日本工具行业的发展概况与特点

一、刀具需求继续增长
    随着经济景气的扩大,日本制造业的设备开动率维持在高水平。在此背景下,2005年日本的机床用刀具的生产额比前一年增加了15.7%,连续两年实现以两位数增长。从2003年开始的景气扩大倾向在2006年仍将持续,制造业的生产依然看好,因此预计机床用刀具的需求仍将维持在高水平。处在坚挺的需求环境中的各刀具厂家,为了更进一步提高对顾客的服务质量和扩大需求,正倾力开发高速高效、多功能、适合环保等的刀具产品。
2006年刀具需求继续扩大
    机床用刀具2005年的生产额比前一年增加了15.7%,达4533.55亿日元,反映出不仅在日本国内,还随着海外生产扩大需求激增的汽车关联产业以及模具、数码家电等整个产业景气的恢复,市场生气勃勃。生产额占整个刀具55.9%的超硬刀具同比增加了19.1%,为2532.17亿日元;特殊钢刀具同比增加了15.5%,为1024.78亿日元;金刚石刀具增加了6.8%,为748.92亿日元。除了金刚石刀具外,均达到两位数增长。
    2006年,机床用刀具的需求因国内制造业生产活跃和外需仍然维持高水平,所以依然看好。处在坚挺的需求环境中的各刀具厂家,为了更进一步提高对顾客的服务质量和扩大需求,正倾力开发新产品和开拓新销路。
    在占机床用刀具整个生产额55.9%(2005年)的超硬刀具中,超硬刀片比前一年增加了17.6%,超硬钻头增加了35.2%,超硬立铣刀增加了37.9%,增长均达到两位数,维持了良好的势头。超硬刀具业界自“泡沫经济”崩溃后,一直将需求规模超过2000亿日元看作景气好,而低于2000亿日元则视为不景气。1992年至2005年之间,超过2000亿日元的有5次,而低于2000亿日元的有9次,但现在这个景气的分歧点被顶了上来。超硬刀具2005年的出口也很顺利,比前一年增加了17.8%,为683亿日元,特别是对以中国为主的东南亚的出口出现了高增长,出口比率为23.3%,创历史新高。

多样的刀具特性,快速的应对方案
    作为刀具主要客户的机床业,高速高精度化、多轴多功能化和适应环保的技术开发正取得进展,随之也要求刀具的开发要适应这种技术进步。于是,展开了适应高速铣削的、多功能化的、直径微小化的、适应干式加工的等涉及众多方面的刀具开发工作。
    随着机床的高刚性、高速高精度化,CBN(立方氮化硼)和金刚石刀具成为高速、高性能、高精度加工不可缺少的工具。
    在淬火钢、烧结合金和铸铁等难切削材料加工领域,追求高速、高效、高精度和长寿命的CBN刀具新产品和新材质的开发竞争正如火如荼。烧结合金材料用金属陶瓷刀具也可以加工,随着在材料中使用比例的增加,已进化成更坚硬、更强韧和更难加工的材料。而且,由于零件形状的复杂化和对尺寸精度的要求越来越高,CBN刀具的适用范围在不断增加。举例来说,也有这样的产品:针对多种材料特性和诸多形状的烧结合金,将几种刀尖形状处理的刀具进行标准库存,从高精度加工到对高强度材料的强断加工,对所有的烧结合金材料都可以实施高速和高效加工。
另一方面,金刚石刀具令人瞩目的不是材料面、钎焊刀和铰刀等新产品,而是刀片可换式刀具和铣刀等新产品。最近,为适应高速加工机床的普及,在市场上出现了小型轻量化的刀具和立铣刀。
现在市场上开始销售一种主要用于模具粗加工、切屑排出量是传统铣刀10倍以上的刀片可换式刀具。模具自由曲面的加工向来是使用球头立铣刀,但这种球头刀刃上不但容易算出刀具对自由曲面的轨迹,而且有许多缺点,如球头尖端横刃的切削性差,进给量和残留将影响加工面质量,而要改善加工面,刀具的切削长度将变得很大等。作为解决这些问题的方法,RC立铣刀的使用日益增多。
    高耐磨性、高耐热性和高强韧性
    为了适应高速铣削加工,要求刀具有高耐磨性、高耐热性和高强韧性。于是,在超微粒子基体上施加复合多层膜涂层来提高切削功能的超硬立铣刀等产品不断增多。
超微粒子超硬合金是将材料的粒度微粒化至lμm以下,使其增加抗弯能力和提高韧性。其中也有使用几纳米(纳米是十亿分之一米)的超微细粒子的。在加工中,当工件直径小或立铣刀直径小时,回转数有限难以实现高速切削,因为传统的超硬刀具会发生崩裂。而超微粒子超硬合金刀具由于韧性高,可以将刀刃设定为大前角,从而切削出良好的加工面。
复合涂层是将多种涂层材料组合起来,一层又一层地涂覆在基体上,以提高刀具切削性能。例如,为了减小与切屑的摩擦,最外层可以涂覆氮化钛涂层;为了提高耐粘附性和前刀面的耐磨性,第二层可以使用氧化铝涂层,为了提高前、后刀面的耐磨性,第三层可以使用碳化钛涂层。
在刀具表面涂覆多层膜,可使硬度提高到2500~3000Hv,且耐热性显著改善,在850~900℃的高温下刀具材料也不会发生氧化,仍可保持硬度。由于涂层是多层涂覆的,因此韧性提高,表层发生裂纹也难以扩展,可以防止刀具崩刃。
已经被实际使用的涂层材料除了适合高速切削钢的碳化钛和氮化钛以外,还有金刚石和CBN。当然,由于金刚石涂层在切削过程中因温度上升会分解为石墨,因此不适合用于含碳的钢的切削,通常用于铝等轻合金材料的高速切削。最近,为满足高硬度钢的高速切削和软钢的高效率加工需求,涂覆有纳米微细晶粒的硅系纳米涂层刀具等也出现了。


为减轻环境负荷而使用新技术
对金属材料进行涂层处理,可以防止金属的劣化和磨损,也出现了将此作为新技术发展的机遇。
成形技术的进步使得能够自由地制造各种形状的刀具,这也有助于提高刀具性能。在改善刀具形状设计方面,有正在开发中的强力型4刃立铣刀,这种刀具由于材质的提高,增加了每刃排屑量,提高了加工效率,可比传统的2刃立铣刀效率提高4倍。为缩短对模具等工件的高精度精加工时间,正在开发的新型刀具形状设计还有:将切削刃开到刀尖中心以实现良好面加工的立铣刀、将球头立铣刀的刀刃形状改为椭圆形以加大加工件接触面的椭圆立铣刀等。此外,还有通过提高刀片、刀头夹紧装置的精度和强度以减小振摆和误差的高品位加工刀具等。
除了改善刀具最基本的耐磨性和耐热性以外,出于环保考虑、适合干式切削的刀具开发也十分活跃。由于干式切削不使用冷却液,因此要求刀具对工件有润滑特性。作为生态环境保护的对应技术,建议使用通过压缩空气将微量切削油雾化来实现冷却润滑的MQL切削等新技术,以减轻环境负荷。例如,进行AlCrSiN涂层后可以不使用任何切削油进行高至80m/min高速干式切削的AT涂层高速钢立铣刀正投入市场。
正如利用一台复合加工机床可以完成多个加工工序一样,刀具行业也在开发用一把刀具可以进行沟槽、侧面、孔等多种加工的多功能型刀具,以此实现缩短换刀时间和无需刀具预调带来的高精度和高效率。
二、构筑支撑产品制造的质量保证体系
测量仪器对于构筑高质量产品制造系统和高效率生产环境起着越来越重要的作用。正如已被证实了的,对测量仪器的需求近几年有了大幅增长。最近,在精密测量领域,更高水准的高精度加工和加工形状的微细化等受到关注,检定机床本身精度的各种测量技术也有了发展。
彻底的质量管理扩大了测量仪器需求
测量仪器是用于检测长度、角度、形状位置和表面粗糙度的机械式、电气电子式和光学式的精密器具,具体指千分尺、游标卡尺、量规类、角尺、平台、水平仪、三坐标测量机、圆度测量仪、表面粗糙度测量仪、数显标尺和包括将其组合在一起的自动测量分选装置在内的各种自动检测仪器等工业用测量器具。
随着日本经济景气扩大、制造业设备开动率水平提高,测量仪器的生产稳步增长。观察近几年测量仪器的产量变化,2002年为谷底,2003年比上一年增加10%,2004年增加6%,继续维持上升势头,2005年增加8%,为3968.12亿日元,增长顺利。其中的精密测量仪器,同样以2002年为谷底,之后转为正增长,2003年和2004年都保持20%以上的增长,2005年又比前一年增加了26%,达到841.89亿日元,即连续3年保持了20%以上的增长,精密测量仪器的市场规模不断扩大,突破了800亿日元大关。
采用国际通用的测量方式
在制造现场使用的测量仪器和设备要求满足以下条件:(1)能够适应宽范围的环境温度变化;(2)耐污染和抗振动;(3)具有高精度的再现性;(4)容易操作使用等。各生产厂家以在加工环境中使用为前提,积极开发能实现高速、高精度测量,且具有稳定性和操作简便的产品。


“产品制造”的根本是尺寸管理。今后,随着海外生产的进一步增加,在不同地区生产的高精度部件需要具有互换性。在全球化的进程中,不仅是大型企业,中小企业也一样,以国际通用的测量方式为基础的产品制造越来越重要。重新认识测量的重要性,深入探讨管理方法也是越过国际化难关的一种武器。
    在高精度化和低成本化的制造业发展中,已不仅仅局限于单纯地用于质量检查的尺寸测量(比较测量),为了满足用户需求,要求测量仪器可以联机或接机使用,仪器结构要便于被测工件的装卸。其中,在支撑汽车制造业的汽车零部件形状测量方面,正在向同步测量加工后工件,并将检测结果反馈回加工工序的联机测量方向发展。
提高测量仪器可靠性的关键因素
汽车零部件等各种机械零部件的尺寸测量经常使用三坐标测量机;电气电子零部件的测量则经常使用显微镜和影像测量仪。随着加工精度的提高,测量精度也在不断提高,目前测量精度在lμm以下的三坐标测量机、显微镜、影像测量仪等开始普及。此外,用摄像机或激光扫描测量整体工件,评价尺寸和轮廓形状的测量仪器也正在普及。
控制在高速运转和调整速度时发生的振动,也是提高测量机可靠性的关键。为此,各厂家通过提高机身设计的刚性和采用高水准的驱动控制技术来减小振动。
尺寸精度测量正从单纯的长度测量向综合性形状精度测量的方向发展。随着对测量机精度和质量的要求日益提高,在测量长度基准的分度标尺方面,在向长尺化和高分辨率化发展的同时,以将微细的刻度线依次系数化的增量方式,重新开发出不需计数便能确定分度标尺上位置的绝对式标尺。此外,采用高密度磁性材料的短波长磁力检出分度标尺也实现了批量生产,这种标尺适用于各种测量环境,操作简便,即使是密封型标尺的反应速度也可达到150/min。
对于形状测量机的测量精度要求更为严格,而且对微细孔和微小零部件的测量需求也在增加,为此生产商也开发了适应这种需求的产品。在对形状精度要求严格的齿轮测量方面,为了实现齿轮的齿形、齿线和齿距的全自动快速测量,开发出了采用可消除振动的直接传动伺服技术的NC齿形/导程测量机等产品。尤其在汽车领域,提高齿轮的动力传动效率是关键,为此迫切要求提高齿轮测量机的测量精度。


扩大测量用途及范围
为了构筑高质量产品生产体系和高效率生产环境,测量仪器所起的作用很大。其中,对三坐标测量机的需求在不断增加。最近,随着测量仪器高精度化、高速化等性能的提高,开发出了安装有可扩大测量能力的新型测头、可利用CAD数据、可将测量结果反馈到加工机床、价格低廉、适用于加工现场的柔性测量仪等仪器,大大扩展了测量的用途及范围。此外,在恶劣环境条件下也能正常使用的量仪产品也在积极开发中。
为了缩短三坐标测量机的测量时间,提高测量效率,生产商竞相努力提高测量机的驱动速度,而在驱动和急剧调速时产生的振动一直是提高驱动速度的瓶颈,由于采用了新型测头、新的驱动方式以及高刚性设计等消除振动的方法,使高速测量成为可能。由于三坐标测量机也开始实现联机测量,因此需要在技术上构筑对加工线工件温度误差的管理和补偿。
对于汽车车体生产工序的质量管理,仅靠对各工件的接口、边角和间隙等尺寸的高速、高精度测量是不够的,还需要对汽车整体进行质量验证。因此,各工序测量的可靠性是直接关系到整车质量保证的最重要而又相当复杂的作业之一。在有关汽车的非接触测量技术方面,开发出了水平臂式三坐标测量机等产品,这些产品的复合式传感系统可针对被测工件的特点采用最合适的传感器进行测量,且测量精度高,测量速度快,适合生产现场使用。
在几何要素的测量方面,由于测量精度方面的考虑以及长期操作习惯的原因,目前许多测量操作还是使用接触式传感器,但随着非接触式传感器种类的不断充实,测量的适应范围也在不断扩大。在自由曲面的整体测量、厚度测量以及逆向工程测量等方面,能够快速获取数百万点的点云数据的非接触式传感器具有很强的数据采集能力。不过,工件的形状越复杂,非接触式传感器就需要变换越多的测量姿态。因此一般认为,可利用测量程序自动、精确改变测量姿态的三坐标测量机具有较好的适用性。
此外,在冲压、铸造制品等小型、薄型高精度零部件的测量方面,在测量传感器上采用CCD摄像机的CNC影像测量仪的使用量急剧增加,为提高检测效率发挥了威力。

提供测量解决方案的业务不断发展
对精密测量技术的要求是实现对更高精度的复杂形状的高效测量。用于生产现场检验的测量技术还需要满足对提高生产效率、提高测量结果可靠性、适应严苛的现场环境以及对测量装置安装空间等一系列要求。当然,还有对自动化、无人化测量的要求。此外,出于产品质量管理和构筑生产线的考虑,有时需要根据特定的生产条件专门定制设计测量方案。为了适应这种市场环境,作为各测量仪器生产厂的发展战略,提出了为用户提供测量解决方案的业务。而设计测量解决方案最重要的一点,是用于加工工序的测量技术应能与加工机械最好地匹配。




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