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日本工具行業(yè)的發(fā)展概況與特點
[2008-03-09]
一、刀具需求繼續(xù)增長
隨著經(jīng)濟景氣的擴大，日本制造業(yè)的設備開動率維持在高水平。在此背景下，2005年日本的機床用刀具的生產(chǎn)額比前一年增加了15.7％，連續(xù)兩年實現(xiàn)以兩位數(shù)增長。從2003年開始的景氣擴大傾向在2006年仍將持續(xù)，制造業(yè)的生產(chǎn)依然看好，因此預計機床用刀具的需求仍將維持在高水平。處在堅挺的需求環(huán)境中的各刀具廠家，為了更進一步提高對顧客的服務質量和擴大需求，正傾力開發(fā)高速高效、多功能、適合環(huán)保等的刀具產(chǎn)品。
2006年刀具需求繼續(xù)擴大
機床用刀具2005年的生產(chǎn)額比前一年增加了15.7％，達4533.55億日元，反映出不僅在日本國內，還隨著海外生產(chǎn)擴大需求激增的汽車關聯(lián)產(chǎn)業(yè)以及模具、數(shù)碼家電等整個產(chǎn)業(yè)景氣的恢復，市場生氣勃勃。生產(chǎn)額占整個刀具55.9％的超硬刀具同比增加了19.1％，為2532.17億日元；特殊鋼刀具同比增加了15.5％，為1024.78億日元；金剛石刀具增加了6.8％，為748.92億日元。除了金剛石刀具外，均達到兩位數(shù)增長。
2006年，機床用刀具的需求因國內制造業(yè)生產(chǎn)活躍和外需仍然維持高水平，所以依然看好。處在堅挺的需求環(huán)境中的各刀具廠家，為了更進一步提高對顧客的服務質量和擴大需求，正傾力開發(fā)新產(chǎn)品和開拓新銷路。在占機床用刀具整個生產(chǎn)額55.9％（2005年）的超硬刀具中，超硬刀片比前一年增加了17.6％，超硬鉆頭增加了35.2％，超硬立銑刀增加了37.9％，增長均達到兩位數(shù)，維持了良好的勢頭。超硬刀具業(yè)界自“泡沫經(jīng)濟”崩潰后，一直將需求規(guī)模超過2000億日元看作景氣好，而低于2000億日元則視為不景氣。1992年至2005年之間，超過2000億日元的有5次，而低于2000億日元的有9次，但現(xiàn)在這個景氣的分歧點被頂了上來。超硬刀具2005年的出口也很順利，比前一年增加了17.8％，為683億日元，特別是對以中國為主的東南亞的出口出現(xiàn)了高增長，出口比率為23.3％，創(chuàng)歷史新高。
多樣的刀具特性，快速的應對方案
作為刀具主要客戶的機床業(yè)，高速高精度化、多軸多功能化和適應環(huán)保的技術開發(fā)正取得進展，隨之也要求刀具的開發(fā)要適應這種技術進步。于是，展開了適應高速銑削的、多功能化的、直徑微小化的、適應干式加工的等涉及眾多方面的刀具開發(fā)工作。隨著機床的高剛性、高速高精度化，CBN（立方氮化硼）和金剛石刀具成為高速、高性能、高精度加工不可缺少的工具。在淬火鋼、燒結合金和鑄鐵等難切削材料加工領域，追求高速、高效、高精度和長壽命的CBN刀具新產(chǎn)品和新材質的開發(fā)競爭正如火如荼。燒結合金材料用金屬陶瓷刀具也可以加工，隨著在材料中使用比例的增加，已進化成更堅硬、更強韌和更難加工的材料。而且，由于零件形狀的復雜化和對尺寸精度的要求越來越高，CBN刀具的適用范圍在不斷增加。舉例來說，也有這樣的產(chǎn)品：針對多種材料特性和諸多形狀的燒結合金，將幾種刀尖形狀處理的刀具進行標準庫存，從高精度加工到對高強度材料的強斷加工，對所有的燒結合金材料都可以實施高速和高效加工。另一方面，金剛石刀具令人矚目的不是材料面、釬焊刀和鉸刀等新產(chǎn)品，而是刀片可換式刀具和銑刀等新產(chǎn)品。最近，為適應高速加工機床的普及，在市場上出現(xiàn)了小型輕量化的刀具和立銑刀�，F(xiàn)在市場上開始銷售一種主要用于模具粗加工、切屑排出量是傳統(tǒng)銑刀10倍以上的刀片可換式刀具。模具自由曲面的加工向來是使用球頭立銑刀，但這種球頭刀刃上不但容易算出刀具對自由曲面的軌跡，而且有許多缺點，如球頭尖端橫刃的切削性差，進給量和殘留將影響加工面質量，而要改善加工面，刀具的切削長度將變得很大等。作為解決這些問題的方法，RC立銑刀的使用日益增多。
高耐磨性、高耐熱性和高強韌性
為了適應高速銑削加工，要求刀具有高耐磨性、高耐熱性和高強韌性。于是，在超微粒子基體上施加復合多層膜涂層來提高切削功能的超硬立銑刀等產(chǎn)品不斷增多。超微粒子超硬合金是將材料的粒度微粒化至lμm以下，使其增加抗彎能力和提高韌性。其中也有使用幾納米（納米是十億分之一米）的超微細粒子的。在加工中，當工件直徑小或立銑刀直徑小時，回轉數(shù)有限難以實現(xiàn)高速切削，因為傳統(tǒng)的超硬刀具會發(fā)生崩裂。而超微粒子超硬合金刀具由于韌性高，可以將刀刃設定為大前角，從而切削出良好的加工面。
復合涂層是將多種涂層材料組合起來，一層又一層地涂覆在基體上，以提高刀具切削性能。例如，為了減小與切屑的摩擦，最外層可以涂覆氮化鈦涂層；為了提高耐粘附性和前刀面的耐磨性，第二層可以使用氧化鋁涂層，為了提高前、后刀面的耐磨性，第三層可以使用碳化鈦涂層。
在刀具表面涂覆多層膜，可使硬度提高到2500～3000Hv，且耐熱性顯著改善，在850～900℃的高溫下刀具材料也不會發(fā)生氧化，仍可保持硬度。由于涂層是多層涂覆的，因此韌性提高，表層發(fā)生裂紋也難以擴展，可以防止刀具崩刃。
已經(jīng)被實際使用的涂層材料除了適合高速切削鋼的碳化鈦和氮化鈦以外，還有金剛石和CBN。當然，由于金剛石涂層在切削過程中因溫度上升會分解為石墨，因此不適合用于含碳的鋼的切削，通常用于鋁等輕合金材料的高速切削。最近，為滿足高硬度鋼的高速切削和軟鋼的高效率加工需求，涂覆有納米微細晶粒的硅系納米涂層刀具等也出現(xiàn)了。
為減輕環(huán)境負荷而使用新技術
對金屬材料進行涂層處理，可以防止金屬的劣化和磨損，也出現(xiàn)了將此作為新技術發(fā)展的機遇。
成形技術的進步使得能夠自由地制造各種形狀的刀具，這也有助于提高刀具性能。在改善刀具形狀設計方面，有正在開發(fā)中的強力型4刃立銑刀，這種刀具由于材質的提高，增加了每刃排屑量，提高了加工效率，可比傳統(tǒng)的2刃立銑刀效率提高4倍。為縮短對模具等工件的高精度精加工時間，正在開發(fā)的新型刀具形狀設計還有：將切削刃開到刀尖中心以實現(xiàn)良好面加工的立銑刀、將球頭立銑刀的刀刃形狀改為橢圓形以加大加工件接觸面的橢圓立銑刀等。此外，還有通過提高刀片、刀頭夾緊裝置的精度和強度以減小振擺和誤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熱性以外，出于環(huán)�？紤]、適合干式切削的刀具開發(fā)也十分活躍。由于干式切削不使用冷卻液，因此要求刀具對工件有潤滑特性。作為生態(tài)環(huán)境保護的對應技術，建議使用通過壓縮空氣將微量切削油霧化來實現(xiàn)冷卻潤滑的MQL切削等新技術，以減輕環(huán)境負荷。例如，進行AlCrSiN涂層后可以不使用任何切削油進行高至80m/min高速干式切削的AT涂層高速鋼立銑刀正投入市場。正如利用一臺復合加工機床可以完成多個加工工序一樣，刀具行業(yè)也在開發(fā)用一把刀具可以進行溝槽、側面、孔等多種加工的多功能型刀具，以此實現(xiàn)縮短換刀時間和無需刀具預調帶來的高精度和高效率。
二、構筑支撐產(chǎn)品制造的質量保證體系
測量儀器對于構筑高質量產(chǎn)品制造系統(tǒng)和高效率生產(chǎn)環(huán)境起著越來越重要的作用。正如已被證實了的，對測量儀器的需求近幾年有了大幅增長。最近，在精密測量領域，更高水準的高精度加工和加工形狀的微細化等受到關注，檢定機床本身精度的各種測量技術也有了發(fā)展。
徹底的質量管理擴大了測量儀器需求
測量儀器是用于檢測長度、角度、形狀位置和表面粗糙度的機械式、電氣電子式和光學式的精密器具，具體指千分尺、游標卡尺、量規(guī)類、角尺、平臺、水平儀、三坐標測量機、圓度測量儀、表面粗糙度測量儀、數(shù)顯標尺和包括將其組合在一起的自動測量分選裝置在內的各種自動檢測儀器等工業(yè)用測量器具。
隨著日本經(jīng)濟景氣擴大、制造業(yè)設備開動率水平提高，測量儀器的生產(chǎn)穩(wěn)步增長。觀察近幾年測量儀器的產(chǎn)量變化，2002年為谷底，2003年比上一年增加10％，2004年增加6％，繼續(xù)維持上升勢頭，2005年增加8％，為3968.12億日元，增長順利。其中的精密測量儀器，同樣以2002年為谷底，之后轉為正增長，2003年和2004年都保持20％以上的增長，2005年又比前一年增加了26％，達到841.89億日元，即連續(xù)3年保持了20％以上的增長，精密測量儀器的市場規(guī)模不斷擴大，突破了800億日元大關。
采用國際通用的測量方式
在制造現(xiàn)場使用的測量儀器和設備要求滿足以下條件：（1）能夠適應寬范圍的環(huán)境溫度變化；（2）耐污染和抗振動；（3）具有高精度的再現(xiàn)性；（4）容易操作使用等。各生產(chǎn)廠家以在加工環(huán)境中使用為前提，積極開發(fā)能實現(xiàn)高速、高精度測量，且具有穩(wěn)定性和操作簡便的產(chǎn)品。
“產(chǎn)品制造”的根本是尺寸管理。今后，隨著海外生產(chǎn)的進一步增加，在不同地區(qū)生產(chǎn)的高精度部件需要具有互換性。在全球化的進程中，不僅是大型企業(yè)，中小企業(yè)也一樣，以國際通用的測量方式為基礎的產(chǎn)品制造越來越重要。重新認識測量的重要性，深入探討管理方法也是越過國際化難關的一種武器。
在高精度化和低成本化的制造業(yè)發(fā)展中，已不僅僅局限于單純地用于質量檢查的尺寸測量（比較測量），為了滿足用戶需求，要求測量儀器可以聯(lián)機或接機使用，儀器結構要便于被測工件的裝卸。其中，在支撐汽車制造業(yè)的汽車零部件形狀測量方面，正在向同步測量加工后工件，并將檢測結果反饋回加工工序的聯(lián)機測量方向發(fā)展。
提高測量儀器可靠性的關鍵因素
汽車零部件等各種機械零部件的尺寸測量經(jīng)常使用三坐標測量機；電氣電子零部件的測量則經(jīng)常使用顯微鏡和影像測量儀。隨著加工精度的提高，測量精度也在不斷提高，目前測量精度在lμm以下的三坐標測量機、顯微鏡、影像測量儀等開始普及。此外，用攝像機或激光掃描測量整體工件，評價尺寸和輪廓形狀的測量儀器也正在普及。
控制在高速運轉和調整速度時發(fā)生的振動，也是提高測量機可靠性的關鍵。為此，各廠家通過提高機身設計的剛性和采用高水準的驅動控制技術來減小振動。尺寸精度測量正從單純的長度測量向綜合性形狀精度測量的方向發(fā)展。隨著對測量機精度和質量的要求日益提高，在測量長度基準的分度標尺方面，在向長尺化和高分辨率化發(fā)展的同時，以將微細的刻度線依次系數(shù)化的增量方式，重新開發(fā)出不需計數(shù)便能確定分度標尺上位置的絕對式標尺。此外，采用高密度磁性材料的短波長磁力檢出分度標尺也實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，這種標尺適用于各種測量環(huán)境，操作簡便，即使是密封型標尺的反應速度也可達到150/min。
對于形狀測量機的測量精度要求更為嚴格，而且對微細孔和微小零部件的測量需求也在增加，為此生產(chǎn)商也開發(fā)了適應這種需求的產(chǎn)品。在對形狀精度要求嚴格的齒輪測量方面，為了實現(xiàn)齒輪的齒形、齒線和齒距的全自動快速測量，開發(fā)出了采用可消除振動的直接傳動伺服技術的NC齒形/導程測量機等產(chǎn)品。尤其在汽車領域，提高齒輪的動力傳動效率是關鍵，為此迫切要求提高齒輪測量機的測量精度。
擴大測量用途及范圍
為了構筑高質量產(chǎn)品生產(chǎn)體系和高效率生產(chǎn)環(huán)境，測量儀器所起的作用很大。其中，對三坐標測量機的需求在不斷增加。最近，隨著測量儀器高精度化、高速化等性能的提高，開發(fā)出了安裝有可擴大測量能力的新型測頭、可利用CAD數(shù)據(jù)、可將測量結果反饋到加工機床、價格低廉、適用于加工現(xiàn)場的柔性測量儀等儀器，大大擴展了測量的用途及范圍。此外，在惡劣環(huán)境條件下也能正常使用的量儀產(chǎn)品也在積極開發(fā)中。為了縮短三坐標測量機的測量時間，提高測量效率，生產(chǎn)商競相努力提高測量機的驅動速度，而在驅動和急劇調速時產(chǎn)生的振動一直是提高驅動速度的瓶頸，由于采用了新型測頭、新的驅動方式以及高剛性設計等消除振動的方法，使高速測量成為可能。由于三坐標測量機也開始實現(xiàn)聯(lián)機測量，因此需要在技術上構筑對加工線工件溫度誤差的管理和補償。
對于汽車車體生產(chǎn)工序的質量管理，僅靠對各工件的接口、邊角和間隙等尺寸的高速、高精度測量是不夠的，還需要對汽車整體進行質量驗證。因此，各工序測量的可靠性是直接關系到整車質量保證的最重要而又相當復雜的作業(yè)之一。在有關汽車的非接觸測量技術方面，開發(fā)出了水平臂式三坐標測量機等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的復合式傳感系統(tǒng)可針對被測工件的特點采用最合適的傳感器進行測量，且測量精度高，測量速度快，適合生產(chǎn)現(xiàn)場使用。在幾何要素的測量方面，由于測量精度方面的考慮以及長期操作習慣的原因，目前許多測量操作還是使用接觸式傳感器，但隨著非接觸式傳感器種類的不斷充實，測量的適應范圍也在不斷擴大。在自由曲面的整體測量、厚度測量以及逆向工程測量等方面，能夠快速獲取數(shù)百萬點的點云數(shù)據(jù)的非接觸式傳感器具有很強的數(shù)據(jù)采集能力。不過，工件的形狀越復雜，非接觸式傳感器就需要變換越多的測量姿態(tài)。因此一般認為，可利用測量程序自動、精確改變測量姿態(tài)的三坐標測量機具有較好的適用性。
此外，在沖壓、鑄造制品等小型、薄型高精度零部件的測量方面，在測量傳感器上采用CCD攝像機的CNC影像測量儀的使用量急劇增加，為提高檢測效率發(fā)揮了威力。
提供測量解決方案的業(yè)務不斷發(fā)展
對精密測量技術的要求是實現(xiàn)對更高精度的復雜形狀的高效測量。用于生產(chǎn)現(xiàn)場檢驗的測量技術還需要滿足對提高生產(chǎn)效率、提高測量結果可靠性、適應嚴苛的現(xiàn)場環(huán)境以及對測量裝置安裝空間等一系列要求。當然，還有對自動化、無人化測量的要求。此外，出于產(chǎn)品質量管理和構筑生產(chǎn)線的考慮，有時需要根據(jù)特定的生產(chǎn)條件專門定制設計測量方案。為了適應這種市場環(huán)境，作為各測量儀器生產(chǎn)廠的發(fā)展戰(zhàn)略，提出了為用戶提供測量解決方案的業(yè)務。而設計測量解決方案最重要的一點，是用于加工工序的測量技術應能與加工機械最好地匹配。
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