车铣复合机床：机加工效率与精度的利器，国产能否步入“高端局”？

1982年, 有一家位于奥地利林茨市的WFL公司, 该公司创造性地进行了研发, 研发出的是世界上第一款五轴车铣复合加工中心, 自此之后, “一次装卡、全部完工”这种车铣复合加工理念, 于全球制造业涵盖的范围内迅速得到了普及。

随后的四十多年间, 伴随着机床行业数控技术持续发展, 自动化技术也不断进步, 与此同时, 汽车、航空航天、精密医疗器械等下游行业, 对成品精度要求不断提升, 对于加工效率要求同样不断提高, 在此情形下, 以Turning and milling machines作为代表的复合加工机床, 在机加工领域日益展现出无法替代的关键地位, 进而成为当下国内外机床行业持续予以关注的焦点。

1 独特优势：一次装夹实现多序整合

尚无统一的归类以及定义, 存在于机加工领域之中, 针对的是复合加工类机床。MIR这么做了, 也就是使其进行了分类这件事, 结合图1来瞧, 利用的方式是对主流车铣复合机床厂商的产品线予以归纳总结, 并且在综合整体市场发展状况为依据的情形下。

图1 车铣复合机床分类

当下, 很大一部分车铣复合加工是借由车削中心达成的。车削中心是于车床刀架之上配备动力头等刀具, 进而达成铣削功能的。鉴于刀架结构以及外形尺寸的限制, 再加上动力头功率小、转速低以及刀具尺寸受限等缘由, 车削中心的功能依旧是以车为主, 铣、钻功能仅立足于满足某些基础的辅助加工。

五轴车铣复合加工中心呢, 能够细分成两种类型, 分别是摆头式以及摇篮式, 其中呢是以摆头那种类型作为主要的, 摇篮式的五轴车铣复合加工中心, 它的车削功能大多都是在采购的时候作为选配的项目, 并且在转速层面以及精度方面, 都不像摆头式那样具备强大的能力, 同时呢很少会有专门生产该类机型的机床厂商。

与传统的车削、铣削分一道道工序加工相比, 车铣复合机床能够针对工件只进行一回装夹就能把多道机加工工序整合起来, 借此避免因定位基准转变而产生的误差累积, 还可降低上下料以及机床维修期间的人工成本与时间成本。除此之后, 可以发现市场上高端的车铣复合机床往往配备了比较先进的实时检测功能, 能够达成制造过程里关键数据的实实在在检测和精度把控, 从而获得进一步提升的机加工精度。面临同样一款加工需求时, 那么相比于一些传统机床的选择, 车铣复合加工就比较突出地具有占地面积少那么一些、工艺能简单紧凑又合理那么一些最终提高生产效率等多方面的优势。

不管是“车加工与铣加工的组合方式为车在前铣在后”, 还是“铣加工与车加工的组合方式为铣在前车在后”, 车铣复合这件事不是仅局限于在车床或者加工中心之上做出简单的功能增加, 而是借由更为繁杂的协同运作的车削以及铣削工艺, 于较短的时间之内用较低的成本达成针对高精度以及复杂形状这样子的加工需求。

2 车铣复合机床市场规模分析

近些年来, 于金切机床整个市场规模始终不断下滑的这一不利情况中, 车铣复合机床市场却反倒展现出颇为稳健的增长态势, 比金切机床行业的整体增长速度要高。从长远角度来讲, 凭借车铣复合加工方式会对传统机床应用实施整合替代, 在半导体设备相关行业, 医疗器械相关行业, 航空航天相关行业等方面表现得尤为显著看出。精密零部件加工需求有所增加, 这会促使中高端车铣复合机床需求持续增长(图2)。

图2, 2019年至2025预测年期间, 车铣复合机床市场规模, 按金额呈现出的那般变化情况。

图3 2023年车铣复合机床各机型市场份额占比(按金额)

(1)车削中心市场

2012年过后, 车削中心于中国市场开始渐渐兴起, 车削中心应用范围宽广, 差不多能够用于任一行业的车铣加工工序的整合, 然而就目前情形而言, 数量颇为可观的下游厂商对复合加工的意识和优势认知依旧欠缺。

当下, 各个车削中心生产致力去开拓半导体、风电等新兴战略行业的客户, 从而降低对传统行业客户群体的依赖程度。新兴行业所存在的潜在需求将会在极大程度上带动车削中心未来市场规模的增长态势。预计到2025年的时候, 市场规模将会突破60亿元。

(2)五轴车铣复合加工中心市场

近年来, 作为高端切削机床代表的五轴车铣复合加工中心, 其市场规模呈现出明显显著的上升态势, 平均规模的增长速度高于机床整个广阔市场。自2020年起始以来, 主流机床诸多厂商面对只增多不减少的需求, 频繁不断地对该类机型进行价格上涨调整, 所以以致造成平均价格有所提高。

在军工, 以及航空航天、船舶等这些领域当中呢, 五轴车铣技术有着广泛的应用, 特别是在航空航天领域里, 针对形状复杂的异形零件进行加工时, 它更能够具备优势。国外在很早之前, 就在航空航天这个领域当中, 大量地采用这类机床去替代传统的加工设备了, 可是呢国内在相关领域的应用比率依旧处于比较低的水平。

3 车铣复合机床的下游应用

图4表明, 汽车行业实属车铣复合机床的主要下游应用行业 , 近几年新增的Areas of application主要聚焦于新能源汽车行业 , 精密医疗器械行业 , 风电行业以及航空航天等行业 , 车铣复合机床这一来可谓是叶轮生产过程中公认高效最高的加工方式 , 螺杆生产之时公认高效最高的加工方式 , 重型发电机生产之际公认高效最高的加工方式 , 汽轮机转子生产当中公认高效最高的加工方式 , 更还是大型柴油机曲轴等轴类生产期间公认高效最高的加工方式 , 回转类复杂零件生产进程里公认高效最高的加工方式 , 这一点毋庸置疑。

于新产品研发阶段, 除规模化生产外, 运用车铣复合机床来开展试验样品以及模具的精密加工, 如此亦可极大程度地降低设计以及制造难度。

图4 2023年车铣复合机床的下游行业应用分布(按金额)

4 国产车铣复合机床：普通机型全面替代，高端机型任重道远

在于车削中心这一方面, 国内当下已然具备了相对较为完备的技术条件, 以及供应链体系。由数据能够看出, 在近些年来呢, 咱们国产的车削中心的市场份额呈现出快速增长的态势, 极大程度地超越了进口车削中心（如图5所示）。海德曼、纽威等处于头部位置的数控车床生产商, 早就已经开展了车削中心的研发以及生产方面的布局, MAZAK、OKUMA等头部外资品牌亦把越来越多的车削中心机型的生产环节, 还有部分研发环节往国内工厂进行转移。

如今, 需求量比较大的普通机型大体上全都依赖国产, 高端机型虽说依旧是以进口作为主要来源, 然而技术壁垒并不是不可以被攻克的。国内厂商都在不断持续输入研发, 减小与进口机型之间的差距, 着重点在于提高加工精度、稳定性以及车铣功率等方面。在将来, 国产的车削中心有希望达成对高端进口机型的全面取代。

和车削中心国产化进程的发展状况相反, 生产能力更为强的五轴车铣复合加工中心, 其国产化率依旧处在比较低的水准, 国产机型的核心部件差不多全部依靠进口。并且, 受到前沿技术出口限制的作用, 外资厂商在短期内把机床生产转移到国内的可能性不是很大。

近年来, 国产头部五轴厂商均推出了相关机型, 然而, 在精度方面, 存在较高技术壁垒, 数控系统存在较高技术壁垒, 切削刀具存在较高技术壁垒, 故障率难以降低至可接受范围, 故而产品的市场认可度目前普遍不高。在下游生产当中, 依然会选择分序加工, 或者采购日系厂商的进口机型, 比如DMG MORI、OKUMA、WFL、INDEX等, 以及欧系厂商的进口机型(图6)。

图5展示了, 在2019到2025预计年份这一期间内的, 国产车削中心与进口车削中心的, 依据金额来进行了对比的市场规模情况。

图6, 2019年至2025E时段, 国产与进口的, 五轴车铣复合加工中心, 针对市场规模, 按照金额来进行对比。

5 车铣复合机床厂商竞争格局

2023年, 中国大陆地区车削中心竞争呈现这样的格局, 有如下情形, 首先各厂商所占市场规模较为分散, 其次TOP10厂商合计占比没有超过30%, 再者内资厂商占据了绝大部分, 另外外资厂商的车削中心机型大多是国内工厂生产的存在这样的情况(这里有图7做进一步说明)。出现这种格局是因为刀塔机等低端机型销量高, 而且不存在技术壁垒, 所以有越来越多的机床厂商介入车削中心的研发以及生产当中。国产替代进程的加快促使国产车削中心机型丰富程度得以提升, 厂商竞争格局将会朝着进一步分散化的方向发展。

相对于车削中心, 五轴车铣复合加工中心因技术壁垒比较高, 从事该行业的厂商相对比较少, 故而竞争格局更为集中。在头部厂商里面, 除了一家内资厂商之外, 其余全都是外资厂商, 并且全都是进口机型, 这类机型通常被应用于航空、半导体等行业中附加值极其高的精密零部件加工(图8)。

图7 2023年车削中心厂商竞争格局(按金额)

图8 2023年五轴车铣复合加工中心厂商竞争格局(按金额)

6 Conclusion

车铣复合机床, 在机加工领域持续迈向前进的进程里, 于新兴制造业产能扩充之时, 以及传统制造业产线改造之际, 均担当着不可缺少的角色嗯。因国产替代致使机床价格恒久降低, 少工序、高精度的复合加工工艺会渐渐获取更广泛的普及, 它在未来, 于各个下游行业, 特别是汽车和航空航天行业, 将会得到更为普遍的应用了, 进而激发出车铣复合机床更宽广的市场空间。

多年投入研发后, 国产车铣复合机床对日系、台系普通进口机型的替代比例, 日益提升, 渐渐占据主导地位。然而, 在高端车铣复合机领域内, 不管是车削中心, 还是五轴车铣复合加工中心, 国产厂商存在难以攻克的技术壁垒, 特别是加工精度以及机床稳定性方面, 和进口机型存在较大差距。面对日益扩大的车铣复合机床需求, 主流国产机床厂商在五轴车铣中心的研发跟制造这个前沿赛道上一直在持续发力, 高端车铣复合机床的全面国产化也即将指日可待。

图9 五轴车铣复合加工中心加工的部分零部件