中國機床工業(yè)自主創(chuàng)新直面大考

世界機床工業(yè)的動向
機床行業(yè)的發(fā)展受到汽車及其零部件、電子電氣、建筑、醫(yī)療、通訊等行業(yè)對生產(chǎn)設(shè)備投資力度的影響。當(dāng)需求擴大時，機床生產(chǎn)廠家一片繁忙；當(dāng)需求減少時，機床廠家之間競爭激烈,整個機床行業(yè)的營業(yè)額縮小、經(jīng)營利潤減少、公司裁員。在機床工業(yè)界有種說法那就是機床公司的規(guī)模不能太大，過度擴大公司的規(guī)模是危險的。在美國除了幾個生產(chǎn)低價位機床的公司以外，其他的公司都已倒閉。在歐洲，由于劇烈的競爭使得公司間不得不進(jìn)行合并或結(jié)構(gòu)重組。在日本，20世紀(jì)90年代的泡沫經(jīng)濟(jì)后，也有幾個主要的機床公司申請了破產(chǎn)。
但是，被稱為是“工作母機”的機床是必不可少的設(shè)備。盡管世界各個地域的國民生產(chǎn)總值的情況有所不同，但世界總的國民生產(chǎn)總值(GDP)總是在不斷增長，從1980年的9.9兆美元增長到了2004年的35.7兆美元。可以預(yù)測產(chǎn)業(yè)界對機床的需求是會穩(wěn)定增長。另外，各種產(chǎn)業(yè)對金屬切削機床的需求是有周期的。機床的使用壽命大約是14~15年， 也就是說每隔15年左右就有一個需求高峰。從1980年到1999年大約20年間, 美國是第一大機床消費國，日本是第二大機床消費國，占13.5%。到了2004年，中國成為全世界最大的機床消費國，占全世界機床產(chǎn)量的21%。歐洲的幾個主要工業(yè)國的需求占有率基本保持不變，而其他國家需求則下降了。雖然機床的需求在全世界各地不斷變化，但全世界機床年銷售總值自1995年以來一直維持在350億美元左右 。近年來中國機床的生產(chǎn)量激增，在2004年超過了美國、意大利成為第三大生產(chǎn)國。日本雖然是機床第一生產(chǎn)大國，但是在本國的銷售量上卻不穩(wěn)定。
機床技術(shù)的發(fā)展
目前日本使用的34.1%的機床使用時間超過15年，27.3%的機床使用年限在10～15年之間，19.4%的機床使用年限在5～10年間。 簡單地說，日本機床的機齡有一半超過10年。20世紀(jì)90年代的10年間，提高生產(chǎn)效率與減少非切削時間是最重要的兩項課題。隨著客戶生產(chǎn)需求發(fā)生變化，機床的柔性變得非常重要。這是因為現(xiàn)在大批量的工件生產(chǎn)需求逐漸減少，生產(chǎn)過程的復(fù)合化與群組制造單元 ( cellular manufacturing)逐漸發(fā)展成型。由切削加工中心組成的多用途的柔性制造系統(tǒng)逐步替代了傳統(tǒng)的大量專用生產(chǎn)線。 車削加工中心也增加了許多功能，如第二主軸、Y軸及銑削功能，從而出現(xiàn)了車銑復(fù)合機床。
機床的主軸及進(jìn)給系統(tǒng)是機床的主要構(gòu)件，也是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。最近幾年，機床的主軸轉(zhuǎn)速不斷地增加，dmN 值(主軸軸承節(jié)圓直徑與轉(zhuǎn)速的乘積)在20世紀(jì)90年代早期約60萬就可以稱之為高速了，在1990年的日本國際機床展(JIMTOF)中主軸dmN 值超過60萬的機床不到出展機床總數(shù)的50%。但在1996年大部分的dmN 值都超過60萬。
高速主軸的研發(fā)最關(guān)鍵的就是軸承設(shè)計和材料的改進(jìn)，潤滑和冷卻技術(shù)的改善。傳統(tǒng)軸承用黃油就足以潤滑，為加速主軸轉(zhuǎn)速，20世紀(jì)80年代晚期用油氣混合潤滑。20世紀(jì)90年代用內(nèi)環(huán)潤滑，是把潤滑劑注入軸承內(nèi)環(huán)，再由離心力直接傳到潤滑點，還有微霧潤滑，將最少的潤滑劑注入使產(chǎn)熱減少。
關(guān)于冷卻，在20世紀(jì)90年代早期就有冷卻液貫通主軸來對軸承內(nèi)環(huán)進(jìn)行冷卻的方法。對軸承外環(huán)也進(jìn)行冷卻液冷卻，軸承內(nèi)、外環(huán)就不會有溫度差，從而減小熱變形，提高軸承的壽命。主軸電機也與軸承一樣重要。在20世紀(jì)80年代，大多數(shù)的機床都是用皮帶或齒輪帶動主軸的，這種主軸會因為皮帶、齒輪或轉(zhuǎn)軸不對稱而引起震動，并且會產(chǎn)生噪音和引起機械傳動功率的損耗，致使主軸速度難以得到大幅度的提升。為解決這個問題，內(nèi)藏式主軸(built-in motor)在20世紀(jì)80年代末期被開發(fā)出來，這種主軸與電機集成在一起，能提高回轉(zhuǎn)速度、減少主軸體積、提高電機輸出，并且能縮短軸承跨距，避開軸承的臨界速度。還有最近發(fā)展起來的無接觸式軸承如磁浮或空氣軸承，也可以解決這個問題。
在刀具方面，CBN刀具、各種涂層(coating)技術(shù)及碳化物的燒結(jié)技術(shù)使主軸可以達(dá)到更高的速度，在過去的10年間CBN刀具切削鑄鐵的切削速度增加了25%。尤其是在切削鈦合金零件及其他硬度高的工件。高速切削使用小直徑的刀具、并有小的切削進(jìn)給量，進(jìn)給速度高。切屑散熱快，刀屑熱在傳遞給工件或刀具前就被切屑帶走了。而快速進(jìn)給也是提高生產(chǎn)效率的因素之一，在20世紀(jì)90年代切削加工中心的快速進(jìn)給最高達(dá)到20m/min，20世紀(jì)90年代中期到了40 m /min，到1999年時高達(dá)50 m /min，以25%的速度增加。
機床的最新技術(shù)
目前機床的最新技術(shù)包括兩項，主要是直接驅(qū)動電機( Direct Drive Motors)和重心驅(qū)動DCG(Driven at the Center of Gravity)。
直接驅(qū)動電機被用來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸(rotary axis)的方式逐漸被認(rèn)可。目前市面上DD電機僅限于安置在加工中心，以驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺。使用DD電機可以省去蝸輪等傳動機構(gòu)，轉(zhuǎn)動慣量可以減少很多，這有利于提高速度與加速度。同時，DD電機的應(yīng)用，還可減少零件的裝配數(shù)量，從而減少齒隙等影響因素的存在，對增加機床運動的精度有很大的幫助。在車銑功能集成的多軸復(fù)合車削中心機上，由DD電機驅(qū)動的機構(gòu)，不僅可直接做工作臺分度，而且可帶動車削用主軸。這些性能可使機床實現(xiàn)一次裝卡完成相當(dāng)復(fù)雜的零件的加工。
把兩組伺服電機與導(dǎo)螺桿對稱分置在驅(qū)動工作臺(刀座)或主軸系統(tǒng)中，可以避免以前一組電機與螺桿所可能造成的被驅(qū)動物體的偏位(offset)，并能改進(jìn)切削表面的品質(zhì)、減少切削時間、改善精度、減少機床的震動以及刀具的磨損。值得注意的是，這種重心驅(qū)動裝置具有兩個同步伺服電機。兩組導(dǎo)螺桿節(jié)距的加工和裝配誤差必須控制在很小的范圍之內(nèi)。森精機在大部分的產(chǎn)品中應(yīng)用了重心驅(qū)動原理，取得了非常好的效果。
機床產(chǎn)業(yè)的未來
機床的生產(chǎn)方面 計算機輔助設(shè)計和制造極大地提高了機床開發(fā)的速度，在研發(fā)體系使用3D CAD是快速發(fā)展量產(chǎn)高品質(zhì)機床不可缺少的工具。20世紀(jì)90年代，我們在一條裝配線上每月制造多達(dá)100種熱賣的產(chǎn)品，在當(dāng)時是最有生產(chǎn)效率的組裝制造方法。進(jìn)入21世紀(jì)以后，森精機導(dǎo)入群組制造單元(Cellular Manufacturing)生產(chǎn)方式來滿足每一位顧客的特殊需求，同時減少庫存、減少準(zhǔn)備時間(Lead Time)以及增加生產(chǎn)能力，將接訂單到交貨的時間減少到最短。群組制造單元是由一個工人進(jìn)行全過程的裝配，縮短過程中每一個環(huán)節(jié)的等待時間。在這種新的生產(chǎn)系統(tǒng)中，工人的技術(shù)受到高度的挑戰(zhàn)，同時也會給工人帶來成就感。另外，不同的機床企業(yè)在制造基地的安排上有所不同。有的機床公司在世界不同地方進(jìn)行機床生產(chǎn)，有的公司則集中生產(chǎn)。例如，森精機雖然開發(fā)不同的機床技術(shù)，但所有的產(chǎn)品只在日本國內(nèi)的工廠制作。由于市場對機床的需求層次不同，機床廠家必須提供適合不同市場性價比的產(chǎn)品。
機床的技術(shù)方面 主軸是高速機床的關(guān)鍵部件，非接觸軸承如磁浮及空氣軸承，最近幾年來并未如預(yù)期的那樣在一般機床上廣泛使用，而傳統(tǒng)的滾筒軸承及主軸電機對主軸加速提升速度做出了很大的貢獻(xiàn)。這些過去10年所發(fā)展的技術(shù)在未來10年中會繼續(xù)得到改善，主軸的轉(zhuǎn)速會進(jìn)一步提高。也許10年內(nèi)對于高檔機床，主軸最高轉(zhuǎn)速每分鐘6萬轉(zhuǎn)會變得普遍，那將是今天一般主軸速度的2~3倍。我們估計這會使切削速度增加一倍，而每分鐘100m的快速進(jìn)給也會變得普遍。和滾動珠導(dǎo)螺桿比，雖然線性電機的占有率會有一定的上升，但我們估計滾珠螺桿的占有率仍然會很高。因為快速進(jìn)給在每分鐘一百米內(nèi)的話，滾珠螺桿驅(qū)動在價格上具有優(yōu)勢。
生產(chǎn)系統(tǒng)方面 人民幣的升值會影響低價制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，日本等國家要重新評估國內(nèi)生產(chǎn)的重要性，我們估計高品質(zhì)制造在日本國內(nèi)市場未來10年內(nèi)仍會有很大的市場。 日本市場將會對占用較小的空間、節(jié)省能源、高精度和高速度的機床保持持續(xù)的需求。
制造業(yè)存在多種自動化制造系統(tǒng)，如生產(chǎn)線(transfer line)、柔性生產(chǎn)線(flexible transfer line)、柔性制造系統(tǒng)(flexible manufacturing system)和柔性制造單元(flexible manufacturing cell)。在未來10年內(nèi)，我們預(yù)期會對制造系統(tǒng)具備再調(diào)整性提出很高的要求，即所謂的可再構(gòu)成生產(chǎn)系統(tǒng)(Reconfigurable Machine Tool System)。森精機為了達(dá)到批量生產(chǎn)的要求，開發(fā)出一種機型為NX2000的機床，它的寬度僅680mm，同時進(jìn)給加速度也可增加。在NX2000系統(tǒng)中有臥式切削中心、立式切削中心、臥式車床、立式車床，這些機床都有相同的寬度與深度，因此可以在很短的時間內(nèi)將一條生產(chǎn)線改成另一條具有不同用途的生產(chǎn)線。如一個配備6臺機床的生產(chǎn)線，當(dāng)設(shè)計變更后，需要第三臺臥式切削中心時，可以很容易地以立式切削中心做替代。
機床技術(shù)還在持續(xù)地發(fā)展，在未來10年內(nèi)還會有許多重要技術(shù)產(chǎn)生，機床的切削速度會比現(xiàn)在快1倍。由機床構(gòu)成的柔性加工系統(tǒng)將會更加受到歡迎。