日本目前的机床技术水平、特点及其发展动向

陈循介

(北京机床研究所)



日本目前的机床技术水平、特点及其发展动向

陈循介

(北京机床研究所)

“机床”，作为制造工农兵学商医各业、民用军工所需各种装备的“工作母机”，对制造业以至整个国民经济的发展，起到极其重要的基础性、战略性作用。目前，世界上德国、日本的机床技术，特别是数控(NC)机床的技术水平最高，其精度、效率、自动化水平、科研、设计、制造开发新产品能力最强。日本的统计资料、数据较多，对机床技术水平与发展动向也时有积极分析。

今对日本目前的机床技术水平、特点及其发展动向作介绍，可供我国机床技术发展参考借鉴。

1　立式加工中心

发展趋势：向低速重切削需求方向变化。

立式加工中心为铣床、镗床类机床。在模具等板型类零件的加工、中小型零件加工领域广泛使用。

日本2015年的立式加工中心产量为52 460台，比上年增0.9%，金额约3 501.62亿日元(约合28.7亿美元，以1美元=122日元计)。

近年来，模具、航空业、重工业有关方面发展需求活跃。用户方面的需求动向，由高速高进给向低速重切削方向变化。因为在通常情况下，加工条件严格，高速高进给的加工，必须要有高价的刀具。为减少费用，故重视向低速重切削方向发展。

较典型的立式加工中心机床，如日本OKK公司的VM660R型，具有高刚性、高可靠性特点，其在努力提高重切削性能。这类机床，床身采用高刚性的箱形结构、三角形结构的加强筋，大大提高了机床刚性。而且，主轴的驱动部分加入了联齿轮，具有合适的高扭矩。

2　卧式加工中心

发展趋势：提高加工精度和效率；飞机、汽车需求增多。

卧式加工中心，最初开发属镗床系列，为对应长时间开动生产线、生产需求，常装有自动交换工作台；而且加工面垂直具有容易排屑优点。

近年，飞机和汽车产业对其需求增多，为适应更大范围加工需求，在大力开发适合于飞机零件加工的5轴卧式加工中心。

2015年日本生产卧式加工中心4 739台，比上年增加7.1%，金额为1 386.68亿日元(约合11.36亿美元；1美元=122日元)，比上年增加5.6%，连续2年产量增加。

典型的如日本安田工业公司的YBM10T-100TT型卧式加工中心。特点是主轴装备2个电机。既适合于高扭矩重切削，又能实现高精度高光洁度的精加工。工作台的回转轴采用比过去提高效率30%的驱动机构，能实现高刚性、高精度，两全其美。该机床中国和其他亚洲国家进的很多。

3　小型加工中心

发展趋势：实现量产零件高效加工，为实现降低费用，对大零件加工提高效率，提高复合加工机集约程度的需求增多。

小型加工中心，为具有高生产率、省占地面积、省能源、低费用特征的机床。汽车、1T(信息技术)业等的许多量产零件加工需求广。目前，世界汽车工业等设备投资活跃，新兴国家的汽车工业从日本引进合作生产增多。但中国的汽车、IT机械业界有减少倾向。近年来，为降低成本，对大工件提高生产率和复合加工机的工序集约程度的需求呼声增加。

日本的兄弟工业公司(Brother Co)，30多年来连续不断开发BT30号主轴的小型加工中心，不但努力提高生产效率、加工能力、环保性能等特点，还努力扩大加工领域，开发各种新机床，以对应各种加工需求，并实现丰富多彩的生产线。不断提高主轴的刚性、扭矩，刀具制造厂不断开发新的合用刀具，能对各种钢件、不绣钢件等实行高速加工。

该公司的“speedeo加速”系列小型加工中心，是机电一体化的机床，能优质高效生产加工量产的零件。其采用高效率主轴电动机，从低速区到高速区均能充分发挥高效生产能力。采用自主开发的伺服技术，能实现高速、高精度的加工。今后，机床还要加入针对不同特性零件进行特性化加工的性能和机能，使机床能实现最高的性价比。并努力开发和实现同其他公司产品的差异化。

4　龙门加工中心

发展趋势：日本从国外引进重型机床生产，引人注目。

龙门加工中心，适合于大型工件的重切削和精密加工。装有立卧式主轴回转头，装卸主轴头附件的5面加工机床，是适用于加工大件的重型机床。具有工作台式、龙门式等使用各种良好附件的多种型式。在一台机床上可加工不同大件，并能大大提高生产效率。

目前，在中国市场上，引进国外先进机床合作生产的趋向在减少。而在日本，由于政府实行辅助金政策，引进国外重型机床合作生产的势头正在增加。汽车和许多大型装备制造业对重型机床的需求较多，国内外的订货十分兴旺。

日本的新日本工机公司，擅长生产从中型到大型的机床，为汽车、飞机、建筑、能源、造船业等方面提供各种不同机床。产品种类多，适合于用户的具体需求。

为实现在开发机床产品时降低成本，努力重视推进模块化设计，该公司重视机床零部件的通用化技术开发工作。机床市场上的竞争，用户的最终要需求是加工质量好、稳定、机床价格便宜。目前，出口韩国以汽车工业需求为中心的“RB系列”、“DC系列”大型机床，交易旺盛。

5　5轴加工中心

发展趋势：提高加减速和随动性。

5轴加工中心，是在直线运动和3轴(XYZ轴)之上，再加上2个回转轴组成。而2个回转轴的组成，可有多种不同方式。例如：在水平回转工作台上加立式回转工作台，在水平回转工作台上，加上倾斜角度变化的主轴等。

5轴加工中心还分两种。一种是使用回转轴不同位置的分度分轴，第二种是直线3轴加回转2轴同时控制的5轴控制。

其特点是：①工件一次装夹可实现多面加工；②卡具简化；③缩短刀具长度；④提高加工精度；⑤排屑和冷却容易。

直线3轴和回转2轴同时控制的5轴加工中心的特点：能加工各种复杂零件的工件。但必须解决好工件和刀具的后干涉难题。

5轴加工中心，在美国阿波罗登月计划中火箭的复杂零件的加工中曾经采用。其后，飞机的翼部和轮船的螺旋浆等零件的加工都曾使用。主要是在宇航业、造船业、军工业有关设备制造加工中。近年来，宇航业的需求更活跃，飞机、汽车、家电方面等许多复杂零件的加工，需求活跃。

三井精机公司，擅长5轴加工中心的制造开发，在飞机、模具上都采用其机床，十分兴旺。以北美为中心的宇航业的许多用户，对5轴加工中心的技术要求十分严格，针对产品加工要求开发机床。要对应钛合金等难切削材料的高效加工、用户的特殊要求，相应的柔性化等需要供应优质机床。近来，机床开发的注意力主要集中在对机床采用回转轴的直接传动(DD)电机、提高加减速和随动性上。三井精加工业公司的Vertex 55xII叶片加工5轴MC。

6　NC立式车床

发展趋势：超高压冷却部加工难切削材料。

NC立式车床，是主轴垂直的车床，直径大的重型工件加工时使用。当其装有刀具自动交换装置时，成为加工中心一类的产品。最近，航空方面、发电业等需要高质量的轴承，其制造厂对比试车床多有需求。

飞机的发动机零件，大都采用钛合金、镍基合金等材料，立式车床为了提高难切削材料切削效率和生产率，常采用超过7 MPa的超高压冷却液。

日本的O-M公司，应顾客需要，常采用切屑罩、混合冷却液、冷却液专门装置等最适用的冷却系统方案。其主力机种“V1Lex”系列NC立式车床，具有高效率、高耐性、高精度的特征，适合于飞机零件，特别是火箭、导弹、引擎、零件的加工。

在国内外，顾客要求加工面精铣和削减人工费用两全；要求大力开发机床自动化、机床操作的辅助软件等。O—M公司在致力于提高生产率、自动化、无人化，对应环境和提高操作性的各种新开发课题。

7　NC车床

发展趋势：需求硬切削增多。

车床是利用工件装在主轴上实行旋转，用装在刀架上的刀具，对工件进行圆筒形外圆切削的机床。NC车床是刀具的运动由数字控制按照一定程序对工件不同部位进行加工，主要优点是不需要依靠熟练操作工人的手腕而能实现优良品质的工件加工。

日本2015年NC车床的生产为6 765台，比上年增1.0%，金额达2 639.53亿日元(约合21.63亿美元汇率1美元=122日元)。

近年，汽车零件业界交易良好。特别是近年来为减少费用，硬切削的需求增多，工件淬火后，过去需要进行磨削精加工，现在可以由硬车削来完成。设备的小型化需求更强烈。

从事量产的工用车床生产的村田机械公司已实现了硬车削、高刚性机床的组成自动线，不仅可单机使用，而且配有传送装置和计测设施，以交钥匙方式提供给用户。

8　自动车床

发展趋势：机床和网络融合，实现价值。

自动车床是用棒料毛坯连续加工出成品零件的机床，装上棒料毛坯上下料装置可实现机床长时间运转，还有主轴箱可移动的结构，对细长棒料毛坯实现工件的自动加工。

主轴箱不移动的结构，则能实现短工件的加工，加工内容可包括车削、开孔、钻孔、钻削、镗削等。还可附有主轴停止装置，实现铣削、切断等二次加工。

西铁城机械公司，近年来开发了对应新形势不同新型棒材毛坯加工的多工位加工中心MC20型NC自动车床。而且为提高性价比还考虑用户的使用环境，开发适应用户环境的新型机床，今后其努力方向是进一步提高性能复合化程度，减少空运转时间，进一步提高生产率。

该公司还提供在机床上具有强切削切割的低周波振动切削技术，组入激光加工机能的机床。目前国内外多购买中高级水平的机床，特别是日本、美国先进国家的销售情况良好。其中，L系列、M系列、BNJ系列、BNA系列的机床，声望很高。

9　其他NC铣床

发展趋势：开发对应专用加工的机床技术能力。

铣床是刀具旋转进行切削的机床，是万能型加工机床，现在还有一些用于特殊加工的专用NC铣床，平面铣、仿形铣、沟槽铣、半月形沟槽铣、曲轴铣等等，也都是用户所需要。

要求品质好、可靠、加工性能稳定、缩短循环时间、减少运转费用等，特别是特殊的键槽铣床。这种铣床专用性强，机床含有专用卡具、刀具、键槽特殊加工用装置等。

日本的元久保工作所，专门开发特殊用途键槽铣、销子铣、花键铣、半月形沟槽铣等专用铣床，价格实惠，能使用10～20年，性能稳定可靠。现在汽车业零件、摩托车零件，各种产业需用的专用铣床需求活跃。

10　镗床

发展趋势：能源业等购买活跃大大提高自动化。

镗床，在回转主轴和镗杆上装铣刀对工件进行孔加工，达到规定尺寸和高精度。一般不仅进行镗削，还装铰刀进行铰制加工，可进行平面切削、铣加工等。最近，在镗床上还像加工中心(MC)一样，装有自动换刀装置(ATC)。

日本2015年镗床的产量为318台比上年增23.7%，金额为150.92亿日元(约合1.23亿美元，按汇率1美元=122日元计算)，增幅较大，创经济危机以来最高额。

活跃的能源业等有关长远性发展产业需求活跃，日本野村制作所从1958年以来一直生产开发镗床，重点针对美国能源市场。该厂的着力点是在NC卧式或镗床上装有面盘，安装工件成为“面削中心”。在卧式镗床上进行车削，必须装有可卸式面盘。该厂的“面削中心”组入面盘，对工件的安装大大缩短调整时间，实现高刚性、高效率生产。

11　NC外圆磨床

发展趋势：提高生产效率，节省占地面积呼声高。

外圆磨床是用回转轴砂轮，对圆筒形回转工件进行外圆面加工机床，用于对工件实现高精度加工。

磨削的方法有：①砂轮对回转工件进行切入式磨削。②工作台左右移动，砂轮对装在工作台上的工件进行切入和往复运动磨削。③倾斜的回转工作台，对工件进行圆锥形加工等。

2015年，日本生产NC外圆磨床1 704台，比上年增10.4%。金额为417.2亿日元(约合3.4亿美元，以比率1美元=122日元计)。

近年来，汽车业等有关行业对NC外圈磨床购置活跃，特别是汽车传动部件的市场需求更多。由于燃料费提高，在进一步加强传动部件的小型化、轻量化产品的开发上，竞争激烈，因此国内外对NC外圆磨床在提高生产效率、省占地面积等的呼声更强烈。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外圆磨床e500G系列。该机床系采用自行开发的轴承，刚性和减衰性能大大提高，能实现更可靠稳定的磨削与精度。

12　NC内圆磨床

发展趋势：适于汽车重要零件加工向高精、高效、高自动化发展。

NC内圆磨床，磨削各种零件的内孔，适合于各种装备和精密部体零件的精密加工，不能磨削与孔垂直的端面。砂轮架上采用内装饰式电动机，是刚性大大提高的机床。

内圆磨床在向智能化发展。砂轮对工件的粗磨和精磨，可由时间来自动控制，机床配有学习最适磨削条件的CNC系统。装有各种传感器，来帮助实现磨削的自动化、智能化。

近年来，汽车、风力、太阳能发电等再生能源、机器人有关装备的需求形势良好，从而轴承、齿轮等配套的需求也增多。为提高加工效率和精度，对NC内圆磨床的需求增多，因此，机床上配装传送装置，采用机器人实现无人化、省力化的需求不断增多。为对应这些需求，日本的丰田欧以迪克公司开发了装有自动换砂轮装置(ATC)机器人、储存器、传送装置等能实现24小时连续运转、稳定工作的内外圆磨削加工TVG—20C系列机床。该机床的砂轮主轴和控制轮体均由其自行开发。

该公司对机床的开发的关键词为自动化、工序集约、高精度三点。自动化，目标为安装、调整的省力化、无人化。工序集约为一次工件装夹，能实现复数面的加工，大大提高工件加工的质量精度。机床的性价比高，对用户的需求密切重视。

13　NC平面磨床

发展趋势：注重在机床上测量和复合化加工。

平面磨床，是用砂轮对工件表面进行精密加工的机床。角形、板形件的精密加工都需采用。平面磨床有多种型式，砂轮轴有水平的卧式、垂直的立式平磨，还有横梁移动的龙门式磨床多种。

日本2015年的平面磨床产量为600台，比上年增加10.9%，金额为118.48亿日元(约合0.97亿美元，汇率1美元=122日元)，比上年增加3.6%。

目前，汽车业需要的压力机模具和锻造机用的模具需求情况活跃。模具的成套件增多，精度要求不断提高，另外铸造模具不用切削加工而用精密成形法制成。近年来，工件在机床上测量，内圆、外圆磨削复合化需求增加。

针对这些需求，日本冈本机床制作所作为综合性的砂轮加工机床制造者，对机床和砂轮等总的技术需求，发展方向研究强化。而且，不断投入人才，加强对高效率磨削、复合磨削、机上测量/自动补偿等重大技术进行开发。

14　NC无心磨床

发展趋势：国内外对提高自动化需求上升。

无心磨床，是用磨削砂轮、支持导轮、支数3点支承，对圆形工件进行精密磨削的机床。主要特点：当工件加工时，无车床外圆磨床那样的卡盘和顶尖支承，节省了工件的装夹。工件上供料和卸料快，能实现大量生产。圆形工件的磨削，采用通过法，锥形工件等采用切入磨削法。

日本2015年，无心磨床出口117台，金额16.47亿日元(约合0.135亿美元，以汇率1美元=122日元计)。其中，对中国的出口金额为6.32亿日元(约0.051亿美元)，占全体的40%。

15　NC工具磨床

发展趋势：提高自动化程度，实现长时间无人化运转。

NC工具磨床，目的是磨削各种不同刀具，无特殊结构。主要是应用外圆磨床和平面磨床的一些技术。加工对象为可换端铣刀，锥形端铣刀、镗削端铣刀、弧形端铣刀、铰刀等。正面铣等复杂形状的刀具较多。为此，需要多轴控制，多的甚至要10轴控制。工件一次装夹，对外圆、尖端、圆弧等全自动磨成。能实现刀具的连续加工。

目前，汽车、飞机产业对NC工具磨床的需求活跃。而切削刀具的消费量增多，刀具制造者和磨削行业的销售情况良好。对高精、高效磨削，难切削材料的自动化加工、自动测量、自动补偿自动加工的自动化需求增多，也需求进一步充实砂轮冷却装置。自动润滑油供给装置搭载，对切削刀具的重磨、刀具制造的效率和高精度机能进一步充实。

牧野机床精机公司的NC工具磨床，拥有热变形对策，减少振动特点的卡盘，有高功率的砂轮轴，能实现连续无人化运转，长时间稳定，高精、高效的磨削。对中国、泰国、印度尼西亚等国的销售情况良好。其主力产品为AGE30型高精度CNC工具磨床。机床具有高强度结构设计。搭载自动化装置，采用独自开发的编程系统，操作性好，加工效率高。

16　NC齿轮磨床

发展趋势：提供平衡的良好加工方法。

NC齿轮磨床，是对液化后的齿轮进行高精、高效加工的机床，加工方式主要有2种：一种是创成式，采用滚齿形式砂轮的瑞士Reishauer方式；一种是采用2片碟状砂轮磨削的美国Maag方式。最近，汽车减速机、农业机械等事业发展，对高精度齿轮的需求增多。

用户的需求是高精度、低运转费用，缩短循化时间。

日本清和铁工公司的开发方针是针对用户的不同需求提供最佳方案。对精度、效率、减少费用三者进行平衡，研究提供最佳加工方法。采用CBN砂轮进行创成，成形齿轮磨削、CBN砂轮寿命长，不需要砂轮修正，加工费用下降。创成磨削法，能进行粗、精加工，适合于汽车传动齿轮等的大量生产。成形磨削机床，对建筑机械等的大型齿轮精加工比较合适。

17　NC滚齿机

发展趋势：汽车关连产业，购买情况良好，要求高速化、复合化。

NC滚齿机，是齿轮加工方面的主力机种。齿轮的用途和要求性能各异，对滚齿机的要求也有所不同。例如，汽车传动用齿轮高速运转，要求高精度、高生产率、低振动、低噪音。

随着排气新规则、新型传动的开发，汽车业有关方面对齿轮的需求增多。日本国内最近对机床在缩短循环时间、加工高速化、复合化的要求增多。特别是齿轮加工的复合化程度要求提高。

日本2015年NC滚齿机生产611台，比上年增加18.4%，金额为235.62亿日元(约合1.93亿美元，按汇率1美元=122日元计)，比上年增加32.9%。

近年来，齿轮加工引人注目的是开发出一种琢齿加工法(scabbing)，日本卡西富士公司在研究开发琢齿专用机系列。而且硬齿面滚切加工业也在发展，还在开发切削水平更高的高精度加工方法。

18　NC放电线切割机

发展趋势：向高精度和无人化两方面发展。

放电线切割机，是用线作为电极，通过放电时工件的互相作用、进行加工。压模、冲横加工等使用。能进行精密加工，缺点是时间长。用户大多在夜间开动，希望实现自动化无人化。

日本2015年产量2 516台，金额为306.62亿日元(约合2.51亿美元，以汇率1美元=122日元计)，是经济危机以来最高额。

汽车业关连的连结加工模具和探测器用的联接头模具等，市场情况良好。最近，对提高加工光洁度、精度、效率、微细加工的需求增多。日本西部电机公司生产的新型机床和新型电路，为自主开发，能实现自动化、无人化加工。而且电线的自动结线和核心针脚机能、热调节等技术均为自主开发，高精度、无人化两全其美。

19　NC电加工成形机床

发展趋势：需求进一步提高精度和效率。

NC电加工成形机床，是利用电极和工件之间的从千分之一秒到百万分之一秒的电脉冲放电作用，将电极的形状转变成为工件形状的机床。这种加工方法的优点，是不受工件硬度的限制，可对淬火钢、超硬合金，各种难切削材料进行高精度加工。电极材料采用铜和石墨材料，电极的控备远比复杂加工更为简单。

2015年日本的NC电加工成形机床为646台，比上年增加20.7%，金额为76.97亿日元(约合0.63亿美元，按汇率1美元=122日元计)，是经济危机后的最高额。

近年来，汽车关连和手机等情报终端的市场活跃。汽产业为提高生产率，推进锻造化，对锻造模具需求增多。情报末端部件要求小型化，微细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。

日本三菱电机公司的NC放电成型加工机，有自主开发的“消热功能”创新技术。能实现高精度加工。组入人机交互网络，能大大提高电加工的生产效率。

20　NC小孔电加工机床

发展趋势：向微细化和超高速加工发展。

NC小孔电加工机床，是在从为加工线切割机的初始小孔和模具放气通孔开始而普及的机床。可应用于加工φ0.1 mm以下的小孔。一般的小孔加工，是用电加工机床、激光加工机、小孔钻床切割而成。而NC小孔电加工机床，则用于深孔、孔深/直径(L/D)超过500的加工。近年来汽车、飞机、医疗机械、半导体的陶瓷模具、各种精密件、特殊开发加工等的小孔加工需求增多。

为提高飞机发动机燃烧效率，不断开发能耐引擎燃烧突高温的钛合金和镍合金难削材料，不受材料硬度约制的小孔电加工机床各方面需求增加。另外，由于各种复杂的小孔加工情况特殊，对机床技术本身提出了许多要求，如平平板加工时，为了使用解析技术达到冷气流动最适角度，必需加工复杂角度的小孔；医疗机械零件的小孔加工，有各种不同复杂情况，要求机床的主轴头能摆动，工作台能转动等等。

日本的阿司迪克公司，不仅重视开发性价比高的通用性NC小孔加工机床，还重视开发连续加工、针对各种不同小孔加工需求的专用机床。

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

CHEN Xunjie

(Beijing Machine Tool Research Institute)

161001