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    機床選購8大注意事項

    來源:
    2018/12/26 15:18
    【摘要】
    一、確定典型加工工件“族”   確定加工什麽樣的零件是選擇設備的第一步。企業根據技術的改造和生產發展需要,確定有哪些零件、哪些工序準備用新的加工設備來完成,要考慮到產品的發展的遠景規劃。用成組的技術把這些零件進行分組歸類,確定準備主要加工對象典型零件族。在歸類中往往會遇到零件的規格大小相差很多、零件形狀的相差較大、各類零件加工工時大大超過設備的滿負荷工時等問題,因此,要進一步選擇確定生產綱領又比較

    一、確定典型加工工件“族”

     

        確定加工什麽樣的零件是選擇設備的第一步。企業根據技術的改造和生產發展需要,確定有哪些零件、哪些工序準備用新的加工設備來完成,要考慮到產品的發展的遠景規劃。用成組的技術把這些零件進行分組歸類,確定準備主要加工對象典型零件族。在歸類中往往會遇到零件的規格大小相差很多、零件形狀的相差較大、各類零件加工工時大大超過設備的滿負荷工時等問題,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、回轉體類(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、典型的零件族的工藝規程設計

     

        在確定加工的零件後還必須用數控加工工藝對工藝流程進行新的規劃設計,這裏包括對原工藝生產的流程的變革、探索與實現新工藝方法的可行性、探索與實現現代生產管理和物流管理可行性、探索與使用先進刀具工裝大幅度提高生產效率的可行性、探索在生產線上的數控設備和其他設備(普通的、專機的)的合理的配製工藝等,目的是希望得到使用數控機床後最佳工藝製造流程。

     

        下麵是幾個典型類的零件的合理加工工藝:

    ☆軸類零件:銑端麵與打中心孔→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麵→數控銑床加工型麵→高速數控銑精加工→拋光或電腐蝕型麵;

    ☆板類零件:雙軸銑床或龍門銑床加工大平麵→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麵→臥式加工中心上加工四周麵各工藝麵。

     

        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,但也不是萬能的,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)盡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,人們普遍采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,縮短零件加工周期,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編程者操作因素等,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製約著工序集中的數量,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,即人工幹預的影響。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幹預的程度,這決定了對選擇數控機床的自動化水平和功能要求。應客觀考慮適當采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、數控機床主要的特征規格的選擇

     

        機床特征規格的包括機型、機床的規格參數和機床主電機功率等。在確定工藝內容前提下,機型選擇就比較明確了。例如,回轉體零件加工,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的加工中心為主。

     

        數控機床已經發展成品種繁多、可供廣泛的選擇商品,在機型的選擇中應在滿足加工工藝要求的前提下越簡單越好。例如,車削中心與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幾倍,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采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)反映允許回轉體的大小。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,那麽應選取工作台麵尺寸為500mm×500 mm的加工中心。選用工作台麵比典型工件稍大一些是出於安裝夾具考慮的。機床工作台麵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,工作台麵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幹涉、與機床防護罩等附件發生幹涉等係列問題。

     

        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,從另一個側麵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采用,往往都采用功率較大的交流可調速電機直聯主軸,甚至采用電主軸結構。這樣的結構在低速中扭矩受到限製,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,就得采用大功率電機,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餘量大小、切削能力(單位時間金屬切除量)、要求達到的加工精度、實際能配置什麽樣刀具等因素綜合選擇機床。

    機床選購8大注意事項

     

        近年來數控機床上高速化趨勢發展很快,主軸從每分鍾幾千轉到幾萬轉,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,用戶單位必須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,要另外增加回轉坐標(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、測量手段等有全麵考慮和安排。

     

    四、機床精度的選擇

     

        典型的零件關鍵部位加工精度要求決定了選擇數控機床的精度等級。數控的機床根據用途又分為簡易型、全功能型、超精密型等,其能達到的精度也各不一樣的。簡易型的目前還用於一部分車床和銑床,其最小的運動分辯率為0.01mm,運動精度和加工的精度都在(0.03~0.05)mm以上。超精密型的用於特殊加工,其精度可達0.001mm以下。這裏主要討論應用最多地全功能數控機床(以加工中心為主)。

     

        按精度可分為普通型與精密型,一般數控的機床精度檢驗項目都有20~30項,但其最有特征項目是:單軸定位精度、單軸重複定位精度和兩軸以上聯動加工出試件的圓度。

     

        定位精度和重複定位精度綜合反映了該軸各運動部件的綜合精度。尤其是重複定位精度,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。目前數控係統中軟件都有豐富的誤差補償功能,能對進給傳動鏈上各環節係統誤差進行穩定的補償。例如,傳動鏈各環節的間隙、彈性變形和接觸剛度等變化因素,它們往往隨著工作台的負載大小、移動距離長短、移動定位速度的快慢等反映出不同的瞬時運動量。在一些開環和半閉環進給伺服係統中,測量元件以後的機械驅動元件,受各種偶然因素影響,也有相當大的隨機誤差影響,如滾珠絲杠熱伸長引起的工作台實際定位位置漂移等。總之,如果能選擇,那麽就選重複定位精度最好的設備!

     

        銑削圓柱麵精度或銑削空間螺旋槽(螺紋)是綜合評價該機床有關數控軸(兩軸或三軸)伺服跟隨運動特性和數控係統插補功能的指標,評價方法是測量加工出圓柱麵的圓度。在數控機床試切件中還有銑斜方形四邊加工法,也可判斷兩個可控軸在直線插補運動時的精度。在做這項試切時,把用於精加工的立銑刀裝到機床主軸上,銑削放置在工作台上的圓形試件,對中小型機床圓形試件一般取在Ф200~Ф300,然後把切完的試件放到圓度儀上,測出其加工表麵的圓度。銑出圓柱麵上有明顯銑刀振紋反映該機床插補速度不穩定;銑出的圓度有明顯橢圓誤差,反映插補運動的兩個可控軸係統增益不匹配;在圓形表麵上每一可控軸運動換方向的點位上有停刀點痕跡(在連續切削運動中,在某一位置停止進給運動刀具就會在加工表麵上形成一小段多切去金屬的痕跡)時,反映該軸正反向間隙沒有調整好。

     

        單軸定位精度是指在該軸行程內任意一個點定位時的誤差範圍,它直接反映了機床的加工精度能力,所以是數控機床最關鍵技術指標。目前全世界各國對這指標的規定、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,常用的標準有美國標準(NAS)和美國機床製造商協會推薦標準、德國標準(VDI)、日本標準(JIS)、國際標準化組織(ISO)和我國國家標準(GB)。在這些標準中規定最低的是日本標準,因為它的測量方法是使用單組穩定數據為基礎,然後又取出用±值把誤差值壓縮一半,所以用它的測量方法測出的定位精度往往比用其他標準測出的相差一倍以上。

     

        其他幾種標準盡管處理數據上有所區別,但都反映了要按誤差統計規律來分析測量定位精度,即對數控機床某一可控軸行程中某一個定位點誤差,應該反映出該點在以後機床長期使用中成千上萬次在此定位的誤差,而菠菜網在測量時隻能測量有限次數(一般5~7次)。

     

    五、數控係統的選擇

     

        隨著市場需求多樣化,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係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係統分為主流係統及可適應的係統,主流係統相對來說技術成熟性好一些,但對使用用戶應另有要求,例如對名牌係統的質量追求、希望在國內有較好的售後技術條件、在用戶單位使用的數控係統相對集中在幾家等要求,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係統。

     

        在可供選擇的係統中性能高低差別很大,直接影響到設備價格構成,因此不能片麵追求高水平、新係統,而應以滿足主機性能為主,對係統性能和價格等作一個綜合分析,選用合適的係統。目前世界上比較著名的數控係統有日本的FANUC、德國的SINUMERIK、法國的NUM、意大利的FIDIA、西班牙的FAGO和美國的A-B等。各大機床製造廠商也有自己的一些係統,如MAZAK、OKUMA等。國內也有航天集團、機電集團、華中理工大學、遼寧藍天、南京大方集團、北方凱奇等數控係統供應商,每家公司也都有一係列的各種規格的產品。

     

        用戶選擇係統的基本原則是:性能價格比要高、購後的使用維護要方便、係統的市場壽命要長(不能選淘汰係統,否則使用幾年後將找不到維修備件)等。

     

        數控係統中除基本功能以外還有很多可供選擇的功能。對配在機床上的係統,由於機床使用基本要求所需的數控係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、車削中心和帶交換衝頭的數控衝床等,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,盡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。

     

        下麵介紹與ATC裝置相關的主要技術參數。

     

    (1)刀柄型號

        刀柄型號取決於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,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,應該盡量選擇大的,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,一種觀點是建議采用德國VDI推薦的短錐刀柄HSK係列,另外,在日本已有部分商品的錐麵和端麵同時接觸的過定位錐麵刀柄,但在定心精度和重複定位精度方麵,HSK係列要好一些,目前在國內還很少有廠家生產。

     

        對同一種錐麵規格的刀柄有日本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,對已經擁有一定數的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、單一標準的刀柄係列。

     

    (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 to tool)和總換刀時間(Chip to chip),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。換刀時間短意味著機床生產效率高。

     

    (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製。

     

    (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,有十幾把到40、60、100把等,一些柔性加工單元(FMC)配置中央刀庫後刀具儲存量可達近千把,刀庫的容量隻要能滿足基本需要,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係統來考慮,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。

     

        在納入柔性製造單元的機床中,考慮到適應多工件、多工序同時加工的要求,需要配置大容量的刀庫,此時應增加相應的刀具管理措施。

     

    2.刀柄和刀具的選擇

     

        在主機和自動換刀裝置(ATC)確定後,要選擇所需的刀柄和刀具(刃具)。數控機床所用刀柄係列基本都已標準化,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。刃具選擇取決於加工工藝要求,刃具確定後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、反複投產的工件加工來說,在工藝安排中可以考慮采用複合刀具,即利用數控機床主切削功率較大、機床剛度較好的特長,采用複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。但一把複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,萬能垂直銑頭、反刮刀具、去毛刺刀具、增速頭、銑螺紋刀和內冷刀具等(詳見產品樣本)。

     

    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,這裏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、機床的選擇功能及附件的選擇

     

        在選購數控的機床時,除滿足基本要求的功能和基本件外,還應充分考慮到選擇件選擇功能及附件。選擇原則是:全麵配置,充分發揮主機地最大潛力,遠近期效益的綜合考慮。對一些價格的增加不多,但對使用起來帶來很多方便的,應盡可能的配置齊全。附件配套要保證機床到現場後能夠立即投入使用,切忌是花幾十萬元甚至幾百萬購買的一台機床,到貨後因缺乏一個幾十元或幾百元的附件而長期不能使用的情況的發生。

     

        對數控係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(後台編程)、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係統程序編製的功能,單獨另外配置自動編程機及與數控係統的通信接口,程序處理都事先在編程機上做完成任務,然後花幾分鍾時間,送入數控係統,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、不片麵追求新穎。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

     

        數控機床是為一種高科技產品,包含了許多學科的專業內容,對這樣複雜地技術設備,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,必須要依靠和利用社會上的專業隊伍。因此,在選購設備的時候還應綜合考慮選購其圍繞設備的售前、售後技術服務,其宗旨就是要使設備盡快盡量的發揮作用。

     

        對一些新的數控機床客戶來說,最困難地不是缺乏資金購買設備,而是缺乏一支高素質地技術隊伍,因此新用戶要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、售後服務,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,直到全麵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,使設備盡快發揮作用。

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