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现代高效切削刀具对提高制造业竞争力的重大作用

2009年09月30日 10:30中国机床商务网点击:3108

技术进步是推动现代制造业发展的强大动力

上世纪七十年代末到八十年代初,由于微电子技术的飞速进展,现代数字化制造技术和装备也获得了空前发展和广泛应用,极大地推动了制造业劳动生产率的提高,使制造业的发展进入了一个新时代:由主要依靠劳动能力的改善转向主要依靠科技进步。新技术的应用使制造业劳动生产率的增长速度大大加快。

我们知道,不断追求劳动生产率的提高,是制造业永恒的主题,这是由制造业自身的生存和发展需要所决定的。国际经合组织(OECD)的调查结果表明,价格的变化要滞后于成本的增加,从而形成“生产率差距”,这是对制造业的一种长期挑战。

现代数字化制造技术就是为了满足制造业提高生产率的需求而发展起来的。作为一个完整的制造技术体系,现代数字化制造技术主要由数控机床、数控量仪和数控刀具(国际上习称“现代高效刀具”)三部分组成。这三个子系统既独立发展,又相辅相成、互相促进,不断推动制造业劳动生产率的提高。

以现代高效刀具为例,尽管其价格大大高于传统的标准刀具,但由于其优良的性能,使加工质量和加工效率大幅度提高,从而使制造业提高了劳动生产率,降低了生产成本,获得了更大收益,其效益杠杆比达到五倍以上。例如,美国每年的刀具消费额为30多亿美元,而制造业因提高效率、降低成本而获得的收益却达到150亿美元。

与此同时,现代高效刀具对解决长期困扰制造业的重大环保难题——大量使用冷却润滑液造成的环境污染——也提供了有效的解决途径。通过刀具基体材料和涂层技术的突破性改进,以及刀具切削参数的优化设计,使高速切削实现了仅使用微量润滑液的MQL加工和完全不使用冷却液的干式加工。在发达国家,冷却液的使用和无害化处理费用达到制造成本的15%,为刀具费用的4-5倍。实现微量润滑和干式加工,对大幅降低制造成本和实现绿色加工发挥了决定性的作用。刀具和冷却液在生产成本中所占比重如图1 所示。

另外,近年来制造业的发展经验证明,在经济繁荣时期,为了应对需求增长、满足市场需要,在一定条件下,通过改进刀具、提高效率来增加产能,比通过增加厂房、设备和工人来扩张产能更为合理,而且可以大大降低经济低迷时期产能闲置的风险。

由此可见,现代高效刀具对于充分发挥数字化制造技术的综合优势,起着关键而不可替代的作用。

但是,在我国数字化制造技术的发展过程中,存在一个认识上的误区:简单地把数控机床看成是数字化制造技术的全部,认为刀具和量仪只是机床的“附件”而已,只要把主机抓好了,附件就自然能跟着上去。这种认识忽略了对数控刀具和数控量仪应有的重视和投入,其结果是我国现代切削刀具和测量技术的发展滞后于机床的发展。国内外的发展经验证明,数字化制造技术系统内部各子系统之间发展不平衡,会大大影响其整体效率和效益的发挥。

在发达国家,采用高效刀具来发挥数字化制造技术的潜力已成为共识。现代高效刀具的开发和应用受到高度重视。从2007年我国与几个主要发达国家机床与刀具消费额的对比(表1),可以看出存在的巨大差异。

从表1可以看出,发达国家每年的刀具消费额约为机床消费额的50%左右。大大高于中国制造业刀具消费的比重。从全球范围来看,2008年,机床消费达到850亿美元的水平,而刀具消费也创下了210亿美元的新高,刀具消费与机床消费比重的全球平均水平约为25%。在我国,机床消费已连续七年高居世界第一,2008年更达到了194.4亿美元的创记录水平。我国刀具消费额也首次超过各主要发达国家,达到40亿美元。但是,相对于我国制造业庞大的机床消费规模而言,刀具消费水平仍大大偏低,仅为机床消费的20%。这一比重不但远低于发达国家,也低于世界平均水平。这就说明,在我国的刀具消费中,廉价而低效的传统刀具仍占主流,机床功能远未得到充分发挥,制造业提高劳动生产率的潜力巨大。这既是中国工具工业的差距所在,也是中国工具工业的用武之地。发展现代高效刀具,替代廉价、低效的传统刀具,是中国制造业提高竞争力的必由之路。

国际、国内现代工具产业的发展简况

在国际上,现代高效刀具(国内习惯称为“数控刀具”)是伴随着现代制造业的需求而发展起来的。在上世纪六、七十年代,各主要发达国家先后完成了后工业化发展阶段,进入了新经济时代。信息技术迅速渗透到各行各业。在制造业,以现代数字化制造技术和装备替代和更新传统技术和装备也成为潮流。在此背景下,过去与机床配套的、千篇一律的传统标准刀具已经完全不能适应制造业新的发展需要。于是,大约在三十年前,发达国家的工具工业在制造业新需求的强劲带动下,经历了一场从生产传统标准刀具到现代高效刀具的深刻变革。首先,在轿车制造业,大量采用“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的现代高效刀具替代传统标准刀具,使生产效率获得极大提高。从此,现代高效刀具的发展势如破竹,迅速推广到各行各业,成为工具技术发展的主流。

现代高效刀具是现代数字化制造技术的一个有机组成部分,其中包括作为主流产品的硬质合金刀具和正在发展中的超硬刀具(金刚石、立方氮化硼刀具),以及应用于特定领域的高速钢刀具。在发达国家,硬质合金刀具已占全部刀具销售的70%以上。

现代高效刀具的使用领域中,汽车和通用机械是最大的消费者,航空航天工业紧跟其后,名列第3(见图2)。

在我国,直到上世纪末,现代高效刀具一直发展缓慢。工具工业向制造业提供的基本上是传统的标准高速钢刀具和少量硬质合金刀具,相当于发达国家三十年前工具工业转型前的水平。但进入新世纪以来,随着我国新一轮的经济增长,制造业现代化的步伐加快,我国数字化制造技术和装备(包括数控机床、配套功能部件、数控量仪和现代高效刀具)也获得了快速发展。上世纪末,我国金切机床年产量已达19万台,但其中数控机床仅有1.4万台;当时,以新型硬质合金刀具为代表的现代高效刀具亦不足全部刀具销售的15%,且水平较低。到2007年,我国数控机床产量已达到12.32万台,产值数控化率达到43.7%;与此相匹配的高效硬质合金刀具的比重亦上升到占全部刀具销售的40.3%。由此可见,进入新世纪以来,我国数控机床和高效刀具取得了快速发展。目前,国产化的现代高效刀具已经批量进入汽车、模具、航空航天、发电装备、通用机械等各个行业。部分产品的性能已达到或接近国际先进水平,有效地打破了进口刀具在一些领域的垄断地位,为我国高效刀具市场的规范竞争作出了贡献。

更须指出的是,国产高效硬质合金刀具的发展突破了长期徘徊不前的局面,获得了高速发展,连续几年增长率都超过30%,远高于传统高速钢刀具的增长速度。这种可喜的变化标志着,进入新世纪以来,我国工具工业已经开始了从传统标准刀具向现代高效刀具的转型,进入了崭新的发展轨道。当然,工具行业近年来取得的进展,与制造业的发展需要相比仍有很大差距。广大工具企业必须认清发展趋势,坚定不移地加速现代高效刀具的发展进程。

新形势下我国工具工业面临的机遇和挑战、问题与差距

  (1)机遇和挑战

  我国制造业的高速发展,为切削刀具的发展提供了巨大的市场潜力。2008年,我国刀具消费总量已超过德、美、日等发达国家,达到40亿美元。可以预计,今后的增长速度仍将远远高于发达国家的水平。这一有利条件,为我国工具产业的调整和发展提供了充分的运作空间和发展机遇。

  我们认为,尽管全球经济会有周期性的变化和动荡,甚至出现反复和衰退,但制造业向中国和其他发展中国家转移的大格局不会出现逆转,因为这是基于全球化背景下资源优化配置的客观需要。目前,中国制造业的产出价值大体介于日、美之间。但实物产出水平已远远超过日、美。如前所述,我国已连续七年机床消费量居全球第一,这从一个侧面反映了我国制造业的巨大规模。2007年,我国机床拥有量已达500万台,远远超过发达国家,其中数控机床达60万台,数量与日、美相当,但档次偏低。在发达国家,采用高效刀具来发挥数字化制造技术的潜力已成共识,每年的刀具消费额均在机床消费额的50%左右。而在我国,该比例仅为20%。这就表明,我国制造业高效刀具的应用水平仍然很低,提高生产率潜力巨大。我国工具工业承担了为制造业的发展提供优质服务的重任,也迎来了前所未有的发展机遇。

  但是,在良好的发展机遇面前,我国工具工业也面临严峻的挑战。在我国的工具市场上,以现代高效刀具为代表的高端产品领域,进口刀具仍然占据绝对优势。国产高效刀具经过多年努力,已开始进入这一领域,但所占份额还不足20%。例如:2008年,我国刀具消费额为290亿元人民币(约合40亿美元),其中进口刀具达到100亿元人民币(约合14亿美元),市场占有率超过三分之一。特别是进入新世纪以来,进口刀具消费额每年增长30%以上,超过了国产刀具的平均增长水平。国产刀具在高端市场受到进口刀具的步步进逼,其主要原因是国产刀具在产品结构和质量方面与发达国家差距很大。

  以2007年为例,我国消费的主要刀具原材料为:高速钢8万吨,硬质合金1.65万吨。尽管这两种材料的消耗量均占到全球消耗量的40%,但刀具产品的销售收入却仅占全球的15%。这一巨大反差充分反映了我国工具行业发展的粗放程度和对资源的严重浪费。这些数据还表明,尽管近年来我国在现代高效刀具的发展上取得了显着进展,但以传统标准刀具为主的生产格局仍未根本改观。发达国家的经验表明,随着制造业现代化步伐的加快,对高效刀具的需求会迅速增长,而传统标准刀具的市场空间将不断缩小。因此,我国以传统标准刀具为主的现有生产格局将难以为继,整个行业的生存和发展将受到严重威胁。对此严峻的形势,我国工具行业必须认真对待,不能掉以轻心。我认为,面对新的发展形势带来的严峻挑战,我国工具工业必须不失时机地加快结构调整和产业升级步伐,加速现代高效刀具的发展,不断提高对制造业的服务水平,以求在今后的市场竞争中赢得一席之地。

  (2)问题与差距

  近十年来,我国工具行业发展很快,一批工具企业在发展现代高效刀具方面取得了长足进步,很多产品达到或接近国际先进水平,解决了用户的许多加工问题。不过,尽管取得了这些实实在在的成绩和进步,但据此就得出我国工具技术已进入国际先进行列,基本上能满足现代制造业发展需要的结论还为时尚早,我认为,这种过分乐观的估计既不符合实际,也不利于今后的发展。这是因为,第一,我国近年来开发现代高效刀具基本上处于仿制阶段(充其量是仿创结合),虽然也能生产部分高端产品,但总体上仍处于初级发展阶段,不能与具备原创能力的高级发展阶段相提并论。第二,我国工具行业近年来在发展高端刀具产品方面,采取“以仿为主,替代进口”的方针,虽然有利于加快发展速度,满足市场需求,但与此同时,这种发展方式付出的代价是在技术上严重依赖发达国家,失去了发展的主导权,永远跟在人家后面亦步亦趋。

  例如,现代高效刀具的基础技术主要有三个组成部分:①高水平的现代刀具材料;②高水平的现代涂层技术和装备;③高水平的刀具专用数字化设计、制造技术和装备。可以说,这三部分的高端技术,包括原材料、技术、工艺和装备,我们还主要依靠引进,而且消化吸收和再创新的工作做得还很不到位。所以,一旦离开了这些“洋拐棍”,高端产品的开发和制造就会失去支撑。由此可见,我们在回顾近十年的快速发展历程时,必须保持头脑清醒,实事求是,不要盲目高估我们已经达到的发展水平。

  我认为,衡量当前我国工具工业的发展水平,不能浮在表面看现象,而要深入内部看实质。有人看到展览会上琳琅满目的新产品,就得出结论:我国机床工具行业已经跨入世界先进行列。这是一种十分片面的看法。我们知道,评价一个现代工具企业的实力,不仅要看它是否有能力制造高水平的现代高效刀具,更要看它是否具备为制造业提高劳动生产率,提供“整体解决方案”的综合能力。用这一标准来衡量,我国工具企业与发达国家的先进水平差距还很大。

  当前,我国工具行业已经有相当一批企业具备了仿制进口高效刀具的能力,也解决了国内制造业的部分加工需要,在一些领域打破了进口刀具一统天下的局面。但是,模仿毕竟不是真本事,国内工具企业在为制造业解决加工难题的综合能力方面,与国外同行的差距还相当大。例如:我国航空工业近年来引进国外先进技术,大量采用整体薄壁铝合金构件。此外,飞机主机部件已由过去普遍采用铆合构件转向大量使用整体化构件。这些新型结构可以减轻重量、提高性能、节约加工时间和费用,优点多多,但同时也对切削加工技术和刀具的“高精度、高效率、高可靠性”提出了前所未有的高要求。

  虽然我国飞机工业已开始广泛使用这些先进切削加工技术,但由于我国工具行业技术水平的限制,用于航空工业的国产高效刀具只占有很小的份额。

  生产技术的发展并没有到此为止。前一波发展我们还没有赶上去,后一波新的发展又接踵而至。目前国外正在开发的大型飞机,又有层出不穷的新材料投入使用,他们提出的口号是“更好、更快、更省、更绿色”。例如,在现已投入研发的波音787、空客350等新型客机上,轻质高强度的复合材料占全机重量的50%以上。我想,我国的大飞机项目肯定也会走这条发展路径。虽然复合材料使用性能优异,但可加工性极差,例如,其磨蚀性为中碳钢的1000倍,导热性仅为铝的1/400,基质材料熔点低(约200℃),易出现分层剥离、毛刺和未切断纤维等缺陷,这些都对切削技术和刀具提出了新的挑战。

  世界最大的工具集团Sandvik公司看到了这种挑战与商机。2007年,该公司通过资本市场,并购了美国GE公司的超级磨料部,更名为Diamond Innovations,并与集团内部的Dormer公司合作,于2009年初推出了专门用于加工飞机复合材料的金刚石钻头。Sandvik公司认为,一架现代大型客机需要在复合材料部件上加工多达700多万个孔,为了保持优质、高效、稳定的加工,就必须使用新型专用高效切削刀具。

  为了在现代飞机生产中加速开发和应用新方法、新技术、新刀具,美国波音公司联合英国Sheffield大学,筹资6000万英镑,建立了一个全球性的先进制造技术研究中心(AMRC),其成员包括飞机制造产业链中的龙头企业、相关政府官员和国际研究机构。

  我们知道,发达国家在现代制造技术和高效刀具的开发应用方面,至少比我国早起步20年,已经稳稳地占领了现代制造技术高地,但至今仍孜孜不倦、积极进取。相比之下,我们在这个领域取得的进展还相当有限。我们担心的是,我国现代高效刀具发展速度虽不算低,但基础不扎实,缺乏持续发展的技术支撑,这是最大的隐患。为了在今后的发展道路上走得更快、更远,我们就必须去掉浮躁心态,认真分析自身的差距与不足,兢兢业业,埋头苦干,不断夯实基础,增强自主开发能力,为现代制造业提供更好的服务。

发展我国现代工具企业的思路与建议

  (1)“专而强”是我国现代工具企业的发展方向

  我国工具企业发展现代高效刀具技术,应贯彻“专而强”的指导方针。要提倡“做强”,而不要提倡盲目“做大”。我们必须了解,现代工具企业只有“做专”,才能“做强”。这是从传统工具企业转型为现代工具企业的最大变化。过去,工具企业生产的是千篇一律的标准刀具,是同质化的产品,是“万金油”,十家企业生产的产品变成一家生产,并没有质的区别。但是,现代高效刀具则完全不同,它是为满足制造业特定需求而开发的“高精度、高效率、高可靠性和专用化”刀具产品。现代工具企业的竞争力,不是体现为它的产品性价比,而是体现在它为制造业提供提高效率、降低成本的“整体解决方案”的能力。因此,从传统工具企业发展为现代工具企业,就是要从“万金油”变成专家。只有重点培养解决问题的专业本领,才能对推动制造业的发展起到“四两拨千斤”的作用。国内外工具行业的发展经验和教训表明,脱离实际,盲目提倡“做大”,动不动就要企业发展成“航空母舰”,这种指导思想只会助长盲目扩张和低水平重复,与我国工具企业调整结构、产业升级的发展目标是背道而驰的。

  (2)由仿到创,重视积累,夯实基础,是我国现代高效刀具保持可持续发展的必由之路

  从传统工具工业发展到现代工具工业,是质的飞跃,是脱胎换骨。工具企业最关键、最本质的变化是什么?是从单纯的“卖刀具”转变为提供“整体解决方案”,这是一次重大的战略转变。过去,传统工具企业单纯卖刀具产品,“老王卖瓜,自卖自夸”,只对出厂刀具的质量负责,而不对用户的具体使用效果负责。而现代刀具企业为制造业提供“整体解决方案”,承诺为用户的使用效果全面负责,为用户“提高工效,降低成本”出谋划策,提供全方位服务,直至问题解决为止。虽然也要卖刀具,但现在的刀具只是“解决方案”的一个载体,与过去相比,发生了质的变化。

  经验证明,花钱可以买到先进装备,但核心技术是买不来的。对于我国工具行业而言,引进现代刀具材料和涂层技术已有二十年的历史,消化吸收和再创新的工作虽然在做,但进展缓慢。刀具专用数字化制造技术和装备的大规模引进是近十年的事,可以说,在该领域的消化吸收工作尚未开始。

  因此,我们认为,要实现我国现代高效刀具的可持续发展,就必须从现在起,坚定不移地走自主创新之路,特别要抓好科技创新,哪怕是一小步,走出去也有决定意义。只有这样,才能逐步建立自主发展的技术基础,满足于模仿是没有出路的。

  还必须指出,工具产业的技术特征是传统经验与现代技术相结合。因此,发展思路应该是积累经验与技术创新并重。在现阶段,要以替代进口为目标,既要通过强化服务积累经验,又要通过扩大开放引进技术,通过自主创新提高水平,滚动式地发展壮大。

  (3)强化服务是我国工具企业发展现代高效刀具的切入点

  在现代制造业,“服务”的概念随着产业链的形成和发展在不断深化,已远远超出了传统的销售服务的范畴。由于制造业的分工越来越细,对社会化协作的要求越来越迫切,使服务成为整个产业链中不可或缺的要素,成为保证产业链有效运转的必备基础。可以说,离开了服务,就没有现代制造业的发展。发达国家服务业的飞速发展,其原因就基于此。所以,我国工具企业要实现向现代高效刀具的转型升级,首先需要转变经营观念,要从单纯向用户提供刀具产品,转变到为制造业提供“整体解决方案”,提供全方位服务。

  下面以跨国汽车制造集团戴姆勒-克莱斯勒公司的全球刀具采购和管理系统为例,说明这种现代制造业服务模式。从流程图可以看出,早在主机厂的产品设计开发阶段,机床和刀具供应商就积极参与,共同研究最佳工艺路线,共同决定机床与刀具的选用,对一些项目还进行合作开发。这种紧密的合作关系在整个生产全过程贯穿始终,并且不断深化和发展,包括工艺更新和对原有刀具的改进提高等。例如,刀具供应商为主机厂开发的高效专用刀具投入使用后,为了在保持生产效率的基础上进一步降低成本,再次共同研究高效专用刀具的标准化问题,等等。

  可以看出,在现代制造业产业链中,工具供应商所扮演的角色,已经远远超出传统企业“生产与销售”的范畴,而是将服务的触角深入到制造技术发展的全过程。换句话说,在现代制造业的框架下,工具企业只有通过提升为制造业提供全方位服务的能力,才有可能成为制造业板块产业链中稳定的合作伙伴,从而获得稳定可靠的市场。传统的企业经营模式与服务对象的关系是松散的,销售活动的随机性很大,不符合现代制造业产业链发展的需要,有被日益边缘化的危险。虽然我国制造业的产业链尚未发展到如此成熟的地步,但逐步与国际接轨的趋势十分明显。所以,我国的工具制造商和分销商应该认准现代制造业的产业特点,重视面临的新挑战,认真提高服务水平和延伸服务领域。今后的发展趋势是,服务水准上不去,其后果将不是销售业绩好坏的问题,而是能否进入主流市场的问题。

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