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加工中心简介

加工中心最初是数控铣床发展而来，我带有刀库的数控铣床。是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心是由计算机数控系统（CNC）、伺服系统、机床本体、液压系统等各部分组成。但加工中心又不等同于数控铣床，加工中心与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换刀具的功能，通过在刀库安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具。实现钻、镗、铰、攻螺纹、切槽等多种加工功能。

可以说加工中心的出现打破了一台机床只能进行一种工序加工的传统观念。它利用机床刀库的多刀具和自动换刀能力，具有把几个不同的操作组合在一次装夹中并连续加工的能力，即集中工序加工。CNC镗铣加工中心，对工件连续进行的钻削、镗削、背镗、加工螺纹、锪孔及轮廓铣削等加工都可编制为同一个CNC程序。加工中心因具有连续、自动、多工序加工的特点，因此又称它为多工序数控机床。

加工中心组成结构

加工中心总体上是由以下几大部分组成。

1.基础部件

床身、立柱和工作台等大件是加工中心结构中的基础部件。这些大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须具备更高的静动刚度，也是加工中心中质量和体积最大的部件。

2.主轴部件

主轴部件包括主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件。主轴的启动、停止等动作和转速均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具进行切削。主轴部件是切削加工的功率输出部件，是加工中心的关键部件。其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。

3.数控系统

数控系统由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成，是加工中心执行顺序控制动作和控制加工过程的中心。

目前市场上加工中心常用的数控系统一般为：FANUC（日本）、MISUBISHI（日本）、SIEMENS（德国）、FAGOR（西班牙）、宝元（台湾）、新代（台湾）、华中（中国）、广州数控（中国）

4.自动换刀装置（ATC）

加工中心与一般通用机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力。有一套自动换刀装置。

常见分类

1.按换刀形式分类

1）带刀库机械手的加工中心换刀装置由刀库、机械手组成，换刀动作由机械手完成。

2）无机械手的加工中心换刀通过刀库和主轴箱配合动作来完成换刀过程。

3）转塔刀库式加工中心一般应用于小型加工中心。主要以加工孔为主。

2.按机床加工方式分类

1）车削加工中心

车削加工中心以车削为主，主体是数控车床，机床上配备有转塔式刀库或由换刀机械手和链式刀库组成的大容量刀库有些车削加工中心还配置有铣削动力头。

2）镗铣加工中心

镗铣加工中心将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工没备上，且增设有自动换刀装置。镗铣加工中心是机械加工行业中，应用最多的一类数控设备，其工艺范围主要是铣削、钻削和镗削。

3）复合加工中心

在一台设备上可以完成车削、铣削、镗削、钻削等多种工序加工的加工中心称为复合加工中心，它可代替多台机床实现多工序的加工。复合加工中心以车、铣加工的加工中心为多。

3.按机床形态分类

1）卧式加工中心

卧式加工中心指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。卧式加工中心一般具有3-5个运动坐标.，常见的有三个直线运动坐标：X、Y、Z，外加一个回转工作台，它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。卧式加.工中心较立式加工中心应用范围广，适宜复杂的箱体类零件如泵体、阀体等零件的加工。但卧式加工中心占地面积大、重量大、结构复杂、价格较高。

2）立式加工中心

立式加工中心指主轴轴线为垂直状态设置的加工中心。立式加工中心一般有三个直线运动坐标：X、Y、Z，工作台具有分度和旋转功能，可在工作台上安装一个水平轴的数控转台用以加工螺旋线零件。立式加工中心多用于加工简单箱体、箱盖、板类零件和平面凸板。立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格低的优点。

3）龙门加工中心

龙门加工中心的形状与数控龙门铣床相似应用范围比数控龙门铣床更大，主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件，数控装置的功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于大型或形状复杂的工件加工。

4）五轴加工中心

五轴加工中心一次装夹能完成除安装面外的所有面的加工，具有立式和卧式加工中心的功能。常见的万能加工中心有两种形式:一种是主轴可以旋转90o；另一种是主轴方向不改变.，而工作台带.着工件旋转90o完成对五个面的加工。:在万能加工中心上，工件安装避免了二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高。

加工对象

加工中心机床是指具有刀库、自动换刀装置并能对工件进行多工序加工的数控机床。加工中心主要适用于加工形状复杂、工序多、精度要求高的工件。

1.箱体类工件

箱体类零件一般具有一个以上的孔系，组成孔系的各孔本身有形状精度的要求，同轴孔系和相邻孔系之间及孔系与安装基准之间又有位置精度的要求。通常箱体类零件需要进行钻削、扩削、铰削、攻螺纹、镗削、铣削、锪削等工序的加工，工序多、过程复杂，还需用专用夹具装夹。这类零件在加工中心上加工。一次装夹可完成普通机床60%-95%的工序内容，并且精度一致性好、质量稳定。

2.复杂曲面类工件

复杂曲面一般可以用球头铣刀进行三坐标联动加工，.加工精度较高，但效率低、如果工件存在加工干涉区或加工盲区，就必须考虑采用四坐标或五坐标联动的机床。

3.异形件

异形件是外形不规则的零件，大多需要点、线、面多工位混合加工。加工异形件时采用普通机床加工或精密铸造无法达到预定的加工精度，而使用多轴联动的加工中心，配合自动编程技术和专用刀具，可大大提高其生产效率并保证曲面的形状精度。形状越复杂，精度要求越高，使用加工中心越能显示其优越性。如手机外壳等异形件可采用加工中心进行加工。

4.盘、套、板类工件

这类工件包括带有键槽和径向孔，端面分布有孔系、曲面的盘套或轴类工件。

加工中心的基本特点

1.工序集中，加工精度高

数控系统能控制机床在工件一次装夹后，实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高速、高精度加工，即工序集中，这是MC的典型特点。由于加工工序集中，减少了工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率(切削时间和开动时间之比)比普通机床高3~4倍，达80%以上，缩短了工艺流程，减少了人为干扰，故加工精度高、互换性好。

2.操作者的劳动强度减轻、经济效益高

对零件的加工是在数控程序控制下自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，无需进行繁重的重复性手工操作，劳动强度轻。使用MC加工零件时即使在单件、小批量生产的情况下，也可以获得良好的经济效益。例如在加工之前节省了划线工时，在零件安装到机床上之后减少了调整、加工和检验时间，直接生产费用大幅度降低。

另外，加工零件还可以省去许多工艺装备，减少硬件的投资。同时，加工稳定，废品率减少，可使生产成本进一步下降。

3.对加工对象的适应性强

加工中心是按照被加工零件的数控程序进行自动加工的，当改变加工零件时，只要改变数控程序，不必更换大量的专用工艺装备。因此，能够适应从简单到复杂型面零件的加工，且生产准备周期短，有利于产品的更新换代。

4.有利于生产管理的现代化

用MC加工零件时，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化检验和工具、夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。当前许多大型CAD/CAM集成软件已经具有了生产管理模块，可满足计算机辅助生产管理的要求。

加工中心需要注意的问题

加工中心虽然具有很多优点，但也还存在如下一些必须考虑的问题。

1)工件粗加工后直接进入精加工阶段。粗加工时，一次装夹中金属切除量多、几何形变大工件温升高，温升来不及回复，冷却后工件尺寸发生变化，会造成零件的精度下降。

2)工件由毛坯直接加工为成品，零件未进行时效处理，内在应力难以消除，加工完了一段时间后内应力释放，会使工件产生变形。

3)装夹零件的夹具必须满足既能承受粗加工中切削力大，又能在精加工准确定位的要求，而且零件夹紧变形要小。

4)多工序集中加工，要及时处理切屑。在加工过程中，切屑的堆积、缠绕等将会影响加工的顺利进行及划伤零件的表面，甚至使刀具损坏、工件报废。

5)由于自动换刀装置(ATC)的应用，使工件尺寸受到一定的限制，钻孔深度、刀具长度、刀具直径及刀具质量都要加以综合考虑。

加工中心的工艺特点

1.适合加工周期性复合投产的零件

有些产品的市场需求具有周期性和季节性，如果采用专门生产线则得不偿失，用普通设备加工效率又太低。质量不稳定，数量也难以保证。而采用加工中心首件试切完成后，程.序和相关生产信息可保留下来，下次产品再生产时只要很短的准备时间就可以开始生产。

2.适合加工高效、高精度工件

有些零件需求甚少，但属关键部件，要求精度高且工期短。用传统工艺需要多台机床协调工作，周期长、效率低。在长工序流程中，受人为影响易出废品，从而造成重大经济损失。采用加工中心进行加工，生产完全由程序自动控制，避免了长工艺流程，减少了硬件投资和人为干扰，具有生产效益高及.质量稳定的优点。

3.适合加工具有合适批量的工件
加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上，而且可以快速实现批量生产，拥有并提高市场竞争能力。加工中心适合于中小批量生产，特别是小批量生产。在.应用加工中心时，尽量使批量大于经济批量，以达到良好的经济效果。随着加工中心.及辅具的不断发展，经济批量越来越小，对一些复杂零件达到5-10件就可生产，甚至单件生产时也可考虑用加工中心。

4.适合于加工形状复杂的零件
四轴联动、五轴联动加工中心的应用.及CAD/CAM技术的成熟发展，使加工复杂零件的自动化程度大幅提高。DNC的使用使同一程序的加工内容足以满足各种加工要求，使复杂零件的自动加工变得非常容易。

5.其他特点

加工中心还适合于加工多工位和工序集中的工件及难测量工件。另外，装夹困难或完全由找正定位来保证加工精度的工件不适合在加工中心上生产。

刀具系统

1.加工中心对刀具的要求

加工中心对刀具的基本要求主要体现在以下几个方面;

（1）良好的切削性能，能承受高速切削和强力切削并且性能稳定。

（2）较高的精度，刀具的精度指刀具的形状精度和刀具与装夹装置的位置精度。

（3）配备完善的工具系统，满足多刀连续加工的要求。

加工中心所使用刀具的刀头部分与数控铣床所使用的刀具基本相同，除铣刀以外，加工中心使用比较多的是孔加工刀具，包括加工各种大小孔径的麻花钻、扩孔钻、锪孔钻、铰刀、镗刀、丝锥及螺纹铣刀等。为了适应高效、高速、高刚性和大功率的加工发展要求，在选择刀具材料时，一般尽可能选用硬质合金刀具，精密镗孔等还可选用性能更好、更耐磨的立方氮化硼和金刚石刀具。这些孔加工刀具一般都采用涂层硬质合金材料.分为整体式和机夹可转位式两类。加工中心所使用刀具的刀柄部分与一般数控铣床所用刀柄部分不同，加工中心用刀柄带有夹持槽供机械手夹持。

2.自动换刀装置

在加工中心加工零件的过程中，换刀动作是由自动换刀装置完成的。自动换刀装置应该满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存数量足够、结构紧凑、便于制造、便于维修、便于调整、有防屑防尘装置、布局应合理等要求。同时也应具有较好的刚性，冲击、振动及噪声小。运转安全可靠等特点。自动换刀系统由刀库、选刀机构、刀具交换机构（如机械手）、刀具在主轴上的自动装卸机构等部分组成。

自动换刀方式分为两大类：一是由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换，用这种形式交换刀具时，主轴上用过的刀具送回刀库和从刀库中取出新刀，这两个动作不能同时进行，选刀和换刀由数控定位系统来完成，因此换刀时间长，换刀动作也较多；二是由机械手进行刀具交换。

3.刀库与刀具管理

刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并按程序T指令，把将要用的刀具准确地送到换（取）刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。刀库的储存量一般在8~64把范围 内，多的可达100~200把。

1)刀库的形式

加工中心普遍采用盘式刀库和链式刀库。密集型的鼓刀库或格子式刀库虽然占地面积小，但由于结构的限制，很少用于单机加工中心。密集型的固定刀库目前多用于FMS中的集中供刀系统。盘式刀库一般用于刀具容量较少的刀库，而链式刀库一般刀具数量在30~120把，刀具数量大时多采用链式刀库。

2)自动换刀的选刀方式

（1）顺序选刀。将刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。顺序选刀的特点是不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单。工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同的工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果，这种方式现在已很少采用。

（2）任意选刀方式。目前绝大多数的数控系统都具有任意选择刀具功能。刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，数控系统根据程序T指令的要求任意选择所需要的刀具，相同的刀具可重复使用。 任选刀具的换刀方式主要有刀具编码识别、刀套编码识别和软件记忆识别方式。

刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套上安装用于识别的编码条，每把刀具(或刀座)一般都是根据二进制编码原理进行编码。自动换刀时，刀库旋转，每把刀具(或刀座)都经过刀具识别装置接受识别。当某把刀具的代码(如0000111)与数控指令的代码（如T07)相符合时，该把刀具被选中，刀库驱动，将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。

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