新工業革命時代的機床發展之路——CIMT2015加工中心評述

本刊特約撰稿/Special Reporter of MT&MT 徐正平/XU Zhengping

第14屆中國國際機床展覽會（CIMT2015）于4月20-25日在北京舉行，來自個28國家與地區的1554家展商參加了這次盛會。

這次展會是在沸沸揚揚的工業革命浪潮聲中舉行的，網絡時代對機床發展之路的影響忽隱忽現有所體現。同時這次展會又是在國際制造業普遍不景氣的情況下舉行的，然而展會面積與觀眾人次卻同比增長4%和9.35%，這說明作為制造業脊梁的機床工業，其地位難以撼動，因此大家對市場要有信心，機床發展之路必將越走越寬廣。

加工中心當然是展會的重頭戲，這次共展出約220臺，其中立式102臺，臥式48臺，龍門280。值得欣慰的是，國內展品的檔次大有提高，五軸加工中心比比皆是，甚至機床外觀造型許多也和進口機床難分伯仲。

一 機床發展必須依托先進制造技術

機床要發展，必須依托先進制造技術。當今先進制造技術主要包括：智能制造、微納制造、生物制造、新材料、新能源等等，由這些技術武裝起來的展會內容，可謂豐富多彩。

1 網絡制造

國際三大機床巨頭異曲同工開發出網絡時代的機床控制新系統，無疑是本屆展會的一大看點。

（1）自德馬吉與森精機重組后，聯合開發了一款CELOS?控制系統及相關軟件，它能使機床變得越來越聰明，且操作越來越簡單。所以該集團董事會主席卡披薩（Rüdiger Kapitza）博士多次表示：今后所有的DMG MORI高端機床，基本上都要配置CELOS?系統。

這是網絡信息時代的一種全新智能化數控系統，可幫助用戶實現從構思到成品的全方位加工需求。該系統具備不少優點，例如，機床能將所有與生產相關的信息，如工件形狀，刀具、夾具配置，切削參數及加工程序等，都集成在一個加工任務包內，并立即顯示在“任務管理器”中。加工任務單所需的所有文檔、數據和信息都用結構化方式進行管理，因此這些數據也可在以后的加工中或重復訂單中被快速提取使用。

在這次北京展中，該集團又推出了4款CELOS?新應用程序，并首次提供PC版軟件，用戶可以在工作準備中通過直接連接機床的計算機連續進行生產計劃。

總之，現在提供12個CELOS?應用程序并全部可通過“應用程序選擇器”選用。其中也包括“數控應用程序”。用這個CELOS?應用程序，DMG MORI?讓用戶只需要點觸21.5”ERGOline?的多點觸控顯示器中的相應圖標就能立即切換到常規數控系統界面。

展會期間，筆者在CEO論壇及新聞發布會上兩次和卡披薩博士作過簡單交談，我問這次DMG MORI展品的最大亮點是什么，他說是CELOS?；我問那么CELOS?是否可以裝備在中國機床上呢？他不假思索地當眾回答：當然。

（2）i5數控系統是由沈陽機床集團自主研發的具有完全自主知識產權的智能化數控系統。該數控系統集成了運動控制技術、計算機技術、網絡技術和信息技術，為用戶提供操作簡單、兼容性強、可靠性高的智能化數控產品。

基于“服務于機床全生命周期”的設計理念，i5數控系統圍繞以下4個方面開發了諸多智能化功能：操作便捷、編程便捷、維護便捷及管理便捷。

此外，i5數控系統實現了傳統機床與互聯網的連接，具有強大的數據挖掘能力，可實現與WIS（車間生產管理系統）和i平臺的無縫對接，將機床信息實時傳輸給上層服務器，使車間信息化和設備管理變得十分容易。

沈陽機床集團董事長關錫友先生同樣也對這款產品關心備至，他曾在多種場合表示，今后沈陽機床大多數均要由i5裝備，并不斷完善與發展。

（3）日本山崎MAZAK在這次展會上同樣也推出了一種順暢加工理念Smooth Tecnolyge，馬扎克（中國）有限公司總經理董慶富先生在這次展會CEO圓桌討論時說，Smooth X是山崎公司近期推出的主打產品。Smooth順暢加工技術通過更短的加工周期和極其便捷的操作，致力于提高用戶的生產效率。

這個第七代的Mazatrol數控系統，主要涵蓋了五軸復合加工技術，高速、高精度技術，智能化技術，網絡技術，自動化柔性生產線和環境保護及人體工程設計等7個方面，使機床的控制技術幾乎達到至臻至美。

2 智能制造

智能制造是機床創新驅動的重點之一，展會中的介紹也是令人目不暇接。

（1）日本MAZAK的智能制造包括裝備、生產、管理、服務以及產品等5個方面，就產品而言，機床配備了針對加工熱變位、切削震動、機床干涉、主軸監測、維護保養、工作臺動態平衡性及語音導航等7項智能化功能，使得機床猶如人類一樣具有“感官”的功能，可以自行監控機床運轉狀態，并進行自主反饋，從而大幅度地提高了機床運行效率及安全性，同時也可降低對于高技術操作人員的依賴。經過10年的發展，目前馬扎克機床的智能化產品已經從最初的7種，擴展到了現在的12種，可以說是真正地將機床帶入了智能化時代。

（2）日本牧野的智能加工主要體現在軟件控制方面，幾款軟件各具特點。其中，FF/cam軟件配合在展出機床中一起使用。該軟件的FF加工方法，能制作高精度順滑的刀路，良好的NC數據保證了機床穩定的切削力及載荷，因此能使機床充分發揮出極限性能。MPmax軟件能讓機床生產率達到最大化，并且可隨時監看到機床實時加工操作狀況，即時獲得管理數據。STLCAM是多面體模型軟件，追求的是最真實的質感，能運算高達8GB大小的STL數據文件。

（3）瑞士GF公司在現場觀眾陣陣驚嘆聲中表演了主軸撞擊試驗，一臺配置20000 r/min電主軸的MIKRON HPM 800U高性能五軸聯動加工中心，主軸夾持直徑80 mm面銑刀在低速旋轉時以12 m/min的進給速度撞向工件，在撞擊之后動平衡與被撞之前還保持在同一個精度區間，彰顯了主軸的防撞保護功能，而起關鍵作用的是MSP軟件。

擁有了MSP，一旦發生碰撞，主軸能夠吸收軸向和橫向發生的偏移。碰撞之后，一旦主軸返回正常的運行狀態，MSP功能能夠使主軸恢復到理想的精度。還要強調的是，GF主軸防撞保護功能可在XYZ三個矢量空間都得到保護，而非單個方向。

（4）大隈推出的五軸調和功能也是一種的典型智能技術。在五軸聯動加工中心中，當加工異形曲面時，瞬時旋轉軸與直線軸的相對位置變化，難免對精度產生影響，比如旋轉軸與直線軸的中心偏差，旋轉軸與直線軸的垂直度偏差等。

大隈開發五軸調和系統的目的，是希望讓客戶能夠長久把精度保持好，其原理是用一個基準球，然后用紅寶石探頭進行測量，通過機床的智能化系統，對上述這些精度誤差進行自動補償，達到機床的驗收精度標準。

（5）海德漢的智能技術。海德漢展出了兩款基于全新NC內核的數控產品TNC 640和TNC 620。

動態高效是海德漢一系列創新的TNC功能，幫助用戶更高效地進行重型切削和粗加工，同時能提高加工過程可靠性。由于這些是軟件功能，因此不需要對機床的任何機械系統進行改造。動態高效幫助用戶提高材料切除速度和縮短加工時間。實際應用中，材料切除速度可提高25%。

TNC 640是海德漢新一代數控系統，繼承了iTNC 530的高速、高精、五軸聯動和智能加工等先進功能,適用于高性能銑削類機床和銑車復合機床。它支持高分辨率的三維圖形模擬，也具備諸多創新的智能制造功能，如智能防碰撞和自適應進給控制等。TNC 640的高級動態預測（ADP）、動態高效、動態高精功能可以大幅提高加工效率和表面光潔度，適用于航空航天、模具制造、醫療等高端行業。

TNC 620是中高檔輪廓控制器，適用于高速、高可靠性、高精度輪廓加工機床，支持五軸聯動加工。其顯示界面和編程方式與iTNC 530風格一致，而且加工程序完全兼容。編程過程中的提示信息、問答和圖形幫助為操作人員提供了最佳支持。高速的程序段處理時間（1.5 ms）和精準的輪廓精度控制既滿足了高速切削，又能保證光滑的表面質量。

3 理化加工

傳統的金屬切削機床理念就是用機械加工方式對金屬零件進行加工。然而在當今新工業革命時代中，利用物理與化學原理對金屬零件進行加工的方式也層出不窮，展會上也可見一斑。

（1）微鍛技術：瑞士Starrag集團介紹了一種用微鍛精加工葉片技術。所謂“微鍛”，就是采用電磁驅動原理進行驅動，線圈中通過電流，使微鍛頭產生運動。力與電流成正比，通過改變電流方向，就可實現鍛頭往復運動。

通常，葉片在常規銑加工后，表面會有銑刀所留下的波浪線。銑加工后的表面粗糙度一般在Ra1.6-Ra0.8之間。后續需要采用振動光飾和噴丸強化等工藝，以提高葉片表面精度并使表面實現壓應力，為此需要額外的振動光飾設備和噴丸強化設備。而今采用集成的微鍛技術，葉片在銑加工后直接在銑削加工中心上進行微鍛加工，可以取代后續的振動光飾和噴丸強化工藝，從而省去這兩種工藝的設備，實現葉片加工后直接用于裝配。

微鍛頭平時放置于刀庫中，使用前自動交換至主軸中。微鍛頭所需要的電、氣供應在交換至主軸后自動連接。微鍛參數可以在數控程序中設定。

（2）化學加工：電化學加工的原理是：工件作為陽極，刀具作為陰極，在這兩種電極流動之間電解液可以溶解工件上的金屬離子。陰極形面與工件相匹配，發生電荷交換，陽極工件被溶解，從而確保去除工件上不需要的部分。不同的工件輪廓、環形通道、直槽以及環形槽都無需接觸工件即可形成，且精度高、刀具磨損小。EMAG公司研究該技術主要是為航空發動機制造行業提供專用的工藝制造設備，應用于飛機發動機核心零部件的生產和制造，例如高溫鎳基合金材料制造高精度整體葉盤、帶燕尾槽盤以及單個葉片等。

（3）液態CO2冷凍切削：多年前，美國MAG研究出一種液氮冷卻切削加工，即在-320℃情況下，對零件進行切削。如今，瑞士Starrag公司用液態CO2進行冷凍切削并成功地應用于加工中心LX051上，取得了成功突破。在切削時刀具的切削溫度從160 ℃降至40 ℃，切削速度從320 m/min提高到400 m/min，既減少刀具磨損，也延長了刀具壽命。

（4）激光制網紋：利用激光束對零件進行金切或成形加工在展會上已是屢見不鮮的事，但GF公司的激光網紋加工卻頗具特色。

當今不少手機、電腦、家電及汽車內飾件等，其表面往往有一層細微網紋，那是由模具加工而成的。以往，制作這種模具紋理是經過化學蝕刻處理而成，但該項技術還依賴手工工藝，可重復性極低，工藝難度比較大，且化學蝕刻對環保也有影響。

這次GF公司展出的Laser系列五軸激光加工機床將工件置于回轉臺上，激光頭作Y向擺動。它采用激光燒蝕技術，使用灰度色差原理（最多256層）進行表面渲染及程序處理，可細致逼真地還原紋理細節。用戶只需提供設計的紋理圖片，它就能實現從想法到最終產品的全數字化工藝過程。

激光紋理加工可以應用在各種材料上，包括石墨、鋁、銅、鋼、碳、黃銅以及陶瓷。既可以加工模具表面紋理，也可以在零件上直接加工，它使得用戶可以自由發揮關于工件尺寸和紋理形狀的三維創造力。激光燒蝕技術沒有刀具損耗，沒有加工廢棄物，實現了真正的綠色加工。

4 新材料應用

當今在航天航空及汽車制造領域，正熱火朝天地研究輕量化課題，其核心就是對新材料的應用，機床行業當然也不例外。

德國TRAMEC公司展出了A、C五軸聯動龍門加工中心銑頭，這是一家有20多年經驗的專業研制銑頭的企業。由于銑頭體采用了新穎球墨鑄鐵材料，其強度高，韌性強，吸震、減震性也好，殼體經過一次壓鑄成形。采用這種適宜于重切削的龍門銑頭，比其他同等扭矩、功率、轉速和鎖緊力的銑頭要輕30%左右，甚至有的型號要輕450 kg。當然，他們在設計上也下足功夫，使得銑頭體積比同類產品要小10%-20%左右。這種輕量化改進結果，就使得該系列產品既節能，又提高進給速度，并且最大限度地減少加工時產生的震動。因為震動少，從而生產出來的產品表面粗糙度好，精度能控制在5 μm以內。

帝馬數字機器（深圳）公司展臺上，配備BT40主軸的VBZ640立加，正以4000 r/min轉速，把一塊15 mm×15 mm的鋼件，銑削成一根Φ0.7 mm×25 mm的針。

此舉當然引起大家好奇，因為該機其實很平常，數控系統選用FANUC 0M半閉環控制。但床身則采用人造花崗巖，這就證明了它的高剛性、高抗振性及抗熱變形性能。值此筆者敢斷言，無論從質量或者環保角度來看，人造花崗巖取代鑄鐵為設計勢必越來越多。然而，優質床身僅是一個方面，還需優質裝配。該公司每臺機床出廠均經過球桿儀檢驗，這就給大家提了個醒，機床出廠僅靠激光螺補直線軸，其效果是不及檢測二維走圓來得好。

同樣，瑞士Starrag集團的寶美公司和西普公司，聯合開發的s-191 Linear是一臺微納坐標鏜級的車銑插磨復合加工中心，機床定位精度2.5 μm，重復精度1 μm，能對高硬度的激光陀螺儀進行加工。雖然其主體為微晶玻璃（K9），非常堅硬，然而由于采用了直線電動機、扭矩馬達、全機床恒溫及西普手工刮研等先進技術，使用單點金剛石刀具經一次裝夾就可完成高精度、高表面質量的微晶腔體所有機械加工。除此以外，該機床的所有鑄件均采用特殊的高強度鑄鐵，可見優質新材料的應用對機床精度是如此重要。

二 初露端倪的自動化智能工廠之路

進入新世紀后，人類已邁入新工業革命時代。作為制造業脊梁的機床工具領域，當今的競爭已不局限于單機的競爭，也不停留在成套成線的集成形式，兩化融合的自動化智能工廠才是今后發展趨向。如果解讀德國工業4.0的話，其一是智能化生產，其二就是智能化工廠。

智能工廠是數字化、網絡化、智能化技術與制造技術交叉融合，以客戶產品數據、優化的制造工藝流程和協調的生產制造設備為核心，以數字化產品設計、生產流程管理與調度、數字化智能化制造設備與生產線、自動化的物料配送裝置為重點的系統集成，實現面向產品設計、成型、加工、裝配、檢測、設備安全保障和服務等各環節動態優化與整合，旨在高效、優質、清潔、安全、敏捷地制造產品和服務用戶的一種新的制造模式。

在GF展臺展示了一條為精密模具量身定制的自動化生產線，由1臺機器人Transformer連接在精密模具制造中典型應用的高速銑削加工中心、精密數控電火花成形機和1臺測量機組成。這條自動化生產線配有4 m長的導軌，20個工位的工件庫和40個工位的電極庫，還配有自動化車間管理軟件，可承重約200 kg。擁有這條自動化生產線，可實現24 h加工，幫客戶提交生產效率高達280%。

上海機床廠有限公司去年為重慶綦江齒輪廠量身定制的帶桁架機械手的H234數控端面外圓磨床生產線，目前已經成為該用戶智能制造加工數字化車間的關鍵組成部分。

H234數控端面外圓磨床適用于大批量加工軸類件的外圓、端面的加于。采用FANUC-0i數控系統分別控制砂輪架（X軸）的進給和工作臺（Z軸）的移動；配備前置式修整器，利用數控兩軸聯動修整砂輪。能在一次安裝工件條件下，完成多檔外圓、端面磨削的自動循環磨削。整套自動線包括：2臺H234數控端面外圓磨床和1套機器人桁架式機械手。2臺磨床分別采用不同相位的砂輪，可以在工件不掉頭的條件下，完成所有的外圓及端面的磨削。桁架式機械手可自動上料、換料、換工位和下料。整套自動線可實現單錐結合齒工件的無人化、全自動加工。此外，上海機床廠也為上海通用汽車有限公司汽車發動機曲軸生產線度身打造了MK8220/SD雙砂輪架數控切點跟蹤曲軸磨床生產線。作為國家重大專項課題，它能在一次裝夾下能用兩個砂輪架同時磨削曲軸主軸頸和連桿頸，不僅滿足了汽車發動機曲軸精密加工要求也為汽車發動機曲軸生產線磨削進一步實現自動化與智能化打開了空間、奠定了基礎。

談及智能化工廠，免不了要講機器人。這次展會上機器人與機床聯手已是屢見不鮮了，鑒于此方面介紹筆者前幾屆巳有評述，限于篇幅，這里就不贅述了。

三 層出不窮的機床結構創新

專業觀眾參觀展覽會，大都如饑如渴地想了解一些結構創新，這也是展會顯示實力之處，CIMT2015當然不乏靚點。

1 DMG的增材制造

引人注目的DMG MORI集團LASERTEC 653D，是道地的增材制造機床，然而不是3D打印，當然稱其復合加工也可以，因為這是一臺全功能五軸數控銑床上融入了增材式激光堆焊技術。

該機床是在高剛性monoBLOCK?整體結構五軸加工中心上配1個2 kW的二極管激光器進行激光堆焊，當增材加工結束后再進行精密銑鏜鉆鉸多工序加工。當然，銑削加工與激光加工之間能全自動切換。它能完整加工帶底切的復雜工件，也能修復諸如模具等機械零件，甚至是全面的噴涂加工。

與傳統的激光焊接方法不同，激光堆焊技術通過金屬粉末噴嘴可生產大型零件。堆焊速度可達1 kg/h，比通常激光方法生產零件的速度快10倍。粉末堆焊技術具有靈活性及焊接速度快等優點，如果用整塊原材料加工的話，需要銑削切除的比例達95%，而用增材方法僅在需要的地方堆焊。這將大幅節省材料和降低成本。

2 不斷改進的Z3銑頭

這次DS公司展出了Z3銑頭，他們在臥式的三桿并聯銑頭上加了個立銑頭，從而使加工范圍更大了。

傳統的A/C擺角加工方式，由于受到結構的限制，擺角驅動扭矩較小，聯動加工時能承受的切削力矩有限，且結構件加工中很多時候需要實現某些小的加工角度的變化，這時，A/C擺角結構的局限性就暴露無疑，需要進行較大范圍的擺動才能達到，可能會造成刀具與零件的干涉。

Z3的主軸結構通過完全線性的自由移動結合最低的移動質量，實現了高速、高效、高動態的萬向擺動加工，空間不受任何限制，使得飛機結構件的全新加工方式得以實現，同時獲得了傳統加工方式達不到的表面質量。

其主要參數是：A、B軸錐形工作空間的角度：+/-45°，主軸在±45°位置時的Z軸行程：370 mm，A、B軸轉速：80°/s；A、B軸加速度：685°/s2,Z軸加速度1g,主軸功率：120 kW,扭矩：83 Nm,轉速30,000 r/min。

3 新穎的并聯機構

瑞士館威力銘·馬科黛爾WILLEMIN-MACODEL的展臺也可謂人頭攢動，觀眾對701S這臺稱得上微納級的機床十分感興趣。

這是一臺新型的并聯機床，但其結構與當今大多數并聯機床相反，即采用正置形式，就是垂直于水平面的主軸固定，而零件靠下面的3條腿并聯機構進行回轉與擺動，從而完成高速、高效的精密加工。機床無需刀柄，刀具直插主軸。該機床最小分辨可達到10 nm,主軸轉速80000 r/min,加速度為5g。所謂刀具直插主軸，就是主軸采用彈簧夾頭型式，讓圓柱刀柄直接進入。當然這種夾頭是專利，廠商絲毫不肯透露一絲結構信息。只是說，如果用通常的刀柄裝夾，那么主軸與刀柄以及刀柄與刀具之間，勢必產生兩次結合面之間的累積誤差，而刀具直插主軸，誤差就減少了一次。同時由于采用直插形式，主軸端面至刀尖距離較短，切削時機床剛性相對就好，刀尖所受撓度也來得小，這也是提高精度的一項措施。

四 結語

到2016年，中國機床工業整整走過了100年的歷程。根據正式文字記載，首臺機床始于上海明精機床廠的一臺皮帶車床。我們欣慰地看到，在這段歷史進程中，我們從原來的落后弱小變成了機床制造大國，這當然是經過幾代人艱苦奮斗而得來的。展望未來，中國機床由大轉強稱雄世界，應該是只爭朝夕之事。