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中国未来的刀具技术和市场发展
【铝道】中国未来的刀具技术和市场将如何发展?金模CEO罗百辉认为,中国未来的刀具发展首先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年较高的1:11到201励磁电源2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 (SpeedCore)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%。
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0.1 m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0.7 m左右的亚纳米材料,而其它刀具的材料如果能采用1?1.3 m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,0.5 m颗粒的硬质合金比起2 m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。
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)课题组在调研中了解到两大方法。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 相Al2O3层、晶粒的受控成核定向成长技排焊机术、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。预计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。据瓦尔特刀具介绍薄膜封口机,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3.与吉林省植保站合作的生产效率翻一番。
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。
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