热处理专家眼中的切削刀具发展趋势


来源:热处理生态圈

我国的工具市场经历了近8年疾风暴雨式的残酷洗礼,时起彼伏,只在量上有些变化,而在质上并没有飞跃。据有关方面统计,2014年国产刀具销售额同比增长5%左右,外资工具企业在我国的销售业绩继续领先,同比增长8%。初步估计,2014年国内刀具市场规模约为350亿元,其中进口125亿元,国产225亿元。合计同比增加6%左右。今年形势如何?刀具市场如何保持可持续发展,谈点不成熟的意见,仅供参考。

 

随着我国市场化改革深入发展,市场日益在资源配置中起到决定性作用,这意味着企业之间的竞争会加剧,优胜劣汰的规律要起作用,企业的生存和发展将取决于提高竞争力的力度,在政府包办经济中搭顺风车的时代已经一去不复返了。从来就没有什么救世主,要想生存并活下去,全靠我们自己。

目前,我国的刀具行业正处于由中、低端产品向高端产品过渡的阶段,汽车、模具、航空航天、铁路、医疗器械等行业需要的高、精、尖的复杂刀具将是我国现代高效刀具制造的主要从业方向,也是我国未来刀具企业进军全球市场的重要法码之一。

1、优化刀具材料延长使用寿命

 

近年来,航空航天、汽车制造、模具工业、医疗器械等行业使用的材料性能不断提高,难切削材料增多,轻质强韧性材料的使用与日俱增,加工难度日益增大。各种因素的影响促进了切削刀具材料的高速发展,其中硬质合金材料占主导地位,比重达70%。与传统的高速钢相比,硬质合金具有刚性好、精度高硬度高、互换性 、标准化、利于调整等优势。除硬质合金材料外,金属陶瓷刀依托其优异的加工性能在高速切削加工领域使用也越来越广泛。由于使用金属陶瓷刀具可以改变传统的加工工艺,解决各种难加工材料的切削加工问题,提高了加工效率,节约生产硬质合金刀具所需要的大量贵重金属(如W、Co、Ti等),因此,陶瓷刀具的前景广阔,并且已大量应用在数控机床、加工中心。目前市售的陶瓷刀具品种、牌号繁多,按其主要成分大致可分为A12O3和Si3N4两大系列,前者约占95%。

在国内的硬质合金刀具生产企业中,厦门金鹭已经形成了完整的生产链,并把W深加工产品比如微晶硬质合金棒材和精密硬质合金刀具作为主要的发展方向。其中“龙鳞玉米铣刀”获2014年度金属加工行业荣格技术创新奖。湖南株洲硬质合金集团公司“盾构刀具集团制造技术及产业化技术”获4项国家发明专利和实用新型专利,取得了良好的社会效益。今年1月16日山特维克可乐满中心(廊坊)正式挂牌营业,标志着国外硬质合金刀具等超硬刀具进军中国的强劲势头。

三菱材料公司开发了使用激光切削刀具制造技术、日本东洋公司等离子切割技术等,可为汽车、航空及电子等多个工业领域的精密加工提供支撑。河南郑州富耐克一直专注CBN材料及其刀具的开发和创新,已推出多款CBN刀具,不仅刀具寿命和加工效率得到进一步提升,而且对加工材料和加工条件的适应性也大幅度提高,郑州钻石公司的超硬刀具,伊斯卡IQ系列刀具、秦珂洛高效车、铣、钻三类产品、肯纳金属高品质刀具、山高公司的车削刀具、瓦尔特公司的组合刀具、苏州阿诺精细刀具等国外客商纷纷驻足中国,重拳打出他们的超硬刀具,群雄逐鹿,狼真的来了。展望未来,刀具市场肯定是硬质合金等超硬材料的天下。

2、涂层技术创新前沿光明

 

刀具涂层主要有化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。目前针对市场需求加工难切削材料尤其是车削刀片主要采用CVD,而其他刀具包括整体硬质合金刀具主要采用PVD。CVD主要用A12O3涂层和金刚石(PCD),虽然适合涂层的品种不太多,但由于A12O3涂层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加强复合材料,有很大的发展前景。有人预测A12O3涂层的发展方向应该会在获得更深的A12O3涂层,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技术的发展比CVD更具有挑战性,肯定会向多元化的方向发展。一方面通过添加微量元素来提高涂层的耐磨性、耐热性、减少涂层——切削摩擦副或涂层——工件已加工表面摩擦副的摩擦、减少切削热向刀刃的传递来实现;另一方面也将通过细化涂层晶粒的方法来提高本身力学性能。

不管何种涂层前处理必须优良,不然犹如鲜花插在牛粪上。

3、调结构促转型保障生效生产

 

高速加工技术产生于近代的动态多变的全球化的市场经济环境。激烈的市场竞争要求企业产品质量高、成本低、上市快、服务好、环境清洁和产品创新换代及时,由此驱动高速加工技术不断发展。针对这一发展趋势,切削刀具也应以高效率、低成本为重点的研发方向。在这一点上,对于刀具结构的创新设计是提升加工效率的主要形式。

在常用的数控刀具中,铣刀占有很大的比例。铣刀作为生产中的常用刀具,是切削加工中金属切除量最大的刀具,因此提高铣削加工效率已成为铣刀创新的方向之一。在提升铣刀加工效率方面,现在比较普遍的一种设计思路是将可转位刀片设计为双面可用,使切削刃增加1倍。同时还可以增加多边形刀片的边数来提高其经济性。以往在航空材料加工中整体刀具占绝大多数,随着航空材料中钛合金、高温合金、高强度钢的增多,可转位刀具的应用也逐步增加。可转位刀具具有不经焊接、无裂纹等缺陷,充分发挥原有刀片的性能,并减少停机磨刀、装卸刀具的辅助时间,使用可转位刀具比焊接刀具可提高切削效率35%以上。目前欧美诸国可转位刀具已进入成熟期,其品种顺应市场需要不断增加,结构优先,几何参数更加合理,在切削刀具中占有率达80%左右,我国使用还不到30%,发展空间很大。

4、不同工况提供成套解决方案

 

在不同的加工环境中,刀具都占据着非常重要的地位。尽管刀具成本仅占生产总成本的3%~4%,但如果能够恰当地选择刀具,便能够将加工效率大幅度提高,从而实现降低整体生产成本的目的。如今,通过先进刀具、前沿的数控机床以及智能的CAD/CAM软件的相互配合,针对不同工况环境的成套加工方案已孕育而生,个性化设计、服务已成为一种新常态。

以往刀具设计主要靠经验,依靠试验法,效率低,周期长,开发新产品难度大,显然已阻碍了新型刀具的开发和使用,无法满足先进切削加工技术的需求现代切削技术的发展迫切需要先进的刀具设计技术,而刀具技术设计的特点是空间角度难计算、形状复杂、尺寸繁多并且切削机理复杂,但随着计算机技术及CAD/CAM技术的高速发展,采用先进的或专门的应用软件及刀具仿真技术进行刀具的研制开发将成为未来刀具设计与开发的方向。

5、节能环保实现设备加工可持续发展

 

随着国内刀具企业环保意识的逐渐增强,人们针对性地提出了绿色切削(绿色制造)的理念。所谓绿色切削就是指消耗尽可能少的切削液、切削材料,尽可能少的污染环境。如今,切削液作为切削加工中刀具附属资源消耗最大的部分,越来越多的刀具制造业开始在刀具产品加工时尽量减少切削液使用方面的研发,干切削加工方式和切削液循环利用成了当下的主流。

高速切削因具有切削力降低、工件热变形小的特点,为实现干切削提供了有利条件。高速干切削的目标不仅要限制或停止使用切削液,而且要保证高的加工效率和加工质量。目前,干切削技术在实现完全取代切削液的加工工艺方面仍有待改进,因缺乏切削液的冷却润滑和排屑作用,会导致切削区刀具与工件间的摩擦加剧,切削力增大,切削温度上升,切削振动增加以及排屑不畅等情况,会影响机床加工性能和刀具使用寿命,降低加工质量。因此,企业在应用中还需要从提升刀具性能、改进刀具材质、机床和辅助工艺等方面来进行研究并优化,使干切削技术得到更广泛的应用。

在环保型切削方面,如今越来越多的企业意识到了发展经济与环境保护的关系,意识到了可持续发展责任。在一切机械加工中产生的“三废”一定要综合冶理,达标排放,既要金山银山,更要绿水青山。

从以上阐述可以预料,未来刀具材料将发生重大改革,传统的高速钢将日趋淘汰,粉末高速钢及高性能高速钢还能多活一段时期。展望未来刀具材料肯定是硬质合金和超硬材料的天下。

由于切削领域及机床的重大创新改革,刀具设计制造业应与时俱进,向着高精、高效、节能环保的方向发展。

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