工具行業(yè)發(fā)展動態(tài)及國產(chǎn)工具典型應(yīng)用案例
2022-4-6 來源：機床協(xié)會 作者：-
本文作者蕭偉鋒為中國機床工具工業(yè)協(xié)會行業(yè)發(fā)展工作委員會副主任委員、原上海工具廠總經(jīng)理。
——編者注
一、切削刀具國內(nèi)外行業(yè)動態(tài)
1. 國際制造業(yè)復(fù)蘇放緩，中國2022年3月份PMI為49.5%
切削刀具主要是服務(wù)制造行業(yè)，從目前國內(nèi)外動態(tài)來看：國際局勢不明朗，制造業(yè)復(fù)蘇放緩；國內(nèi)1月PMI回落至50.1%，2月份為50.2%，3月份為49.5%；隨著原材料價格大幅上漲，以及疫情帶來的負面影響，造成供應(yīng)鏈危機的風(fēng)險加大，同時勞動力短缺，這些都將成為制約制造業(yè)復(fù)蘇的關(guān)鍵因素。
總體來看，全球制造業(yè)PMI指數(shù)在1-2月連續(xù)2個月出現(xiàn)回落，3月歐美PMI走勢開始分化。根據(jù)IHS Markit的數(shù)據(jù)，3月美國制造業(yè)PMI（58.5）與服務(wù)業(yè)PMI（58.9）較前月分別上升1.2與2.4，為半年來最高。歐元區(qū)經(jīng)濟活動也受益于防控措施放松，但地緣沖突對歐元區(qū)經(jīng)濟活動的影響更加顯著。3月歐元區(qū)制造業(yè)與服務(wù)業(yè)PMI雙雙走低，前者下降1.2至57，后者下降0.7至55.5。但此前出現(xiàn)的復(fù)蘇勢頭仍在持續(xù)，總體趨勢依舊向好。
面對疫情反復(fù)和通脹等不確定因素，各國更應(yīng)該加速制造業(yè)轉(zhuǎn)型，通過數(shù)字化、智能化、自動化和技術(shù)升級等手段，減少外部因素對制造業(yè)產(chǎn)生的沖擊，同時通過深化合作穩(wěn)定供應(yīng)鏈，為全球經(jīng)濟復(fù)蘇注入動能。處于制造業(yè)基礎(chǔ)地位的機床工具業(yè)，需密切關(guān)注上下游產(chǎn)業(yè)變化情況，適時做出有效調(diào)整。
圖1 近期世界主要經(jīng)濟體PMI指標情況
圖2 國內(nèi)PMI走勢一覽表
2. 2021年汽車工業(yè)數(shù)據(jù)向好或給機床工具行業(yè)帶來更多機遇
圖3 2001-2021年國內(nèi)汽車銷量及增長率
汽車制造業(yè)是機床工具行業(yè)最大的用戶領(lǐng)域。2021年，全年汽車產(chǎn)銷分別完成2608.2萬輛和2627.5萬輛，同比增長3.4%和3.8%，呈現(xiàn)出持續(xù)向好發(fā)展趨勢。加上近幾年新能源汽車迅猛發(fā)展、中國品牌車出口量增多，勢必給機床工具行業(yè)帶來更多市場機會。機床工具行業(yè)企業(yè)通過轉(zhuǎn)型升級，積極與汽車及零部件企業(yè)進行深度對接，上下游協(xié)同創(chuàng)新，更好地滿足汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，將有利于提升機床工具行業(yè)的整體競爭力，最終共同實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈上下游高質(zhì)量發(fā)展。
3. 2020年國內(nèi)刀具市場需求達歷史最好水平421億元
圖4 國內(nèi)刀具市場一覽表
2021年機床工具行業(yè)延續(xù)2020年下半年以來恢復(fù)性增長態(tài)勢，市場需求持續(xù)改善，進出口大幅度增長。中國機床工具工業(yè)協(xié)會重點聯(lián)系企業(yè)2021年1-12月累計完成營業(yè)收入同比增長26.2%，增幅比上年擴大23.2個百分點。所有分行業(yè)同比增幅均在10%以上。由于2020年特殊的基數(shù)效應(yīng)，2021年各月累計同比增速則呈現(xiàn)前高后低特點，但至年底仍處于較高的同比增速，全年累計需求將超過2020年水平，表明機床工具行業(yè)保持著良好的增長態(tài)勢。
4. 出口額達到歷史新高，比歷史次高點2019年高50多億元
圖5 2021年刀具出口分類
圖6 2021年刀具進口分類
2021年刀具出口額225.16億人民幣，同比2020年增長25.45%，與2019年同比增長22.28%；進口額106.32億人民幣，同比2020年增長5.69%，與2019年同比下降4.14%。進口工具價格遠高于出口價格。其中：涂層刀片的進口平均價格約為出口平均價格的3.81倍，未涂層刀片為6.41倍，攻絲工具為10.03倍，銑刀為2.71倍，量具17.06倍?？梢姡ぞ邍a(chǎn)化在未來具有很大的潛力。
5. 預(yù)測：刀具行業(yè)正處國產(chǎn)替代黃金時期，進口替代空間約 110億元
圖7 全球工具市場預(yù)測
圖8 中國機床、刀具市場消費規(guī)模
全球金屬切削工具市場規(guī)模達到237.3億美元，預(yù)計在2020至2027年間將保持4.8%年復(fù)合增長率，并在 2027年達到 329.5 億美元。中國刀具消費規(guī)模在2005至2020年間保持7.75%年復(fù)合增長率，2020年約為421億元。考慮制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級趨勢不改，“十四五”期間刀具消費市場有望迎來進一步增長，邁上新的臺階。
發(fā)達國家數(shù)控刀具與數(shù)控機床協(xié)調(diào)發(fā)展，刀具消費額約為機床消費額的50%左右，而國內(nèi)由于機床總數(shù)控化率較低，刀具消費額占比較低。假設(shè)伴隨中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，2030年中國刀具消費在機床消費額占比有望達到37%，同時中國機床消費額以 1.5%年復(fù)合增長率增長，中國刀具市場規(guī)模有望在2030年達到631億元，2020至2030年復(fù)合增長率達4.14%。
高質(zhì)量發(fā)展是中國刀具行業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求。每年百億的進口刀具主要應(yīng)用在一些加工精度和質(zhì)量要求高、一致性要求好的重點領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域，國產(chǎn)刀具任重而道遠。刀具制作涉及材料、設(shè)計和成形，以及涂層表面強化這三大方面。這些年，在刀具材料領(lǐng)域，通用及一般高性能材料基本實現(xiàn)國產(chǎn)化替代進口，發(fā)展較為迅速。但在后兩個方面，迫切需要加大能力提升。包括人才、裝備和工藝等各個方面，都需進行升級，增強行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新力量和服務(wù)能級。
二、國產(chǎn)通用切削刀具簡介
國產(chǎn)通用刀具包括孔加工刀具、螺紋刀具、銑鉸刀具、數(shù)控硬質(zhì)合金刀具、復(fù)雜刀具以及刀片等。這些刀具，按照相應(yīng)國際、國內(nèi)或行業(yè)標準，基于加工對象和精度等級要求，形成了各自具有自身特點的系列產(chǎn)品，以滿足市場的有效需求。
孔加工刀具，包括采用ISO、DIN、GB/T等標準的直柄麻花鉆、錐柄麻花鉆、階梯麻花鉆、擴孔鉆、深孔鉆、不銹鋼專用麻花鉆、中心鉆和直柄小麻花鉆等各類刀具，廣泛應(yīng)用于機械加工業(yè)對各種被加工材料孔的切削加工。制造材料逐漸由熔煉鋼向噴射鋼、粉末鋼升級換代。
螺紋刀具，包括采用ISO、DIN、GB/T等標準的機用絲錐、手用絲錐、擠壓絲錐、螺尖絲錐、管螺紋刀具、搓絲板、板牙等各類刀具，廣泛應(yīng)用于機械加工業(yè)對各種被加工材料的內(nèi)、外螺紋切削加工。通過對比進出口刀具價格可知，進口螺紋刀具的平均售價為國產(chǎn)刀具的10倍以上，這類刀具，也是國產(chǎn)替代進口的重點關(guān)注領(lǐng)域之一。國內(nèi)上海工具廠基于自身積累和研發(fā)，專注行業(yè)需求，先后開發(fā)出了滿足不同行業(yè)和材料加工特性需求的絲錐系列，包括：DIN標準高性能螺旋槽絲錐系列、JIS標準高性能螺旋槽絲錐系列、統(tǒng)一螺旋槽絲錐系列、馬氏體不銹鋼專用絲錐系列、硅鋁合金專用絲錐系列、通用螺旋槽絲錐系列、大規(guī)格螺旋槽絲錐系列、DIN標準高性能螺尖絲錐系列、JIS標準高性能螺尖絲錐系列、普通螺尖絲錐系列、高性能螺尖絲錐系列、灰鑄鐵專用絲錐系列、高釩高速鋼螺旋槽絲錐系列等，很好地滿足了市場需求。
圖9 多種系列螺紋刀具
數(shù)控硬質(zhì)合金刀具，包括采用ISO、DIN、GB/T 等標準制造的各種整體或焊接式硬質(zhì)合金鉆頭、鉸刀、立銑刀和成型刀具等，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車、模具、航空航天和電子通訊等行業(yè)的高精度、高效率和高速加工領(lǐng)域。
數(shù)控刀片，包含銑削刀片、鉆削刀片、車削刀片、螺紋刀片、切斷切槽刀片以及針對特殊材料加工的刀片，例如株鉆研制的難加工材料高溫合金YBS系列刀片等，發(fā)展非常迅速。
復(fù)雜刀具，包括拉削刀具、齒輪刀具、冷擠壓成形刀具，圓形拉削刀具，平面拉削刀具，滾刀、插齒刀、剃齒刀、齒輪銑刀，輪槽銑刀，花鍵搓齒刀、螺紋搓齒刀，花鍵量規(guī)量儀等。目前，在復(fù)雜刀具領(lǐng)域，體現(xiàn)兩個特點，一為刀具制作材料升級較快，二為精度等級要求越來越高。
三、切削刀具典型應(yīng)用及解決方案
汽車和航空是刀具應(yīng)用的兩大典型領(lǐng)域。汽車領(lǐng)域，刀具應(yīng)用量大面廣，在一定程度上，汽車行業(yè)的增長波動將對刀具行業(yè)的發(fā)展帶來非常大的影響。涉及汽車領(lǐng)域加工的，包括缸體缸蓋、凸臺、曲軸、油孔、凸輪軸、連桿、剎車盤、方向機扭桿組合、轉(zhuǎn)向機萬向節(jié)球道、汽車保險杠注塑模加工、電磁閥加工等等，加工零件多，加工工序復(fù)雜及材料多樣，刀具品種多樣，涉及鉆、攻、鉸、銑、鏜、車、深孔等多種加工，對刀具質(zhì)量要求非常高?？梢哉f，汽車加工用刀具的制造水平在一定程度上代表著這個國家的刀具發(fā)展水平。目前國內(nèi)在此領(lǐng)域基本能夠提供完整的解決方案。
航空用刀具是快速增長的領(lǐng)域之一，涉及復(fù)材加工刀具、飛機制造刀具以及飛機總裝刀具等。從加工零部件分析，涉及發(fā)動機、腹板、滑軌、機身蒙皮、垂尾、扁尾、機翼、起落架等；從被加工材料分析，包含高溫合金、鈦合金、不銹鋼、鋁合金、鈦鋁合金、復(fù)材、復(fù)材疊層等各種易切削和不易切削的難加工材料，尤其是鎳基高溫合金和復(fù)材、復(fù)材加疊層的加工，對刀具質(zhì)量和刀具涂層要求非常高。鎳基高溫合金加工一般要求高硬度抗高溫氧化涂層刀具，而復(fù)材加工要求結(jié)合力良好的金剛石涂層刀具。從加工方式分析，飛機零部件加工涉及銑、鉆、锪、鉸、攻等不同工序，其中，裝配用刀具涉及鉆、锪、鉸或鉆锪、鉆锪鉸一體刀具較多。國內(nèi)近幾年在航空領(lǐng)域刀具開發(fā)上投入的力量比較大，包括國家層面的專項支持。國內(nèi)著名工具企業(yè)包括上工、株鉆等都在該領(lǐng)域開發(fā)了一系列的專用刀具，其中，上工還發(fā)布了國內(nèi)最為完整的航空航天用刀具樣冊，對推動行業(yè)進步發(fā)揮重要作用。
圖10 航空刀具圖
下面結(jié)合航空和汽車領(lǐng)域加工，介紹上工的兩個典型加工案例。
案例1：虛擬五軸柔性加工機床配刀
圖11 虛擬五軸柔性加工
刀具采用硬質(zhì)合金制造并配以金剛石涂層及獨特鉆形設(shè)計，實現(xiàn)高強度、高耐磨性和低切削力，在航空、航天復(fù)合疊層材料加工中，可有效應(yīng)對纖維化碎屑不容易排屑、散熱，以及刀具易磨損的現(xiàn)象。該刀具可實現(xiàn)鉚釘孔的鉆、擴、鉸、锪窩一次成形。
案例2：發(fā)動機連桿螺紋加工
表1 加工參數(shù)一覽表
圖12 發(fā)動機連桿螺紋加工
刀具采用特殊截形設(shè)計，由五軸機床制作，確保了設(shè)計與制作精度一致性。特殊的表面處理有利于提高納米硬質(zhì)薄膜的綜合性能。靶向熱處理工藝對提升刀具的內(nèi)在品質(zhì)起到重要作用。
四、最后
近幾年，國內(nèi)刀具行業(yè)整體發(fā)展態(tài)勢較好，國產(chǎn)刀具在國內(nèi)市場份額從10年前的66%發(fā)展到如今的75%左右，且出口比例也處于上升趨勢，對支撐國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了重要作用。未來，在提升安全、有效、可靠供給的背景下，國產(chǎn)化的道路還很長。畢竟，越到后面，骨頭越難啃，要求越高。為此，希望各工具企業(yè)一方面加強自身管理和人才培養(yǎng)，提高盈利水平；另一方面加強上下游協(xié)同發(fā)展，只有上下游聯(lián)動，行業(yè)才會健康持續(xù)發(fā)展。
作者：蕭偉鋒（協(xié)會行發(fā)委） 責(zé)編：張芳麗
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