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數控機床選型小貼士

2017-09-29 韓德良 電子手輪

    隨着現代製造技術的發展,企業選用數控設備已是大勢所趨。目前市面上的數控設備可謂琳琅滿目,如何才能既經濟又合理地選擇到適合本企業的數控設備,一直是人們關注的話題。對一個製造企業來說,提高生產能力往往從生產管理、製造工藝、生產設備等方面入手進行技術改造,而這几部分內容又是互為影響和制約的。在技改中對生產設備、數控機床的更新、維修、採購等的選擇上必須考慮到要在什麼樣環境下使用、如何管理、怎樣能達到 經濟效果等問題。

 

    選擇製造設備是要為製造某一些產品服務的,選擇的設備可能用於產品零件的一部分工序加工、也可能用於全部工序加工。製造水平的高低首先取決于工藝過程的設計,它將決定用什麼方法和手段來加工,從而也決定了對使用設備的基本要求,這也是對生產進行技術組織和管理的依據。設備選擇的基本要求確定后還要根據市場上能提供什麼樣技術水平的裝備來選擇,針對大部分中小批量生產的製造企業,選擇數控機床來替代舊機床或增強生產能力已是發展趨勢。

 

    比較普通和數控兩類機床的性能,數控機床具有加工複雜形面零件能力強、適應多種加工對象(柔性強);加工質量、精度和加工效率高;適應CAD/CAM聯網、適合製造加工信息集成管理;設備的利用率高、正常運行費用低等特點。

 

    選擇數控機床是一個綜合性技術問題,現在無論國內還是國外,都能生產提供多種多樣的設備。數控機床經几十年發展已演變出一個龐大家族群,能完成各種各樣的加工製造要求。如何從品種繁多、價格昂貴的設備中選擇適用的設備,如何使這些設備在製造中充分發揮作用而且又能滿足企業以後的發展,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,使採購的設備能達到較好的投入比……這些問題都是廣大採購者必須考慮,並逐一要處理好的問題。

 

    接下去,將從幾個方面分別闡述數控機床選型的注意事項:

 

一、 確定典型加工工件“族”

 

    確定加工什麼樣零件是選擇設備的第一步。

 

    企業根據技術改造和生產發展需要,確定有哪些零件、那些工序準備用新的加工設備來完成,要考慮到產品發展的遠景規劃。用成組技術把這些零件進行分組歸類,確定準備主要加工對象的典型零件族。在歸類中往往會遇到零件規格大小相差很多、零件形狀相差較大、各類零件加工工時大大超過設備滿負荷工時等問題,因此,要進一步選擇確定生產綱領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(箱體類)、板類、迴轉體類(盤、套、軸、法蘭)和異形類等;按加工精度要求又可分普通級和精密級等。典型零件分類清楚了,基本加工設備也就比較明確了。

 

二、 典型零件族的工藝規程設計

 

    在確定加工零件后還必須用數控加工工藝的學觀點對工藝流程進行新的規劃設計,這裡包括對原工藝生產流程的變革、探索實現新工藝方法的可行性、探索實現現代生產管理和物流管理可行性、探索使用先進刀具工裝大幅度提高生產效率的可行性、探索在生產線上數控設備和其他設備(普通的、專機的)的合理配製工藝等,目的是希望得到使用數控機床后 工藝製造流程。

 

    下面是幾個典型類零件的合理加工工藝。

 

軸類零件:銑端面打中心孔→數控車床(粗加工)→數控磨床(精加工);

法蘭和盤類件:數控車床(粗加工)→車削中心(精加工);

型腔模具零件:普通機床加工外形及基面→數控銑床加工型面→高速數控銑精加工→拋光或電腐蝕型面;

板類零件:雙軸銑床或龍門銑床加工大平面→立式加工中心上加工各類孔;

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週面各工藝面。

 

    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) 數控機床有相當大適應性,但也不是 的,從經濟觀點考慮,典型工件族中每一種零件都有一個經濟批量,應在經濟批量基礎上使用比較先進的工藝手段。

(3) 儘量發揮機床的各種工藝特點,追求最大限度地發揮數控機床的綜合加工能力特長(多工序集中的工藝特點),應在生產流程中配置最少的機床數量、最少的工藝裝備和夾具。

(4) 要考慮生產線或生產車間的各種設備能力的平衡。作為單台數控機床的選擇或一條生產線的配置,單一的設備不可能完全包下一個工件的全部加工工序,必然有和其他設備的工序轉接,各設備之間的生產能力要平衡,滿足生產節拍的綜合要求,所以安排每台設備上的工序數量、加工工序順序等既要發揮各台數控機床的特長、滿足精度要求,還要進一步應考慮各台機床上工件轉序時工藝基準的合理使用。

(5) 在安排數控加工工藝中經常碰到的問題是工序集中與工藝加工漸精原則的矛盾。在數控機床的使用上,人們普遍採用將多工序集中在一台機床上完成的工藝集中原則,以此來追求提高生產率,縮短零件加工週期,甚至希望工件在一次裝卡中全部加工完畢。但實際上對一些複雜的、精度要求較高的工件,由於在加工過程中的熱變形、內應力引起的工件變形、工夾具夾緊變形、熱處理要求時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。基本工藝準則中對加工零件的逐步精化要求制約着工序集中的數量,妥善處理這兩者矛盾是數控加工工藝的重要內容。

(6) 在對典型工件族工藝流程的安排中,應妥善安排各台機床和生產線的手工調整和檢測等工作,即人工干預的影響。企業要根據自身的技術裝備能力、技術水平和技術改造投入的力度,確定在工藝流程中人工干預的程度,這決定了對選擇數控機床的自動化水平和功能要求。應客觀考慮適當採用手工調整來補充企業要達到完全自動化的能力,對企業的工藝能力和設備水平確切定位。

 

三、 數控機床主要特征規格的選擇

 

    機床特征規格應包括機型、機床規格參數和機床主電機功率等。在確定工藝內容的前提下,機型選擇就較明確了。例如,迴轉體零件加工主要可供選擇設備有車床、車削中心、數控磨床等;箱體的加工則應以立式或臥式加工中心為主。

   

    數控機床已發展成品種繁多、可供廣氾選擇的商品,在機型選擇中應在滿足加工工藝要求的前提下越簡單越好。例如,車削中心和數控車床都可以加工軸類零件,但一台滿足同樣加工規格的車削中心價格要比數控車床貴几倍,如果沒有進一步工藝要求,選數控車床應是合理的。在加工型腔模具零件中,同規格的數控銑床和加工中心都能滿足基本加工要求,但兩種機床價格相差20%~50%,所以在模具加工中要採用常更換刀具的工藝可安排選用加工中心,而固定一把刀具長時間銑削的可選用數控銑床。

   

    數控機床的最主要規格是幾個數控軸的行程範圍和主軸電機功率。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,在車床中兩個坐標(X、Z)反映允許迴轉體的大小。一般情況下加工工件的輪廓尺寸應在機床的加工空間範圍之內,例如,典型工件是450 mm ×450 mm ×450 mm的箱體,那麼應選取工作台面尺寸為500mm×500 mm的加工中心。選用工作台面比典型工件稍大一些是出於安裝夾具考慮的。機床工作台面尺寸和三個直線坐標行程都有一定的比例關係,如上述工作台(500 mm ×500 mm)的機床,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,工作台面的大小基本上確定了加工空間的大小。個別情況下也允許工件尺寸大於坐標行程,這時必須要求零件上的加工區域處在行程範圍之內,而且要考慮機床工作台的允許承載能力,以及工件是否與機床交換刀刀具的空間干涉、與機床防護罩等附件發生干涉等系列問題。

 

    數控機床的主電機功率在同類規格機床上也可以有各種不同的配置,一般情況下反映了該機床的切削剛性和主軸高速性能。例如,輕型機床比標準型機床主軸電機功率就可能小1~2級。目前一般加工中心主軸轉速在(4000~8000)r/min,高速型機床立式機床可達(20000~70000)r/min,臥式機床(10000~20000)r/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。在現代中小型數控機床中,主軸箱的機械變速已較少採用,往往都採用功率較大的交流可調速電機直聯主軸,甚至採用電主軸結構。這樣的結構在低速中扭矩受到限制,即調速電機在低轉速時輸出功率下降,為了確保低速輸出扭矩,就得採用大功率電機,所以同規格機床數控機床主軸電機比普通機床大好幾倍。當使用單位的一些典型工件上有大量的低速加工時,也必須對選擇機床的低速輸出扭矩進行校核。輕型機床在價格上肯定便宜,要求用戶根據自己的典型工件毛坯余量大小、切削能力(單位時間金屬切除量)、要求達到的加工精度、實際能配置什麼樣刀具等因素綜合選擇機床。

 

    近年來數控機床上高速化趨勢發展很快,主軸從每分鐘几千轉到几萬轉,直線坐標快速移動速度從(10~20)m/min上升到80m/min以上,當然機床價格也相應上升,用戶單位必鬚根據自己的技術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速可達(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。一些高速車床都可以達到(6000~8000)r/min以上,這時車刀的配置要求也很高。

 

    對少量特殊工件僅靠三個直線坐標加工不能滿足要求,要另外增加迴轉坐標(A、B、C)或附加工坐標(U、V、W)等,目前機床市場上這些要求都能滿足,但機床價格會增長很多,尤其是對一些要求多軸聯動加工要求,如四軸、五軸聯動加工,必須對相應配套的編程軟件、測量手段等有全面考慮和安排。

 

四、 機床精度的選擇

 

    典型零件的關鍵部位加工精度要求決定了選擇數控機床的精度等級。數控機床根據用途又分為簡易型、全功能型、超精密型等,其能達到的精度也是各不一樣的。簡易型目前還用於一部分車床和銑床,其最小運動分辯率為0.01mm,運動精度和加工精度都在(0.03~0.05)mm以上。超精密型用於特殊加工,其精度可達0.001mm以下。

 

    對定位精度要求較高的機床,必須關注它的進給伺服系統是採用半閉環方式,還是全閉環方式,必須關注使用檢測元件的精度及穩定性。機床採用半閉環伺服驅動方式時的精度穩定性要受到一些外界因素影響,例如,傳動鏈中因工作溫度變化引起滾珠絲杠長度變化,這必然使工作台實際定位位置產生漂移影響,進而影響加工件的加工精度。在半閉環控制方式下,位置檢測元件放在伺服電機另一端。滾珠絲杠軸向位置主要靠一端固定,另一端可以自由伸長,當絲杠伸長時工作台就一個附加移動量。在一些新型中小數控機床上,採用減小導軌負荷(用直線滾動導軌)、提高絲杠製造精度、絲杠兩端加預拉伸和絲杠中心通恆溫油冷卻等措施,在半閉環系統中也得到了較穩定的定位精度。

 

五、 數控系統的選擇

 

    隨着市場需求多樣化,機床製造商往往提供同一種機床可配置多種數控的選擇或數控系統中多種選擇功能的選擇。

 

    機床製造商提供的機床配置的數控系統分為主流系統及可適應的系統,主流系統相對來說技術成熟性好一些,但對使用用戶應另有要求,例如對名牌系統的質量追求、希望在國內有較好的售后技術條件、在用戶單位使用的數控系統相對集中在几家等要求,以便使用掌握和維修配件準備,所以用戶單位都願意配置自己信得過或比較熟悉的數控系統。

 

    在可供選擇的系統中性能高低差別很大,直接影響到設備價格構成,因此不能片面追求高水平、新系統,而應以滿足主機性能為主,對系統性能和價格等作一個綜合分析,選用合適的系統。

 

    用戶選擇系統的基本原則是:性能價格比要高、購后的使用維護要方便、系統的市場壽命要長(不能選淘汰系統,否則使用幾年后將找不到維修備件)等。

 

    數控系統中除基本功能以外還有很多可供選擇的功能。對配在機床上的系統,由於機床使用基本要求所需的數控系統選擇功能已由製造商選配,用戶可以根據自己的生產管理、測量要求、刀具管理、程序編製要求等,額外再選擇一些功能列入訂貨單中,如DNC接口聯網要求等。

 

六、自動換刀裝備(ATC)、自動交換工作台(APC)和刀柄的選擇配置

 

1. ATC的選擇

 

    在具備綜合加工能力的一些數控機床上,如加工中心、車削中心和帶交換沖頭的數控沖床等,自動交換裝置是這些設備的基本特征附件,它的工作質量直接關係到整機的質量,也是構成設備投資中的重要組成部分(經費占整機成本的10%~30%)。因此,在選擇主機設備時必須得重視所配ATC自動換刀裝置的工作質量和刀具儲存量。目前加工中心自動換刀裝置的配套較為規範,以下以加工中心的ATC裝置為例來說明其選擇原則。

 

    現場經驗表明,在加工中心的使用故障中有50%左右與ATC裝置有關,但ATC又是提高設備加工效率的基本部件,因此建議用戶應在滿足使用要求的前提下,儘量選用結構簡單和可靠性高的ATC,這樣也可以相應地降低整機價格。

 

    下面介紹與ATC裝置相關的主要技術參數。

 

(1) 刀柄型號

 

    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採用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,但小規格刀柄對加工大尺寸孔和長孔很不利,所以對一台機床如果有大規格的刀柄可選擇時,應該儘量選擇大的,但刀庫容量和換刀時間都要受到影響。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錐孔由於離心力作用會有一定漲大,影響刀柄的定位精度。為此,一種觀點是建議採用德國VDI推薦的短錐刀柄HSK系列,另外,在日本已有部分商品的錐面和端面同時接觸的過定位錐面刀柄,但在定心精度和重複定位精度方面,HSK系列要好一些,目前在國內還很少有廠家生產。

    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,他們規定機械手爪夾持的尺寸不一樣,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採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。

 

(2) 換刀時間

 

    換刀時間是指刀柄交換時間,即從主軸上換下用過的刀具、裝上新的刀具的總時間。細分又有兩種規定方式,即刀對刀時間(Tool totool)和總換刀時間(Chip tochip),總換刀時間包含了舊刀具加工完畢離開加工區域到刀具交換完畢主軸上裝上新刀具進入新的加工前之間的時間。目前最快的純換刀時間可達0.7s左右,總換刀時間在3~12s之間,立式機床換刀時間一般比臥式的短。換刀時間短意味着機床生產效率高。

 

(3) 最大刀具重量

 

    最大刀具重量是指在自動刀具交換情況下允許的最大刀具重量,錐度40號左右刀柄最大允許重量在7~8kg,50號刀柄在15kg,一些重型刀具可達25~30kg,但這時換刀速度要減慢。最大刀具直徑和長度主要受刀庫尺寸空間的限制。

 

(4) 刀庫容量

 

    一些加工中心機床上配置的刀庫容量往往有幾種規格供選擇,有十几把到40、60、100把等,一些柔性加工單元(FMC)配置中央刀庫后刀具儲存量可達近千把,刀庫的容量只要能滿足基本需要,一般不宜選得太大,因為容量大,刀庫成本高,結構複雜,故障率也相應增加,刀具管理也較為複雜。在單台機床使用中,當更換一種新的工件時,操作者要根據新的工藝資料對刀庫進行一次清理,刀庫中無關的刀具越多,整理工作量也就越大,也就越容易出現人為的差錯。所以用戶一般應根據典型工件的工藝分析,算出需用刀具數量,進而確定刀庫的容量。如果不是按柔性加工單元或柔性製造系統來考慮,一般機床的刀庫以滿足一種工件一次裝夾所需的全部刀柄數量作為選擇依據。根據國外對中小型加工中心加工典型工件的工藝分析,認為中小型機床刀具儲存量應在4~48把之間。

 

2. 刀柄和刀具的選擇

 

    在主機和自動換刀裝置(ATC)確定后,要選擇所需的刀柄和刀具(刃具)。數控機床所用刀柄系列基本都已標準化,尤其是加工中心所用刀柄,如美國的CAT、日本的BT和我國的JT等。數控機床加工工件最終要靠的是切削刃具,但刃具和機床的連接、在自動交換刀具時提供給機械手的夾持部位等都要靠刀柄來解決,所以選擇刀具實質上是包括刃具和刀柄的配置。刃具選擇取決于加工工藝要求,刃具確定后還必須配置相應刀柄,例如,工藝要求鑽一個直徑6mm的小孔,則刃具選用直徑6mm直柄麻花鑽頭,然後還要選用一個能夾持鑽頭的刀柄。現在有一部分刀柄本身也配置專用的刃具,如精鏜刀柄等。總之,這些附件絕大部分都已標準化,由專業化生產廠供貨,機床用戶要根據具體加工對象合理選用。由於刀柄可供選擇的範圍很廣,但選多了將加大投資,選少了將影響機床的開動率,所以應慎重對待。

 

    對一些總批量超過幾千件、反復投產的工件加工來說,在工藝安排中可以考慮採用復合刀具,即利用數控機床主切削功率較大、機床剛度較好的特長,採用復合刀具進行多刀多刃的強力切削,可提高生產率和縮短生產節拍。但一把復合刀具價格要貴得多,而且變成專用工具,必須考慮工件有足夠數量時才經濟。

 

    近年在數控機床使用的刀具上開發出了許多新的產品,大大豐富了數控機床的加工工藝,例如, 垂直銑頭、反刮刀具、去毛 具、增速頭、銑螺紋刀和內冷刀具等。

 

3. 自動交換工作台

 

    自動交換工作台是在主機上配置的附件,配置的數量有2、4、6、10個等,除雙交換工作台以外,主要用柔性製造單元配置。雙交換工作台的配置可以大大節省複雜零件裝卸定位夾緊的輔助時間,提高機床開動率,但增加該功能設備,投資至少要加10萬元以上。多數量交換工作台用於柔性製造單元,適用於24小時少人或無人化管理,適應多品種工件交替投產加工,這裡應注意增加質量檢查措施,否則投資增長20%~50%是不經濟的。

 

七、機床選擇功能及附件的選擇

 

    在選購數控機床時,除滿足基本要求的功能及基本件外,還應充分考慮選擇件選擇功能及附件。選擇原則是:全面配置,充分發揮主機的最大潛力,遠近期效益綜合考慮。對一些價格增加不多,但對使用帶來很多方便的,應盡可能配置齊全。附件配套要保証機床到現場后能立即投入使用,切忌花几十萬元甚至几百萬購買的一台機床,到貨后因缺乏一個几十元或几百元的附件而長期不能使用的情況的發生。

 

    對數控系統選擇功能應以實用為主,不一定選太多,尤其是納入批量生產線中的設備,應越簡單越好,對多品種、小批量生產方式的機床要加強編程功能的選擇,如隨機程序編製(後臺編程)、運動圖形顯示、人機對話程序編製(GPS)、宏程序編程等,雖然可加快程序編製速度,但費用也要相應增加。另一種配置方案是簡化配置數控系統程序編製的功能,單獨另外配置自動編程機及與數控系統的通信接口,程序處理都事先在編程機上做完成任務,然後花幾分鐘時間,送入數控系統,這樣做能進一步提高機床開動率。

 

    在提高加工質量和工作可靠性上也發展了許多附件,如自動測量裝置、接觸式測頭及相應測量軟件、刀具長度和磨損檢測、機床熱變形補償軟件等附件,這些附件選用原則是要求工作可靠、不片面追求新穎。對一些輔助功能附件,如冷卻、防護和排屑等裝置主要根據今後在現場使用要求和工藝要求而定,例如,考慮以後加工大裕量鑄鐵件的要求,則要選用高密封防護罩、大流量淋浴式冷卻方式、紙質冷卻液過濾器裝置等。總之,要選擇與生產能力相適應的輔件。

 

八、技術服務

 

    數控機床作為一種高科技產品,包含了多學科的專業內容,對這樣複雜的技術設備,要應用好、維修好單靠應用單位自身努力是遠遠不夠的,而且也很難做到,必須依靠和利用社會上的專業隊伍。因此,在選購設備時還應綜合考慮選購其圍繞設備的售前、售后技術服務,其宗旨就是要使設備儘快儘量地發揮作用。

 

    對一些新的數控機床用戶來說,最困難的不是缺乏資金購買設備,而是缺乏一支高素質的技術隊伍,因此新用戶從開始選擇設備時起,包括以後的設備到貨安裝驗收、設備操作、程序編製、機械和電氣維修等,都需要人才和技術支持。這些條件在短時間內由用戶解決是很困難的,當前,各機床製造商已普遍重視商品的售前、售后服務,協助用戶對典型工件作工藝分析、進行加工可行性工藝試驗以及承擔成套技術服務,包括工藝裝備研製、程序編製、安裝調試、試切工件,直到全面投入生產後快速響應保修服務,為用戶舉辦各類技術人員培訓等。

 

    總之,凡重視技術隊伍建設、重視職工素質提高的企業,數控機床就能得到合理使用。所以在選擇機床時,建議用戶花一部分資金選購針對自己短缺的技術服務,使設備儘快發揮作用。

(文章來源電子手輪公眾平台微信號:cncmpg 公眾號:電子手輪)

數控機床選型小貼士

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