加工中心如何選型及參數選擇

摘要：基于加工中心選型與其相關招標技術文件制定的過程，結合機電設備評標的經驗，根據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參數選擇，設備附件、工作條件及服務條款的制定。

隨著科學技術的進步，各行各業產品升級換代的速度非常迅速，進而拉動了生產線的技術改造和瓶頸工序生產能力的提升，加工中心也就成為制造企業和科研院所更新的主要設備，它的品種、性能、質量和技術水平直接影響著其他機電產品的性能、質量、生產技術水平和企業的經濟效益。如何從品種繁多、價格昂貴的設備中選擇適用的加工中心，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，這一切都體現在設備的選型和加工中心參數的確定，并通過招標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標書參數的確定。

加工中心是由機械設備與數控系統組成的適用于復雜零件加工的高效自動化機床，由于帶有刀庫和自動換刀裝置, 工件經一次裝夾后, 能對兩個以上的表面自動完成銑、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換刀, 因此使生產效率和自動化程度大大提高。企業在選用加工中心前必須要進行充分的調研和論證,選用一臺加工中心要考慮諸多因素, 這些因素包括工件的加工規范、加工精度、生產效率、投資情況、經濟效益以及技術服務等。論證必須在工藝部門、設備維修部門、使用部門及技改部門等共同參與下進行，使得設備的工藝性、加工精度、生產效率、可靠性、可維修性及經濟性方面符合上級部門及單位發展的需求。論證報告批準后，應組織相關人員重點選擇3 ～ 5 家生產廠家的產品進行詳細的對比，形成招標文件的技術參數。

一般加工中心的主要組成組件如表1，其主要技術參數及配置如表2，內容涵蓋了與工件加工相關的尺寸重量參數、主軸單元參數、進給參數、精度指標、刀庫參數、控制系統及相關配置等。經過論證選型的設備需包括表1、表2 中的內容，且覆蓋三家以上設備的主要技術參數。

數控機床最主要的規格是幾個數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，因此，工作臺面的大小基本上確定了加工空間的大小。選用工作臺面應比典型工件稍大一些，目的是考慮到安裝夾具所需的空間。而且還要考慮機床工作臺的允許承載能力，以及工件與機床交換刀具的空間干涉、與機床防護罩等附件發生干涉等系列問題。對配置轉臺的立式或臥式加工中心，規格參數中要增加主軸鼻端到臺面的最小距離或主軸中心到臺面的最小距離及主軸端面到轉臺中心的最小距離，以保證與
典型工件的加工要求相一致。

（1）定位精度和重復定位精度定位精度和重復定位精度是十分重要的精度指標，其取決于數控機床的幾何精度、機床的測量系統精度、進給控制系統的精度和剛度及其動態特性等因素。通常數控機床精度檢驗項目有20 ～ 30 項，但其最有特征的項目是表3 所示的單軸定位精度、單軸重復定位精度和兩軸以上聯動加工出試件的圓度。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任意定位點的定位穩定性，這是衡量該軸能否穩定可靠工作的基本指標。目前，數控系統中的軟件都有豐富的誤差補償功能，能對進給傳動鏈上各環節系統誤差進行穩定的補償。銑圓精度是用來綜合評價數控機床有關數控軸的伺服系統的跟隨運動特性，是數控系統插補功能的指標。在選擇加工中心精度時，應注意定位精度不是機床的加工精度，但從機床定位精度可估算出該機床加工時能達到的精度，如在單軸上移動加工兩個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）。普通型加工中心已可加工6 ～ 7 級精度工件，精密級加工中心可加工5 級精度工件。

目前，各國對精度指標的規定、定義、測量方法和數據處理等有所不同。在各類數控機床樣本資料介紹中，常用的標準有德國的VDI/DGQ3441 標準，美國的NMT BA 標準，國際ISO230 標準，日本的JIS B 標準，國標GB/JB 標準，以及制造廠家的企業標準等等，在評定和檢測上其精度數值是有差別的。就位置精度而言，有的是采用統計法，有的是采用極差法。從原理上來說，JIS 標準規定精度是最松的，VDI 標準要求最為嚴格。因此，在選型時應注意了解制造廠家所用的是何種精度標準，了解系統控制位置精度的控制方法是采用直接測量( 閉環控制) 還是間接位置測量( 半閉環控制)，了解數控系統與控制精度的分辨率，以便確保滿足必要的加工精度。

機床的幾何精度是保證該機床加工工件精度的基礎，一般不出現在標書的技術參數中，而在機床的驗收條款里出現。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告，以考察投標加工中心的幾何精度和精度裕度。

機床切削精度的驗證可根據廠家提供的檢驗項目或雙方協商確認的試切件圖紙進行加工，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行檢驗。

主軸與驅動的性能指標決定機床的切削性能。主軸電動機功率與扭矩反映了加工中心的切削效率，也從一個側面反映了加工中心的切削剛性和機床整體剛度。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、主軸單元及驅動單元等。

刀柄型號取決于機床主軸裝刀柄孔的規格。現在絕大部分加工中心機床主軸孔都是采用ISO 規定的7:24 錐孔， 常用的有40 號、45 號、50 號等，個別的還有30 號和35 號。機床規格越小，刀柄規格也應選小的，而小規格刀柄對加工大尺寸孔和長孔很不利，所以一臺機床如果有大規格的刀柄可選擇時，應該盡量選擇大的，但刀庫容量和換刀時間都是要考慮的受影響因素。近年來，加工中心和數控銑床都向高速化方向發展，許多實驗數據表明當主軸轉速超過10000r/min 以上時，7:24 錐孔由于離心力作用會有一定漲大，會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。對同一種錐面規格的刀柄，有日本BT標準、美國CAT 標準、德國VDI 標準等，他們規定的機械手爪夾尺的尺寸不一樣，刀柄的拉緊釘尺寸也不一樣，所以選擇時必須考慮齊全。對已經擁有一定數量數控機床的用戶或即將采購一批數控機床的用戶，應盡可能選擇互相能通用的、單一標準的刀柄系列。

主軸電動機功率在同類規格的加工中心上可以有各種不同的配置，用戶應根據自身典型零件毛坯余量大小、切削能力（單位時間金屬切削量）、要求達到的加工精度、實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速在4000 ～ 8000r/min，立式高速加工中心可達2 0000 ～ 7 0000r/min，臥式高速加工中心可達1 0000 ～ 2 0000r/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。

要重點關注主軸單元轉速—功率—扭矩圖，注意連續功率、扭矩及30 分鐘功率和扭矩。高速主軸選型時要注意主軸的冷卻要求。

提高機床轉速是目前機床行業的發展趨勢。高轉速、小切深、大進給是高速加工的發展方向。高速切削時，既要有高的主軸轉速，同時也要具備與主軸轉速相匹配的進給速度。目前，加工中心高速化趨勢發展很快，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 ～ 20m/min 上升到80m／ min 以上，當然其功能部件如電主軸、直線電動機、直線滾動導軌、主軸軸承等及相配套的光柵尺、刀具等附件價格也都相應上升，甚至很昂貴。所以，用戶必須根據自身的技術能力和配套能力作出合理選擇，招標文件的相關條款內容一定要切合自身實際。

數控系統直接關系到機床整體效益的發揮。用戶在購買加工中心時可以向生產廠家要求配置自己指定的數控系統。知名的數控系統有日本的FANUC系統、德國的HEIDENHAIN 及SIEMENS 系統等。每種數控系統都備有許多功能，如隨機編程、運動圖形顯示、人機對話編輯、故障管理等功能。在選擇系統功能時，既要對現在需要的功能全面配置，又要考慮長遠的需要，但切忌盲目追求功能全面而造成浪費。另外，數控系統中基本功能以外還有很多選擇功能，用戶可以根據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，特別是實時傳輸的DNC 功能及通信接口等，以及高速數控加工系統的前瞻功能等。

自動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、換刀時間和故障率等都是用戶非常關心的問題。自動換刀裝置的投資占整機的30% ～ 50%，其故障率也占整機故障率的50% 以上。因此，在選擇自動換刀裝置時，要在滿足使用要求的前提下，盡量選用結構簡單、可靠性好的裝置。刀庫容量應根據零件在一次裝夾中完成全部工序所需的刀具數量來確定。單機使用的加工中心，其刀庫容量不宜太大，因為在使用中， 每更換一種新的零件，操作者就要根據工藝要求對刀具進行整理，刀庫中無關的刀具越多，工作量就越大。另外，大容量刀庫成本高，結構復雜，故障率高，刀具管理也相應地復雜化。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調儀、自動測量裝置、刀具監視系統、切削狀態監視裝置、自適應控制裝置、各種診斷裝置等，這些可選擇的功能在進口機床的報價單上往往大量出現。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量有很大作用。但是，在選用時應切實注意其實用性和可靠性。此外，有些附件是必須選取的， 如機床冷卻防護裝置、排屑裝置、主軸油溫控制裝置等。采用了這些裝置會使加工性能優良，加工質量穩定，同時也可延長機床的使用壽命。

設備的安裝及工作環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實問題，明確設備的供電條件、氣源條件及環境條件，以保證設備到位后可順利地進行安裝、調試、驗收。

一般設備供應商都有比較好的服務條款及質保體系，但也難免與用戶的要求有出入，所以對采購產品的服務及質量應提出明確要求，一般性條款如下：

（1）賣方負責在買方現場免費安裝、調試，并對操作、維修人員進行免費培訓；
（2）機床驗收后，控制系統提供二年、機床一年保修，免費提供備件和服務，且服務必須及時有效；
（3）保修期過后，仍能提供全面優惠的技術支持及備件供應。

加工中心的選型是一項專業性很強的技術工程，涉及單位的方方面面，為增加選型的科學性，避免失誤， 選型時應有工藝人員、產品設計人員、操作人員、維修人員及單位的相關主管部門參加。選好型、制定好設備參數不是一件容易的事，它需建立在調研、比較、總結的基礎上，才能提煉出一套完整的技術參數，并在招標過程做到指標的嚴密性。在評審過程中，對設備技術質量的可控性、指標的嚴密性體現在對表2 中的技術參數的把控上，一般規格參數、精度指標、主軸轉速、主軸功率、主軸扭矩、同時控制軸數、光柵尺品牌及分辨率可
設為關鍵參數。技術質量的可控性體現在結構、配置的細節上，設備的指標可以相同，但結構細節還是有差異的，這體現了選型人員對同類設備的考察比較能力。招標人要挖掘設備的結構特點及配置的差異，研判設備幾何精度的裕度等， 以便在公正、公開的招標原則下，確保技術先進、質量可靠、信價比高的設備制造商中標。

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作者介紹：張武（1958-），男，漢族，籍貫陜西西安，1982 年1 月畢業于西安交通大學，任西安電子工程研究所副總設計師，研究員，從事雷達結構設計與工藝技術（現已退休、返聘）.