新工业革命时代的机床发展之路

——CIMT2015加工中心评述

上海机床工具集团有限公司  徐正平

第十四届中国国际机床展览会（CIMT2015）于4月20-25日在北京举行，来自28个国家和地区的1554家展商参加了这次盛会。 

这次展会是在沸沸扬扬的工业革命浪潮声中举行的，网络时代对机床发展之路的影响忽隐忽现有所体现：同时这次展会又是在国际制造业普遍不景气的情况下举行的，然而展会面积与观众人次却同比增长4%和9.35%，这说明作为制造业脊梁的机床工业，其地位是难以撼动的，因此大家对市场要有信心，机床发展之路必将越走越宽广。

加工中心当然是展会的重头戏，这次共展出220台，其中立式102台，卧式48台，龙门28台。值得欣慰的是，国内展品的档次大有提高，五轴加工中心比比皆是，甚至许多机床的外观造型也和进口机床难分伯仲。

一、机床发展必须依托先进制造技术

机床要发展，必须依托先进制造技术。当今先进制造技术主要包括：智能制造、微纳制造、生物制造、新材料、新能源等等，有这些技术的广泛应用，也为展会内容增色添彩。

1、网络制造

国际三大机床巨头，异曲同工开发出网络时代的机床控制新系统，无疑是本届展会的一大看点。

（1）DMG MORI的CELOS®

DMG MORI的CELOS®控制系统及相关软件使机床变得越来越聪明，且操作越来越简单。该集团董事会主席卡披萨博士多次表示：今后所有的DMG MORI高端机床，大多应配置CELOS®系统。这是网络信息时代的一种全新智能化数控系统，可帮助用户实现从构思到成品的全方位加工需求。在这次北京展中，该集团又推出了4款CELOS®新应用程序，并首次提供PC版软件，用户可以在工作准备中通过直接连接机床的计算机连续进行生产计划。

（2）沈阳机床的i5

i5数控系统是由沈阳机床集团自主研发的具有完全自主知识产权的智能化数控系统。该数控系统集成了运动控制技术、计算机技术、网络技术和信息技术，为用户提供操作简单、兼容性强、可靠性高的智能化数控产品。

基于“服务于机床全生命周期”的设计理念，i5数控系统围绕以下四个方面开发了诸多智能化功能：即操作便捷、编程便捷、维护便捷及管理便捷。此外，i5数控系统实现了传统机床与互联网的连接，具有强大的数据挖掘能力，可实现与WIS（车间生产管理系统）和i平台的无缝对接，将机床信息实时传输给上层服务器，使车间信息化和设备管理变得十分容易。

（3）MAZAK的SMOOTHTECNOLYGE

马扎克（中国）有限公司总经理董庆富先生在本届展会CEO国际论坛圆桌讨论时说，Smooth X是山崎公司近期发展的主打产品。Smooth顺畅加工技术通过实现更短的加工周期和极其便捷的操作，致力提高用户的生产效率。

这个第七代的Mazatrol数控系统，主要涵盖了五轴复合加工技术，高速、高精度技术，智能化技术，网络技术，自动化柔性生产线，环境保护及人体工程设计等七个方面，使机床的控制技术几乎达到至臻至美。

2、智能制造

智能制造是机床创新驱动的重点之一，展会中的相关介绍也是令人目不暇接。

（1）日本MAZAK的智能制造包括装备、生产、管理、服务以及产品等五个方面，就产品而言，机床配备了针对加工热变位、切削震动、机床干涉、主轴监测、维护保养、工作台动态平衡性及语音导航等7项智能化功能，可以自行监控机床运转状态，并进行自主反馈从而大幅度提高机床运行效率及安全性，同时也可降低对于高技术操作人员的依赖。经过10年的发展，目前马扎克机床的智能化功能已经从最初的7种，扩展到了现在的12种，可以说是真正地将机床带入了智能化时代。

（2）日本牧野的智能加工，主要体现在软件控制上面。FF/cam软件，配合在展出机床中一起使用。该软件的FF加工方法，能制作高精度顺滑的刀路，良好的NC数据保证了机床稳定的切削力及载荷。因此能使机床充分发挥出极限性能。MPmax软件能让机床生产率达到最大化，并且可随时看到机床实时加工操作状况，及时获得管理数据。STLCAM是多面体模型软件，追求的是最真实的质感，能运算高达8GB的STL数据文件。

（3）瑞士GF公司在现场观众阵阵惊叹声中表演主轴撞击试验，一台配置20000r/min电主轴的MIKRON HPM 800U高性能五轴联动加工中心，主轴夹持直径80mm面铣刀在低速旋转时以12m/min的进给速度撞向工件，在撞击之后动平衡与被撞之前还保持在同一个精度区间，彰显了主轴的防撞保护功能，而关键是他们开发了MSP软件，MSP能够使主轴恢复到理想精度。

（4）大隈推出的五轴调和功能也是一种典型的智能技术。在五轴联动加工中心中，当加工异形曲面时，瞬时旋转轴与直线轴的相对位置变化，难免对精度产生影响，比如旋转轴与直线轴的中心偏差，旋转轴与直线轴的垂直度偏差等。大隈开发五轴调和系统是希望能够长久保持好精度，其原理是用一个基准球，然后用红宝石探头进行测量，通过机床的智能化系统，对上述这些精度误差进行自动补偿。

（5）海德汉展出了两款基于全新NC内核的数控产品TNC 640和TNC620。TNC能帮助用户更高效地进行重型切削和粗加工，同时能提高加工过程可靠性。实际应用中，材料切除速度可提高25%。TNC640继承了iTNC530的高速高精、五轴联动、智能加工等先进功能,适用于高性能铣削类机床和铣车复合机床。TNC 620是中高档轮廓控制器，适用于高速、高可靠性、高精度轮廓加工机床，支持五轴联动加工。

3、理化加工

金属切削机床，传统的理念就是用机械加工方式对金属零件进行加工。然而在当今新工业革命时代中，利用物理与化学原理对金属零件进行加工也层出不穷，展会上也可见一斑。

（1）微锻技术

瑞士Starrag集团介绍了用微锻技术对叶片进行精加工。通常，叶片在常规铣加工后，表面会留下波浪线，后续需要采用振动光饰和喷丸强化等工艺。而今采用集成的微锻技术，叶片在铣加工后直接在铣削加工中心上进行微锻工艺，可以取代后续的振动光饰和喷丸强化工艺，从而省去这两种工艺设备，实现叶片加工后直接用于装配。

（2）EMAG（埃马克）化学加工

电化学加工的原理是：工件作为阳极，刀具作为阴极，在这两种电极之间电解液流动溶解工件上的金属离子。不同的工件轮廓、环形通道、直槽以及环形槽都无需接触工件即可形成，且精度高，刀具磨损小。EMAG公司的该技术，主要是应用于飞机发动机核心零部件的生产和制造。

（3）液态CO₂冷冻切削

多年前，美国MAG研究一种液氮冷却切削加工，在-320°C情况下，对零件进行切削。而今瑞士Starrag公司用液态CO₂进行冷冻切削并成功应用于加工中心LX051上，取得了成功突破。在切削时刀具的切削温度从160°C降至40°C，切削速度从320m/min提高到400m/min，既减少刀具磨损，也延长了刀具寿命。

（4）激光制网纹

利用激光束对零件进行金切或成形加工在展会上已是屡见不鲜的事，但GF公司的激光网纹加工却颇具特色。

当今不少手机、电脑、家电及汽车内饰件等，其表面往往有一层细微网纹，由模具加工而成。这次GF展出的Laser系列5轴激光加工机床，采用激光烧蚀技术，可细致逼真地还原纹理细节。用户只需提供设计的纹理图片，它就能实现从想法到最终产品的全数字化工艺过程。

4、新材料应用                                

当今在航天航空及汽车制造领域，正热火朝天地研究轻量化课题，其核心就是新材料的应用，机床行业也不例外。

德国TRAMEC公司展出了A、C五轴联动龙门加工中心铣头，采用了新颖球墨铸铁材料，强度高，韧性强，吸震减震性也好，壳体经过一次压铸成形。采用这种适宜于重切削的龙门铣头，比其他同等扭矩、功率、转速、锁紧力的铣头要轻30%左右，有的型号甚至要轻450kg。同时，铣头体积比同类产品要小10-20%左右。

这种轻量化改进结果，使得该系列产品既节能，又提高进给速度，并且最大限度地减少加工时产生的震动，从而提升产品的表面粗糙度，精度能控制在5µ以内。

E2-291展台，帝马数字机器（深圳）的VBZ640立加，这台BT40主轴的机床，正以4000r/min转速，把一块15mm×15mm的钢件，铣削成一根Φ0.7mm×25mm长的一根针。                            

此举当然引起大家好奇，因为该机其实很平常。但床身采用人造花岗岩，证明了其高刚性、高抗振性及抗热变形性能。值此可以断言，无论从质量或者环保角度来看，以人造花岗岩取代铸铁势必越来越广泛。

二、初露端倪的自动化智能工厂之路

进入新世纪后，人类已迈入新工业革命时代。作为制造业脊梁的机床工具产业，当今的竞争己不局限于单机的竞争，也不停留在成套成线的集成形式，两化融合的自动化智能工厂才是今后发展趋向。

智能工厂是数字化、网络化、智能化技术与制造技术交叉融合，以客户产品数据、优化的制造工艺流程、协调的生产制造设备为核心，以数字化产品设计、生产流程管理与调度、数字化智能化制造设备与生产线、自动化的物料配送装置为重点的系统集成，实现面向产品设计、成型、加工、装配、检测、设备安全保障、服务等各环节动态优化与整合，旨在高效、优质、清洁、安全、敏捷地制造产品和服务用户的一种新的制造模式。

在W1馆的GF展台，展示了一条为精密模具量身定制的自动化生产线。由一台机器人Transformer与高速铣削加工中心、精密数控电火花成形机和一台测量机组成。这条自动化生产线配有4m长的导轨、20工位的工件库和40工位的电极库，还配有自动化车间管理软件，约可承重200kg。拥有这条自动化生产线，可实现24小时加工，帮客户提升生产力高达280%。

上海机床厂有限公司去年为重庆綦江齿轮厂量身定制的带桁架机械手的H234数控端面外圆磨床生产线，目前已经成为该用户智能制造加工数字化关键组成部分。整套自动线包括两台H234数控端面外圆磨床和一套机器人桁架式机械手，可实现单锥结合齿工件的无人化、全自动加工。

此外，上海机床厂也为上海通用汽车有限公司汽车发动机曲轴生产线度身打造了MK8220/SD双砂轮架数控切点跟踪曲轴磨床生产线，能在一次装夹下用两个砂轮架同时磨削曲轴主轴颈和连杆颈，不仅满足了汽车发动机曲轴精密加工要求，还为汽车发动机曲轴生产线磨削进一步实现自动化与智能化打开了空间，奠定了基础。

三、层出不穷的机床结构创新

专业观众参观展览会，大都如饥似渴地想了解些结构创新，这也是展会显示实力之处，CIMT2015当然不乏靓点。

1、DMG的增材制造

引人注目的DMG MORI集团LASERTEC 65 3D，是典型的增材制造机床，然而不是3D打印，因为这是一台全功能5轴数控铣床上融入了增材式激光堆焊技术。

该机床是在高刚性monoBLOCK®整体结构5轴加工中心上，配一个2kW的二极管激光器进行激光堆焊，当增材加工结束后，再进行精密铣镗钻铰多工序加工。 

2、不断改进的Z3铣头

这次DS公司展出的Z3铣头，在卧式的三杆并联铣头上加了个立铣头，从而使加工范围更大了。

传统的A/C摆角加工方式，由于受到结构的限制，在小的加工角度变化时会表现出局限性，可能会造成刀具与零件的干涉。Z3的主轴结构，通过完全线性的自由移动结合最低的移动质量，实现了高速、高效、高动态的万向摆动加工，不受任何空间限制，使得飞机结构件的全新加工方式得以实现，同时获得了传统加工方式达不到的表面质量。

3、新颖的并联机构

这次瑞士馆威力铭·马科黛尔展台可谓人头攒动，观众对701S这台称得上微纳级的机床十分感兴趣。

    这是一台新型的并联机床，但其结构与当今大多数并联机床相反，即采用正置型式，就是垂直于水平面的主轴固定，而零件靠下面的三条腿并联机构进行回转与摆动，从而完成高速高效的精密加工。机床无需刀柄，刀具直插主轴。该机床最小分辨可达到10nm,主轴转速80000r/min,加速度为5g。所谓刀具直插主轴，就是主轴采用弹簧夹头型式，让圆柱刀柄直接进入。这种夹头是专利，可减少累积误差，切削时机床刚性相对就好，刀尖所受挠度也较小，这也是提高精度的一项措施。

   结束语

中国机床工业，已走过了近百年的历程。我们欣慰地看到，在这段历史进程中，我们从原来的落后弱小变成了机床制造大国。展望未来，中国机床由大转强称雄世界，应该不需要再等百年时间了。