从CIMT2011探索立式加工中心的发展

成都普瑞斯数控机床有限公司 肖 红

2011年4月11日至16日， CIMT2011第12届中国国际机床展览会在北京隆重举行。9个展览馆、12万平方米的展览面积均创造了CIMT的纪录，即便如此仍然有众多的展商无法参展。约有50%的国外展商参展，昭示着中国巨大的机床需求市场深深吸引着全世界机床制造商的重视。

这样的盛会，对我们这些从事机床制造的从业者来说，无疑是一次难得的观摩和学习的好机会，对我们今后的工作乃至中国机床的发展都具有相当积极的意义。

一、立式加工中心经典结构依旧却又风格各异、百花齐放

我们习惯将主轴垂直布置的加工中心称之为立式加工中心，其中十字滑台式的立式加工中心在中国现阶段的制造业中，仍然是应用最广、性价比最高的机型。虽然说中国已经是世界最大的数控机床消费国，但还不是最先进的数控机床的消费国和制造国。这就是为什么经济实用的十字滑台立加虽然在人们眼中已不是高端的数控产品，但却依然还有着旺盛的市场需求的主要原因。即便是像米克朗、牧野、马扎克和森精机这样世界知名的企业，面对中国这样的市场需求也不得不很 “屈尊”地展出其HEM800、 PS65、 NEXUS515C-ⅡL和NVX5080/40这类的传统十字滑台立加。

但是随着数控技术的发展、功能部件和机床结构的创新，立式加工中心的概念早已不再只是我们的熟悉的经典的十字滑台结构的加工中心。机床功能复合化、结构设计模块化、转速进给高速化、易排屑、易接近、环保节能等，已给立式加工中心赋予了更为丰富的内涵，呈现出百花齐放的局面。

在本次展览会上，我们可以看到中国大陆、台湾地区、韩国和以哈斯为代表的众多美国企业的立加仍然坚守着十字滑台的结构，并使之成为各自的主导产品，而欧洲和日本的企业基本上已很少采用十字滑台式立加的结构。从展品上看，总体上感觉美国人在机床结构的创新上兴趣不是很大，倒是体现出对传统结构的固执和坚守，以及对实用的无比重视。即便如此，我们还是发现本届展览会很多的十字滑台立加都不约而同的配置上了提篮式的A、C轴转台，将普通的三轴立加变成了五轴联动加工中心，如哈挺的XR760ECO、赫克的VMX30U(见图1）以及台湾地区一些企业的机床。虽然还不知道这样的配置在市场上有多大的需求，但不可否认的是，这种有点 “快速致富”味道的三轴变五轴的方式，还是大大地拓展了传统立加的加工范围。

图1

另外，一种以牧野、安田、大隈等日本企业为代表的被称之为门壁式的立式加工中心，其结构特征是工作台横向布置，纵向Y轴移动；滑鞍上置X轴移动，其导轨面垂直布置，主轴箱只做上下直线移动。这种结构工件只做单轴移动，工作台全行程支撑，无翻转倾覆现象承载能力强，稳定性好；主轴悬伸短，热变形小，机床整体刚性强，而且工作台还可以模块化地设计成A-C轴提篮式工作台，特别适合精密的模具和精密零件的加工，在台湾地区的工具厂中产生了一大批的追随者。如展览会上的牧野的F3立式加工中心和友嘉的B800 A-5X五轴立式加工中心(见图2）。

图2

说到立式加工中心，我们不能不提到动柱式立式加工中心。动柱式立式加工中心在欧洲、日本以及美国都有着广泛的拥簇者，早在2007年的EMO展我们就曾经见识过欧洲的不少厂商推出的此类产品。固定的细长工作台带来更大的承载能力，特别适合细长类汽车及航太零件的加工。如果需要，特殊设计分隔装置，又可将细长的加工区分为两个区域，实现交替式加工，提高生产的效率。同时，在矩形工作台上内嵌DDR回转工作台，搭配偏摆铣头，又可很容易地将机床变成五轴联动加工中心。这种结构的机床导轨丝杠防护效果好，同时具有不受工件大小轻重影响的极稳定的动态响应特性。这种结构的立加在近2年的台湾地区出现了不少。如本次展览会展出的MAG的FTV2500、DMG的DMF系列产品(见图3）。

图3

还有一种结构形式就是以欧洲的哈默、米克朗等为代表的龙门桥式(也有称之为天车式）的立式加工中心，这种机型最早出现在2007年的EMO展，现在越来越多的企业在采用这样的结构。与门壁式结构立加相比，其移动的三轴全部布置在加工区域的上方，下方的工作台部件高度模块化设计可搭配固定矩形工作台、B-C转台、A-C转台等。如参展的哈默C40U(见图4）、米克朗的HPM800U，以及森精机的NMV3000DCG、威力的UG800等机型。

图4

再有就是DMG的DMC 635 Veco系列C型滑枕式立式加工中心(见图5），工作台横向布置X向移动，滑枕纵向布置前后移动，这种结构的主轴适合采用电主轴型式，而其X向的进给竟然还在采用现在绝大多数厂家都已很少采用的同步皮带进给传动。虽然DMG称之为立式加工中心标杆，森精机称其为确立世界高性价比新标准的机床，但是我更愿意将它看成是DMG为了适应低端市场而推出的经济型立式加工中心。

图5

在近几年的展览会上，还有一个很特别的立式加工中心系列——钻铣加工中心，没有怎么引起人们过多的注意。实际上在IT、3C等产业的带动下，该系列机型迅猛迅速，以日本brother、国内普瑞斯(见图6）、沈阳机床以及台湾的企业为代表。该系列机床以X向行程300、500mm为主流，采用高速直结式主轴、联动的快速刀具交换和高速的快速移动速度等为主要特征，侧重于对汽车、3C、IT产业的小型有色金属零件进行高效精密的加工。其刀对刀的换刀速度最快达到了0.8s，也可以说是立式加工中心浓缩后的精华了。

图6

二、亮点展商及展品评述

DMG依旧和以往的每次展览会一样，参展的各个产品真枪实弹，气场十足，成为整届展览会的明星。虽说其展出的加工中心中不乏过往的老面孔，但是展出的两款全球和中国首发的高水平五轴联动立式万能加工中心DMU 65 monoBLOCK和DMU 60 eVo也算是为展览会添彩不少。客观地说，每届展览会深谙概念之道的首当其冲的就当属DMG了。主轴还是那些主轴，转台还是那些转台，可是不断变化着的duoBLOCK、monoBLOCK、eco、eVo等概念，让人目不暇接，在这方面与之不相上下的就算后面要谈到的森精机了。当然，这些概念的诞生往往也是伴随着不断的技术创新，以及性能的提升。

以往DMG更多的是以其独到丰富的铣头如偏摆铣头、立卧转换万能铣头、叉形铣头等搭配回转工作台作为其看门绝技的，随后逐渐发展到立式主轴搭配B-C悬臂式工作台型式，再发展到今天的DMU 65 monoBLOCK。可以看到该公司也是在不断地学习和吸收一些好的技术，并不墨守成规地坚守自己的东西，这是创新所必须具备的素质。

全球首发的DMU 65 monoBLOCK(见图7）抛弃了DMG惯用的B-C轴悬臂式组合工作台设计，采用刚性更好、承载能力更强的A-C轴提篮式工作台，一体式铸造的底座立柱结构，搭配高达288Nm的大扭矩电主轴，实现高效精密的加工。同时采用优异的排屑结构设计，让切屑直接落在排屑器上排除。虽然同样是五轴立加，但是由于其采用了和前述的米克朗、哈默等五轴立加的龙门桥式结构不同的设计，其外形更加紧凑、占地面积也更小。由于其X向滑鞍为了确保Y向的行程而做的很长，有点类似于我们十字滑台的悬臂很长的主轴箱型式，所以其热变形及切削的刚性相对于龙门桥式结构的可能就会差些，当然龙门桥式结构的占地面积也会大很多。因此有时候创新也是一柄双刃剑，利弊总是如影相随，一切全在产品的定位、对切削加工对象、切削加工性能等众多因素中权衡取舍之间。

图7

向中国首发的DMU 60 eVo(见图8）依然也是一体式铸造的底座立柱结构，依然是DMG熟悉的B-C轴悬臂式组合工作台，但由于B-C轴心连线采用与X轴45°夹角布置而非常用的90°的方式，使得机床Y向的尺寸得以减小，结构更为紧凑，占地面积也更小。由于其上部三轴直线移动部分的结构类似于龙门桥式结构，其主轴的刚性相对来说是比较好的了，但是B-C轴的刚性又逊色一些了。我估计下次说不定DMG就会推出一款这两款机型的结合体型。

图8

在以往各届的展览会上，能与DMG在展台规模、展品数量以及新产品创新上一较高低的大概就属森精机了。据说DMG和森精机已经彼此控股，具体的佐证就是在展览会上，以往DMG的DMC635V eco立式加工中心换了一件衣服就变成了森精机的DuraVertical635eco立式加工中心，看来是彼此共享机型。在展览会上森精机推出了其研发的EOD机床在线学习系统，提前对用户进行培训，确保机床安装到位即可投入运行。展出的NMV3000DCG高精度五轴立式加工中心(见图9），依旧沿袭了森精机独有的重心驱动、正八角形滑枕和DDM以及Top Box in Box等技术，搭配力矩电机B-C转台，可实现航空航天等领域叶轮的精密加工。

图9

森精机展出的NVX5080/40高精度、高速立式加工中心(见图10），经典的十字滑台结构，三向滑动导轨设计，但是其Z轴主轴箱的导轨方式却和一般的立加的设计相反：导轨设计在主轴箱上，压板设计在立柱上并全行程支撑。这样的方式在牧野的V33i门壁式精密立式加工中心上见过。按理说，这样的结构对导轨的防护是不利的。这是为了更好地保证加工的精度？为了增加主轴箱的导向长宽比，提高主轴箱的导向精度？为了减轻主轴箱的自重？也许这些因素都有吧。

马扎克的FJV-35/60Ⅱ小龙门立式加工中心(见图11），是其历史上的畅销机型，在2009年的CIMT上已露过其尊容，但是本次展览会上的机型却有闪亮之处，即：配备创新结构的角度头(见图12）和角度头固持机构，实现工件四面连续加工。其特点是：角度头上除了设计有标准的锥柄和拉钉以外，还在角度头的周边均匀设计有3颗小型锥柄和拉钉，配合主轴上设计的独特三点辅助夹持机构，大大提高了角度头的固持刚性，可以实现高达14kW的角度头的强力铣削，在这样规格的小龙门立加和直角铣头上可是不曾有过的铣削能力，大大地提高了小龙门的加工能力。可谓老酒换新瓶，依旧醇香。

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牧野在行业里一直是以含蓄和精密的形象出现的。虽然其产品的炫目程度不及DMG和森精机等，但是其产品一直给人精密可靠的感觉，尤其是在精密的模具、零件加工以及航空领域。牧野展出的D500五轴立式加工中心(见图13）在2009CIMT和2011的台北国际机床展上都曾展示过。其设计的总体理念是：克服各轴本身精度误差的累积，实现重负荷下的顺畅加速。机床采用龙门框架式结构，与其他五轴机床的A-C转台的A轴与移动轴垂直布置的结构设计不同，其亮点是A-C提篮式转台的A轴轴心与移动轴(X轴）平行设计(见图14），这就有效克服了X轴高速移动时转台和工件的惯量沿A轴轴心线摆动产生的转角误差。另外，注意到机床还有应用到牧野的一项非常有特点的专利技术：贯穿主轴冷却液吸回功能。其原理是机床在冷却泵停止工作的同时，瞬间回吸出主轴和管路里的残余冷却液，即便是马上进行换刀，冷却液也不会从锥孔流出，始终保持主轴锥孔的清洁度。这是一个我们机床制造厂和用户感到头疼却又没有解决好的问题。技术创新有的是能让你很直观的一眼就能看见的，可我更钦佩的是那些你看不见但却能给你带来实在益处的技术创新，这样的企业也是值得尊敬的。

图13

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据说是首次在中国参展的美国品牌MILLTRONICS(米超力），其展示的系列立式加工中心，在X向的丝杆导轨方面有些独特的地方。让人印象深刻的是，其展出的TT24龙门式立式加工中心(见图15），三位两工作台直线交换方式，采用独特的一体式X向导轨防护罩设计，防护罩固定不动，两个相互交换的工作台在防护罩上滑动，实现了导轨和丝杠最佳的防护！当然其不利的一面就是装卸工件的位置在机床的两端，让操作者增加了更多的往返移动距离以及由此带来的坯件和零件的分散布置。

图15

米克朗参展的HPM 800U精密五轴联动加工中心(见图16），采用和哈默C系列一样的龙门桥式结构设计，A-C轴大扭矩力矩电机驱动提篮式转台，同时还采取了独特的后置内藏式的C轴托盘交换系统设计，可实现无间断的高效加工。同时机床还搭配了APS智能加工模块，其作用是可靠监测、显示铣削振动并及时优化调整机床切削的参数，确保精密加工。在台湾的丽驰卧加等机型上也有类似功能的智能主轴系统。

图16

在巨浪的设计理念里，高效一定是其重要的准则之一。其参展的FZ 12KW高精密立式加工中心，采用人造大理石床身、动柱式结构设计，XYZ三向直线运动全部上置。为了实现高效加工，机床采用双主轴(15000r/m）、交换工作台、每个工作台为A-C轴转台、每个A-C转台集成双位C轴转台、高达0.6s的链式刀具交换机构等，可以说是我们所见过的追求高效加工配置的极品。

在E5展馆一个不起眼的展位，德国Licon mt公司展出的LiFlex l 1277 2U五轴回转加工中心非常有特色，双卧式主轴和双刀具交换系统，转台中的转台再加双位回转结构，可用于转向节等复杂零件空间尺寸的高效加工。展位明文要求不许照相，这在中国参展的欧洲企业中倒是不多见的，从中可以看出其结构技术的独特性，以及担心被模仿的警惕性。

此外，现在的立式加工中心已经非常注重节能和环保，比如机台式油水分离结构设计，减少油液混合，延长冷却液使用寿命等；减少待机时的耗气量、耗油量，自动照明灯熄灭功能和程序结束自动停止排屑器等功能，再加之一些主轴智能化加工的功能，让我们感觉以前天天见面的冷冰冰的机床仿佛也有了思考的能力一般。

三、中国机床还需努力

每次展览会尤其是CIMT闭幕后都会有很多的感触。对比西方那些先进的机床结构设计、精美时尚的工业造型设计、精致的制造工艺，我觉得我们大陆的机床业同仁们还需要付出更多的努力。这样的展览会，对我们正在学习和进步过程中的中国机床行业来说，真的是非常重要的。

不可否认的是，欧洲和日本的机床企业依然扮演着技术创新引领者的角色，其产品的技术水平依然是处于绝对的领先地位。我觉得欧洲和日本的这些机床企业之所以能够取得这样的成就，很重要的一点就是因为他们始终坚持着创新的理念，并将创新和用户的需求紧紧地联系起来。我们应该感谢这些企业投入巨大的人力物力进行技术创新，引领着世界机床行业和加工制造业的技术进步。

从单纯的技术层面来看，我体会最深的是，这些年来欧洲和日本的控制系统、电主轴、多轴复合铣头、高速高扭矩力矩电机组合转台、直线电机驱动等关键功能部件技术的发展和成熟应用，极大地拓展了机床设计的思路，让人觉得他们的研发人员好像可以随心所欲、天马行空般地释放他们的设计灵感。而这些关键的功能部件技术的滞后恰恰就是制约中国机床进一步提高的瓶颈。在这方面，我们可以看到隔海相望的台湾地区的机床同行们，无论是工具机厂还是功能配套件厂，做的就比我们好很多。

台湾机床企业是比较早就接触西方先进的技术、管理理念，以及开展密切的技术合作的。很多的机床厂、配套厂都曾为西方的先进国家OEM代工，虽然其技术当时不一定是最先进的，但这却大大改变了他们的理念、管理方法，缩短了与先进技术的差距，同时通过自身的努力也逐渐得到了西方国家的认可和进一步的更高水平的合作。

台湾机床企业有个很明显的特点：因为各种原因他们很多企业之间彼此都有些血脉渊源瓜葛，虽然彼此能和谐的共存，但是他们之间还是存在着激烈的竞争。在激烈的竞争环境中，他们所面临的生存危机感和紧迫感，带给他们旺盛的跟随创新能力，你有的我也要有，而且往往是青出于蓝而胜于蓝，比如丽驰、威力、罗翌、盛钰等这些新生力量，这从另一个方面也促使了台湾机床的不断进步和发展。

同时，台湾机床企业对新技术极度的敏锐并善于吸收学习。以前台湾企业是一直比较跟随日本技术的，比如其卧加。但是随着其自身技术水平的提高和全球合作交往的密切，他们也在逐渐的学习借鉴和追随欧洲的技术。根据我的观察，欧洲最先进的一些机型和技术，3～5年左右就会在台湾的企业出现，如2007年EMO展上的偏摆铣头加镶嵌DD回转工作台式动轴立式加工中心和哈默的C系列等结构的五轴联动加工中心，这些都已经在台湾的企业产品中能够看见。

这几年台湾的关键配套件也取得了长足的进步，如B-C轴转台、A-C轴转台、B轴摆动铣头、力矩电机转台等，加之其深厚的刀库、主轴、丝杠等关键功能部件的配备能力，为台湾的主机厂开发新结构的产品提供了有力的支持。

以上这些因素都使得台湾的机床行业现在处在一个水平较高的地位。从本次展览会上展出的丽驰的LU620(图17）、威力的UG800(见图18）五轴加工中心，其先进的结构设计、良好的工业造型设计、精致的制造工艺使我们已经能够依稀看见DMG、森精机等品牌的影子。而以往台湾企业少有涉及的大型落地镗铣床，我们从展览会上也看见不少，同时其大型落地镗铣床用主轴系统、刀库系统、转台系统等都发展很快，相信将会给国内的现有企业带来不小的冲击。

图17

图18

说了台湾机床这么多，是因为我觉得中国机床行业(不光是立式加工中心）现阶段要面临的主要竞争对手还不全是西方的机床行业，而应该是我们身边的台湾地区的机床同行。其实从第一阶段ECFA早收清单里，大陆方面没有立即放行立式加工中心等综合加工机，以及刀库、主轴、转台等功能部件，就可以看出其潜在的对我们机床行业的巨大冲击。

虽然中国的机床制造已经取得了长足的进步，但是我们要清醒地看到这些长足的进步是相对于我们之前很低的水平而言的，并不代表我们的水平就已经高到什么程度了。可能我们在一些技术精度指标方面已经和先进国家的水平差距很小了，我们在一些大型的关键的装备制造上也突破了难关，实现了自给自足。但是整体的中国机床的创新还是不够的，我们更多的还是处于跟随和模仿的阶段，鲜有首创和填补国际空白的创新，其实这样的问题也存在于台湾地区的机床行业。而且即便是有了形似的产品，在神似方面依然还存在很大的差距，比如机床在高速状态下的稳定性、可靠性、精度保持性等等方面。这是任何一个国家发展都必须经历的过程，关键是我们要有追赶上去的紧迫感。

客观地说，展览会上我们国产的立式加工中心少有很突出的创新亮点，特别是我们的一些重大专项项目不管产品的性能、外观的设计制造都还有很多不足之处。如果我们还一直抱着自大的心态(我们的企业规模大、我们的产品体积大、我们的市场巨大）、沉溺于 “井底之蛙式”的沾沾自喜中、奔波于项目圈钱的活动中，那我们早晚会被我们的台湾同行抛得远远的，更不用说追赶西方先进的技术。国家的庇护不是永久之策，尤其是ECFA的签署并分阶段实施就是最好的例证。

中国机床的进步当然要有我们机床同仁们共同努力的问题，但是也需要我们国内一些高端的用户们能站在全局的观点，为我们中国的机床产品提供更多的平台进行验证和改进进步，即便付出一些代价也要这样去做。否则中国高端的市场永远会被西方的产品占领，机床制造厂也会逐渐丧失追求更高技术创新的积极性。

特别想要强调的一点是：中国的机床功能配套件进步太小，尤其是数控系统、电主轴、力矩电机驱动复合转台、丝杠、线轨、转台、刀库、轴承等等，和台湾的功能配套件的差距真的是全面的，这也不难理解为什么一些核心关键的功能部件几乎被台湾占领了大部分市场的原因，高端数控系统几乎被西方国家垄断。我们千万不要有 “中国的市场巨大，大到什么样水平的产品照样都可以有市场”的想法，而放弃对更高水平的创新。不妨把我们隔海相望的台湾同行当作目标，学学他们那种紧迫的压力感，对新技术、对市场的极为敏锐性，对待工作的严谨性。

从2011年台北国际机床展览会上可以看出，ECFA的实施后很多的欧美日企业以及新兴的经济体国家已经纷纷加强和台湾地区机床企业的合作，谋求通过ECFA的优惠政策获取更大的利益，今后国内立式加工中心企业将会面临更加激烈的 竞争。

四、结束语

展览会我们能够看到的展品更多的是外部的结构和一些文字性的表述，产品具体的性能应该是更多地需要我们的用户在实际的使用中加以体会和评价。以上评述和看法更多的是根据个人的体验和理解之词，不一定准确和客观。相信凭借我们中国人的聪明才智，中国迈入世界先进机床制造行列的日子是不会太远的。□