guān)的刀具越多，工作量就越大。另外，大容量刀庫成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，刀具管理也相應(yīng)地復(fù)雜化。一般情況下，立式加工中心的刀庫容量選用20 把左右，臥式加工中心選用40 把左右。

加工中心附件如刀具預(yù)調(diào)儀、自動(dòng)測量裝置、刀具監(jiān)視系統(tǒng)、切削狀態(tài)監(jiān)視裝置、自適應(yīng)控制裝置、各種診斷裝置等，這些可選擇的功能在進(jìn)口機(jī)床的報(bào)價(jià)單上往往大量出現(xiàn)。選擇其中的某些裝置對提高加工中心的使用效率和使用質(zhì)量有很大作用。但是，在選用時(shí)應(yīng)切實(shí)注意其實(shí)用性和可靠性。此外，有些附件是必須選取的， 如機(jī)床冷卻防護(hù)裝置、排屑裝置、主軸油溫控制裝置等。采用了這些裝置會(huì)使加工性能優(yōu)良，加工質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)也可延長機(jī)床的使用壽命。

設(shè)備的安裝及工作環(huán)境條件是加工中心能否順利安裝就位的先決條件，是用戶對制造商提出的現(xiàn)實(shí)問題，明確設(shè)備的供電條件、氣源條件及環(huán)境條件，以保證設(shè)備到位后可順利地進(jìn)行安裝、調(diào)試、驗(yàn)收。

一般設(shè)備供應(yīng)商都有比較好的服務(wù)條款及質(zhì)保體系，但也難免與用戶的要求有出入，所以對采購產(chǎn)品的服務(wù)及質(zhì)量應(yīng)提出明確要求，一般性條款如下：

（1）賣方負(fù)責(zé)在買方現(xiàn)場免費(fèi)安裝、調(diào)試，并對操作、維修人員進(jìn)行免費(fèi)培訓(xùn)；
（2）機(jī)床驗(yàn)收后，控制系統(tǒng)提供二年、機(jī)床一年保修，免費(fèi)提供備件和服務(wù)，且服務(wù)必須及時(shí)有效；
（3）保修期過后，仍能提供全面優(yōu)惠的技術(shù)支持及備件供應(yīng)。

加工中心的選型是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)工程，涉及單位的方方面面，為增加選型的科學(xué)性，避免失誤， 選型時(shí)應(yīng)有工藝人員、產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員、操作人員、維修人員及單位的相關(guān)主管部門參加。選好型、制定好設(shè)備參數(shù)不是一件容易的事，它需建立在調(diào)研、比較、總結(jié)的基礎(chǔ)上，才能提煉出一套完整的技術(shù)參數(shù)，并在招標(biāo)過程做到指標(biāo)的嚴(yán)密性。在評(píng)審過程中，對設(shè)備技術(shù)質(zhì)量的可控性、指標(biāo)的嚴(yán)密性體現(xiàn)在對表2 中的技術(shù)參數(shù)的把控上，一般規(guī)格參數(shù)、精度指標(biāo)、主軸轉(zhuǎn)速、主軸功率、主軸扭矩、同時(shí)控制軸數(shù)、光柵尺品牌及分辨率可
設(shè)為關(guān)鍵參數(shù)。技術(shù)質(zhì)量的可控性體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)、配置的細(xì)節(jié)上，設(shè)備的指標(biāo)可以相同，但結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還是有差異的，這體現(xiàn)了選型人員對同類設(shè)備的考察比較能力。招標(biāo)人要挖掘設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及配置的差異，研判設(shè)備幾何精度的裕度等， 以便在公正、公開的招標(biāo)原則下，確保技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、信價(jià)比高的設(shè)備制造商中標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：
[1] 張武. 高速加工及其在微波工件加工中的應(yīng)用[J].火控雷達(dá)技術(shù).2001(4)：47~63
[2] 張武. 裂縫波導(dǎo)數(shù)控高速加工工藝研究[J].第八屆全國雷達(dá)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2002
[3] 俞圣梅，吳梅英. 數(shù)控機(jī)床的選型[J].機(jī)電新產(chǎn)品導(dǎo)報(bào)（數(shù)控機(jī)床市場）.2006(1)：25~32

作者介紹：張武（1958-），男，漢族，籍貫陜西西安，1982 年1 月畢業(yè)于西安交通大學(xué)，任西安電子工程研究所副總設(shè)計(jì)師，研究員，從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)（現(xiàn)已退休、返聘）.