中国机床工业自主创新直面大考

世界机床工业的动向
机床行业的发展受到汽车及其零部件、电子电气、建筑、医疗、通讯等行业对生产设备投资力度的影响。当需求扩大时，机床生产厂家一片繁忙；当需求减少时，机床厂家之间竞争激烈,整个机床行业的营业额缩小、经营利润减少、公司裁员。在机床工业界有种说法那就是机床公司的规模不能太大，过度扩大公司的规模是危险的。在美国除了几个生产低价位机床的公司以外，其他的公司都已倒闭。在欧洲，由于剧烈的竞争使得公司间不得不进行合并或结构重组。在日本，20世纪90年代的泡沫经济后，也有几个主要的机床公司申请了破产。
但是，被称为是“工作母机”的机床是必不可少的设备。尽管世界各个地域的国民生产总值的情况有所不同，但世界总的国民生产总值(GDP)总是在不断增长，从1980年的9.9兆美元增长到了2004年的35.7兆美元。可以预测产业界对机床的需求是会稳定增长。另外，各种产业对金属切削机床的需求是有周期的。机床的使用寿命大约是14~15年， 也就是说每隔15年左右就有一个需求高峰。从1980年到1999年大约20年间, 美国是第一大机床消费国，日本是第二大机床消费国，占13.5%。到了2004年，中国成为全世界最大的机床消费国，占全世界机床产量的21%。欧洲的几个主要工业国的需求占有率基本保持不变，而其他国家需求则下降了。虽然机床的需求在全世界各地不断变化，但全世界机床年销售总值自1995年以来一直维持在350亿美元左右 。近年来中国机床的生产量激增，在2004年超过了美国、意大利成为第三大生产国。日本虽然是机床第一生产大国，但是在本国的销售量上却不稳定。
机床技术的发展
目前日本使用的34.1%的机床使用时间超过15年，27.3%的机床使用年限在10～15年之间，19.4%的机床使用年限在5～10年间。 简单地说，日本机床的机龄有一半超过10年。20世纪90年代的10年间，提高生产效率与减少非切削时间是最重要的两项课题。随着客户生产需求发生变化，机床的柔性变得非常重要。这是因为现在大批量的工件生产需求逐渐减少，生产过程的复合化与群组制造单元 ( cellular manufacturing)逐渐发展成型。由切削加工中心组成的多用途的柔性制造系统逐步替代了传统的大量专用生产线。 车削加工中心也增加了许多功能，如第二主轴、Y轴及铣削功能，从而出现了车铣复合机床。
机床的主轴及进给系统是机床的主要构件，也是提高生产效率的关键。最近几年，机床的主轴转速不断地增加，dmN 值(主轴轴承节圆直径与转速的乘积)在20世纪90年代早期约60万就可以称之为高速了，在1990年的日本国际机床展(JIMTOF)中主轴dmN 值超过60万的机床不到出展机床总数的50%。但在1996年大部分的dmN 值都超过60万。
高速主轴的研发最关键的就是轴承设计和材料的改进，润滑和冷却技术的改善。传统轴承用黄油就足以润滑，为加速主轴转速，20世纪80年代晚期用油气混合润滑。20世纪90年代用内环润滑，是把润滑剂注入轴承内环，再由离心力直接传到润滑点，还有微雾润滑，将最少的润滑剂注入使产热减少。
关于冷却，在20世纪90年代早期就有冷却液贯通主轴来对轴承内环进行冷却的方法。对轴承外环也进行冷却液冷却，轴承内、外环就不会有温度差，从而减小热变形，提高轴承的寿命。主轴电机也与轴承一样重要。在20世纪80年代，大多数的机床都是用皮带或齿轮带动主轴的，这种主轴会因为皮带、齿轮或转轴不对称而引起震动，并且会产生噪音和引起机械传动功率的损耗，致使主轴速度难以得到大幅度的提升。为解决这个问题，内藏式主轴(built-in motor)在20世纪80年代末期被开发出来，这种主轴与电机集成在一起，能提高回转速度、减少主轴体积、提高电机输出，并且能缩短轴承跨距，避开轴承的临界速度。还有最近发展起来的无接触式轴承如磁浮或空气轴承，也可以解决这个问题。
在刀具方面，CBN刀具、各种涂层(coating)技术及碳化物的烧结技术使主轴可以达到更高的速度，在过去的10年间CBN刀具切削铸铁的切削速度增加了25%。尤其是在切削钛合金零件及其他硬度高的工件。高速切削使用小直径的刀具、并有小的切削进给量，进给速度高。切屑散热快，刀屑热在传递给工件或刀具前就被切屑带走了。而快速进给也是提高生产效率的因素之一，在20世纪90年代切削加工中心的快速进给最高达到20m/min，20世纪90年代中期到了40 m /min，到1999年时高达50 m /min，以25%的速度增加。
机床的最新技术
目前机床的最新技术包括两项，主要是直接驱动电机( Direct Drive Motors)和重心驱动DCG(Driven at the Center of Gravity)。
直接驱动电机被用来驱动旋转轴(rotary axis)的方式逐渐被认可。目前市面上DD电机仅限于安置在加工中心，以驱动回转工作台。使用DD电机可以省去蜗轮等传动机构，转动惯量可以减少很多，这有利于提高速度与加速度。同时，DD电机的应用，还可减少零件的装配数量，从而减少齿隙等影响因素的存在，对增加机床运动的精度有很大的帮助。在车铣功能集成的多轴复合车削中心机上，由DD电机驱动的机构，不仅可直接做工作台分度，而且可带动车削用主轴。这些性能可使机床实现一次装卡完成相当复杂的零件的加工。
把两组伺服电机与导螺杆对称分置在驱动工作台(刀座)或主轴系统中，可以避免以前一组电机与螺杆所可能造成的被驱动物体的偏位(offset)，并能改进切削表面的品质、减少切削时间、改善精度、减少机床的震动以及刀具的磨损。值得注意的是，这种重心驱动装置具有两个同步伺服电机。两组导螺杆节距的加工和装配误差必须控制在很小的范围之内。森精机在大部分的产品中应用了重心驱动原理，取得了非常好的效果。
机床产业的未来
机床的生产方面 计算机辅助设计和制造极大地提高了机床开发的速度，在研发体系使用3D CAD是快速发展量产高品质机床不可缺少的工具。20世纪90年代，我们在一条装配线上每月制造多达100种热卖的产品，在当时是最有生产效率的组装制造方法。进入21世纪以后，森精机导入群组制造单元(Cellular Manufacturing)生产方式来满足每一位顾客的特殊需求，同时减少库存、减少准备时间(Lead Time)以及增加生产能力，将接订单到交货的时间减少到最短。群组制造单元是由一个工人进行全过程的装配，缩短过程中每一个环节的等待时间。在这种新的生产系统中，工人的技术受到高度的挑战，同时也会给工人带来成就感。另外，不同的机床企业在制造基地的安排上有所不同。有的机床公司在世界不同地方进行机床生产，有的公司则集中生产。例如，森精机虽然开发不同的机床技术，但所有的产品只在日本国内的工厂制作。由于市场对机床的需求层次不同，机床厂家必须提供适合不同市场性价比的产品。
机床的技术方面 主轴是高速机床的关键部件，非接触轴承如磁浮及空气轴承，最近几年来并未如预期的那样在一般机床上广泛使用，而传统的滚筒轴承及主轴电机对主轴加速提升速度做出了很大的贡献。这些过去10年所发展的技术在未来10年中会继续得到改善，主轴的转速会进一步提高。也许10年内对于高档机床，主轴最高转速每分钟6万转会变得普遍，那将是今天一般主轴速度的2~3倍。我们估计这会使切削速度增加一倍，而每分钟100m的快速进给也会变得普遍。和滚动珠导螺杆比，虽然线性电机的占有率会有一定的上升，但我们估计滚珠螺杆的占有率仍然会很高。因为快速进给在每分钟一百米内的话，滚珠螺杆驱动在价格上具有优势。
生产系统方面 人民币的升值会影响低价制造业的蓬勃发展，日本等国家要重新评估国内生产的重要性，我们估计高品质制造在日本国内市场未来10年内仍会有很大的市场。 日本市场将会对占用较小的空间、节省能源、高精度和高速度的机床保持持续的需求。
制造业存在多种自动化制造系统，如生产线(transfer line)、柔性生产线(flexible transfer line)、柔性制造系统(flexible manufacturing system)和柔性制造单元(flexible manufacturing cell)。在未来10年内，我们预期会对制造系统具备再调整性提出很高的要求，即所谓的可再构成生产系统(Reconfigurable Machine Tool System)。森精机为了达到批量生产的要求，开发出一种机型为NX2000的机床，它的宽度仅680mm，同时进给加速度也可增加。在NX2000系统中有卧式切削中心、立式切削中心、卧式车床、立式车床，这些机床都有相同的宽度与深度，因此可以在很短的时间内将一条生产线改成另一条具有不同用途的生产线。如一个配备6台机床的生产线，当设计变更后，需要第三台卧式切削中心时，可以很容易地以立式切削中心做替代。
机床技术还在持续地发展，在未来10年内还会有许多重要技术产生，机床的切削速度会比现在快1倍。由机床构成的柔性加工系统将会更加受到欢迎。