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世界上最先進的數控機床是哪個國家的?

我國數控技術的發展始於20世紀50年代。通過六五期間引進數控技術,七五期間組織消化吸收“科技攻關”,我國數控技術和數控產業取得了相當大的成就。特別是近年來,我國數控產業發展迅速。從1998到2004年,國內數控機床產量和消費量年均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此,進口機床的發展勢頭依然強勁。自2002年以來,中國已連續三年成為全球最大的機床消費國和最大的機床進口國。2004年中國機床消費高達94.6億美元。國內數控機床生產企業在中高端數控機床研發方面與國外的差距更加明顯。這類設備70%以上和大部分功能部件都是進口的。

可見,中國國產數控機床,尤其是高端數控機床,仍然缺乏市場競爭力。主要原因是國產數控機床研發深度不夠,制造水平仍然落後,服務意識和能力欠缺,數控及系統生產應用推廣不力,數控人才缺乏。我們應該看清形勢,充分熟悉國產數控機床的不足,努力發展先進技術,加大技術創新和培訓服務,縮短與發達國家的差距。

美國、德國和日本是數控機床研究、設計、制造和使用技術最先進、經驗最豐富的國家。由於社會歷史條件和政府發展戰略不同,各有特點。

美國數控機床的發展

歷屆美國政府都非常重視機床工業。美國國防部等部門因為其軍事需要,不斷提出機床的發展方向和科研任務,並提供充足的經費。同時,他們廣納天下英才,在發展中特別註重“效率”和“創新”,註重基礎科研。機床技術在不斷創新,如1952世界上第壹臺數控機床的研制,1958加工中心的創建,70年代初FMS的開發,1987開放式數控系統的創建。由於美國最早結合汽車和軸承的生產要求,開發了大量的自動化生產線進行批量生產自動化,電子和計算機技術世界領先,其數控機床主機設計、制造和數控系統基礎雄厚,且壹貫重視科研創新,因此其高性能數控機床技術壹直處於世界領先地位。但其劣勢在於偏重基礎科學研究,忽視應用技術。此外,80年代政府引導的放松減緩了數控機床的產量增長,1982被後起之秀日本趕超,大量進口。90年代以來,政府糾正了過去的偏向,數控機床從技術型轉向實用型,產量逐漸回升。

美國機床工業起步比英國晚50年,但很快在制造技術上超過英國,居世界第壹。福特在1896年制造了第壹輛汽車。為了配合汽車的批量生產,格裏森公司開發了壹套齒輪加工和測量的設備和工具,其他公司也開發了許多新型高效的自動機床。1934年,開發出世界上第壹條組合機床自動線。1948年建立了世界上第壹條年產3000萬套軸承的自動化生產線,使汽車產量迅速增長,1950年達到800萬輛(2000年中國為207萬輛)。此後,美國機床工業發展迅速,機床技術先進性、產量和生產規模長期位居世界第壹。雖然在80年代中期,美國經濟下滑,機床行業壹度沒落,先後被日本和德國趕超,但政府很快采取措施扭轉局面。

目前,美國機床制造業在機床技術和工業生產方面仍處於世界領先地位,如高效自動化機床、自動化生產線、數控機床和FMS等。主要分布在中西部和東北部各州,主要消費者為汽車制造業、航空業、建築業和醫療設備制造業。

美國機床技術之所以能長期保持世界領先,是因為政府在引導和加強R&D和持續創新方面發揮了至關重要的作用。主要表現在:

首先,制定計劃、措施,為重大科研項目提供充足的經費。比如為數控機床的研發提供了大量的資金。為新壹代數控系統研發提供6543.8億美元。

其次,組織和指導相關科研單位與企業的科研合作。比如新壹代數控系統的研發,由國家制造科學中心和美國空軍聯合開發;政府組織通用汽車公司、波音飛機公司和有關機床工業公司共同開發CIM。

再次,新產品開發完成後,組織訂貨和推廣,同時加速科研的進壹步深化。例如,麻省理工學院在1952年研制出第壹臺數控銑床後,立即組織軍事部門訂購了100臺進行生產,並進行了持續改進,從而加速了數控機床技術的不斷提高。又如:美國G&L公司在1994年研制出世界上第壹臺VARLA4並聯機構機床後,及時組織相關高校進行研究分析,並用於企業,以便進壹步完善技術。

由於美國技術工人短缺,工人工資相對較高,機床用戶要求機床制造商具有更靈活的機床性能,可以重復編程,以減少對技術工人的需求。由於汽車行業競爭越來越激烈,汽車車型的更新周期越來越短。汽車工業要求機床性能靈活、使用範圍廣、調試周期短,以滿足小批量生產和快速更新的要求。美國航空工業、汽車工業和模具制造業對高速機床的需求日益增加。出於環境原因,許多客戶要求機床減少冷卻液的用量。以上都說明,科技進步是影響美國機床工業發展的主要因素。

比如,目前電子化、高速化、精密化已經成為美國機床行業發展的主流:比如,美國企業通過網絡B2B服務,有效整合供應商和客戶的采購和庫存系統;大型汽車公司(通用、福特、戴姆勒/克萊斯勒)和航空航天公司(波音、洛克希德)都通過這種網絡服務在全球範圍內與相關系統同步設計和開發;機床行業的制造過程管理、遠程監控、故障排除、售後服務越來越普及;銑床主軸采用液壓軸承模具,用非接觸式代替滾珠軸承;直線電機擺脫應用限制,進入商業化。

展望未來,美國機床制造業有以下明顯的發展趨勢:

第壹,追求加工效率更高的機床。因為提高機床效率相當於縮短零件的加工周期,所以縮短加工周期有兩種方法。壹種方法是提高切削速度,即提高主軸轉速。目前車床和車削中心的主軸轉速都在8000r/min以上,加工中心壹般為15000~20000r/min,有40000r/min和60000r/min。同樣,進給速度也有了很大的提高,達到了20m/min甚至60m/min。隨著切削速度的提高,機床的結構剛度和動態特性明顯提高,高速主軸和刀具系統的動平衡設計也相應提高。另壹種方法是減少非處理時間。由於大量無用的時間都花在工件搬運、裝卸、安裝調整、換刀和主軸升降速上,所以近來復合機床的研發發展很快,其核心是在壹臺機床上完成車、銑、鉆、鏜、攻、鉸、鉸等各種操作程序。車床技術發展的主要趨勢是多功能機床,目前的多功能復合機床實際上就是具有車削功能的加工中心。在磨削加工中,目前的技術重點是開發基於PC的磨削控制系統。壹臺磨床可以磨削內圓、外圓和臺階軸,或者給機床不同的循環,加快生產進度,既能快速磨削又能保證尺寸精度和表面粗糙度。

第二,追求更安全、更可靠、更環保的機床。由於機床運行速度的提高,操作人員的安全和健康也得到了優先考慮。目前美國研制的高檔機床幾乎都在人可能受傷的地方安裝了安全警示裝置。幹切削和微潤滑切削方法應用廣泛,因為它們可以大大減少潤滑劑的揮發,而且幾乎整個機床都是封閉的,有些機床甚至看不到切屑,所以即使有過量的油霧和煙塵,也很容易收集。同時,機床操作人員在工作時的環境和位置會被認為是非常舒適的。此外,無汙染的清潔加工技術也受到了極大的關註。

三、機床零部件工業快速發展。機床附件發展迅速,品種齊全。主要產品有滾珠絲杠副、精密軸承、各種轉臺、換刀裝置、各種氣動和液壓裝置、直線導軌和主軸部件等。這些附件產業的發展有力地推動了機床主機的發展,不僅有助於提高機床的速度和性能,而且大大縮短了主機的生產周期,降低了生產成本。

第四,追求更完善的控制系統。更高速的處理器和更精確的控制設備使機床的功能和性能更加完善和強大。技術密集型已進入超速發展階段,整合的關鍵是開放結構。PCC技術的應用開始改變機床的工作模式,將CNC推向控制中心而不是機床控制器的範圍。控制軟件發展更快,甚至壹年改進幾次。CNC制造商提供了壹些開放式結構的CNC系統。目前在機械制造廠中,開放式結構的數控控制器占10%~20%。零件程序可以離線開發,然後傳輸到生產車間的編程系統,在CNC控制器上運行。操作者可以觀察和檢測工具操作和加工過程,並且還可以對加工過程進行必要的修正。美國GEFANUC公司銷售的控制器30%是開放式的,實現了真正的CAM/CNC壹體化,趨於智能控制,還可以接入互聯網。虛擬制造和無紙化生產的技術基礎已經建立。在信息技術的幫助下,這類軟件的應用將會以更快的速度發展。

第五,追求更高的機床外觀質量。現在的機床廠商更註重機床造型的美感和色調的和諧柔和,精品機床正在向工藝品方向發展。

德國數控機床的發展

德國政府壹直重視機床工業的重要戰略地位,並在許多方面給予大力支持。德國的機床工業雖然比美國發展得晚,但由於善於學習美英的先進技術,加強科學實驗和研究分析,特別是對先進技術的研究,所以發展非常迅速。首先,講究“實”和“效”。德國特別註重科學實驗,理論與實踐相結合,基礎科學研究與應用技術研究並重。其次,堅持“以人為本”,不斷提高人員素質。企業與高校科研部門緊密合作,對用戶產品、加工工藝、機床布局、數控機床特點等進行深入研究,在質量上精益求精。德國數控機床質量性能好,先進實用,出口世界各地。特別是大型、重型、精密數控機床。最後,德國非常重視先進實用的數控機床及配件,其機械、電、液、氣、光、工具、測量、數控系統及各種功能部件的質量和性能均居世界前列。比如西門子的數控系統,世界聞名,已經成為大多數用戶的最佳選擇。

同樣,德國機床協會(VDW)為德國企業提供所有可能的市場支持,從市場信息和統計數據到各種產品的報告和對汽車工業等關鍵領域的推測。在中國機床工具協會的幫助下,VDW為有意在中國尋求合作夥伴的德國公司提供了直接接觸的機會。為各類設備和服務提供進口認證等貿易信息;根據需要組織中方相關人員在德國進行技術培訓活動;組織德國商務代表團參加中國大型金屬加工展覽會,並聯系德國政府提供官方支持。

日本數控機床的發展

日本政府非常重視機床工業的發展。壹方面通過規劃和制定法律法規(如《機械振動法》、《機電法》、《機械信息法》)引導行業發展,另壹方面提供充足的研發經費,鼓勵科研機構和企業大力發展數控機床。在重視人才和機床零部件方面向德國學習,在質量管理和數控機床技術方面向美國學習,結合兩國經驗,形成自己的發展特色,後來居上。

自1958年研制出第壹臺數控機床以來,日本在1978年的產量(7342臺)超過了美國(5688臺),並長期保持產量和出口量世界第壹(2001年生產46604臺,出口27400臺)。戰略上,大量出口產量大、範圍廣的中檔數控機床,占據世界大部分市場份額,80年代進壹步加強科研,向高性能數控機床發展。日本FANUC公司正是采用這種戰略,在日本政府的指導和鼓勵下,有針對性地開發市場需要的各種低、中、高檔數控系統,並在技術上領先,成為世界上最大的機床數控系統供應商。公司現有員工3674人,科研人員600多人,月生產能力7000臺。其銷量在世界市場占50%,在日本占80%,極大地促進了日本乃至世界數控機床的發展。

除了FANUC,還有許多其他機械零件公司。在政府的引導下,這些日本企業非常重視關鍵技術和核心產品的開發。這種分工合作提高了日本數控機床行業的效率,避免了美國數控機床行業因為所有廠商都想成為行業標準而導致的內部鬥爭,從而保存了自己的對外競爭力。此外,日本政府還鼓勵壹些擁有自己獨特技術優勢的小型數控機床和自動化設備制造商開發自己的專利技術。

中國臺灣省

現代數控機床企業的發展越來越依賴於供應鏈,這已被世界各國各地區機床工業的發展經驗所證實。例如,中國臺灣省的機床工業就是壹個很好的例子。

中國臺灣省的機床工業屬於組裝型。除了主軸和其他精密零件,機床制造商基本上不進行其他機械加工。鑄造、鈑金、熱處理、噴漆等工藝都是合作工廠完成的。例如,友嘉公司在臺中有大約70家合作工廠。

可見,臺灣省機床工業的發展優勢在於形成了完整齊全的機床零部件產業。這些零部件生產企業集中在機床廠周邊不到100公裏的範圍內,零部件供應按時、完整。中國臺灣省機床行業90%以上的廠商都集中在臺中,而且距離並不長,幾乎壹個接壹個。這樣既能實現精準供應,又能降低庫存,甚至在某些廠家或某些環節實現零庫存。發達的機床零部件產業和便捷完善的供應鏈,是臺灣省機床產業的優勢和驕傲,在獲取零部件的便利性上甚至優於日本和德國。

此外,隨著市場競爭的加劇,中國臺灣地區的機床企業普遍重視R&D,每年的R&D投資額都在營業額的4%以上。基礎好、資金實力強的公司,每年可以在R&D投資5%以上的營業額。

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