能在头发丝上刻字母 这家中企铣刀创世界纪录(上)

新闻来源: 中国企业家 于2022-09-15 8:20:56 大字阅读 提示:新闻观点不代表本人立场



它被誉为“最精致的工业牙齿”。

文|《中国企业家》记者 李艳艳

编辑|周春林

头图来源|受访者

【编者按】

高精度铣刀是精密加工领域不可或缺的工具。由于基础材料和加工技术的限制,我国在该领域长期处于受制于人的局面。

面对迫切的需求,出于职业的渴望和增强核心竞争力的内在驱动,中国五矿所属中钨高新金洲公司的技术团队,踏上了卓绝的自主创新之路。在克服了重重困难之后,他们终于创造了世界最细铣刀的纪录,突破了制造领域关键技术的“卡脖子”难题。

创新不是为了炫技,切实为客户服务、占领市场份额才能确保企业立于不败之地。在力争尽快进入世界一流阵营的同时,他们把未来锚定在了高附加值产品。

精密刀具的加工极限能做到哪里?

全世界最细的铣刀,直径只有0.01毫米,能在米粒上刻出56个汉字,在一根头发丝上铣出7个字母,这一产品诞生于中国五矿所属中钨高新金洲公司,被誉为“最精致的工业牙齿”。如此极致的精细度,不仅代表了公司的创新研发能力,更突破了制造领域关键技术的“卡脖子”难题。

铣刀,是具有一个或多个刀齿的旋转刀具,主要用于铝合金、不锈钢、模具钢、树脂、玻纤等各类工业材料加工,其精度是制造加工业的重要参考指标。尤其是,高精度的铣刀是精密加工不可或缺的工具,一旦断供,多条产业链都会面临停摆。

2021年10月,我国首次实现直径0.01毫米极小径铣刀的上机加工实验。据了解,在研制过程中,金洲公司突破传统工艺设计,开创新型微小刀具磨削工艺,有针对性地解决了结构难设计、制作状态难监控、磨削力难控制、刃径小易折断等一系列难题。

聚焦于精密微型刀具研制的金洲公司是国内著名的“隐形冠军”,目前拥有330多项发明和实用新型专利。在一个竞争激烈、产品更新换代极快的市场里,金洲公司主产品PCB微钻不断实现进口替代,市占率全球第一。2018~2021年,公司净利率水平由15%增长至19%,亦位于同行前列。

“每三部手机里,就有一部使用我们金洲公司的产品加工。”中钨高新董事长李仲泽近日接受《中国企业家》专访时说。近些年,因为市场变化太快,很多欧洲和日本企业退出了。在他看来,市场起伏很正常,关键是保持进步。“我们不把价格竞争作为手段,要确保成本领先。”

2016年,经历过重整的中钨高新,以技术创新为引领,制定了一系列新发展战略。据了解,中钨高新每年的新产品贡献率超过30%,技术研发投入亦超过公司总营收的5%,“金洲投入更大”。此外,公司每年给到科技人员创新成果的奖励超过2000万元。

一个高精密加工的时代已经到来,精密刀具可以成为破壁者。一把小小的铣刀,可以改变器具,提升产品性能,推动行业发展,直至影响产业链,催生全面的高精度加工需求。“说到底,真正的竞争要靠领先的技术,技术创新能力就是我们的核心竞争力。”李仲泽说。

中钨高新董事长李仲泽。摄影:史小兵

破壁:实现“米粒上刻字”

眼瞅着第一支目标刀具即将磨削成型,厉学广难抑兴奋地跑回办公室,呼喊同事们来围观。当晚,团队一起吃饭庆祝。100多天,“煎熬、紧张、疲累感终于烟消云散,仿佛来到了美丽新世界”,他形容说,自己有一种“发现了新大陆和攀登珠峰成功的双重喜悦,有能够改变未来的畅想”。

现年42岁的厉学广,是0.01毫米极小径铣刀项目研发负责人。最初的研发契机源自客户的抱怨。2020年末,曾有客户跟厉学广说有些刀具买不到,“你们金洲既然做微型刀具,能不能做这个?”而在他印象中,当时市场上的铣刀,直径较小的是0.1毫米。

2021年初,与客户几经研讨后,厉学广意识到高端精密刀具“卡脖子”问题的严重性。经过多年发展,精密加工的级别已经不同往日,随着通信等现代技术对小体积、低功耗、多功能、高效率等要求的提出,市场对精密加工需求已不仅仅局限在1毫米、0.1毫米,0.01毫米、0.02毫米也有真实需求,10微米级别的精密加工年代已经到来。此外,这个工具涉及重点行业,所以极小径精密刀具的供给变为关键点。在此大环境下,金洲的精密刀具不能停在概念阶段,技术不能只用来储备,而要转化为产品,切切实实应用在这些关键领域,发挥作用。

0.01mm铣刀米粒铣字。来源:受访者

还有一个原因是,虽然日本也有同类产品,但要么因为人家不愿意卖,要么因为交期长、价格非常高,而且几乎没有技术服务,只能望而却步。“求着人家卖刀具这件事,真的很痛苦。他们既然找到我们,我觉得,这件事我们一定要做,这是刀具人的担当。”厉学广说。

构思初步方案时,他先在脑海里过了三五天,找到核心点,作图、模拟、验证。后来做梦时,还得到了新想法。“那些最微小的技术改变,也能改变很大的事,这是一种职业的渴望。醒来我觉得,这件事,必须要干。”如今回顾起来,他将之前的决心归为热血赤诚。

同事口中的厉学广有个称呼:阿广。阿广从小就想当科学家。2004年,本科机械专业的他通过校招,从辽宁奔赴深圳,加入金洲公司。2013年,基于工作需求,厉学广又去读了光学专业工程硕士。研发突破的想法让他感到兴奋,直到后来,他发现,困难着实不少。

2021年5月,厉学广着手研发0.01~0.04毫米极小径铣刀。首要困难就是没有设备去加工如此精密的刀具。如何找到加工设备?他的答案是“改”。“我们原先有些进口高精度设备,可以适当做些改造,优势发挥,劣势克服,比如,精度再提高,磨削力再降低。轴的磨削运动也要调整,通过改造,消除掉一些波动。”

除了硬件,决心和信念也是一大考验。“你怎么让大家有信心跟你干下去?”厉学广有自己的方法。首先是消除大家的顾虑。他对团队说:“做项目是用科学的理论指导实践,在没有谁能论证这项技术和产品无法成功之前,我们就要坚定地走下去。能发现不可逾越的难题或者理论错误,反而是幸运的事,这正是我们要集中攻克的难点。”

其次是引导团队去憧憬未来。“如果造出比头发细多倍的铣刀,打破目前铣削刀具的极限,真能铣削出0.01、0.02毫米宽的槽,让生物医疗芯片、通讯关键零部件实现前所未有的性能,改变行业现状,解决供应链受制于人的问题,让精密制造腾飞,你们是否愿意为之努力?这是你们肩上使命的重量。”

做好思想准备后,接下来的0.01毫米极小径铣刀技术攻关则是个反复实验的过程。厉学广说,技术难点首先体现在“特别容易折断”。

相对于直径0.1毫米的头发丝,0.01毫米铣刀的直径是其1/10,截面积是其1/100,强度降低到直径0.1毫米刀具的1/1000,吹振可断。厉学广认为,铣刀做到这个层级,一定要应用才有它的价值。“它太细了,但这不代表它没法用,只要给它稳定精度的加工和使用条件。”

0.01毫米极小径铣刀结构复杂,亦是最难设计和磨削的工具。要实现周刃、端齿都能切削的完整铣刀功能,就要让刀体具备齐全的结构。而磨削时,刀体亦无法托附,只能悬空。另一方面,磨削时砂轮线速度与汽车速度相当,冲击力大,易折断。

作为目前精度要求最高的刀具,0.01毫米铣刀让很多技术研发人员不敢接招。当直径降为普通刀具的1/10、1/100,精度也要求相应降为1/10、1/100,以至于0.01毫米铣刀典型结构的精度要求在±0.0005毫米级别,难度极高。“我们的要求不仅是做出来,还要做到位。”

厉学广笃定,做应用工程不同于做科研,结果一定藏在大量的实验中,所以要有耐心。仅在结构方面,团队就来回尝试了两个多月,反复实验接近200次。2021年9月,初代样品实现产出。2021年10月,初代0.01毫米铣刀上机加工头发、米粒成功。

0.01mm铣刀头发丝铣字。来源:受访者

2019年底,金洲公司成功研制出直径0.01毫米的超细微型钻头,打破了长期以来我国在该领域受制于人的局面。仅用一年半的时间,金洲公司又实现了直径0.01毫米超细微型钻头和直径0.01毫米极小径铣刀的钻铣“双剑合璧”。

“这个成果肯定不是一蹴而就,而是前面十年的持续研究积累。”厉学广说,很多事情,第一阶段,往往比较顺利;第二阶段,稍微有点困难,但努力克服了,以为摸到底,信心十足;第三阶段,遇到困难解决不了,困顿无法突破;第四阶段,军心动摇,很多挑战项目和创业公司基本死在了这个阶段。“所以理性复盘问题在哪儿,不要迷信、不要消极非常重要。通常韧性强、科学、客观、理性的团队能活下来,做得更好,能力更强,涅槃重生。”

落地:以快“市占第一”

多年前的一段经历,让中钨高新金洲公司总经理罗春峰至今印象深刻。那是在2016年前后的多次行业展会上,他被一家日本竞争对手的高管问询,“为什么同一家客户,从捕捉客户需求到研发再到现场测试,相同时间内,你们能够做到比我们多测试两到三次?”

“我们的策略就是:以快打快。”罗春峰对《中国企业家》总结道。“金洲的市占率第一,不仅(局限)在中国内地,全球只要有PCB制造的地方,就在用金洲的产品。”

这是一个产品更新极快的领域。尽管受新冠疫情影响,全球经济承压,但疫情催生线上活动,提升了对电子产品的需求。同时 5G 基建推进,使得全球PCB产品需求呈现较为强劲的增长。未来 5G、汽车电子、工业 4.0、云端服务器等,将成为驱动PCB需求增长的新方向。

在罗春峰的切身感受中,竞争已愈发激烈,作为龙头的金洲公司,团队的危机感始终相随。

“我们时刻提醒自己,对产品的开发更新速度能不能更快。而行业也反推我们,对产品的开发一定要贴近市场需求。”他说。金洲现有330多项专利,其中发明过百项。在研发投入上,“前年是营收占比的5%、去年6%,今年的目标是7%”。

0.02mm铣刀加工不锈钢。来源:受访者

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绍尔6000系列高压压缩机用于多种压力和气体

除了石油化工行业其他工业也都需要用到高吸气压力和大流量的紧凑型压缩机以及定制化的解决方案。然而很长一段时间,供应商无法满足这些需求,直到绍尔公司研发6000系列压缩机。 基于灵活模块化设计的高压压缩机最大轴功率可达230kW。经典的活塞设计保证了大流量压缩机的紧凑性,确保了多功能应用。 最近,新研发的磁耦合驱动确保了气密性。

在2000年之前,绍尔关注到一个特有市场:许多工业应用需要定制化的高性能高压压缩机。绍尔决定接受挑战并开始长达十多年的研发。 首席销售官Dirk Slottke认为这个过程是公司历史上最费力的研发。 最终,在2006年,推出了绍尔6000系列压缩机,使得高压压缩机的最大功率由87kw跃升到230kw。甚至在产品推出前,绍尔就已经收到很多客户的询价。迄今为止,已经完成了数百台压缩机的交付。在首批客户中包括喷气发动机的制造商、抽水蓄能电厂、大型研发机构和将生物甲烷注入管网的OEM工厂。

适用于多种气体的高性能

6000系列高压压缩机吸气压力可以高达20barG,排气压力高达500barG,最大轴功率为230kW,体积流量在200到1250 m³/hr。直接驱动的水冷压缩机适用于多种气体,例如空气、氮气、氦气、天然气、生态甲烷或氢气,带压气体也可以使用。由于采用气密曲轴箱,气体泄露量很低。压缩机与同等产品相比,占地面积小。自带的减震垫降低振动,无需额外的基础和底座,安装便捷并节约费用。

SAUER 6000 WP4450 BasSeal-H2防爆型ATEX设计氢气压缩机。配置4气缸,最终压力350 barg,为某个太空项目单独研发,安装在特制运输底座。

灵活的模块化系统

绍尔6000系列高压压缩机基于先进的模块化系统,可针对广泛的应用进行定制。 标准的曲轴箱可以配四个或者六个活塞缸,多达七种的压缩级组合,活塞直径范围从22mm到195mm,这样就为配置组合提供了很多可能。 Dirk Slottke说:尤其在气体行业,定制化的解决方案正在兴起,仅氢气项目就数量众多。由于这一系列的某些机型特别受欢迎,已经确定了11种标准机型。

多样性的增加意味着随着级数更换选项增多,更好的适用于新的需求。例如:一台100barG压缩机可以转变为500barG的压缩机,仅仅需要更换二个压缩级,实际的操作性和维护备件没有变化。Dirk Slottke说:最近,我们在一台工艺压缩机上更换了二级压缩级活塞,由于应用要求更高的吸气压力和较低的排气压力。我们经常能够收到由于工艺参数变化而导致的需求。 除了极大的多样性,所有型号压缩机使用90%的标准零件。

迄今最大的绍尔 6000 系列压缩机应用是法国Cadarache核聚变反应堆的氦气回收项目。这个项目致力于在地球上模拟太阳发生的核聚变。总计4台SAUER 6000 WP6305 BasSeal氦气压缩机,总排量超过2000 m³/h,能够在很短时间内抽空整个氦气回路。

内置级间水冷却器

绍尔6000系列压缩机特有的技术特点是内置式级间冷却器,可以直接冷却气缸和气阀。强大并且维修方便的冷却器可以用于非常苛刻的使用环境。最大冷却水入口温度在标准工况下可达40 °C,允许最高环境温度可达55 °C。无需额外的冷却或管路。

绍尔6000系列的一个特有技术特点是内置式水冷系统,直接冷却气缸和气阀。这个强大、紧凑和便于维护的系统能够胜任更具挑战性的运行环境。

磁耦合驱动保证气密性

绍尔持续研发6000系列高压压缩机以满足客户需求。其中的一个重要创新就是使用磁耦合驱动联结压缩机和电机,这样就可以保证气密性。这进一步改善了珍贵气体或者危险气体的泄漏率,是绍尔的独创技术。同机械密封相比,此解决方案无需维护且没有易损件,因此无需常规的检视。

6000系列产品的基础设计已经修改,改善了电磁阀的可维修性,并适用于所有型号;空气过滤器适用于更高的流量,并且可以保证压缩机不在无滤芯情况下运行;优化了冷却回路;冷却水出口的单向阀阻止回流;工厂安装的补偿器替换了之前的软管连接,减少了占地面积;所有气缸上的排水阀都便于冷却水流出,还添加了锌阳极;根据压缩机气体种类,选择冷却器嵌件的材料。

优化的冷凝水系统

绍尔独有研发的气水分离器系统效率值可以达到80~100%,这是此前无法达到的数值。每级气水分离器有独立的排放管路。为了便于维护,冷凝水系统位于电机侧面。油润滑回路有全流量过滤器和油泵,并且优化了密封。

“通过SAUER 6000系列产品,我们提供同等级别压缩机中最先进和最灵活的压缩机理念,并且,还在持续改进。” Dirk Slottke总结道。

绍尔压缩机 是一家德国中型集团公司,有14家国际分支机构。公司拥有135年的历史,其中空气和气体压缩方面有85年的经验。如今,聚焦在研发制造和销售有油和无油润滑的中压和高压压缩机,应用于商船,工业,石化和国防领域。4条产品线,SAUER、 HAUG、GIRODIN 和 EK分别致力于不同应用领域。其中SAUER为广泛应用的有油润滑高压产品线,HAUG专注于无油和气密压缩机,GIRODIN 和 EK为特殊应用的海军产品。

现在,用于压缩空气和多种气体的往复式压缩机排气压力为20~500BarG。除了标准产品外,定制化的解决方案可以提供给不同的客户、OEM厂商和全球活跃的公司。通过遍布世界的代表处和合作伙伴,绍尔一直保持和客户的紧密联系。通过为压缩机系列提供高质量的配件、工程服务、组装和服务理念,绍尔可提供完整的系统解决方案,直到完成交钥匙工程。
本文内容来源于绍尔压缩机 ,本文编辑张圣洁,本期校对许飞


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