未來刀具技術(shù)和市場
中國未來的刀具技術(shù)和市場將如何發(fā)展？這是一個(gè)仁者見仁，智者見智的問題。依我看，我們的刀具發(fā)展首先也會(huì)在提高效率上下功夫。因?yàn)樘岣呒庸ば剩貙⒊蔀榈毒哂脩舻囊粋�(gè)重要考量。
刀具用戶對(duì)于提高加工效率的要求，某種程度上是基于社會(huì)發(fā)展和國際環(huán)境發(fā)展的要求。從2000年至2010年期間，無錫、上海、北京、廣州4個(gè)城市的職工平均工資，分別增加了500%、300%、320%和290%，勞動(dòng)力成本的上升可見一般。而這種勞動(dòng)力成本的增加與產(chǎn)品的成本是正比關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品競爭力的下降。另外一個(gè)方面是我們?nèi)嗣駧诺纳�。�?/SPAN>2005年到2012年初，人民幣與美元的匯率從約1:8.1升至1:6.3，升值近30%；歐元?jiǎng)t從2008年最高的1:11到2012年初的約1:8.3，升值約32.5。人民幣的升值使中國出口產(chǎn)品在國外以當(dāng)?shù)貛胖到Y(jié)算的售價(jià)增高，而進(jìn)口產(chǎn)品的人民幣結(jié)算價(jià)格下降。
這對(duì)國內(nèi)出口產(chǎn)品的企業(yè)和進(jìn)口國外產(chǎn)品較多的行業(yè)都帶來了額外的競爭壓力。如果要攤薄這些負(fù)面影響，提高加工效率就會(huì)成為刀具用戶的一種解決方案。因?yàn)橐坏┬侍岣�，單位時(shí)間生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量增加了，分?jǐn)傇趩渭a(chǎn)品上的設(shè)備成本、人力成本、管理成本都會(huì)降低，產(chǎn)品的總成本也會(huì)隨之有較大幅度降低，要提高刀具的加工效率，就需要在刀具的制造技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)兩個(gè)方面下功夫。而本文僅從刀具制造技術(shù)方面闡述自己的分析。
刀具制造技術(shù)
在刀具的制造技術(shù)方面，首先是刀具的材料技術(shù)。而刀具的材料技術(shù)預(yù)計(jì)會(huì)在新類型的材料和原有材料的高性能兩個(gè)方向發(fā)展。
在2011年的歐洲機(jī)床展覽會(huì)上，德國藍(lán)幟金工（LMT）的“滾切王”（Speed Core）就是新類型材料的一個(gè)例子。這種滾刀的材料應(yīng)該說既不是高速鋼，也不是硬質(zhì)合金，其化學(xué)成份見表1所示。據(jù)藍(lán)幟介紹，因?yàn)樾滦偷牟牧现袥]有碳，“滾切王”不再通過金屬合金的方法來硬化，而是通過時(shí)效硬化來提高材料的耐磨性，是全新的材料技術(shù)。使用這種材料技術(shù)制造的滾刀切削速度可以比傳統(tǒng)的高速鋼滾刀提高50%以上，甚至比粉末冶金高速鋼（HSS-PM）也可提高30%。
高性能材料目前的主要趨勢(shì)是顆粒細(xì)化和增加一些微量元素來改善材料的性能。我們很多人都聽說過納米材料的神奇之處，雖說刀具材料的納米化似乎目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段而沒有進(jìn)入商業(yè)化的應(yīng)用，但我相信在未來的30年，納米技術(shù)的刀具材料會(huì)逐步進(jìn)入應(yīng)用階段。
納米材料一般是指顆粒尺寸在100nm，也就是0.1μm以下的材料。據(jù)筆者的資料，就整體硬質(zhì)合金和可轉(zhuǎn)位刀片而言，目前直徑在0.1mm以下的微型鉆頭和微型銑刀會(huì)使用顆粒尺寸在0.7μm左右的亞納米材料，而其它刀具的材料如果能采用1?1.3μm的顆粒的硬質(zhì)合金，已經(jīng)可以稱得上是微顆粒了。一般而言，較細(xì)顆粒的硬質(zhì)合金比較粗顆粒的硬質(zhì)合金強(qiáng)度要高很多，對(duì)改善刀具的性能有相當(dāng)大的幫助。表2是德國瑞別格（Ruebig）的兩種整體硬質(zhì)合金材料的性能對(duì)比，從中可以看出，0.5μm顆粒的硬質(zhì)合金比起2μm顆粒的硬質(zhì)合金強(qiáng)度提高了30%。預(yù)計(jì)在未來的30年，細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒的硬質(zhì)合金的使用比例會(huì)越來越高。同樣，在高速鋼的范圍內(nèi)，細(xì)顆粒狀的粉末冶金高速鋼的也將逐漸取代以針狀馬氏體的普通高速鋼。
在刀具制造方面，改善刀具的第二個(gè)重要措施是選擇合適的刀具涂層。
刀具涂層的方法主要有化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）兩大方法。目前針對(duì)加工鋼件和鑄鐵件的硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片尤其是車削刀片主要采用CVD的涂層，而其它的刀具包括整體硬質(zhì)合金刀具主要采用PVD的涂層。
CVD的涂層從目前來看，能夠適應(yīng)的涂層品種都相對(duì)較少：主要用于進(jìn)行Al2O3涂層和金剛石（PCD）涂層。雖然適合涂的品種不多，但由于這兩種涂層一個(gè)（Al2O3）因尤其適合加工鋼和鑄鐵而有很大的市場需求，而另一個(gè)（PVD）因尤其適合汽車輕量化的鋁合金和航空航天、風(fēng)電等快速增長的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，這一技術(shù)仍然有很大的發(fā)展前景。筆者預(yù)測(cè)Al2O3涂層的發(fā)展方向應(yīng)該會(huì)在獲得厚度更大的α相Al2O3層、晶粒的受控成核定向成長技術(shù)、晶粒細(xì)化技術(shù)、減少和消除涂層的微裂紋和液滴等方面。
PVD技術(shù)的發(fā)展則因其本身的特點(diǎn)，應(yīng)該會(huì)呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)。筆者預(yù)測(cè)PVD涂層一方面將主要通過添加微量元素來提高涂層的耐磨性、提高涂層的耐熱性、減少涂層-切屑摩擦副或涂層-工件已加工表面摩擦副的摩擦、減少切削熱向刀具的傳遞等方面來實(shí)現(xiàn)；另一方面也將通過細(xì)化涂層晶粒的方法來提高涂層本身的機(jī)械和化學(xué)性能。
在刀具的制造技術(shù)方面，切削刃的結(jié)構(gòu)一直是與基體材料、涂層技術(shù)一起構(gòu)成切削刃工作性能的極其重要的因素。就切削刃的幾何形狀本身而言，層出不窮的刃口結(jié)構(gòu)依然會(huì)被源源不斷地推出，但其目標(biāo)則多半會(huì)是追求鋒利、抗沖擊、斷屑和受力受熱等幾個(gè)方面達(dá)到更高水平的平衡。圖2是瓦爾特刀具（WALTER AG）在2011年歐洲機(jī)床展覽會(huì)上推出的四種新的 ISO 槽型：FP5、MP3、MP5 和 RP5。據(jù)瓦爾特刀具介紹，這些槽形都具有很大的斷屑區(qū)域，并能夠彼此互補(bǔ)，相得益彰。與該公司原有的槽型相比，這些新槽形的應(yīng)用范圍擴(kuò)大了20%~40%，因此僅用這四種槽型就能覆蓋鋼件加工的整個(gè)應(yīng)用范圍。同時(shí)配合該公司新的切削材料，用戶能獲得長久與恒定的刀具壽命、更迅捷的切削速度、簡便的排屑和極高的精準(zhǔn)性、更杰出的工藝可靠性及機(jī)床使用率，從而有可能使鋼件車加工的生產(chǎn)效率翻一番。
刀具制造技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)方向就是挑戰(zhàn)目前還難以加工的加工對(duì)象，這里既包括了如鈦合金、鎳基合金、淬硬鋼等材料，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對(duì)象。
瓦爾特刀具用于鈦合金材料的加工槽形采用了特別結(jié)實(shí)的切削刃（藍(lán)色），用以對(duì)抗月牙洼磨損，同時(shí)它有一個(gè)特別窄的斷屑槽，使通常易于產(chǎn)生亂屑的鈦合金切屑在這樣的槽形下易于斷裂。與此相反，用于鎳基、鐵基或鈷基的高溫合金的刀片槽形則有一個(gè)鋒利的切削刃，并有正前角槽形，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切削，它的斷屑槽減輕了切屑沖擊的風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于鈦合金的加工，另一個(gè)正在被國際廠商采用的方式是高壓內(nèi)冷卻，如山特維克可樂滿、肯納金屬、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。山高刀具介紹說，這一刀具材料的目標(biāo)在于滿足鎳基合金零件精加工嚴(yán)格的表面粗糙度、公差和切削長度的要求，其帶來無可匹敵的刀具壽命，減少了換刀次數(shù)而引發(fā)的機(jī)床停機(jī)。結(jié)果是獲得了一種經(jīng)濟(jì)高效、方便使用的切削刀具，不會(huì)影響零件的表面質(zhì)量。
對(duì)于淬硬鋼材料，磨削已經(jīng)不是首選的精加工方法，因?yàn)楝F(xiàn)在采用硬車削的單件成本已經(jīng)大大減少。硬車削金屬去除率高，加工周期短。盡管硬車削有這些優(yōu)勢(shì)，但通常會(huì)出現(xiàn)切屑控制不良，會(huì)形成鳥巢形切屑，并引起表面劃痕。由于CBN自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以前行業(yè)內(nèi)還無法將斷屑技術(shù)直接施加在低含量CBN刀片上�？霞{金屬通過將專用斷屑槽型與兩種高性能PCBN材質(zhì)相結(jié)合的方法，首家開發(fā)出帶斷屑器的KB5610TM和KB5625TM，讓客戶能完全控制硬車時(shí)出現(xiàn)的這類問題。
在硬銑削方面的一個(gè)主要問題是由于切削力比較大，銑刀與夾持機(jī)構(gòu)之間容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。為此，德國翰默（HAIMER）推出了一種安全夾持技術(shù)，它能有效地防止銑刀與刀柄夾持孔之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證銑削的安全性。
重載切削也是未來中國刀具應(yīng)用的重要方面。前些年的重型機(jī)床熱雖已有所降溫，但由此造成的重型機(jī)床保有量上升卻依然成為事實(shí)。這些機(jī)床會(huì)帶來重型、大型尺寸加工刀具的使用在今后若干年中將得到持續(xù)的發(fā)展。伊斯卡集團(tuán)的英格索爾、瓦爾特刀具、肯納金屬等都在加大重型加工刀具的開發(fā)。
肯納金屬新推出的MEGA 15°，45°，60°和90°系列銑刀就是這類用于重載銑削的產(chǎn)品。據(jù)肯納金屬介紹，該系列所使用的每個(gè)重型銑刀片有4個(gè)有效切削刃，從而在保證高生產(chǎn)率的同時(shí)讓單個(gè)切削刃的成本更低。該銑刀采用輕快切削刃設(shè)計(jì)，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，而結(jié)實(shí)的刀片有利于提高金屬去除率（據(jù)稱金屬去除率可最多提高30%）。
小直徑的微型鉆頭和銑刀在未來電子產(chǎn)品行業(yè)會(huì)有更為廣泛的應(yīng)用�，F(xiàn)在一些高檔的手機(jī)產(chǎn)品己經(jīng)開始用金屬制造外殼而不再使用工程塑料，燃料系統(tǒng)或醫(yī)療器械部件也經(jīng)常有需要用到微鉆。瓦爾特-蒂泰克斯能制造最小直徑為0.1mm的硬質(zhì)合金鉆頭，而肯納金屬推出高性能整體硬質(zhì)合金鉆頭GODrill，不帶內(nèi)冷的最小直徑為1mm，而帶內(nèi)冷的最小直徑已達(dá)到1.5mm。GODrill鉆頭采用無刃帶設(shè)計(jì)，減少了摩擦生熱的產(chǎn)生，使用壽命更長。優(yōu)化切痕用于微型鉆削，可以保證鉆中心沒有切屑流。
在2011年的歐洲機(jī)床展上瓦爾特將 30XD 鉆深提高到了可觀的 70XD——這也許是整體硬質(zhì)合金麻花鉆領(lǐng)域新的世界紀(jì)錄。瓦爾特為整體硬質(zhì)合金毛坯的制造采用了新的工藝，因此才使得生產(chǎn)出如此長的整體硬質(zhì)合金鉆頭第一次成為可能。此外，在生產(chǎn)中需要一種特殊的打磨工藝。與其它所有的瓦爾特XD鉆頭一樣，XD70也通過內(nèi)冷孔進(jìn)行冷卻。瓦爾特介紹說，盡管鉆深如此之大也不需要如同外部高壓系統(tǒng)之類的特殊的冷卻裝置，在很多加工中心上都能提供標(biāo)準(zhǔn)冷卻裝置已經(jīng)足夠。
刀具市場
未來刀具的發(fā)展方向應(yīng)該包括刀具的信息化。刀具的信息化無疑需要在刀具上增加信息載體，就目前看來，對(duì)刀具而言比較合適的信息載體會(huì)是射頻芯片和二維碼圖形。射頻芯片通常附加在刀柄上，新的高速化刀柄HSK、CAPTO、KM的標(biāo)準(zhǔn)都預(yù)置了射頻芯片的安放位置。將來刀具的管理者、設(shè)計(jì)者、制造者、使用者或許都能在芯片里附加自身的信息，如質(zhì)量溯源信息、幾何尺寸、使用規(guī)范、預(yù)調(diào)參數(shù)等等。而二維碼能夠直接提供的信息量相當(dāng)有限，但二維碼可以設(shè)置成訪問網(wǎng)絡(luò)的快捷方式，通過智能手機(jī)掃描二維碼并連接到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫，同樣可以得到很多信息——雖然它需要網(wǎng)絡(luò)的支持。因此，雖然二維碼本身的信息量不大，但隨著無線城市、無線企業(yè)、無線車間的布網(wǎng)和云儲(chǔ)存、云處理的普及，這個(gè)差距很快會(huì)變得微不足道。
就刀具的信息化而言，二維碼與射頻技術(shù)相比較也有優(yōu)勢(shì)。刀具由于其本身的特點(diǎn)，許多刀片或者整體式刀具上放置射頻芯片似乎不太可能，因此目前的方案射頻芯片大部分是置于刀柄的換刀卡口附近。即使射頻芯片能夠非常小型化（如芯片直徑小于3mm），能夠解決安裝在可轉(zhuǎn)位刀具刀體上的問題，但其安裝對(duì)刀片或者整體刀具的強(qiáng)度、剛性乃至基本切削功能的損傷恐怕也難以避免。而使用激光技術(shù)在刀具表面標(biāo)記二維碼卻非常方便，而且?guī)缀醪挥迷黾映杀�。隨著智能手機(jī)的普及化，用iphone、安卓、塞班等常用系統(tǒng)去讀取二維碼并進(jìn)而在網(wǎng)上找到相關(guān)信息已經(jīng)有了物質(zhì)基礎(chǔ)，可以說是二維碼的普及會(huì)水到渠成。因此，在EMO2011上，山特維克可樂滿、山高刀具、瓦爾特刀具、藍(lán)幟金工等都已開始試水，在刀具上標(biāo)示二維碼。
從總體上看，滿足用戶產(chǎn)品升級(jí)而不斷提高加工精度和挑戰(zhàn)加工極限的高精度刀具、滿足用戶不斷提升生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本的高效率刀具（包括專用刀具）和高可靠性刀具，將是我們刀具產(chǎn)品發(fā)展的主要方向，而為用戶提供系統(tǒng)的、個(gè)性化的刀具管理和刀具技術(shù)服務(wù)，將是我們刀具服務(wù)的發(fā)展方向。
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