加工中心如何选型及参数选择

摘要：基于加工中心选型与其相关招标技术文件制定的过程，结合机电设备评标的经验，根据加工中心的主要组成组件，特提出加工中心选型的组织形式、方法、步骤，以及加工中心的主要技术参数选择，设备附件、工作条件及服务条款的制定。

随着科学技术的进步，各行各业产品升级换代的速度非常迅速，进而拉动了生产线的技术改造和瓶颈工序生产能力的提升，加工中心也就成为制造企业和科研院所更新的主要设备，它的品种、性能、质量和技术水平直接影响着其他机电产品的性能、质量、生产技术水平和企业的经济效益。如何从品种繁多、价格昂贵的设备中选择适用的加工中心，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，这一切都体现在设备的选型和加工中心参数的确定，并通过招标采购所需的加工中心。本文主要探讨铣削加工中心的选型和招标标书参数的确定。

加工中心是由机械设备与数控系统组成的适用于复杂零件加工的高效自动化机床，由于带有刀库和自动换刀装置, 工件经一次装夹后, 能对两个以上的表面自动完成铣、钻、镗、铰、攻螺纹等多种工序的加工, 而且可在加工过程中完成自动换刀, 因此使生产效率和自动化程度大大提高。企业在选用加工中心前必须要进行充分的调研和论证,选用一台加工中心要考虑诸多因素, 这些因素包括工件的加工规范、加工精度、生产效率、投资情况、经济效益以及技术服务等。论证必须在工艺部门、设备维修部门、使用部门及技改部门等共同参与下进行，使得设备的工艺性、加工精度、生产效率、可靠性、可维修性及经济性方面符合上级部门及单位发展的需求。论证报告批准后，应组织相关人员重点选择3 ～ 5 家生产厂家的产品进行详细的对比，形成招标文件的技术参数。

一般加工中心的主要组成组件如表1，其主要技术参数及配置如表2，内容涵盖了与工件加工相关的尺寸重量参数、主轴单元参数、进给参数、精度指标、刀库参数、控制系统及相关配置等。经过论证选型的设备需包括表1、表2 中的内容，且覆盖三家以上设备的主要技术参数。

数控机床最主要的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，因此，工作台面的大小基本上确定了加工空间的大小。选用工作台面应比典型工件稍大一些，目的是考虑到安装夹具所需的空间。而且还要考虑机床工作台的允许承载能力，以及工件与机床交换刀具的空间干涉、与机床防护罩等附件发生干涉等系列问题。对配置转台的立式或卧式加工中心，规格参数中要增加主轴鼻端到台面的最小距离或主轴中心到台面的最小距离及主轴端面到转台中心的最小距离，以保证与
典型工件的加工要求相一致。

（1）定位精度和重复定位精度定位精度和重复定位精度是十分重要的精度指标，其取决于数控机床的几何精度、机床的测量系统精度、进给控制系统的精度和刚度及其动态特性等因素。通常数控机床精度检验项目有20 ～ 30 项，但其最有特征的项目是表3 所示的单轴定位精度、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，数控系统中的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。铣圆精度是用来综合评价数控机床有关数控轴的伺服系统的跟随运动特性，是数控系统插补功能的指标。在选择加工中心精度时，应注意定位精度不是机床的加工精度，但从机床定位精度可估算出该机床加工时能达到的精度，如在单轴上移动加工两个孔的孔距精度约为单轴在该段定位误差的1 ～ 2 倍（具体误差值与工艺因素密切相关）。普通型加工中心已可加工6 ～ 7 级精度工件，精密级加工中心可加工5 级精度工件。

目前，各国对精度指标的规定、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，常用的标准有德国的VDI/DGQ3441 标准，美国的NMT BA 标准，国际ISO230 标准，日本的JIS B 标准，国标GB/JB 标准，以及制造厂家的企业标准等等，在评定和检测上其精度数值是有差别的。就位置精度而言，有的是采用统计法，有的是采用极差法。从原理上来说，JIS 标准规定精度是最松的，VDI 标准要求最为严格。因此，在选型时应注意了解制造厂家所用的是何种精度标准，了解系统控制位置精度的控制方法是采用直接测量( 闭环控制) 还是间接位置测量( 半闭环控制)，了解数控系统与控制精度的分辨率，以便确保满足必要的加工精度。

机床的几何精度是保证该机床加工工件精度的基础，一般不出现在标书的技术参数中，而在机床的验收条款里出现。但为了确保加工中心精度的保持性，往往要求制造商提供已交付用户的几何精度检查报告，以考察投标加工中心的几何精度和精度裕度。

机床切削精度的验证可根据厂家提供的检验项目或双方协商确认的试切件图纸进行加工，加工后对工件尺寸精度、形状误差、位置误差及表面粗糙度进行检验。

主轴与驱动的性能指标决定机床的切削性能。主轴电动机功率与扭矩反映了加工中心的切削效率，也从一个侧面反映了加工中心的切削刚性和机床整体刚度。加工是靠刀具加工的，按照典型工件的加工方案，选择安装刀具的刀柄型号、主轴单元及驱动单元等。

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，而小规格刀柄对加工大尺寸孔和长孔很不利，所以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是要考虑的受影响因素。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，会影响刀柄的定位精度，所以高速主轴建议采用德国VDI 推荐的短锥刀柄HSK 系列。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，他们规定的机械手爪夹尺的尺寸不一样，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。

主轴电动机功率在同类规格的加工中心上可以有各种不同的配置，用户应根据自身典型零件毛坯余量大小、切削能力（单位时间金属切削量）、要求达到的加工精度、实际能配置的刀具等因素综合选择。目前一般加工中心主轴转速在4000 ～ 8000r/min，立式高速加工中心可达2 0000 ～ 7 0000r/min，卧式高速加工中心可达1 0000 ～ 2 0000r/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。

要重点关注主轴单元转速—功率—扭矩图，注意连续功率、扭矩及30 分钟功率和扭矩。高速主轴选型时要注意主轴的冷却要求。

提高机床转速是目前机床行业的发展趋势。高转速、小切深、大进给是高速加工的发展方向。高速切削时，既要有高的主轴转速，同时也要具备与主轴转速相匹配的进给速度。目前，加工中心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 ～ 20m/min 上升到80m／ min 以上，当然其功能部件如电主轴、直线电动机、直线滚动导轨、主轴轴承等及相配套的光栅尺、刀具等附件价格也都相应上升，甚至很昂贵。所以，用户必须根据自身的技术能力和配套能力作出合理选择，招标文件的相关条款内容一定要切合自身实际。

数控系统直接关系到机床整体效益的发挥。用户在购买加工中心时可以向生产厂家要求配置自己指定的数控系统。知名的数控系统有日本的FANUC系统、德国的HEIDENHAIN 及SIEMENS 系统等。每种数控系统都备有许多功能，如随机编程、运动图形显示、人机对话编辑、故障管理等功能。在选择系统功能时，既要对现在需要的功能全面配置，又要考虑长远的需要，但切忌盲目追求功能全面而造成浪费。另外，数控系统中基本功能以外还有很多选择功能，用户可以根据自己的工件加工要求、测量要求、程序编制要求等，额外再选择一些功能列
入订货合同附件中，特别是实时传输的DNC 功能及通信接口等，以及高速数控加工系统的前瞻功能等。

自动换刀装置是保证加工中心多工序集中加工的基本条件，刀库容量、换刀时间和故障率等都是用户非常关心的问题。自动换刀装置的投资占整机的30% ～ 50%，其故障率也占整机故障率的50% 以上。因此，在选择自动换刀装置时，要在满足使用要求的前提下，尽量选用结构简单、可靠性好的装置。刀库容量应根据零件在一次装夹中完成全部工序所需的刀具数量来确定。单机使用的加工中心，其刀库容量不宜太大，因为在使用中， 每更换一种新的零件，操作者就要根据工艺要求对刀具进行整理，刀库中无关的刀具越多，工作量就越大。另外，大容量刀库成本高，结构复杂，故障率高，刀具管理也相应地复杂化。一般情况下，立式加工中心的刀库容量选用20 把左右，卧式加工中心选用40 把左右。

加工中心附件如刀具预调仪、自动测量装置、刀具监视系统、切削状态监视装置、自适应控制装置、各种诊断装置等，这些可选择的功能在进口机床的报价单上往往大量出现。选择其中的某些装置对提高加工中心的使用效率和使用质量有很大作用。但是，在选用时应切实注意其实用性和可靠性。此外，有些附件是必须选取的， 如机床冷却防护装置、排屑装置、主轴油温控制装置等。采用了这些装置会使加工性能优良，加工质量稳定，同时也可延长机床的使用寿命。

设备的安装及工作环境条件是加工中心能否顺利安装就位的先决条件，是用户对制造商提出的现实问题，明确设备的供电条件、气源条件及环境条件，以保证设备到位后可顺利地进行安装、调试、验收。

一般设备供应商都有比较好的服务条款及质保体系，但也难免与用户的要求有出入，所以对采购产品的服务及质量应提出明确要求，一般性条款如下：

（1）卖方负责在买方现场免费安装、调试，并对操作、维修人员进行免费培训；
（2）机床验收后，控制系统提供二年、机床一年保修，免费提供备件和服务，且服务必须及时有效；
（3）保修期过后，仍能提供全面优惠的技术支持及备件供应。

加工中心的选型是一项专业性很强的技术工程，涉及单位的方方面面，为增加选型的科学性，避免失误， 选型时应有工艺人员、产品设计人员、操作人员、维修人员及单位的相关主管部门参加。选好型、制定好设备参数不是一件容易的事，它需建立在调研、比较、总结的基础上，才能提炼出一套完整的技术参数，并在招标过程做到指标的严密性。在评审过程中，对设备技术质量的可控性、指标的严密性体现在对表2 中的技术参数的把控上，一般规格参数、精度指标、主轴转速、主轴功率、主轴扭矩、同时控制轴数、光栅尺品牌及分辨率可
设为关键参数。技术质量的可控性体现在结构、配置的细节上，设备的指标可以相同，但结构细节还是有差异的，这体现了选型人员对同类设备的考察比较能力。招标人要挖掘设备的结构特点及配置的差异，研判设备几何精度的裕度等， 以便在公正、公开的招标原则下，确保技术先进、质量可靠、信价比高的设备制造商中标。

参考文献：
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[2] 张武. 裂缝波导数控高速加工工艺研究[J].第八届全国雷达学术年会论文集.合肥：中国科学技术大学出版社，2002
[3] 俞圣梅，吴梅英. 数控机床的选型[J].机电新产品导报（数控机床市场）.2006(1)：25~32

作者介绍：张武（1958-），男，汉族，籍贯陕西西安，1982 年1 月毕业于西安交通大学，任西安电子工程研究所副总设计师，研究员，从事雷达结构设计与工艺技术（现已退休、返聘）.