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未来刀具技术和市场

2015/2/9 9:55:38
文章来源:网络

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  本文作者仅从刀具制造技术方面来阐述未来刀具技术和市场的情况。未来,刀具在材料、涂层、信息化建设等方面将会取得更大的成就。

  中国未来的刀具技术和市场将如何发展?这是一个仁者见仁,智者见智的问题。依我看,我们的刀具发展首先也会在提高效率上下功夫。因为提高加工效率,必将成为刀具用户的一个重要考量。

  刀具用户对于提高加工效率的要求,某种程度上是基于社会发展和国际环境发展的要求。从2000年至2010年期间,无锡、上海、北京、广州4个城市的职工平均工资,分别增加了500%、300%、320%和290%,劳动力成本的上升可见一般。而这种劳动力成本的增加与产品的成本是正比关系,会导致产品竞争力的下降。另外一个方面是我们人民币的升值。从2005年到2012年初,人民币与美元的汇率从约1:8.1升至1:6.3,升值近30%;欧元则从2008年最高的1:11到2012年初的约1:8.3,升值约32.5。人民币的升值使

  中国出口产品在国外以当地币值结算的售价增高,而进口产品的人民币结算价格下降,这对国内出口产品的企业和进口国外产品较多的行业都带来了额外的竞争压力。如果要摊薄这些负面影响,提高加工效率就会成为刀具用户的一种解决方案。因为一旦效率提高,单位时间生产的产品数量增加了,分摊在单件产品上的设备成本、人力成本、管理成本都会降低,产品的总成本也会随之有较大幅度降低,要提高刀具的加工效率,就需要在刀具的制造技术和应用技术两个方面下功夫。而本文仅从刀具制造技术方面阐述自己的分析。

  刀具制造技术

  在刀具的制造技术方面,首先是刀具的材料技术。而刀具的材料技术预计会在新类型的材料和原有材料的高性能两个方向发展。

  在2011年的欧洲机床展览会上,德国蓝帜金工(LMT)的“滚切王”(Speed Core)就是新类型材料的一个例子。这种滚刀的材料应该说既不是高速钢,也不是硬质合金,其化学成份见表1所示。据蓝帜介绍,因为新型的材料中没有碳,“滚切王”不再通过金属合金的方法来硬化,而是通过时效硬化来提高材料的耐磨性,是全新的材料技术。使用这种材料技术制造的滚刀切削速度可以比传统的高速钢滚刀提高50%以上,甚至比粉末冶金高速钢(HSS-PM)也可提高30%。

  (a)滚切王(b)粉末冶金高速钢表1蓝帜滚切王铣刀的化学成份

  高性能材料目前的主要趋势是颗粒细化和增加一些微量元素来改善材料的性能。我们很多人都听说过纳米材料的神奇之处,虽说刀具材料的纳米化似乎目前还停留在实验室阶段而没有进入商业化的应用,但我相信在未来的30年,纳米技术的刀具材料会逐步进入应用阶段。

  纳米材料一般是指颗粒尺寸在100nm,也就是0.1μm以下的材料。据笔者的资料,就整体硬质合金和可转位刀片而言,目前直径在0.1mm以下的微型钻头和微型铣刀会使用颗粒尺寸在0.7μm左右的亚纳米材料,而其它刀具的材料如果能采用1~1.3μm的颗粒的硬质合金,已经可以称得上是微颗粒了。一般而言,较细颗粒的硬质合金比较粗颗粒的硬质合金强度要高很多,对改善刀具的性能有相当大的帮助。表2是德国瑞别格(Ruebig)的两种整体硬质合金材料的性能对比,从中可以看出,0.5μm颗粒的硬质合金比起2μm颗粒的硬质合金强度提高了30%。预计在未来的30年,细颗粒、超细颗粒的硬质合金的使用比例会越来越高。同样,在高速钢的范围内,细颗粒状的粉末冶金高速钢的也将逐渐取代以针状马氏体的普通高速钢。表2两种硬质合金材料性能对照

  在刀具制造方面,改善刀具的第二个重要措施是选择合适的刀具涂层。

  刀具涂层的方法主要有化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两大方法。目前针对加工钢件和铸铁件的硬质合金可转位刀片尤其是车削刀片主要采用CVD的涂层,而其它的刀具包括整体硬质合金刀具主要采用PVD的涂层。

  CVD的涂层从目前来看,能够适应的涂层品种都相对较少:主要用于进行Al2O3涂层和金刚石(PCD)涂层。虽然适合涂的品种不多,但由于这两种涂层一个(Al2O3)因尤其适合加工钢和铸铁而有很大的市场需求,而另一个(PVD)因尤其适合汽车轻量化的铝合金和航空航天、风电等快速增长的碳纤维增强复合材料,这一技术仍然有很大的发展前景。笔者预测Al2O3涂层的发展方向应该会在获得厚度更大的α相Al2O3层、晶粒的受控成核定向成长技术、晶粒细化技术、减少和消除涂层的微裂纹和液滴等方面。

  PVD技术的发展则因其本身的特点,应该会呈现多样化的趋势。笔者预测PVD涂层一方面将主要通过添加微量元素来提高涂层的耐磨性、提高涂层的耐热性、减少涂层-切屑摩擦副或涂层-工件已加工表面摩擦副的摩擦、减少切削热向刀具的传递等方面来实现;另一方面也将通过细化涂层晶粒的方法来提高涂层本身的机械和化学性能。

  在刀具的制造技术方面,切削刃的结构一直是与基体材料、涂层技术一起构成切削刃工作性能的极其重要的因素。就切削刃的几何形状本身而言,层出不穷的刃口结构依然会被源源不断地推出,但其目标则多半会是追求锋利、抗冲击、断屑和受力受热等几个方面达到更高水平的平衡。图1是瓦尔特刀具(WALTER AG)在2011年欧洲机床展览会上推出的四种新的ISO槽型:FP5、MP3、MP5和RP5。据瓦尔特刀具介绍,这些槽形都具有很大的断屑区域,并能够彼此互补,相得益彰。与该公司原有的槽型相比,这些新槽形的应用范围扩大了20%~40%,因此仅用这四种槽型就能覆盖钢件加工的整个应用范围。同时配合该公司新的切削材料,用户能获得长久与恒定的刀具寿命、更迅捷的切削速度、简便的排屑和极高的精准性、更杰出的工艺可靠性及机床使用率,从而有可能使钢件车加工的生产效率翻一番。

  图1瓦尔特刀具的4种加工钢件的新的槽形

  刀具制造技术发展的另一个方向就是挑战目前还难以加工的加工对象,这里既包括了如钛合金、镍基合金、淬硬钢等材料,也包括了小尺寸加工、深孔加工、薄壁加工、大尺寸工件加工等加工对象。

  图2所示的瓦尔特刀具用于钛合金材料的加工槽形采用了特别结实的切削刃(蓝色),用以对抗月牙洼磨损,同时它有一个特别窄的断屑槽,使通常易于产生乱屑的钛合金切屑在这样的槽形下易于断裂。与此相反,用于镍基、铁基或钴基的高温合金的刀片槽形则有一个锋利的切削刃,并有正前角槽形,以实现平稳切削,它的断屑槽减轻了切屑冲击的风险。

  图2瓦尔特刀具用于难加工材料车削刀片的两种槽形对比

  对于钛合金的加工,另一个正在被国际厂商采用的方式是高压内冷却,如山特维克可乐满、肯纳金属、山高刀具等刀具商都是如此。

  不久前,推出了世界上首款用PCBN材料。山高刀具介绍说,这一刀具材料的目标在于满足镍基合金零件精加工严格的表面粗糙度、公差和切削长度的要求,其带来无可匹敌的刀具寿命,减少了换刀次数而引发的机床停机。结果是获得了一种经济高效、方便使用的切削刀具,不会影响零件的表面质量。

  (a)山高刀具的飞龙车刀(b)肯纳金属Beyond BLASTTM结构图3高压内冷却的车刀

  (a)肯纳金属Beyond BLASTTM结构(b)瓦尔特刀具的液氮内冷却铣刀图4高压内冷铣刀

  对于淬硬钢材料,磨削已经不是首选的精加工方法,因为现在采用硬车削的单件成本已经大大减少。硬车削金属去除率高,加工周期短。尽管硬车削有这些优势,但通常会出现切屑控制不良,会形成鸟巢形切屑,并引起表面划痕。由于CBN自身的结构特点,以前行业内还无法将断屑技术直接施加在低含量CBN刀片上。肯纳金属通过将专用断屑槽型与两种高性能PCBN材质相结合的方法,首家开发出带断屑器的KB5610TM和KB5625TM,让客户能完全控制硬车时出现的这类问题。如图6。

  图5山高刀具的CBN170

  图6肯纳金属的KB5610TM和KB5625TM

  在硬铣削方面的一个主要问题是由于切削力比较大,铣刀与夹持机构之间容易发生打滑现象。为此,德国翰默(HAIMER)推出了一种安全夹持技术,它能有效地防止铣刀与刀柄夹持孔之间的相对转动,保证铣削的安全性。

  重载切削也是未来中国刀具应用的重要方面。前些年的重型机床热虽已有所降温,但由此造成的重型机床保有量上升却依然成为事实。这些机床会带来重型、大型尺寸加工刀具的使用在今后若干年中将得到持续的发展。伊斯卡集团的英格索尔、瓦尔特刀具、肯纳金属等都在加大重型加工刀具的开发。

  图7翰默的铣刀安全夹持技术

  肯纳金属新推出的MEGA 15°,45°,60°和90°系列铣刀就是这类用于重载铣削的产品(图8)。据肯纳金属介绍,该系列所使用的每个重型铣刀片有4个有效切削刃,从而在保证高生产率的同时让单个切削刃的成本更低。该铣刀采用轻快切削刃设计,它能使切削力降低30%。集成的修光刃有助于改善被加工表面的粗糙度,而结实的刀片有利于提高金属去除率(据称金属去除率可最多提高30%)。

  图8肯纳金属的MEGA重载铣刀

  小直径的微型钻头和铣刀在未来电子产品行业会有更为广泛的应用。现在一些高档的手机产品己经开始用金属制造外壳而不再使用工程塑料,燃料系统或医疗器械部件也经常有需要用到微钻。瓦尔特-蒂泰克斯能制造最小直径为0.1mm的硬质合金钻头,而肯纳金属推出高性能整体硬质合金钻头GODrill(图9a),不带内冷的最小直径为1mm,而带内冷的最小直径已达到1.5mm。GODrill钻头采用无刃带设计,减少了摩擦生热的产生,使用寿命更长。优化切痕用于微型钻削,可以保证钻中心没有切屑流。

  (a)肯纳金属的GODrill微钻(b)瓦尔特的XD70深孔钻头图9两种发展方向的钻头

  在2011年的欧洲机床展上瓦尔特将30XD钻深提高到了可观的70XD——这也许是整体硬质合金麻花钻领域新的世界纪录。瓦尔特为整体硬质合金毛坯的制造采用了新的工艺,因此才使得生产出如此长的整体硬质合金钻头第一次成为可能。此外,在生产中需要一种特殊的打磨工艺。与其它所有的瓦尔特XD钻头一样,XD70也通过内冷孔进行冷却。瓦尔特介绍说,尽管钻深如此之大也不需要如同外部高压系统之类的特殊的冷却装置,在很多加工中心上都能提供标准冷却装置已经足够。

  刀具市场

  未来刀具的发展方向应该包括刀具的信息化。刀具的信息化无疑需要在刀具上增加信息载体,就目前看来,对刀具而言比较合适的信息载体会是射频芯片和二维码图形。射频芯片通常附加在刀柄上,新的高速化刀柄HSK、CAPTO、KM的标准都预置了射频芯片的安放位置。将来刀具的管理者、设计者、制造者、使用者或许都能在芯片里附加自身的信息,如质量溯源信息、几何尺寸、使用规范、预调参数等等。而二维码能够直接提供的信息量相当有限,但二维码可以设置成访问网络的快捷方式,通过智能手机扫描二维码并连接到网络的数据库,同样可以得到很多信息——虽然它需要网络的支持。因此,虽然二维码本身的信息量不大,但随着无线城市、无线企业、无线车间的布网和云储存、云处理的普及,这个差距很快会变得微不足道。

  就刀具的信息化而言,二维码与射频技术相比较也有优势。刀具由于其本身的特点,许多刀片或者整体式刀具上放置射频芯片似乎不太可能,因此目前的方案射频芯片大部分是置于刀柄的换刀卡口附近。即使射频芯片能够非常小型化(如芯片直径小于3mm),能够解决安装在可转位刀具刀体上的问题,但其安装对刀片或者整体刀具的强度、刚性乃至基本切削功能的损伤恐怕也难以避免。而使用激光技术在刀具表面标记二维码却非常方便,而且几乎不用增加成本。随着智能手机的普及化,用iphone、安卓、塞班等常用系统去读取二维码并进而在网上找到相关信息已经有了物质基础,可以说是二维码的普及会水到渠成。因此,在EMO2011上,山特维克可乐满、山高刀具、瓦尔特刀具、蓝帜金工等都已开始试水,在刀具上标示二维码。

  从总体上看,满足用户产品升级而不断提高加工精度和挑战加工极限的高精度刀具、满足用户不断提升生产效率降低生产成本的高效率刀具(包括专用刀具)和高可靠性刀具,将是我们刀具产品发展的主要方向,而为用户提供系统的、个性化的刀具管理和刀具技术服务,将是我们刀具服务的发展方向。(end)

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随着信息技术和计算机网络技术的发展,模具制造业进入了全球化的新时代,竞争愈演愈烈。市场对产品品质、生产工艺和上市时间的要求也越来越高。在这种情形下,成本控制、生产效率与技术因素成为模具制造企业塑造差异化优势的关键所在。

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