韩国冶金(KORLOY)早在 1969 年就依 靠日本住友电工(SUMITOMO)的技术建立起来专业生产车刀和铣刀,并最终成为住友电工在韩国的控股 生产基地。被住友电工控股的还有韩国多仁精工(DINE) ,多仁精工 DINE 早年是住友电工在韩国的最大 代理商, 它主要是在吸收德国 KOMET 和 FAHRION 公司的技术基础上开发研制自己的刀柄镗刀系统, 在中 国,KORLOY 和 DINE 是作为一个整体通过代理商销售的,2003 年度总计出货近 500 万美金,比特固克 (Taegutec)在中国的业绩高 1/3 左右。 另外,依靠大规模化生产而占领全球中低端用户市场的韩国养志园(YG-1)也不能不提,由于经销 商的问题,YG-1 在中国的知名度暂时还不高,但是,作为全球单一生产整体硬质合金刀具产销量最大 的品牌,YG-1 是将来我们株洲钻石潜在的最大竞争对手。 14 逐鹿中原的资本 在现今中国的机械加工领域,航空航天,汽车工业、模具制造,电子工业等四个行业是数控机床和 刀具比较集中的地方,下面分别就每个行业中众家刀具的特长作介绍和分析。 一、航空航天 不锈钢、 高温合金以及铝镁合金是航空航天和汽轮机零件所采用的主要材质, 而其中又以航空发动 机和汽轮机所常采用的高温合金(包括 Fe 基、Ni 基和 Co 基三种)与钛合金材料的加工最让人头痛。 高温合金和钛合金在 540°C 以上的高温状态下仍能保持很高的强韧性和低的导热性,被称为耐热 “超强合金” 。这些耐热“超强合金”在高温氧化气氛或燃气条件下能长期工作,增加发动机寿命而且 答载较小的发动机工作在大飞机上,提高燃烧效率并降低运营成本。所以被广泛应用于航空航天、电站 以及汽轮机行业。当然,这些高温韧性好的材料也把费用呈现在加工所用的刀具上。 由于耐热“超强合金”的成分和组织的特性,其切削性能很差。行业内做了个比较,假如以 45 钢 的切削性能作为基准 1,那么 Ni 基高温合金的相对加工性仅为 0.05-0.2;钛合金根据含碳量不同(含 碳量大于 0.2%时会形成硬的碳化物使切削性能下降) ,其相对加工性也仅为 0.2-0.3。 耐热“超强合金”切削性能很差的原因有三个: 1、变形抗力大 众所周知,在金属切削过程中伴随有塑性变形,对耐热“超强合金”来说,由于含有高熔点的激活 能大的元素,这些元素的原子在合金内比较稳定,即塑性变形抗力大,使切削力比一般钢高 3 倍左右, 并且合金里的碳化物颗粒显着增加了摩擦,切削热也随之增大; 2、加工硬化大 耐热 “超强合金” 的硬化大都是由于在切削过程中形成的局部高温使大气中的氧和氮等形成硬脆外 皮,再加上合金的软化速度低,在塑性变形时出现硬化机理。一般表面上的硬度比基体高 50%-100%。 3、加工温度高 由于合金的变形抗力大,切削加工时切削热增大。又由于合金的热导率很低,传热困难,使已变形 层(切屑和被加工零件)内热量高度集中,造成切削温度很高,达到 1000°C 左右。 在如此高温下切削会增加刀具材料的扩散磨损, 使刀具材料变的很脆, 其磨损程度会随温度升高而 增大。 对于耐热“超强合金”的加工,从技术和可加工性的层面上分析,用陶瓷和金刚石烧结体(PCD) 等超硬材料加工是最理想的(某些钛合金加工不适用) ,但目前由于考虑超硬材料成本较高,国内大部 分用户还是采用 PVD 涂层硬质合金来加工。 PVD(物理气相沉积)涂层被国外最先证实是最有效加工高温合金的涂层而 TiN(氮化钛)CVD 涂层 是最早使用的而且现在仍然很受欢迎的涂层,占所有涂层刀具的 80%,但氮铝化钛(TiAlN)在连续高 温切削时它的各项性能超过 TiN 三倍, 所以对于耐热 “超强合金” 的加工大量采用的是氮铝化钛 (TiAlN) PVD 涂层。 美国是当今世界最强的航空航天大国,Kennametal 在耐热“超强合金”加工领域几乎可以用“独 孤求败” 四个字来形容, 从早期开发的 PVD 涂层 KC730 和 KC732 到新近推出的 PVD 涂层 KC5510 和 KC5525 (对应 12°正前角的精加工 FS 和 13°正前角的半精加工 MS 槽型) , 在切削速度和刀片耐用度上全球无 有出其右者。 15 比如用 CNMG120404-FS KC5510 车削耐热“超强合金”中最难加工的 Ni 基合金(如 inconel 718, HRC40) 、Co 基合金(如 Stellite,镍铬钴合金 31,HRC40)以及钛合金(如 Ti-6AL-4V,HRC30)时, 一 般 公 司 的 切 削 速 度 能 在 40-80m/min 就 已 经 非 常 不 错 了 , 但 Kennametal 能 达 100-200m/min (f=0.15-0.3mm/rev) ,并且刀片耐用度还比其它品牌的高一倍。这个速度和耐用度离很多品牌的陶瓷 刀具水平已经不远了。 在“超强合金”加工领域能跟得上 Kennametal 节奏的可能只有以色列 ISCAR 和日本住友电工 SUMITOMO,还是上面的例子,当选用 ISCAR 的 IC907 或 IC3028(对应 13°正前角的 TF 和 PP 槽型)时, 各项指标能达到 Kennametal 的 1/2 多点的水平, 这已经是当今世界唯一能与 Kennametal 叫板的品牌了。 住友电工 SUMITOMO 在 CBN 和金刚石烧结体(PCD)研制方面全球领先,同时,它也是在世界上首次 将纳米技术和薄膜技术实用化的厂家,SUMITOMO 新型 “ZX”的 PVD 涂层由每层 1 纳米(十亿分之一米) 的 TiN 和 AlN 超薄膜交互重叠约 2000 层进行蒸着累积而成,硬度远比一般的 PVD 涂层要硬,已经接近 烧结体 CBN 的硬度,牌号为 EH510Z 和 EH520Z,结合 EX 槽型,比 ISCAR 的性能稍稍差点。 对于相对轻易加工一点的 Fe 基高温合金和含硅量小于 0.2% 的钛合金,日本三菱综合材料 (MITSUBISHI)最近开发的 VP05RT、VP10RT 以及 VP15TF 系列美乐涂层(结合 18°大前角的 GJ 断屑槽 与 25°大前角的 MS 断屑槽)效果也不错。 二、汽车行业 铸铁由于其坚硬性和很高的抗压强度, 并且能成铸成很复杂的外形, 所以一直是用于交通行业的发 动机箱体及其它主要零件的材料。十多年前,汽车制造商几乎清一色地在用灰口铸铁加工,后来随着强 调减轻重量对燃烧经济性的作用,灰口铸铁零件被强度更好但重量更轻的球墨铸铁广泛替代。 象其它高强度低密度的新材料,球墨铸铁有使得它难加工的特性,如球墨铸铁非常耐磨,有快速磨 坏刀具材料的倾向。这种耐磨性很大程度上受珠光体含量影响。某一已知球墨铸铁的珠光体含量越高, 它的耐磨性越好而且它的可加工性越差。另外,球墨铸铁的多孔性导致断续切削,这更加降低寿命。 像耐热“超强合金”的加工一样,从技术和可加工性的层面上分析,用 CBN 和金刚石烧结体 PCD 等超硬材料加工是最理想的, 但目前在中国市场上, 大部分进口或国产厂商还是将精力主要放在涂层硬 质合金方面。 球墨铸铁的高耐磨性使得刀具商不断开发高硬度和高耐磨的切削材质和涂层。 以前各家都在极硬的 TiC(碳化钛)或 TiCN(碳氮化钛)的厚涂层方面动脑筋,并且也开发有切削速度达 300m/min 的涂层。 但是随着切削速度的更进一步增加, 切屑与刀具结合面的温度也在增加, 当发生这样的情况时 TiC 涂层 倾向于和铁发生化学反应并软化,更多的压力作用在抗月牙洼磨损的涂层上。在这些条件下,希望有一 种化学稳定性更好的厚涂层,如 Al2O3(虽然在低速下不如 TiC 硬或耐磨) 。在改进加工球墨铸铁方面, 山高最先进行了研发, 它推出的针对球墨铸铁加工的材质 TX150 有一个硬且抗变形的基体对于加工球墨 铸铁很理想。 它的涂层由一层较厚的很耐磨的碳氮化钛和一层较厚抗月牙洼磨损的氧化物涂层, 顶面是 一薄层 TiN。这种涂层运用目前工艺水平的产生耐磨性和抗月牙洼磨损需要的 CVD 涂层的全部硬度而且 韧性平滑性增加的中温化学气相沉积(MTCVD)工艺。基体与涂层的组合性能给予很高的抗塑性变形和 刃口微崩能力,使之成为正常速度下加工球墨铸铁的理想材质。 随后,WALTER 公司进一步开发研制了高平滑性、高耐磨损性的强韧厚膜氧化铝涂层的——WAK10、 WAK20 系列的“老虎刀片” ,将加工灰口铸铁(珠光体 铁素体)提高到了 v500/f0.1、v400/f0.3 和 16 v300/f0.6;加工球墨铸铁(珠光体 铁素体)提高到了 v350/f0.1 和 v250/f0.3。 SANDVIK 在 WALTER 后,可乐满(Coromant)随即参照 WALTER 的“老虎刀片”研制了 GC3200 系列 (GC3205、GC3210 和 GC3215)涂层刀片,其切削性能也达到了 WALTER 的“老虎刀片”水平。 采用的涂层方法是将 Al2O3 加厚(可以防止加工时的氧化磨耗,大幅抑制与铸铁的亲和性) ,但由 于涂层? 加厚后轻易引起剥离,所以又将强韧结合的 TiCN 层也加厚,大幅提升涂层的附着力和耐剥离 性。 我们钻石也在这方面进行了自己的研制和开发, “黑金刚”系列就是专门针对铸铁件加工的,切削 性能基本与 Coromant 的水平相当。 在大面铣刀的重切削铸件方面,英格索尔(Ingersoll)无疑是全球最强的,伊斯卡(ISCAR)也正是 因为看中了这一点而了 Ingersoll 刀具部,在此之前很早 ISCAR 就与 Ingersoll 联合研制开发面铣刀, 因此他们很多铣刀产品彼此非常相似。如 ISCAR 非常“牛气”的切向立装 LNKX 蝶形刀片的 F90LN 面铣 刀与 Ingersoll 的 V-MAX 系列(刀片是 NNE324)就出自同一设计理念:由于刀片沿切线安装,刀片厚 度较大,可进行大进给量的稳定切削加工,生产效率提高 2.5-3.8 倍;刀片断屑槽为压制成型,切削阻 力小;刀片为中间凹入的蝶形结构,振动小切削稳定。 减少重合金的用量以达到减少油耗与增强刚性是目前全球在轻型运载工具如家用小汽车方面普遍 的思路。1980 年按照美国铸造协会规定,家用小汽车的铸铁用量控制在 600 磅/辆以下,到 1999 年下 降了近一半,平均达 325 磅/辆,预计 2006 年能降到 230 磅/辆。另一方面,汽车铝件的应用在 5 年内 将上升 50%,从 2000 年的 250 磅/辆,到 2005 年将达到 380 磅/辆。 顺便说一下,在航空工业上使用的铝合金含硅量低(一般硅含量<12.2%) ,所以对刀具的几何外形 要求高,一般都选用大前角的刀具。但汽车工业所用的是含硅量高的铸造铝合金(一般硅含量>12.2%) , 就不必用太锋利的大前角,而应以稳定和耐用为主,故选用较小的轴向和径向正前角。而且当硅含量达 到 17%-23%时,硅含量高于共晶成分,这时用硬质合金刀具都不是理想的选择,最好选用金刚石烧结体 (PCD)刀具。 以上航空航天和汽车工业难加工材质的加工中,多次提到使用 CBN 和金刚石烧结体(PCD)等超硬 材料刀具是解决加工问题的根本,也是未来金属切削朝着高速高效、高耐用和干切削发展的大方向。在 这方面, 日本住友电工 SUMITOMO 公司的研发和制造水平无疑是领先同仁的。 早在 1977 年住友电工就成 功开发了具有划时代意义的 CBN 烧结体刀具 SUMIBORON(BN 和 BNX 系列) ,随后的开发研制一直处于世 界领先地位。2000 年又开发出 TiAlN 基非凡陶瓷涂层 CBN(BNC 系列) ,与不涂层相比,使用寿命与加 工精度均显着提高,甚至可以“以车代磨”地完成高硬度材料的加工。 住友电工的单晶金刚石是世界上最先成功地用于工业化的大颗粒、 高纯度的金刚石单晶体, 住友电 工的金刚石烧结体(PCD)DA2200 系列耐破损性超越常规,在全球该领域具有优势。 日本黛杰 DIJET 是全球第一个商业批量生产整体烧结金刚石螺旋刃立铣刀的厂家, 黛杰的 “BEAM END MILL” 金刚石螺旋刃立铣刀是采用线切割技术在合金坯件上加工 30?螺旋角的螺旋状沟槽,在槽中填 入金刚石粉末,然后在高温高压下烧结成一个整体,与传统的直刃焊接型相比切削力大副降低,加工中 的振动大大降低,工件表面光泽度超群,刀具寿命是硬质合金及金刚石涂层的很多倍。是高速高效铣削 加工高硬度材料(HRC60 以上) 、耐热“超强合金”等难加工材料的专用立铣刀。 三、模具制造 17 据统计,我国模具厂家目前约有两万家,2003 年产值 360 亿人民币,进口 2 亿美元。2004 年达到 500 亿元。主要是汽车加工模具、家电模具、建材模具、电子通讯产品模具等。 模具制造行业使用最多的刀具是模具铣刀,在模具铣刀方面瓦尔特 WALTER、ISCAR、三菱综合材料 MITSUBISHI 以及黛杰工业 DIJET 等的产品系列比较全,像 WALTER 各类模具铣刀超过了 21 种,覆盖了 模具加工的几乎所有工序,由于无锡 WALTER 地处长江三角洲,所以目前在长江三角洲地区的模具制造 行业中,WALTER 品牌模具铣刀的市场占有率远远超过了其它进口和国产品牌,造成在那个地区专门有 不少仿制 WALTER 各类模具铣刀刀体的私人作坊式企业,类似的情况也发生在珠江三角洲地区,不过, 在珠江三角洲地区私人作坊式企业更多仿制的是三菱的各类模具铣刀刀体, 原因是日本三菱的模具铣刀 是其对中国的主打产品,铣刀种类也非常齐全,且经济耐用。在香港和台湾有很多刀片代理商,加上日 本三菱在台湾能生产数控刀片,所以铣刀片价格被压得非常的低,比如模具铣刀最常用的 RPMT10T3MOE F7030 涂层圆铣刀片的市场价格已经被压到了 6-8 元人民币/片,一级代理商从厂家的进价大概在 2 元 人民币/片左右。 WALTER 的“王牌”模具铣刀主要有粗加工和半精加工用的球头铣刀 F 2339(与 Coromant 的 R216 类似) ,精加工仿形球头铣刀 F 2139(与 Coromant 的 R216F 类似) ,适宜于高进给粗加工和半精加工较 大型面的球头玉米铣刀 F 2239F。其中 F 2239F 是 WALTER 独创的有两条完整切削刃、装凸三角形刀片 的模具玉米铣刀,切削力大副降低,加工很平稳,非凡适宜于高进给粗加工。 黛杰 DIJET 的各类模具铣刀超过了 15 种, 主要的特色产品是加工型面的 BNM 系列镜面球头铣刀 (与 WALTER 的 F 2339 以及 Coromant 的 R216 类似) 。 BNM 镜面球头铣刀的刀片圆弧 R 制造精度在±6?m 以下,安装上刀体后整体圆弧 R 精度在±10?m 以 下,与整体球头刀相比能实现相同或更高精度的加工。 说到模具铣刀, 想再谈谈一种多功能的可转位刀片式立铣刀, 即大家通常所说的装大正前角的铣刀 片“APKT”的铣刀。这种立铣刀可以进行槽、面、孔的铣削和大角度坡走铣、插铣以及镗铣,我们钻石 的型号是 EMP01 型,刀片为 APKT11(刃长 12.24mm)与 APKT16(刃长 17.877mm)两种,下面比较其它 主要进口品牌刀具的同功能立铣刀情况: Coromant 的刀体型号是 R390 型,刀片规格原来有 11(刃长 11mm)和 17(刃长 17mm)两种,2003 年新开发了 18(刃长 18.6mm) ;WALTER 的刀体型号是 F3042,刀片“APGW”规格有 9(刃长 9.525mm) 和 15(刃长 15.88mm)两种;2003 年新开发 F4042,与 Coromant 的 R390 型一样是真正意义上的 90°。 山高的刀体型号是 R217.69,刀片“XOMX”规格原来有 6(刃长 6mm) 、9(刃长 9mm)和 12(刃长 12mm)三种,2003 年推出 18(刃长 18mm) ,被称为 Super Turbo“强力旋风铣刀”系列; ISCAR 的刀体型号有 HM90 E90A,刀片“APKT”等,规格有 10(刃长 10.5mm) ,15(刃长 15mm)两 种;刀体型号还有 3M E90AX,刀片“AXKT”等,规格有 13(刃长 13.5mm)和 20(刃长 21.8mm)两种。 前面已谈到,ISCAR 因为很早以前就与英格索尔 Ingersoll 合作开发铣刀,所以 ISCAR 铣刀在大进 给、大切深、强力切削方面有很多独特的优势,比如在以上多功能立铣刀方面,目前拥有最大刃长规格 的就是 ISCAR 的 3M E90AX 铣刀。 还有一个例子:ISCAR 在前年最先开发一系列号称在轴向切深 2 mm 以下时进给能达到 3.5mm/齿的 多功能圆弧头型面铣刀和立铣刀,它实际加工进给量大概是普通铣刀的五倍以上。 其使用一种独特设计的正前角凸三角形刀片(FF WOMT) ,刀片的底座有突出的圆柱,安装时能沉入 18 刀体基座,使切削力直接作用于主轴的轴线上,这样可获取更高的强度,使刀具在较长悬伸时也能大进 给切削。 随即其它刀具公司也相继开发了类似产品, 像日本三菱的 AJX 系列圆弧头型铣刀, 也是使用近似凸 三角形的刀片( JDMW ) ,刃部采用二重直线刃 副刃构成双主偏角,压上刀片压板后进给也能达到 1.5mm-2.0mm /齿。 四、电子工业 曾经专门有一篇文章专门谈到日本的刀具厂商在保证日本国内需求的同时, 均在大力开展向海外市 场扩展 IT 产业刀具的销售战略,其中非常看好中国 IT 产业对刀具的需求。