日本目前的機床技術水平、特點及其發展動向

陳循介

(北京機床研究所)

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日本目前的機床技術水平、特點及其發展動向

陳循介

(北京機床研究所)

“機床”，作為制造工農兵學商醫各業、民用軍工所需各種裝備的“工作母機”，對制造業以至整個國民經濟的發展，起到極其重要的基礎性、戰略性作用。目前，世界上德國、日本的機床技術，特別是數控(NC)機床的技術水平最高，其精度、效率、自動化水平、科研、設計、制造開發新產品能力最強。日本的統計資料、數據較多，對機床技術水平與發展動向也時有積極分析。

今對日本目前的機床技術水平、特點及其發展動向作介紹，可供我國機床技術發展參考借鑒。

1　立式加工中心

發展趨勢：向低速重切削需求方向變化。

立式加工中心為銑床、鏜床類機床。在模具等板型類零件的加工、中小型零件加工領域廣泛使用。

日本2015年的立式加工中心產量為52 460臺，比上年增0.9%，金額約3 501.62億日元(約合28.7億美元，以1美元=122日元計)。

近年來，模具、航空業、重工業有關方面發展需求活躍。用戶方面的需求動向，由高速高進給向低速重切削方向變化。因為在通常情況下，加工條件嚴格，高速高進給的加工，必須要有高價的刀具。為減少費用，故重視向低速重切削方向發展。

較典型的立式加工中心機床，如日本OKK公司的VM660R型，具有高剛性、高可靠性特點，其在努力提高重切削性能。這類機床，床身采用高剛性的箱形結構、三角形結構的加強筋，大大提高了機床剛性。而且，主軸的驅動部分加入了聯齒輪，具有合適的高扭矩。

2　臥式加工中心

發展趨勢：提高加工精度和效率；飛機、汽車需求增多。

臥式加工中心，最初開發屬鏜床系列，為對應長時間開動生產線、生產需求，常裝有自動交換工作臺；而且加工面垂直具有容易排屑優點。

近年，飛機和汽車產業對其需求增多，為適應更大范圍加工需求，在大力開發適合于飛機零件加工的5軸臥式加工中心。

2015年日本生產臥式加工中心4 739臺，比上年增加7.1%，金額為1 386.68億日元(約合11.36億美元；1美元=122日元)，比上年增加5.6%，連續2年產量增加。

典型的如日本安田工業公司的YBM10T-100TT型臥式加工中心。特點是主軸裝備2個電機。既適合于高扭矩重切削，又能實現高精度高光潔度的精加工。工作臺的回轉軸采用比過去提高效率30%的驅動機構，能實現高剛性、高精度，兩全其美。該機床中國和其他亞洲國家進的很多。

3　小型加工中心

發展趨勢：實現量產零件高效加工，為實現降低費用，對大零件加工提高效率，提高復合加工機集約程度的需求增多。

小型加工中心，為具有高生產率、省占地面積、省能源、低費用特征的機床。汽車、1T(信息技術)業等的許多量產零件加工需求廣。目前，世界汽車工業等設備投資活躍，新興國家的汽車工業從日本引進合作生產增多。但中國的汽車、IT機械業界有減少傾向。近年來，為降低成本，對大工件提高生產率和復合加工機的工序集約程度的需求呼聲增加。

日本的兄弟工業公司(Brother Co)，30多年來連續不斷開發BT30號主軸的小型加工中心，不但努力提高生產效率、加工能力、環保性能等特點，還努力擴大加工領域，開發各種新機床，以對應各種加工需求，并實現豐富多彩的生產線。不斷提高主軸的剛性、扭矩，刀具制造廠不斷開發新的合用刀具，能對各種鋼件、不繡鋼件等實行高速加工。

該公司的“speedeo加速”系列小型加工中心，是機電一體化的機床，能優質高效生產加工量產的零件。其采用高效率主軸電動機，從低速區到高速區均能充分發揮高效生產能力。采用自主開發的伺服技術，能實現高速、高精度的加工。今后，機床還要加入針對不同特性零件進行特性化加工的性能和機能，使機床能實現最高的性價比。并努力開發和實現同其他公司產品的差異化。

4　龍門加工中心

發展趨勢：日本從國外引進重型機床生產，引人注目。

龍門加工中心，適合于大型工件的重切削和精密加工。裝有立臥式主軸回轉頭，裝卸主軸頭附件的5面加工機床，是適用于加工大件的重型機床。具有工作臺式、龍門式等使用各種良好附件的多種型式。在一臺機床上可加工不同大件，并能大大提高生產效率。

目前，在中國市場上，引進國外先進機床合作生產的趨向在減少。而在日本，由于政府實行輔助金政策，引進國外重型機床合作生產的勢頭正在增加。汽車和許多大型裝備制造業對重型機床的需求較多，國內外的訂貨十分興旺。

日本的新日本工機公司，擅長生產從中型到大型的機床，為汽車、飛機、建筑、能源、造船業等方面提供各種不同機床。產品種類多，適合于用戶的具體需求。

為實現在開發機床產品時降低成本，努力重視推進模塊化設計，該公司重視機床零部件的通用化技術開發工作。機床市場上的競爭，用戶的最終要需求是加工質量好、穩定、機床價格便宜。目前，出口韓國以汽車工業需求為中心的“RB系列”、“DC系列”大型機床，交易旺盛。

5　5軸加工中心

發展趨勢：提高加減速和隨動性。

5軸加工中心，是在直線運動和3軸(XYZ軸)之上，再加上2個回轉軸組成。而2個回轉軸的組成，可有多種不同方式。例如：在水平回轉工作臺上加立式回轉工作臺，在水平回轉工作臺上，加上傾斜角度變化的主軸等。

5軸加工中心還分兩種。一種是使用回轉軸不同位置的分度分軸，第二種是直線3軸加回轉2軸同時控制的5軸控制。

其特點是：①工件一次裝夾可實現多面加工；②卡具簡化；③縮短刀具長度；④提高加工精度；⑤排屑和冷卻容易。

直線3軸和回轉2軸同時控制的5軸加工中心的特點：能加工各種復雜零件的工件。但必須解決好工件和刀具的后干涉難題。

5軸加工中心，在美國阿波羅登月計劃中火箭的復雜零件的加工中曾經采用。其后，飛機的翼部和輪船的螺旋漿等零件的加工都曾使用。主要是在宇航業、造船業、軍工業有關設備制造加工中。近年來，宇航業的需求更活躍，飛機、汽車、家電方面等許多復雜零件的加工，需求活躍。

三井精機公司，擅長5軸加工中心的制造開發，在飛機、模具上都采用其機床，十分興旺。以北美為中心的宇航業的許多用戶，對5軸加工中心的技術要求十分嚴格，針對產品加工要求開發機床。要對應鈦合金等難切削材料的高效加工、用戶的特殊要求，相應的柔性化等需要供應優質機床。近來，機床開發的注意力主要集中在對機床采用回轉軸的直接傳動(DD)電機、提高加減速和隨動性上。三井精加工業公司的Vertex 55xII葉片加工5軸MC。

6　NC立式車床

發展趨勢：超高壓冷卻部加工難切削材料。

NC立式車床，是主軸垂直的車床，直徑大的重型工件加工時使用。當其裝有刀具自動交換裝置時，成為加工中心一類的產品。最近，航空方面、發電業等需要高質量的軸承，其制造廠對比試車床多有需求。

飛機的發動機零件，大都采用鈦合金、鎳基合金等材料，立式車床為了提高難切削材料切削效率和生產率，常采用超過7 MPa的超高壓冷卻液。

日本的O-M公司，應顧客需要，常采用切屑罩、混合冷卻液、冷卻液專門裝置等最適用的冷卻系統方案。其主力機種“V1Lex”系列NC立式車床，具有高效率、高耐性、高精度的特征，適合于飛機零件，特別是火箭、導彈、引擎、零件的加工。

在國內外，顧客要求加工面精銑和削減人工費用兩全；要求大力開發機床自動化、機床操作的輔助軟件等。O—M公司在致力于提高生產率、自動化、無人化，對應環境和提高操作性的各種新開發課題。

7　NC車床

發展趨勢：需求硬切削增多。

車床是利用工件裝在主軸上實行旋轉，用裝在刀架上的刀具，對工件進行圓筒形外圓切削的機床。NC車床是刀具的運動由數字控制按照一定程序對工件不同部位進行加工，主要優點是不需要依靠熟練操作工人的手腕而能實現優良品質的工件加工。

日本2015年NC車床的生產為6 765臺，比上年增1.0%，金額達2 639.53億日元(約合21.63億美元匯率1美元=122日元)。

近年，汽車零件業界交易良好。特別是近年來為減少費用，硬切削的需求增多，工件淬火后，過去需要進行磨削精加工，現在可以由硬車削來完成。設備的小型化需求更強烈。

從事量產的工用車床生產的村田機械公司已實現了硬車削、高剛性機床的組成自動線，不僅可單機使用，而且配有傳送裝置和計測設施，以交鑰匙方式提供給用戶。

8　自動車床

發展趨勢：機床和網絡融合，實現價值。

自動車床是用棒料毛坯連續加工出成品零件的機床，裝上棒料毛坯上下料裝置可實現機床長時間運轉，還有主軸箱可移動的結構，對細長棒料毛坯實現工件的自動加工。

主軸箱不移動的結構，則能實現短工件的加工，加工內容可包括車削、開孔、鉆孔、鉆削、鏜削等。還可附有主軸停止裝置，實現銑削、切斷等二次加工。

西鐵城機械公司，近年來開發了對應新形勢不同新型棒材毛坯加工的多工位加工中心MC20型NC自動車床。而且為提高性價比還考慮用戶的使用環境，開發適應用戶環境的新型機床，今后其努力方向是進一步提高性能復合化程度，減少空運轉時間，進一步提高生產率。

該公司還提供在機床上具有強切削切割的低周波振動切削技術，組入激光加工機能的機床。目前國內外多購買中高級水平的機床，特別是日本、美國先進國家的銷售情況良好。其中，L系列、M系列、BNJ系列、BNA系列的機床，聲望很高。

9　其他NC銑床

發展趨勢：開發對應專用加工的機床技術能力。

銑床是刀具旋轉進行切削的機床，是萬能型加工機床，現在還有一些用于特殊加工的專用NC銑床，平面銑、仿形銑、溝槽銑、半月形溝槽銑、曲軸銑等等，也都是用戶所需要。

要求品質好、可靠、加工性能穩定、縮短循環時間、減少運轉費用等，特別是特殊的鍵槽銑床。這種銑床專用性強，機床含有專用卡具、刀具、鍵槽特殊加工用裝置等。

日本的元久保工作所，專門開發特殊用途鍵槽銑、銷子銑、花鍵銑、半月形溝槽銑等專用銑床，價格實惠，能使用10～20年，性能穩定可靠。現在汽車業零件、摩托車零件，各種產業需用的專用銑床需求活躍。

10　鏜床

發展趨勢：能源業等購買活躍大大提高自動化。

鏜床，在回轉主軸和鏜桿上裝銑刀對工件進行孔加工，達到規定尺寸和高精度。一般不僅進行鏜削，還裝鉸刀進行鉸制加工，可進行平面切削、銑加工等。最近，在鏜床上還像加工中心(MC)一樣，裝有自動換刀裝置(ATC)。

日本2015年鏜床的產量為318臺比上年增23.7%，金額為150.92億日元(約合1.23億美元，按匯率1美元=122日元計算)，增幅較大，創經濟危機以來最高額。

活躍的能源業等有關長遠性發展產業需求活躍，日本野村制作所從1958年以來一直生產開發鏜床，重點針對美國能源市場。該廠的著力點是在NC臥式或鏜床上裝有面盤，安裝工件成為“面削中心”。在臥式鏜床上進行車削，必須裝有可卸式面盤。該廠的“面削中心”組入面盤，對工件的安裝大大縮短調整時間，實現高剛性、高效率生產。

11　NC外圓磨床

發展趨勢：提高生產效率，節省占地面積呼聲高。

外圓磨床是用回轉軸砂輪，對圓筒形回轉工件進行外圓面加工機床，用于對工件實現高精度加工。

磨削的方法有：①砂輪對回轉工件進行切入式磨削。②工作臺左右移動，砂輪對裝在工作臺上的工件進行切入和往復運動磨削。③傾斜的回轉工作臺，對工件進行圓錐形加工等。

2015年，日本生產NC外圓磨床1 704臺，比上年增10.4%。金額為417.2億日元(約合3.4億美元，以比率1美元=122日元計)。

近年來，汽車業等有關行業對NC外圈磨床購置活躍，特別是汽車傳動部件的市場需求更多。由于燃料費提高，在進一步加強傳動部件的小型化、輕量化產品的開發上，競爭激烈，因此國內外對NC外圓磨床在提高生產效率、省占地面積等的呼聲更強烈。日本杰伊德克特公司按照需要，于2016年4月11日推出了新的NC外圓磨床e500G系列。該機床系采用自行開發的軸承，剛性和減衰性能大大提高，能實現更可靠穩定的磨削與精度。

12　NC內圓磨床

發展趨勢：適于汽車重要零件加工向高精、高效、高自動化發展。

NC內圓磨床，磨削各種零件的內孔，適合于各種裝備和精密部體零件的精密加工，不能磨削與孔垂直的端面。砂輪架上采用內裝飾式電動機，是剛性大大提高的機床。

內圓磨床在向智能化發展。砂輪對工件的粗磨和精磨，可由時間來自動控制，機床配有學習最適磨削條件的CNC系統。裝有各種傳感器，來幫助實現磨削的自動化、智能化。

近年來，汽車、風力、太陽能發電等再生能源、機器人有關裝備的需求形勢良好，從而軸承、齒輪等配套的需求也增多。為提高加工效率和精度，對NC內圓磨床的需求增多，因此，機床上配裝傳送裝置，采用機器人實現無人化、省力化的需求不斷增多。為對應這些需求，日本的豐田歐以迪克公司開發了裝有自動換砂輪裝置(ATC)機器人、儲存器、傳送裝置等能實現24小時連續運轉、穩定工作的內外圓磨削加工TVG—20C系列機床。該機床的砂輪主軸和控制輪體均由其自行開發。

該公司對機床的開發的關鍵詞為自動化、工序集約、高精度三點。自動化，目標為安裝、調整的省力化、無人化。工序集約為一次工件裝夾，能實現復數面的加工，大大提高工件加工的質量精度。機床的性價比高，對用戶的需求密切重視。

13　NC平面磨床

發展趨勢：注重在機床上測量和復合化加工。

平面磨床，是用砂輪對工件表面進行精密加工的機床。角形、板形件的精密加工都需采用。平面磨床有多種型式，砂輪軸有水平的臥式、垂直的立式平磨，還有橫梁移動的龍門式磨床多種。

日本2015年的平面磨床產量為600臺，比上年增加10.9%，金額為118.48億日元(約合0.97億美元，匯率1美元=122日元)，比上年增加3.6%。

目前，汽車業需要的壓力機模具和鍛造機用的模具需求情況活躍。模具的成套件增多，精度要求不斷提高，另外鑄造模具不用切削加工而用精密成形法制成。近年來，工件在機床上測量，內圓、外圓磨削復合化需求增加。

針對這些需求，日本岡本機床制作所作為綜合性的砂輪加工機床制造者，對機床和砂輪等總的技術需求，發展方向研究強化。而且，不斷投入人才，加強對高效率磨削、復合磨削、機上測量/自動補償等重大技術進行開發。

14　NC無心磨床

發展趨勢：國內外對提高自動化需求上升。

無心磨床，是用磨削砂輪、支持導輪、支數3點支承，對圓形工件進行精密磨削的機床。主要特點：當工件加工時，無車床外圓磨床那樣的卡盤和頂尖支承，節省了工件的裝夾。工件上供料和卸料快，能實現大量生產。圓形工件的磨削，采用通過法，錐形工件等采用切入磨削法。

日本2015年，無心磨床出口117臺，金額16.47億日元(約合0.135億美元，以匯率1美元=122日元計)。其中，對中國的出口金額為6.32億日元(約0.051億美元)，占全體的40%。

15　NC工具磨床

發展趨勢：提高自動化程度，實現長時間無人化運轉。

NC工具磨床，目的是磨削各種不同刀具，無特殊結構。主要是應用外圓磨床和平面磨床的一些技術。加工對象為可換端銑刀，錐形端銑刀、鏜削端銑刀、弧形端銑刀、鉸刀等。正面銑等復雜形狀的刀具較多。為此，需要多軸控制，多的甚至要10軸控制。工件一次裝夾，對外圓、尖端、圓弧等全自動磨成。能實現刀具的連續加工。

目前，汽車、飛機產業對NC工具磨床的需求活躍。而切削刀具的消費量增多，刀具制造者和磨削行業的銷售情況良好。對高精、高效磨削，難切削材料的自動化加工、自動測量、自動補償自動加工的自動化需求增多，也需求進一步充實砂輪冷卻裝置。自動潤滑油供給裝置搭載，對切削刀具的重磨、刀具制造的效率和高精度機能進一步充實。

牧野機床精機公司的NC工具磨床，擁有熱變形對策，減少振動特點的卡盤，有高功率的砂輪軸，能實現連續無人化運轉，長時間穩定，高精、高效的磨削。對中國、泰國、印度尼西亞等國的銷售情況良好。其主力產品為AGE30型高精度CNC工具磨床。機床具有高強度結構設計。搭載自動化裝置，采用獨自開發的編程系統，操作性好，加工效率高。

16　NC齒輪磨床

發展趨勢：提供平衡的良好加工方法。

NC齒輪磨床，是對液化后的齒輪進行高精、高效加工的機床，加工方式主要有2種：一種是創成式，采用滾齒形式砂輪的瑞士Reishauer方式；一種是采用2片碟狀砂輪磨削的美國Maag方式。最近，汽車減速機、農業機械等事業發展，對高精度齒輪的需求增多。

用戶的需求是高精度、低運轉費用，縮短循化時間。

日本清和鐵工公司的開發方針是針對用戶的不同需求提供最佳方案。對精度、效率、減少費用三者進行平衡，研究提供最佳加工方法。采用CBN砂輪進行創成，成形齒輪磨削、CBN砂輪壽命長，不需要砂輪修正，加工費用下降。創成磨削法，能進行粗、精加工，適合于汽車傳動齒輪等的大量生產。成形磨削機床，對建筑機械等的大型齒輪精加工比較合適。

17　NC滾齒機

發展趨勢：汽車關連產業，購買情況良好，要求高速化、復合化。

NC滾齒機，是齒輪加工方面的主力機種。齒輪的用途和要求性能各異，對滾齒機的要求也有所不同。例如，汽車傳動用齒輪高速運轉，要求高精度、高生產率、低振動、低噪音。

隨著排氣新規則、新型傳動的開發，汽車業有關方面對齒輪的需求增多。日本國內最近對機床在縮短循環時間、加工高速化、復合化的要求增多。特別是齒輪加工的復合化程度要求提高。

日本2015年NC滾齒機生產611臺，比上年增加18.4%，金額為235.62億日元(約合1.93億美元，按匯率1美元=122日元計)，比上年增加32.9%。

近年來，齒輪加工引人注目的是開發出一種琢齒加工法(scabbing)，日本卡西富士公司在研究開發琢齒專用機系列。而且硬齒面滾切加工業也在發展，還在開發切削水平更高的高精度加工方法。

18　NC放電線切割機

發展趨勢：向高精度和無人化兩方面發展。

放電線切割機，是用線作為電極，通過放電時工件的互相作用、進行加工。壓模、沖橫加工等使用。能進行精密加工，缺點是時間長。用戶大多在夜間開動，希望實現自動化無人化。

日本2015年產量2 516臺，金額為306.62億日元(約合2.51億美元，以匯率1美元=122日元計)，是經濟危機以來最高額。

汽車業關連的連結加工模具和探測器用的聯接頭模具等，市場情況良好。最近，對提高加工光潔度、精度、效率、微細加工的需求增多。日本西部電機公司生產的新型機床和新型電路，為自主開發，能實現自動化、無人化加工。而且電線的自動結線和核心針腳機能、熱調節等技術均為自主開發，高精度、無人化兩全其美。

19　NC電加工成形機床

發展趨勢：需求進一步提高精度和效率。

NC電加工成形機床，是利用電極和工件之間的從千分之一秒到百萬分之一秒的電脈沖放電作用，將電極的形狀轉變成為工件形狀的機床。這種加工方法的優點，是不受工件硬度的限制，可對淬火鋼、超硬合金，各種難切削材料進行高精度加工。電極材料采用銅和石墨材料，電極的控備遠比復雜加工更為簡單。

2015年日本的NC電加工成形機床為646臺，比上年增加20.7%，金額為76.97億日元(約合0.63億美元，按匯率1美元=122日元計)，是經濟危機后的最高額。

近年來，汽車關連和手機等情報終端的市場活躍。汽產業為提高生產率，推進鍛造化，對鍛造模具需求增多。情報末端部件要求小型化，微細高精度模具需求增加。而且，模具加工，迫切要求提高精度和效率。

日本三菱電機公司的NC放電成型加工機，有自主開發的“消熱功能”創新技術。能實現高精度加工。組入人機交互網絡，能大大提高電加工的生產效率。

20　NC小孔電加工機床

發展趨勢：向微細化和超高速加工發展。

NC小孔電加工機床，是在從為加工線切割機的初始小孔和模具放氣通孔開始而普及的機床。可應用于加工φ0.1 mm以下的小孔。一般的小孔加工，是用電加工機床、激光加工機、小孔鉆床切割而成。而NC小孔電加工機床，則用于深孔、孔深/直徑(L/D)超過500的加工。近年來汽車、飛機、醫療機械、半導體的陶瓷模具、各種精密件、特殊開發加工等的小孔加工需求增多。

為提高飛機發動機燃燒效率，不斷開發能耐引擎燃燒突高溫的鈦合金和鎳合金難削材料，不受材料硬度約制的小孔電加工機床各方面需求增加。另外，由于各種復雜的小孔加工情況特殊，對機床技術本身提出了許多要求，如平平板加工時，為了使用解析技術達到冷氣流動最適角度，必需加工復雜角度的小孔；醫療機械零件的小孔加工，有各種不同復雜情況，要求機床的主軸頭能擺動，工作臺能轉動等等。

日本的阿司迪克公司，不僅重視開發性價比高的通用性NC小孔加工機床，還重視開發連續加工、針對各種不同小孔加工需求的專用機床。

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Technical level, characteristic and developing trend of current Japanese machine tools

CHEN Xunjie

(Beijing Machine Tool Research Institute)

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