加工中心

　　04专项的标志性成果

　　2009年，对于中国机床发展具有重要意义和作用的04专项正式启动。“十一五”期间，通过支持8大类、57种主机产品部署课题任务，重点解决“有无”问题;“十二五”期间，聚焦高档数控系统、功能部件及成套装备和生产线的研发;“十三五”期间，进一步重点聚焦航空航天、汽车两大领域，着力攻克数控系统与功能部件、可靠性和精度保持性技术、加工效率与工艺水平提升等问题。总体上，专项课题部署覆盖了实施方案确定的重点任务，涵盖了重点领域急需的关键制造装备，部分先进企业在专项实施过程中充分了解用户需求，由此催生出一批关键制造装备，具备了一定的国际竞争实力。

　　在04专项支持下研制了一批高档数控机床和基础制造装备，标志性装备及相关技术成果如下：

　　(1)航空领域大型关键成套制造装备。成功研制一批典型航空结构件加工所需的切削/成形装备，如8万吨(800MN)大型模锻压力机、龙门及卧式5轴联动加工中心、大型翻板卧式加工中心、复合材料铺带机和铺丝机等，填补了国内空白，实现了进口替代。

　　(2)运载火箭大型特种制造装备。多主轴镜像铣削加工机床、大型龙门式 5轴加工中心、重型5轴龙门式搅拌摩擦焊装备、自动化铆接装备等制造装备得到示范应用，掌握了核心关键技术，实现了自主可控，为载人航天、空间站工程和新一代运载火箭提供了有力支撑。

　　(3)汽车大型快速高效全自动冲压生产线。形成了“汽车车身大型快速高效全自动冲压生产线”等优势技术和产品，装备了国内几乎所有自主品牌、合资品牌的汽车企业，国内市场占有率达70%以上，国际市场占有率达30%，彻底摆脱了国产汽车高档冲压设备主要依赖进口的局面。

　　(4)动力总成(汽车发动机)关键加工装备。面向动力总成的关键加工装备精密卧式加工中心实现100%数字化设计，突破了热误差综合补偿技术，可靠性大幅提升，国产数控系统和主要功能部件配套率显著提高。

　　(5)发电设备重型制造装备。成功研制3.6万吨(360MN)黑色金属垂直挤压机、超重型立式车铣复合加工中心、重型桥式龙门 5轴联动车铣复合机床等，为第三代核电提供了有效支撑。

　　(6)大型船舶制造装备。成功研制 25m 数控立柱移动立式铣车机床、大型组合式曲轴车铣复合机床，解决了国家重大工程急需，填补国内空白，我国船舶用高档数控重型机床已可满足船舶自主化制造的需求。

　　(7)光学元件超精密关键制造装备。突破了超精密制造机床关键技术，研制出主要技术指标达到国际先进水平的一批超精密加工关键装备，构建直接应用于国家重大光学工程的 3 条示范生产线，完成国家重大工程所需的典型光学元件试制。

　　(8)高档数控机床成套装备。成功研制出箱体类零件加工 FMC50 柔性制造单元、航天发动机关重件 FMS 生产线、高压油泵驱动单元凸轮轴智能生产线、汽车自动变速器齿轮(箱)数字制造工艺装备链、螺纹/螺杆数字制造工艺装备链、汽车轮毂智能制造岛、五轴机床铝合金肋板类卧式加工生产线等，在航空航天、汽车等领域实现应用。

　　(9)高档数控系统。多通道、多轴联动数控系统关键技术指标达到国际主流产品技术水平，功能与之相当，可靠性有效提升，打破国外数控系统产品一统天下的局面，实现了在航空航天重点企业的批量示范应用。

　　(10)高档数控机床功能部件及配套体系。高速、高精、重载滚珠丝杠和直线导轨产品性能及市场占有率均明显提高，功能部件配套体系逐步完善。

　　(11)关键领域所需成套刀具及成套装备。工具行业技术水平明显提升，研发能力和产业化能力明显增强，在航空和汽车行业基本具备刀具整体配套能力。

　　全球机床态势与中国

　　从全球来看，数控机床产业主要集中在亚洲、欧盟、美洲三大区域，其中，中国、日本和德国是机床的主要生产国家，其区域结构分布为(2019年)：日本32.1%、中国31.5%、德国17.2%、美国6.3%、意大利5.2%、韩国4.2%、其他3.5%。

　　根据《赛迪顾问|2019年数控机床产业数据》，2019年规模排名全球前10位的数控机床制造商都来自于日本、德国和美国三个国家，分布如下：日本4家：山崎马扎克(No.1 )、天田(No.5 )、大隈(No.6 )、牧野(No.7 );德国占据4家，包括通快(No.2)、 DMGMORI (No.3)、格劳博集团(No.8)、埃马克(No.10);而美国有2家是马格(No.4)和哈斯(No.9)。

　　2017~2019 年全球数控机床产业总规模持续增长，2019年的总规模达到1492亿美元，但增长率连续三年下降，从2017年的9.5%下降到2018年的7.0%、再到2019年的3.9%。此外，据财富商业洞察( Fortune Business Insight)的预测，2020~2027年全球机床产业的复合年增长率(CAGR )为4.5%。

　　从产业结构来看，按产品类型细分，2019年数控机床产业规律如下：数控金属切削机床 783.3亿美元(占比52.5%)，数控金属成形机床 420.7亿美元(占比28.2%)，数控特种加工机床265.6亿美元(占比17.8% )，其他 22.4 亿美元(占比1.5%)。

　　就中国而言，2019年中国数控机床产业总规模达3270亿元，相比于2018年，总规模从多年的全球第一退居为第二，位于日本之后，出现了2.3%的负增长。同时，2019年数控金属切削机床和数控金属成形机床进口额均有所降低，同比下降分别为30.6%和约2.5%，但出口额均有所增加，同比增幅分别为9.0%和约16.4%。

　　从细分产业方面看，2019年数控金属切削机床产业规模1739.6亿元，占比达到 53.2%;数控金属成形机床产业规模932亿元，占比28.5%;数控特种加工机床产业规模549.4亿元，占比16.8%;其他数控机床产业规模49亿元，占比1.5%。

　　从区域产业规模和结构看，华东地区产业规模位居第一，约为1805.0亿元，产业规模占比达到55.2%。中南和东北地区分列第二和第三，占比为19.1%和11.9%。

　　领先的日本机床

　　日本在机床工业尤其是在高档数控机床领域处于全球领先地位，整体实力位于世界第一，拥有一批著名的机床企业和品牌，如山崎马扎克、天田、大隈、森精机、捷太科特、牧野、三菱重工、沙迪克等，日本的机床企业众多，技术领先。下面列出部分日本数控机床企业及产品、技术特点：

　　(1)日本精工(NSK)——轴承为其核心产品，并可全套开发及提供机床功能部件产品(如滚珠丝杆、直线导轨、电主轴等)，产业规模位居日本第1、全球第3。可生产Dmn值(轴承内外圈平均直径Dm×最高转速 n )高达3000000m•r / min的滚动轴承及其配套的高速机床主轴(主轴转速可达50000r/min)。服务于汽车零部件、精密机械组件、电子应用等。

　　(2)山崎马扎克(YAMAZAKI MAZAK)——主要产品有数控车床、复合车铣加工中心、型材加工中心、立式加工中心、卧式加工中心、激光系统、FMS、CAD、CAM、CNC装置和生产支持软件等，产品以高速高精复合著称。

　　(3)新日本工机(SNK)——专业生产大型龙门加工中心、车床、专机等，用于制造船舶引擎、客机主翼等大型部件，如其生产的5轴龙门精密镗铣床大量用于发达国家航空工业。

　　(4)捷太科特(JTEKT)——生产超精密自由曲面金刚石加工机床，精度达较高水平(定位精度30nm、表面粗糙度Ra=1nm)，可用于光学模具超精密车削及研磨。

　　(5)沙迪克(SODICK)——代表性产品是纳米级精度慢走丝电火花加工机床，还推出了世界首台“混合式水刀+线切割”机床。

　　(6 )天田(AMADA)———数控冲床、折弯机、剪板机、激光切割等设备，其模具、备件、切削产品在该领域居全球市场No.1 (占比70%)地位。

　　(7)冈本(OKAMOTO)——生产世界最大龙门式平面磨床，可变静压导轨系统，抛光大尺寸半导体元件。

　　(8)大隈(OKUMA)——坚持从数控机床的核心部件(驱动器/编码器/马达/主轴等)到 NC操作系统到终端全部自主开发。

　　(9)牧野(MAKINO)——创造了日本机床的多个“No.1”，以立卧式加工中心、电加工机床(EDM)、磨床等为主打产品，服务于模具、汽车、航空、航天等行业。

　　机床强国的德国

　　德国是全球制造业大国及强国，尤其在机床工业领域拥有独特的优势，经过上百年的积淀，产生了一批闻名全球的机床制造企业。部分知名企业和产品情况如下：

　　(1)德玛吉-森精机(DMG Mori)——拥有德国的德尔克、马豪、吉特迈三大著名品牌，后又与日本森精机联合，是全球领先和最大的金属切削机床制造商，包括机床、服务及软件解决方案，提供独具特色的CELOS数字化生产管理和控制系统。

　　(2)通快(Trumpf)——工业激光领域技术及市场全球领导者，生产各类激光器、激光加工机床以及数控冲裁和折弯机床等。

　　(3)格劳博(Grob)——主要产品有各种机床、生产系统或切削线装配单元、全自动装配线，擅长发动机零部件整线交钥匙工程，强调工艺/技术/资源/文化全球集成。

　　(4)埃玛克(Emag)——工艺技术全面完善，提供加工盘类/轴/齿轮/箱体类加工机床和生产系统、激光焊接机等。倒立式机床独具一格。

　　(5)舒勒(Schuler)——1852年即开始生产金属加工机床，是金属成形业的全球领先者，提供机床、生产线、自动化技术及相关服务，也为航空航天和铁路提供解决方案。

　　(6)斯来福临(KorberSchleifring)——平面及成形磨、内外圆磨和工具磨机床，广泛用于航空航天、汽车及其零部件、重工业等领域(已给全球提供了超过10万台磨床，其中中国6000台)。

　　(7)因代克斯(Index)——1914年开始生产塔式自动车床，1975年生产多主轴自动车床。1992年推出了新一代模块化部件的车铣复合中心。

　　(8)哈默(Hermle)——中小型五轴精密加工领域专家，5轴高速立式加工中心技术国际领先，在德国本土中小型模具5轴机床市场占有率第1，已经有超过1.7万台哈默生产的万能铣床和加工中心在全世界使用。

　　聚集专业的瑞/法/奥/意机床

　　除了德国之外，瑞士、法国、意大利等欧洲国家在工业化发展过程中也产生了不少拥有技术优势和专长的机床企业，尤其是在面向细分领域的高精度和专业化机床及其整体解决方案方面，具有非常强的竞争力，这些企业包括：

　　(1)瑞士威力铭-马科黛尔(Willemin-Macodel SA)——产品以立式和龙门式钻铣加工中心为主，主轴转速可达 80000r/min ，轨迹精度2μm。

　　(2)瑞士托诺斯(Tornos)——主要生产高精度微型/小型零件加工机床、复合机床等，采用陶瓷主轴/双主轴方案，具备主动切屑清除功能。

　　(3)瑞士GF-米克朗(GF MiKron)——专业生产大型龙门加工中心、车床、专机等，用于制造船舶引擎、客机主翼等大型部件，如5轴龙门精密镗铣床。

　　(4)瑞士斯达拉格-海科特(Starrag Heckert)——铣削/车削/镗削/研磨等工艺方法用于金属、复合材料、陶瓷等加工的高精度机床领军企业，在航空发动机涡轮/叶片/结构件加工方面独具特色，近年还收购了以生产航空结构件加工用虚拟轴数控机床ECOSpeed/EcoForce而知名的德国DST公司。

　　(5)瑞士利吉特(Liechti)——叶片加工解决方案全球领先，特别是专为航空发动机、燃气轮机的叶盘、叶片复杂曲面提供高速数控机床和专用CAD/CAM 软件。

　　(6)奥地利WFL——专注于多功能完整加工中心的制造商，开发的车铣复合加工中心广泛应用于航空航天、交通等领域。

　　(7)意大利法拉利(Ferrari)——专注于航空发动机、汽车领域复杂曲面零件加工机床，提供自动上下料的 5 轴联动叶片加工中心、叶片加工专用CAM软件。

　　(8)法国弗瑞斯特-里内(Forest Line)——专注于用于航空航天大型结构件加工的5轴龙门式加工中心和复合材料构件铺丝、铺带机床。

　　国内外对比分析

　　数控机床加工特点，有着独特的产业特点，在现代工业中是具有基础性、复杂性和战略性的物资。数控机床加工特点(特别是高档数控机床)在产业和技术方面有如下一些特点：

　　(1)技术密集、迭代积累。数控机床是一类将机械、电气、液压、控制、硬件、软件、信息、网络、传感等多学科、多专业的技术高度集成于一个实物载体的产品，技术高度密集，需要长期积累和迭代。

　　(2)工艺细分、品种繁多。涉及切削加工，成形加工，特种加工等不同的类别和工艺，工艺划分较细，产品类别及型号繁多。

　　(3)市场量小、利润较低。机床行业往往只是其服务的终端产品行业(如汽车、工程机械、飞机制造等)规模的百分之几，它提供制造工具类的产品，产品功能和性能要求高但利润低。

　　(4)劳动密集、工匠精神。由于运动精度、动态性能要求高但市场规模小，故难以进行大批量自动化生产，需要大量具有工匠精神的技能型工人。

　　(5)资本疏离、隐性垄断。虽然机床行业总体来说在全球是一个充分竞争的行业，但在高档数控机床领域，先入者往往基于自身技术积累而建立起强大的市场竞争优势，具有隐性垄断的特征，即在该领域市场机制是局部失灵的。对于后发的工业化国家，投资高档数控机床产业风险很大，因此资本一般是疏离该领域的，需要依靠国家财政支持和产业政策倾斜。

　　在综合分析多方面的资料基础上，本文从市场需求、决策管理、产品定位与服务、创新体系、核心技术、人才教育及产学研合作、研发投入、产业链及产业生态等方面，对中国、德国及瑞士等欧洲国家、日本进行了对比分析，具体情况如表2所示。德国和日本的做法，值得中国借鉴。

表2 数控机床领域国内外对比分析

　　未来发展趋势

　　在未来主要发展趋势方面，笔者认为，数控机床技术呈现出高性能、多功能、定制化、智能化和绿色化的发展趋势，即：

　　(1)高性能。数控机床发展过程中，一直在努力追求更高的加工精度、切削速度、生产效率和可靠性。未来数控机床将通过进一步优化的整机结构、先进的控制系统和高效的数学算法等，实现复杂曲线曲面的高速高精直接插补和高动态响应的伺服控制;通过数字化虚拟仿真、优化的静动态刚度设计、热稳定性控制、在线动态补偿等技术大幅度提高可靠性和精度保持性。

　　(2)多功能。从不同切削加工工艺复合(如车铣、铣磨)向不同成形方法的组合(如增材制造、减材制造和等材制造等成形方法的组合或混合)，数控机床加工中心与机器人“机-机”融合与协同等方向发展;从“CAD-CAM-CNC”的传统串行工艺链向基于3D实体模型的“CAD+CAM+CNC集成”一步式加工方向发展;从“机-机”互联的网络化，向“人-机-物”互联、边缘/云计算支持的加工大数据处理方向发展。

　　(3)定制化。根据用户需求，在机床结构、系统配置、专业编程、切削刀具、在机测量等方面提供定制化开发，在加工工艺、切削参数、故障诊断、运行维护等方面提供定制化服务。模块化设计、可重构配置、网络化协同、软件定义制造、可移动制造等技术将为实现定制化提供技术支撑。

　　(4)智能化。通过传感器和标准通信接口，感知和获取机床状态和加工过程的信号及数据，通过变换处理、建模分析和数据挖掘对加工过程进行学习，形成支持最优决策的信息和指令，实现对机床及加工过程的监测、预报和控制，满足优质、高效、柔性和自适应加工的要求。“感知、互联、学习、决策、自适应”将成为数控机床智能化的主要功能特征，加工大数据、工业物联、数字孪生、边缘计算/云计算、深度学习等将有力助推未来智能机床技术的发展与进步。

　　(5)绿色化。技术面向未来可持续发展的需求，具有生态友好的设计、轻量化的结构、节能环保的制造、最优化能效管理、清洁切削技术、宜人化人机接口和产品全生命周期绿色化服务等。

　　切削机床是利用刀具或磨具通过机械能作用于工件，实现材料去除的各种工艺(如车削、铣削、镗削、钻削、磨削等)，其本质问题可以归结为两点，一是用什么能量去除材料? 二是如何控制能量使用? 如本文开篇所述，机床1.0是以蒸汽动力直接给机床提供机械能以实现各种切削工艺，控制方式是手动控制;机床 2.0将电能转换为机械能以驱动机床，并带来数字控制机床的出现，控制方式是自动控制;机床 3.0则是计算机和信息技术带来的计算机数控机床，它改变了机床控制方式和生产组织方式，使其数字化、网络化。

　　展望未来，机床4.0将面临新的革命性变化，表现在一是材料去除过程直接所用的能量由以机械能为主变化为机械能、电能、光能、化学能等多种能场及其组合。二是能量使用的控制方式，一方面智能化控制是未来机床近期发展的最主要特征和趋势，它使得机床更高(精度)、更快(效率)、更强(功能)、更省(绿色);另一方面，即将出现的量子计算和量子计算机，就如同当年电子计算机给数控机床带来革命性跨越一样，重新定义一代数控机床加工，催生出全新原理和全新概念的数控机床和生产过程。

　　机床作为工作母机，多年来为工业革命和现代工业发展提供了制造工具和方法;未来工业发展和人类文明进步，仍然离不开数控机床的支撑和促进。展望未来，新的一轮工业革命给数控机床的发展带来新的挑战和机遇，先进制造技术与新一代信息技术及新一代人工智能融合，也给数控机床的技术创新、产品换代和产业升级提供了技术支撑，数控机床将走向高性能、多功能、定制化、智能化和绿色化，并拥抱未来的量子计算新技术，为新的工业革命和人类文明进步提供更强大、更便利和更有效的制造工具。

　　本文应中国机械工程学会之邀作关于机床工业发展及趋势的交流报告，遂促成了本文的写作，特此致谢中国机械工程学会。一些认识和思考纯属个人观点，敬请批评指正。

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