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磨床界的iPhone XS Max,为什么最贵的磨床卖的最好?

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策划:东方出版社

文:日经BP社丨 编辑:郭伟玲

本文看点:

1.Nagase Integrex公司是世界著名高精度磨床生产商,他们在业绩的特色是“油静压导轨技术”。

2.有技术特色的公司,才可能承受经济波动的冲击。

3.技术进入“无人区”的时候,会碰到之前没有想象到的困难,比如:高精度磨床的温度控制。

在磨床及精加工机方面,Nagase Integrex公司的产品具备业界首屈一指的精度。Nagase Integrex公司一直追求高精度加工,实现和其他公司相差悬殊的产品性能。


∣高精度加工的“救急所”

支撑起其产品性能的核心技术是“油静压导轨”,该公司在世界首次实现了为磨床的全轴采用油静压导轨。所谓油静压导轨是一种引导机械运作的方式,利用油压来保持导轨和移动体之间的微小缝隙。由于导轨和移动体是非接触的,因此摩擦抵抗力非常小。重达30吨的工作台也能用手轻易地移动,实现高精度定位。“直线笔直,圆形则按完整的圆来移动,重复再现性很高。”该公司常务董事、制造总部技术部部长新藤良太表示。

此外,由于没有磨耗,精度也就不会随时间变化而降低,具有寿命较长的特征。新藤先生自信地说道:“我们一直在固执地挑战油静压导轨。在精密磨床方面我们可以说是先锋。”

例如,该公司的超超精密精细加工机“NIC”系列具备最高0.1nm的控制分解能力(图1)。该300α是一种旗舰机器,6轴全部采用了油静压导轨,而且平衡移动轴采用了直线电机,旋转轴采用了直接驱动(DD)马达来驱动。在平面上绘制半径为1mm的圆弧时,能将偏差能控制在10nm以内。这种程度的精密加工机器的直线电机也好DD马达也好全部都是特别定制的。

该公司的顾客以金属模具生产商及机床生产商、齿轮生产商居多,基本上采取订货生产的生产方式。特别是“仿佛是高精度加工的救急工厂,有很多保密生产的专用机械。生产过很多世界上仅限一台的机械。”新藤先生表示。

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图1(a) 精密精细加工机“NIC”系列

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图1(b) 精密精细加工机“NIC”系列


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图1(c)精密精细加工机“NIC”系列


图1为该公司的旗舰机。NIC 300α的最小设定单位是0.1nm,可同时实现6轴控制(a)。(b)是在水平面(XY轴)上绘制半径为1mm的圆弧时的测量结果。偏差能够控制在10nm以内。(c)是精细加工的例子,加工每边为1μm的四棱椎。


这种特殊性正是仅有100多位职员的该公司,能够在业界拥有很高的评价而生存下来的强大的理由。交货周期快的话需要4个月,大型较难的机械则要花费长达1.5年的时间※1。不过,由于一年以前的积压订单较多,且其他公司没有替代产品,该公司很难受到经济波动的影响。据称,2008年雷曼事件发生时,该公司所受的影响也比其他机床生产商小得多。


∣全世界首次全轴采用(油静压导轨)

实际上,Nagase Integrex公司在20世界80年代之前也还是大批量生产小型且廉价的机床的制造公司。然而,在经济波动中很多中小机床生产商被淘汰了。慢慢地,海外生产商的低价格机器开始流通,该公司的危机感越来越强烈,意识到如果没有能够和其他公司产生差异化的特征就生存不下去了。

这时,以世界第一的高精度机床为目标的该公司盯上了“油静压导轨”。当时的机床以滑动导轨为主流。“虽然明白油静压导轨能够提高加工精度,但在当时要制造出来还是很困难的。”新藤先生说。当然该公司当时并没有什么特殊技术,然而正因为日本国内也都没有,该公司才把赌注压在油制压导轨这一新技术上,从零开始挑战※2

于是该公司边请教专家边进行开发,1989年终于开发出了全世界首例的全轴采用油静压导轨的磨床(图2)。然而,“当时是依赖工匠的手工生产出来的,还没有达到商品化水平。”新藤先生说。作为通用机械,1991年开发出了能够完成6×2m的加工作业的大型龙门磨床“ORIGIN6020”。之后,继续反复研发新技术,2002年发表的精密磨床终于实现了分解能1nm。即使是在对精度要求严格的日本,一般的磨床的分解能为100nm,海外产品一般是1μm,相比之下它的精度具有压倒性的优势。


∣将温度控制在0.001℃

为了实现高精度,不仅需要油静压导轨,还有一项非常重要的是温度控制。控制油静压导轨的导轨油的温度的自不必说,周围温度也对加工精度有很大的影响。据悉,通用机械能够将温度控制在0.01℃,而超精密(机械)则能控制在0.001℃。上述的线性电动机、DD马达是特别定制产品,除了能够活动自如,而且采用了不易受温度影响的独特设计。

近来,机械都要求具有节能性能。因此,该公司在最近的产品中采用了

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图2 (a)开发初期的产品

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图2 (b)开发初期的产品



图2为开发初期的产品 。1998年开发出了世界首个全轴采用油静压导轨的磨床(a)。2002年实现了分解能为1nm的精密磨床的实用化,并凭此获得了2002年度的“日本造物大奖 内阁总理大臣奖”。


※1

不过,近年来该公司开始组成项目团队,缩短交货周期。

※2

生产高精度的机械需要具备同等以上精度的机床。为此,该公司曾走访德国寻求高精度的机床,结果并没有找到符合期望的产品,于是决定自己开发生产机床的机床。

被称作“智能热力学(smart thermonics)”的节能的温度安定化技术。这并不是革新的技术,而是“将原有的技术累积,或者在一般不常用的技术上下功夫再拿来利用”(新藤先生)。据悉,由于同样技术的导入,控制温度需要的消费电力减少到了过去的4~5成左右※3

近年来,海外产的通用油静压导轨组合充斥着市场,新藤先生却对自家公司的技术颇有信心:“只靠市场上的产品做不出精度。”以温度控制为首,正是有了这种为了熟练运用技术的多个技能的叠加才做出了现有的精度。

∣ 看似昂贵,实则实惠

在个别订货生产中经常使用特别定制产品,因此Nagase Integrex公司中有很多昂贵的产品※4。新藤先生解释说:“当初因为价格的缘故我们在销售上费了很大力气。”不过最近能够得到客户的理解了——从长远的眼光来看其实并不贵。油静压导轨不易磨耗,因此能够在长时间内保持精度。此外,高昂的高精度机械一般担心损耗情况而只在最后的工序上使用,而磨耗极少的该公司的机器连在负荷较大的加工作业上都能够放心地使用,因此整体上反而控制了设备成本。

此外,近年来该公司同时还致力于新的附加价值的提供。其中之一是将大型作业表面加工成微小的凸形/凹形的“凸度磨削”(图3)。据悉,这在中小型的磨床中并不稀奇,但在数米的作业中能够完成凸度磨削的只有该公司。在该加工中,由软件控制来加工凸形/凹形。这一点得以实现是因为该公司本来就拥有一项加工技术,该技术能够利用构造解析来提前预测大型作业的挠度,并追踪数微米(μm)的挠度在平面上进行加工。反向利用追踪微小曲面的技术,设计微妙的倾斜,或使之弯曲,就可能完成凸度加工※5

新藤先生谈到今后的展望时表示:“我们的特征性精度还有提高的余地,缩短加工时间也是我们的目标。”尤其是在日本国内市场停滞不前的情况下,该公司认为今后有必要加强向海外的扩展。“我们拥有磨练了各种技术的历史,其他公司不可能轻易追赶上我们。”新藤先生自信地表示,尽管如此该公司仍以,处于世界最前沿的高精度加工为目标。

●企业名称:Nagase Integrex有限公司

●所在地:岐阜县关市

●成立年份:1950年

●行业:机床的开发制造与销售

●资本:5000万日元

●职员人数:约130人

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图3(a) 为大型龙门磨床所进行的凸度磨削。


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图3(b) 为大型龙门磨床所进行的凸度磨削。


图3 为大型龙门磨床所进行的凸度磨削。

(a)是能够进行10×2.4m的加工作业的“ORIGIN10025”正在作业。(b)是凸度磨削的测量例子。在220×220×2000mm的作业中,对中央部分进行凸加工使之高出5mm的产品。即便是2m的长尺作业,也能将形状误差控制在2μm左右。


※3

此外,为了提高精度需要附加专用的除振装置,或重新审视设置场所的基础。据悉,大型产品的基础可达3米深。

※4

例如,机床生产商等引进的大型龙门磨床“ORIGIN”系列年产数台,据称昂贵的机种价格接近10亿日元。

※5

而且,该公司还(为用户)准备了能够利用该技术将平面磨床当作3次元测量器来使用的选项,还安装了探针来代替工具。今后该公司将扩充利用这种附加价值的组合技术来提高性价比且拥有长久的复合使用方法的产品。

Q: Nagase Integrex有限公司是如何实现高精度的?你还有哪些补充?

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