1 引言
数控加工厂从事大型航空结构件的研发、生产加工任务，从零件长度分尺寸大部分为3000mmX500mm以上；从产品的特征来分，都为典型的槽腔、筋板、孔及外型轮廓面；从材料上区分主要有两类：一类铝合金（占零件总数的98%以上），另一类为黑色金属（钛合金、钢）。因此以上三点就大概确定了机床的工作台尺寸、结构形式及机床的加工特性（重载或者轻切削）。如何从品种繁多、价格昂贵的设备中选择适用的设备，如何使这些设备在制造中充分发挥作用又能满足企业以后的发展，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，使采购的设备能达到较好的投入比，这些问题都是企业采购者必须考虑，并处理好的问题。
2选型要素
2.1确定典型产品加工对象
只有确定了产品的加工对象才能正确合理的选择所对应的类设备。企业根据技术改造和生产发展需要，确定有哪些零件、哪些工序准备用新的加工设备来完成，还要考虑到产品发展的远景规划。用成组技术把这些零件进行分组归类，确定准备主要加工对象的典型零件族。在归类中进一步选择确定生产纲领又比较接近要求的典型工件族。
2.2产品的工艺流程设计
在确定加工零件后还必须用数控加工工艺学的观点，对工艺流程进行新的规划设计，目的是得到使用数控机床后的最佳工艺制造流程。
在安排工艺流程中应考虑下列因素：
（1）选择最短的加工工艺流程。
（2）在经济批量基础上使用比较先进的工艺手段。
（3）尽量发挥机床的各种工艺特点，追求最大限度地发挥数控机床的综合加工能力特长。
（4）要考虑生产线或生产车间的各种设备能力的平衡。
（5）妥善处理数控加工工艺中工序集中与工艺加工渐精原则的矛盾问题。
（6）妥善安排各台机床和生产线的手工调整和检测等工作。
2.3确定数控设备的结构
数控设备比普通机床具有的优势是：数控机床具有加工复杂形面零件能力强、适应多种加工对象（柔性强）等特点。因此，从零件轮廓外型、结构、材料等因素能清晰的确定应选用哪类设备。正确的选择设备结构特点是需要设备选型的各个部门充分把关，使用单位关心的是工作效率、性能、精度、刚性即满足生产加工需求等；技术改造要考虑成本、平面布置、售后服务等；设备部门要了解它的设备整体性能、所选横梁的工艺形式、导轨、齿条、丝杠及设计布局是否适合企业、是否合理等。
2.4数控机床规格、参数的选择
数控机床的最主要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。一般情况下加工工件的轮廓尺寸应在机床的加工空间范围之内。
数控机床的主电机功率在同类规格机床上也可以有各种不同的配置，一般情况下反映了该机床的切削刚性和主轴高速性能。主轴电机功率反映了机床的切削效率，从侧面反映了切削刚性和机床整体刚度。在现代中小型数控机床中，往往都采用功率较大的交流可调速电机直联主轴，甚至采用电主轴结构。
2.5数控机床的主轴选择
数控机床的主传动系统包括主轴电机，传动系统和主轴组件。选择主轴时候要充分考虑主轴的热变形、旋转精度、运动精度、前端的径向和轴向跳动、静太刚度、抗震性以及组件的耐磨性。企业在选择适合自己的产品类型型号的同时，要充分考虑它的可维修性和同类设备采购的互换性。根据主轴的功率扭矩图应选择适合工艺要求转速区间、性价比高的品牌型号，现西飞数控电主轴已经形成两大品牌气候，即FISHER、OMLAT，这两款主轴更适合与航空结构件及企业工艺加工的要求。
2.6机床精度的选择
典型零件的关键部位加工精度要求决定了选择数控机床的精度等级。数控机床根据用途又分为简易型、全功能型、超精密型等，其能达到的精度也是各不一样的。这里主要讨论应用最多的全功能数控机床（以加工中心为主）。
按精度可分为普通型和精密型，一般数控机床精度检验项目都有20～30项，但其最有特征项目是：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，是衡量该轴能否稳定可靠工作的基本指标。
单轴定位精度是指在该轴行程内任意一个点定位时的误差范围，它直接反映了机床的加工精度能力，是数控机床最关键技术指标。
2.7数控系统的选择
机床制造商提供的机床配置的数控系统分为主流系统及可适应的系统，主流系统相对来说技术成熟性好一些。在可供选择的系统中性能的差别直接影响到设备价格构成，应以满足主机性能为主，对系统性能和价格等作一个综合分析，选用合适的系统。
数控系统中除基本功能以外还有很多可供选择的功能。对配在机床上的系统，用户可以根据自己的生产管理、测量要求、刀具管理、程序编制要求等，额外再选择一些功能列入订货单中。
2.8自动换刀装备（ATC）、刀具刀柄和自动交换工作台（APC）的选择配置
1> ATC的选择
在具备综合加工能力的一些数控机床上，自动交换装置是这些设备的基本特征附件，在选择主机设备时必须得重视所配ATC自动换刀装置的工作质量和刀具储存量。目前加工中心自动换刀装置的配套较为规范，以下以加工中心的ATC装置为例来说明其选择原则。
现场经验表明，在加工中心的使用故障中有50%左右与ATC装置有关，但ATC又是提高设备加工效率的基本部件，因此建议用户应在满足使用要求的前提下，尽量选用结构简单和可靠性高的ATC，这样也可以相应地降低整机价格。
下面介绍与ATC装置相关的主要技术参数。
（1）刀柄型号
刀柄型号取决于机床主轴装刀柄孔的规格。机床规格越小，刀柄规格也应选小的，但小规格刀柄对加工大尺寸孔和长孔很不利，所以对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要受到影响。
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，他们规定机械手爪夹持的尺寸不一样，刀柄的拉紧钉尺寸也不一样，所以选择时必须考虑齐全。
（2）换刀时间
换刀时间是指刀柄交换时间。细分有两种规定方式，即刀对刀时间（Tool to tool）和总换刀时间（Chip to chip）。目前最快的纯换刀时间可达0.7s左右，总换刀时间在3～12s之间，立式机床换刀时间一般比卧式的短。换刀时间短意味着机床生产效率高。
（3）最大刀具重量
最大刀具重量是指在自动刀具交换情况下允许的最大刀具重量，锥度40号左右刀柄最大允许重量在7～8kg，50号刀柄在15kg，一些重型刀具可达25～30kg，但这时换刀速度要减慢。最大刀具直径和长度主要受刀库尺寸空间的限制。
（4）刀库容量
一些加工中心机床上配置的刀库容量往往有几种规格供选择，有十几把到40、60、100把等，一些柔性加工单元（FMC）配置中央刀库后刀具储存量可达近千把，刀库的容量只要能满足基本需要，一般不宜选得太大。用户一般应根据典型工件的工艺分析，算出需用刀具数量，进而确定刀库的容量。如果不是按柔性加工单元或柔性制造系统来考虑，一般机床的刀库以满足一种工件一次装夹所需的全部刀柄数量作为选择依据。
2> 刀柄和刀具的选择
在主机和自动换刀装置（ATC）确定后，要选择所需的刀柄和刀具（刃具）。数控机床所用刀柄系列基本都已标准化，尤其是加工中心所用刀柄。刃具选择取决于加工工艺要求，刃具确定后还必须配置相应刀柄，现在有一部分刀柄本身也配置专用的刃具，如精镗刀柄等。总之，这些附件绝大部分都已标准化，由专业化生产厂供货，机床用户要根据具体加工对象合理选用。
3> APC的选择
自动交换工作台是在主机上配置的附件，配置的数量有2、4、6、10个等，除双交换工作台以外，主要用柔性制造单元配置。双交换工作台的配置可以大大节省复杂零件装卸定位夹紧的辅助时间，提高机床开动率，但增加该功能设备，投资至少要加10%以上。多数量交换工作台用于柔性制造单元，适用于24小时少人或无人化管理，适应多品种工件交替投产加工。
2.9机床功能、附件的选择
在选购数控机床时，除满足基本要求的功能及基本件外，还应充分考虑选项功能及附件。选择原则是：全面配置，充分发挥主机的最大潜力，远近期效益综合考虑。附件配套要保证机床到现场后能立即投入使用。
对数控系统选择功能应以实用为主，不一定选太多，尤其是纳入批量生产线中的设备，应越简单越好，对多品种、小批量生产方式的机床要加强编程功能的选择。
附件选用原则是要求工作可靠、不片面追求新颖。对一些辅助功能附件主要根据今后在现场使用要求和工艺要求而定。总之，要选择与生产能力相适应的辅件。
2.10技术服务
在选购设备时应综合考虑选购其围绕设备的售前、售后技术服务。对一些新的数控机床用户来说，最困难是缺乏一支高素质的技术队伍，新用户从开始选择设备时起，包括以后的设备到货安装验收、设备操作、程序编制、机械和电气维修等，都需要人才和技术支持。当前，各机床制造商已普遍重视商品的售前、售后服务，协助用户对典型工件做工艺分析、进行加工可行性工艺试验以及承担成套技术服务。
3 航空结构件设备选型条件
3.1分类
数控铣床结构：数控铣床按结构一般分为立式加工中心、卧式加工中心、龙门系列加工中心及专用铣床。其中龙门系列机床又分为定梁动柱式、定梁定柱式、高架桥式三种结构。
3.2特征
机床特征：应包括机型、机床规格参数和机床主电机功率、扭拒、切削速度、加速度等。
3.3龙门系列设备参数表
3.4设备规格参数
（1）工作台尺寸：
由于各个制造商有自己的规格标准，一般描述为大于等于要求的尺寸。一般情况下加工工件的轮廓尺寸应在机床的加工空间范围之内。选用工作台面比典型工件稍大一些是出于安装夹具考虑的。回转工作台除外。
（2）T型槽分布：
应提前确定T型槽的方向分布，T型槽的间距与底座通过孔也要做相应的要求。其它T型槽：在校准槽两侧对称布置，间距：160mm，精度：22H11，T型槽沿X向间隔2米设置底座通过孔。
（3）工作台承重：
根据加工产品的材料、规格尺寸、包括将来需要的工装夹具、设备等，需要估算机床的实际承重吨位。
（4）工作行程：
工作台面的大小基本上确定了加工空间的大小。个别情况下也允许工件尺寸大于坐标行程，这时必须要求零件上的加工区域处在行程范围之内，而且要考虑机床工作台的允许承载能力，以及工件是否与机床交换刀刀具的空间干涉、与机床防护罩等附件发生干涉等系列问题。
（5）主轴端面到工作台面的最小距离：
若无特殊情况一般规定为80~160mm，一般钢平台上放置的铝平台厚度为80mm，为了安全起见，应稍微放大主轴端面与钢平台的距离。
（6）切削进给速度：
一般根据机床的结构略有差别，一般轻型高速龙门设备齿条驱动一般在20m~40m/min，直线电机驱动一般为40m~60m，丝杠驱动一般为20 m~30 m（龙门桥式机床采用直线电机速度可达100m/min）；重载切削速度都比较低，一般为了配合转速速度设计都在5m~20m以内。
（7）快速进给速度：
一般空载速度比实际的切削快5m~10m。
（8）线性移动加速度：
反映速度随时间的变化。国内三、五轴可应用的加速度为1m-2m/S2，国外一般为2m-5m/S2。
（9）最小分辨率：
根据工厂的实际工艺需求、相应的后置平台及产品精度等因素决定，一般选取0.001mm。
（10）转速（S）：
要根据零件的材料、工艺用参数及未来的发展需求，一般航空结构件铝合金切削，国内三五轴能达到10000RPM~15000RPM，国外三五轴能达到10000RPM~30000RPM；重载切削（机械）一般在3000RPM以内。
（11）主轴锥孔：
一般重载为BT（10000RPM以内）、JT（10000RPM以内）、HSK（100A在15000RPM以内、63A在15000RPM~30000RPM），根据转速不同、加工材料不同选择不同的锥孔形式。
（12）主轴功率（S1）：
一般要和加工的材料和转速做对应匹配，各个主轴设备厂家都有标准系列的产品型号可供查阅。为了追求效率铝合金切削偏向于大功率切削。电主轴功率一般会选择≥45Kw，转速在15000~30000rpm之间。
（13）主轴扭矩（S1）：
一般要和加工的材料和转速做对应匹配，各个主轴设备厂家都有标准系列的产品型号可供查阅。一般重载设备偏向于高扭矩加工。航空结构件的黑色金属切削主轴偏向于大扭矩加工、低转速加工，一般选择区间在1000~2000N·M，转速为2000~4000rpm。
（14）精度标准：
机床定位精度：根据机床的行程确定，一般的选用原则是：国内机床（以20X4M行程为例）X≤0.06mm/全程，且X≤0.02mm/m，Y、Z ≤0.02mm/全程，A、C≤0.004°。
国外机床（以20X4M行程为例）X≤0.06mm/全程，且X≤0.01mm/m，Y、Z ≤0.01mm/全程，A、C≤0.004°。
（15）机床重复定位精度：
一般取定位精度的一半。
4综述
数控设备的选型是一个复杂、系统的工程，要结合企业自身特点，资金、技术、产品、管理等综合考虑。要用发展的眼光有针对性的规划，做到现阶段利益最大化和长远利益的可持续性。要充利用设备的指标、功能，培养一专多能的复合型人才，使设备功能发挥到极致，紧跟前沿高端装备与自身企业的结合，借鉴、发掘、改善。总之，凡重视技术队伍建设、重视职工素质提高的企业，数控机床就能得到合理使用。所以在选择机床时，建议企业花一部分资金选购针对自己短缺的技术服务，使设备尽快发挥作用。
参考文献
[1] 宗国成 沈为清，数控设备选型实用技术，机械工业出版社，2014.4
[2] 全国数控培训网络天津分中心组编，数控机床（第2版）机械工业出版社，2014.4
[3] 蔡厚道，《数控机床构造》，北京理工大学出版社，2007.2
[4] SINUMERIK 840D sl选项功能介绍. 产品手册 2011.01
作者简介：
宋福良，航空工业西飞数控加工厂数控工艺设计主管师，长期从事数控工艺技术及数控设备高效切削分析研究。
