第四章 数控机床的选择与使用

数控机床及刀具

第四章数控机床的选择与使用郑州铁路职业技术学院主讲人：魏保立第一节数控机床的选择数控机床是一种先进的加工设备，它以高精度、高可靠性、高效率、可加工复杂曲面工件等特点得到广泛应用。但若选型不当，则不能发挥其应有的效益，且使资金大量积压，从而产生风险。广义的选型主要包括机型选择、数控系统选择、机床精度选择、主要特征规格选择等。其中机型选择和数控系统选择风险最大，机床精度和主要特征规格选择次之，故要减少选型风险，可从以下几方面着手。1.确定典型加工工件2.数控机床规格的选择3.数控机床精度的选择4.数控系统的选择5.自动换刀装置、刀库容量及刀柄的选择6.数控机床选择功能及附件的选择7.技术服务与售后服务第一节数控机床的选择1确定典型加工工件

考虑到数控机床品种繁多，而且每一种机床的性能与使用范围是有限的，只有在一定的条件下，加工一定种类、一定工艺内容的零件才能达到最佳效果，也就是说要求在保证加工质量的前提下，资金投入少，生产周期短。因此，选购数控机床首先必须确定用户所要加工的典型零件。第一节数控机床的选择每一种数控机床都有其最佳加工的典型零件。如卧式加工中心适合于加工箱体、泵体、阀体和壳体类等零件，可以利用数控机床上的回转工作台，能一次安装后即对工件的四个面进行加工；立式加工中心适用于加工箱盖、盖板、法兰、壳体、平面凸轮等板类零件，实现对一个面的加工；模具加工，一般用立、卧主轴转换的数控铣床、数控电火花成型机与数控电火花线切割机床；加工轴类、盘类零件，一般用数控车床；有较高的形状及位置要求的多孔零件，一般用数控钻镗床。第一节数控机床的选择

若把卧式加工中心加工的典型零件放在立式加工中心上加工，零件的多面加工则需要更换夹具和调换工艺基准，这就会降低生产效率和加工精度。若把立式加工中心加工的典型零件放在卧式加工中心上加工，则需要增加弯板夹具，这会降低工件加工工艺系统的刚性和工作效率。同类规格的数控机床，一般卧式的价格要比立式的贵80％～100％，所需加工费用也高，因此，把在立式加工中心上加工的典型零件放在卧式加工中心上加工是不经济的。然而，卧式加工中心的工艺性比较广泛，据国外资料统计，在工厂车间的设备配置中，卧式加工中心占60％～70%，而立式加工中心只占30％～40%。

第一节数控机床的选择2数控机床规格的选择数控机床规格的选择，应结合确定的典型零件尺寸，选用相应的规格以满足加工典型零件的需要。数控机床的主要规格包括工作台面的尺寸、坐标轴数及行程范围、主轴电动机功率和切削扭矩等。在某些数控机床的用户中，往往认为机床规格要选大不选小，机床规格大一点，小零件照样可以在上面加工。这样做的结果会造成机床投资大幅度增加，机床加工费用增加、生产率下降（大行程机床在加工小零件时空行程等辅助时间将成倍增加）等问题。第一节数控机床的选择选用的工作台面尺寸一般应大于工件的最大轮廓尺寸，以保证工件在其上面能顺利找正及安装，各坐标轴行程应满足加工时进刀、退刀的要求，如典型零件是450mm×450mm的箱体，那么应选取工作台面尺寸为500mm×500mm的加工中心。工件和夹具的总重量也不能大于工作台的额定负载。主轴电动机功率反映了数控机床的切削效率，也从一个侧面反映了机床在切削时的刚性。现在的加工中心一般都配置了功率较大的直流或交流高速电机，可用于高速切削。但在低速切削中转矩会受到一定限制，这是由于调速电机在低速时功率输出下降而造成的。因此数控机床主轴电动机通常加大规格选用，即同一规格的数控机床和普通机床相比，其主轴电动机的额定功率要比普通机床的大1～2号，而低速限制主轴转矩要小1～2挡。当需要加工大直径和加工余量很大的零件时，必须对机床低速转矩进行校核。第一节数控机床的选择用户还要根据典型零件毛坯加工余量大小、所要求的切削能力（单位时间金属切除量）、要求达到的加工精度、能配置什么样的刀具等因素综合考虑选择机床。机床主轴电动机功率的选择最好与使用什么水平的刀具联系起来考虑。目前市场上能买到各类品牌的刀具，但其实际切削效率却相差几倍到几十倍，当然价格相差也很大，因此，根据实际使用刀具时能达到的切削效率来选择主轴电动机功率，是一种实用的做法。另外，对要求加工的典型零件族中，如果只有个别零件要综合考虑加工余量大小、切削能力、加工精度和配置刀具等因素时，也可采用配置附件来满足要求，如立、卧两用万能铣头、带转角的数控刀柄等。第一节数控机床的选择3数控机床精度的选择数控机床精度的选择应根据典型零件关键部位加工精度的要求来定。例如，根据经验值，一般加工中心的各项精度应选择为零件各项精度的0.5～0.65倍较为合理。我们知道，虽然影响零件加工精度的因素很多，但主要有两个，即机床因素和工艺因素。在一般情况下，零件的加工精度主要取决于机床。在机床因素中，主要有主轴回转精度、导轨导向精度、各坐标轴间的相互位置精度和机床的热变形特性等。在诸项精度标准中，人们最关心的是定位精度和重复定位精度；对于加工中心和数控铣床，还有一项铣圆精度。根据这三项精度值，可将数控机床分为普通型和精密型。加工中心的精度比较如表4－1所示。第一节数控机床的选择表4－1加工中心的精度比较第一节数控机床的选择1)机床定位精度和重复定位精度定位精度是指数控机床工作台或其他运动部件的实际运动位置与指令位置的一致程度，其不一致的差量即为定位误差。引起定位误差的因素包括伺服系统误差、检测系统误差、进给系统误差以及运动部件导轨的几何误差等。定位误差直接影响加工零件的尺寸精度。重复定位精度是指在相同的操作方法和条件下，在完成规定操作次数过程中得到结果的一致程度。重复定位精度一般是呈正态分布的偶然件误差，它会影响批量加工零件的一致性，是一项非常重要的性能指标。第一节数控机床的选择机床定位精度和重复定位精度反映了该轴各运动部件的综合精度，尤其是重复定位精度，它反映了该轴在有效行程内任意定位点的定位稳定性，它是衡量该数控轴能否稳定、可靠工作的基本指标。加工中心数控系统的软件功能比较丰富，它可以对控制轴的螺距误差进行补偿和反向间隙补偿，也可对进给传动链上各环节的系统误差稳定地进行补偿。各轴的积累误差与丝杠螺距积累误差有直接关系，可以用控制系统的螺距补偿功能来补偿。进给传动链中的反向死区(也称为反向失动量)也可用反向间隙补偿功能来补偿。第一节数控机床的选择2)铣圆精度铣圆精度综合反映了机床两轴联动时，伺服运动的特性和控制系统的插补功能。铣圆精度对加工中心和数控铣床来说，它反映了对工件轮廓进行加工(如加工凸轮、模具型腔等)所能达到的最好加工精度。对于大直径的圆柱面和大圆弧面，可在具有这种功能的机床上采用高性能的立铣刀对其进行加工，以达到较好的效果。测定铣圆精度的方法，即采用立铣刀先铣一个标准圆柱试件（中、小型机床的试件直径为200～300mm，大型机床则相应增大测试件的直径)，加工完毕后，用圆度仪测量该圆柱的轮廓线，绘出轮廓线的最大包络圆和最小包络圆，其二者的差值即为该圆柱面的铣圆精度。第一节数控机床的选择.4数控系统的选择

(1)根据数控机床的类型选择数控系统。一般来说，不同的机型设备适合配置不同型号的数控系统，数控钻、镗、冲压等机床的数控系统只需点位或直线控制系统，而数控车床则需两轴联动的轮廓控制数控系统，数控铣床一般需三轴两联动的轮廓控制数控系统。第一节数控机床的选择

(2)根据加工精度的需要选择数控系统。数控机床的加工精度较高，但随着机床精度的提高，机床的制造成本也会大大地提高，因此要恰当地选择机床精度和与之相配套的数控系统。对于精度要求不高的经济型数控机床(尤其是数控钻床、数控冲床)，可采用步进电动机驱动的开环系统，分辨率可达0.01mm；而对于精度要求较高的数控镗铣床，可采用交、直流伺服电动机驱动的半闭环系统，分辨率可达0.001mm；如果零件的加工精度要求很高，则应考虑闭环系统的数控机床，真正做到物尽其用。第一节数控机床的选择

(3)根据数控机床的主要使用指标选择数控系统。在可供选择的数控系统中，其性能高低差别很大，一般专业生产厂商都有高档、中档、低档等数控系统供选用，有全功能型、经济型等。例如，日本FANUC公司生产的15型、18型数控系统的最高切削进给速度可达240m／min（脉冲当量为1μm），而该公司生产的0型数控系统只能达到24m／min，它们的价格也相差数倍。对于一般中、小型数控机床，目前就其刀具能达到的切削能力，追求过高的运动速度显然是很不合理的，并且会使数控机床的成本大为增加。因此不能片面地追求高水平、新系统、全功能、大容量等，而应对所要求的使用性能和供货价格等因素作综合分析，以追求最佳的性能价格比，选用合适的数控系统。第一节数控机床的选择(4)根据数控机床的性能合理地选择数控系统的功能。一个数控系统具有许多功能，有的属于基本功能，即在选定的数控系统中原已具备的功能；有的属于选择功能，只有当用户特定选择了这些功能之后，才能提供。生产厂商对数控系统的定价往往是具备基本功能的数控系统的价格很便宜，而具备选择功能的数控系统的价格较贵。因此，对于选择功能，一定要根据数控机床的性能需要来选择，如果不加分析地追求太多的选择功能，不但许多功能用不上，而且会大幅度增加数控系统的供货价格。(5)选择数控系统应尽量集中购买少数几家公司的产品。因为每一家公司生产的数控系统都需要有相应的操作者、维修者、维修备件、外联维修网络等一系列技术后勤支持条件，所以相对集中地购买少数几家公司的数控系统对以后长期使用和维修是有利的。第一节数控机床的选择5自动换刀装置、刀库容量及刀柄的选择自动换刀装置(ATC)的工作质量直接影响到数控机床投入使用的质量，ATC的主要质量指标为换刀时间和故障率。据统计，加工中心有50％以上的故障与ATC的状况有关。通常对ATC的投资占整机投资的30％～50％，为了降低总投资，在满足使用需要的前提下，尽量选用结构简单和可靠性高的ATC第一节数控机床的选择

根据典型零件在一次装夹中所需要的刀具数来确定刀库容量。即使是大型加工中心的刀库容量也不宜选得太大，因为刀库容量越大，结构越复杂，整理量也越大，受到人为差错影响的机会增多，刀具管理相应复杂化，会使成本和故障率提高。同一型号的加工中心通常预设有2～3种不同容量的刀库。例如，卧式加工中心的刀库容量有30、40、60、80把等，立式加工中心的刀库容量有16、20、24、32把等。用户在选择刀库容量时，要反复比较被加工工件的工艺分析资料，对近期数控机床需要进一步适应的发展作出预测，仔细权衡投资与效益的最佳比例，在此基础上再确定所需刀具数量。

第一节数控机床的选择在卧式加工中心上一般选用40把左右刀具的刀库容量较为适宜。对于所需刀具数超过刀库容量的复杂工件，可利用将粗、精加工分开进行或插入消除内应力的热处理工序和调换工件装卡工艺基准等手段，将复杂工件分工序分别编制加工程序进行加工，这样每个加工程序所需的刀具数就不会超过刀库容量。如果选用的加工中心准备用于柔性加工单元(FMC)或柔性制造系统(FMS)中，其刀库容量则应相对选取得大一些，甚至需要配置可交换刀库。第一节数控机床的选择主机和ATC选定以后，就应该考虑数控机床中所使用的刀柄和刀具。一般选择数控机床使用的刀柄时应注意如下几个问题：(1)选用整体式刀柄还是选用模块式刀柄。整体式刀柄装夹刀具的工作部分与它在机床上安装定位用的柄部是做成一体的。这种刀柄对机床与零件的变换适应能力较差，因此刀柄的规格品种非常多，以备零件变换或机床变换(主要指机床主轴孔尺寸、机械手抓拿部位尺寸和主轴内拉紧机构尺寸的改变)时选用。但这样会造成用户刀柄储备增多，刀柄利用率变低的弊病。为了克服这一缺点，近年来国内外都在致力于开发模块式工具系统，即工具系统中的每把刀柄都可以通过各种系列化的模块组装而成，针对不同的加工零件或使用的机床，可以有不同的组装方案，从而提高了刀柄的适应能力，提高了这些工具的利用率，属于比较先进的工具系统。第一节数控机床的选择对一些长期使用，不需要拼装的简单刀柄，如在零件外廓上加工用的装面铣刀刀柄、弹簧夹头刀柄及钻夹头刀柄等以配备整体式刀柄为宜。这样刀具刚性，好价格便宜。对于一个只要求镗特定尺寸孔的大批量加工的零件，买整体式镗刀刀柄400元左右就够了，而买几个模块组装成的镗刀刀柄恐怕要近千元。当加工的孔径、孔长常常变化的多品种、小批量零件时，以选用模块式工具系统为宜。这样可以取代大量整体式镗刀刀柄。对于那些数控机床较多(尤其是机床主轴端部、机械手都各不相同)的用户，多选用模块式工具会取得比较明显的经济效益。因为选用整体式刀柄必须对各台机床都进行配置，而采用模块式刀柄各台机床所用的中间模块(接杆)和工作模块(装刀模块)都可以通用。总之，选用哪种工具系统，用户要根据自己的情况认真对待，选择得当可以减少设备投资，提高工具利用率，避免频繁地补充工具，同时也利于工具的管理与维护。第一节数控机床的选择（2)根据机床上典型零件的加工工艺来选择刀柄。加工中心上使用的进行钻、扩、铰、镗孔、铣削及攻螺纹等各种用途的刀柄，总称为工具系统。整体式的TSG工具系统中包括了20种刀柄，其规格达数百种之多。具体到某一台或几台数控机床是没必要买下整个TSG工具系统的，用户只能根据要在这台机床上加工的典型零件的加工工艺来选取。这样选择的结果既能满足加工需要，也不致造成积压，是最经济、最合理的方法。第一节数控机床的选择

(3)刀柄配置数量。

新机床最初的刀柄配置数量与机床所要加工的零件品种和规格的数量有关，也与零件的复杂程度和机床的负荷有关，一般是所需刀柄的2～3倍。这是因为要考虑到机床工作的同时，还有一定数量的刀柄正在预调或刀具修磨。只有当机床负荷不足时，才取2倍或少于2倍。一般加工中心的刀库只用来装载正在加工零件所需的刀柄。因为典型零件的复杂程度与刀库容量有一定关系，所以配置数量也大约为刀库容量的2～3倍。在没有具体确定加工对象以前，想要订一套能满足各种零件要求的刀柄是困难的。例如一台900mm×900mm的卧式加工中心，刀库容量为60把，在多年的使用中陆续添置到近200套刀柄，外加少量专用刀柄才能满足通常零件的加工要求。第一节数控机床的选择

(4)注意所选刀柄的柄部形式是否正确。为了便于换刀，镗铣类数控机床及加工中心的主轴孔多选定为不自锁的7∶24锥度，但是，刀柄与机床相配的柄部(除锥角以外的部分)并没有完全统一。尽管刀柄已经有了相应的国际标准ISO7388，可在有些国家并未得到贯彻。如有的柄部在7∶24锥度的小端带有圆柱头而另一些就没有。对于自动换刀机床用工具柄部，有几个与国际标准ISO7388不同的国家标准，要切实弄清楚选