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随着3D打印，激光加工等新型加工成型工艺的成熟和大规模应用，机加工及其配套行业无论是在宣传力度还是资本市场的热度上都显得要低调和平静。沈阳机床从2011年的180亿营收跌落至破产重整，更是再度拨动了在贸易战氛围中小心翼翼转型升级的制造业企业们的神经。如何平衡核心技术短板﹑技术投入与经营风险﹑物联网技术的冲击与吸纳等因素，笔者选取了与机加紧密相关的刀具作为切入点，探讨了行业价值链条中标准工业消耗品潜在的优化基础﹑升级路径﹑商业和资本切入点。
01 刀具全生命周期所涉及到的环节和技术特征
金属切削刀具作为机床的关键基础部件，是去除工件材料的执行末端，是保证加工质量，提高生产效率，降低生产能耗与时间成本的关键因素。刀具直接成本约占到了制造总成本的2.5%-4%，采用数控装备的生产过程中这一比例更达到约8%。与刀具相关的管理，采购，检测，修磨等环节产生的间接成本可达刀具直接成本的4倍以上。数控机床总停机时间的20%是由刀具失效及进一步发展而引发的故障导致的。刀具从采购到报废的整个生命周期内部涉及到的环节如下图：
图1. 刀具生命周期内部涉及到的各个环节
数控加工过程中刀具是主要的消耗品，为了降低生产成本，一是要确保数控设备的开动率，保证设备有效的产出，二是要控制刀具的消耗。这些环节涉及到刀具的流转，加工过程监测等关键环节。其中刀具流转涉及到刀具需求申请，刀具需求分解，刀具配送接收，刀具借用管理，刀具归还管理，刀具调拨管理，刀具报废管理。研究刀具资源的管理就是用最小的刀具资源来达到生产要求，尽可能减少对刀具资源的占有，使刀具的存取更方便，刀具交换次数最少，刀具准备时间最短，利用率最高。其主题思想是：刀具管理应全面综合考虑，从计划订购﹑库存管理﹑在线监控到回收维护等刀具整个寿命周期入手，对刀具进行全面的管理。根据刀具在制造系统中所处不同位置及状态，把刀具的管理有侧重的分为三部分进行：物资管理，使用管理和技术管理。根据刀具在制造系统中使用过程情况，又可将刀具管理应用软件划分为：计划与库存模块，调度模块和数据维护与查询统计模块。
图2. 北京市机电研究院开发的先进制造系统中的刀具管理系统软件架构示例
刀具流转之外，对于高度自动化的无人智能车间或者工厂，如果不能准确的预测刀具的寿命或者监测刀具状态，磨损严重或者已经破损的刀具继续工作便会导致批量次品，甚至造成机床事故；如果采取较高的安全系数，提前换刀，则不能充分发挥刀具性能，增加刀具成本。目前的自动化生产过程中采取的机制是预先设定刀具寿命，强制换刀，寿命可由切削时间，切削距离，加工件数等表示，实施简便但难以合理的预设刀具寿命。
随着技术的发展，已有多种刀具健康监测方法，大致可分为直接测量法和间接测量法。各种检测方法，所使用的传感器和工作原理，适用范围如下表所示：
表1. 各种检测方法的原理和相关设备，应用范围
02 刀具管理市场形成机制
切削加工配套技术（包括刀柄与机床主轴的联接方式、刀具在刀柄中的夹紧方式、刀具系统的平衡及刀具管理等）是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的，是现代切削技术不可缺少的组成部分，并与切削技术和刀具保持着快速同步发展，不断改变着切削技术的内涵，推动切削技术进步。随着切削技术的发展，工具行业正经历着经营机制的变革。面对日益更新的生产模式和新的工件材料，刀具已不再是可以“一售了之”的简单商品，而是优化加工工序或生产线加工技术的重要工艺因素。刀具制造商必须能为用户提供成套加工技术，帮助用户实现提高加工效率和产品质量、降低制造成本的目标，这已成为国外刀具制造商业务发展的方向和经营宗旨。目前，刀具制造商通过各种形式的“为用户服务”、“提供解决方案”等经营模式，将工具行业带入一个更高的发展阶段。事实证明，国外刀具制造商的这种做法有利于制造业整体水平的不断提高，为用户带来更大的经济效益，必将受到用户的欢迎。
刀具管理系统的需求来源于以下几方面：
- 企业刀具信息管理仍然停留在手工处理阶段，劳动强度大，且出错率高；
- 刀具准备计划与生产作业计划脱节，不配套，造成停机等刀现象；
- 刀具切削参数，刀具的寿命没有得到严格的管理与控制，造成刀具利用率低下，易破损及平均寿命短等后果。
刀具管理的概念首先出现于美国，其核心是通过刀具外包达到以下目的：
- 减少初期投入（刀具重磨业务可以委外或由刀具管理供应商承担）；
- 减少库存资金（刀具库存资金由刀具管理供应商承担）；
- 减少管理成本，使企业能将精力放在自己的核心业务上。
在上世纪90年代末到本世纪初，刀具管理在美国和欧洲得以推广应用。由于在欧美市场上刀具供应商较为成熟，操作比较规范，刀具管理已逐渐得到用户认可。对于美国或德国的用户，有大量成熟的刀具制造商在当地办厂，用户可以获得非常及时的服务，这对于刀具管理业务的开展无疑提供了极大的便利。而在中国，刀具管理的发展似乎显得有些迟缓，目前只是在汽车行业开始率先应用。近年来随着工程机械行业的稳步发展，对刀具进行有效管理以降低制造成本也日益迫切。
03 国内刀具供应和服务市场格局
我国刀具行业格局比较分散，国内刀具企业数量约有七百多家，量检具企业大概有两三百家，总共约800家企业。刀具细分市场多，各个细分市场壁垒高，一般情况下一个细分市场的突破需要两三年以上时间的研发。2017年年全球刀具市场规模约1250亿元，我国的刀具消耗总额为321.5亿元，刀具进口额为110亿元。
中国的刀具行业很早就全面对外开放，国内市场早就实现了刀具采购全球化。外企刀具商进入中国市场已有十几年的历史，销售网络、技术服务体系已相当建全。他们以其优质的产品、完善的技术服务、不断降低的产品销售价，现在的进口刀具价格几乎已经降到10年前的2/3～1/2，垄断了中国的高档刀具市场。围绕中国刀具市场这块巨大的“蛋糕”，不少跨国刀具集团把扩大在中国的刀具销售作为首选，各企业的亚太总部、研发中心、培训中心、物流中心纷纷落户中国。
国外刀具传统上分为山特系、IMC系、美国系、欧洲系、日本系五大系。在五大派系中，山特维克集团旗下包括可乐满、瓦尔特、山高、万奈特、多马等。而美国系主要以肯纳为代表。当然，美国系刀具还有STELLRAM、MILLSTAR、美福M.A.Ford、SGS、GARR、STAR等刀具品牌。日本系包括三菱、京瓷、住友、泰珂洛、欧士机、黛杰、不二越、日立等。和机床整机一样，日系刀具的性价比在中国很有优势。欧洲系主要以德国为主，包括MAPAL、Guehring、EMUGE，Fraisa、VARGUS、HORN、霍夫曼等。
表2. 国际品牌刀具及典型终端用户
尽管国外品牌刀具在中国市场风生水起，但这些年来，中国市场也成就了像株洲钻石、厦门金鹭、郑钻等优秀的企业，加上原来的四大工具厂，大概有10家骨干企业，都完成了从传统刀具向现代刀具行业的转型。沃尔德刀具更成为首批在科创版上市的企业。
在信息化建设层面，机加工企业目前市场上涉及刀具管理功能的软件平台主要是MDC（MDC：Manufacturing Data Collection & Status Management数据采集系统是机床数据采集和分析处理的集成系统，具有数据采集，机床监控，数据分析处理，报表输出等功能，这些数据对车间管理者的生产决策有科学的依据，并能给MES系统﹑ERP系统提供数据支持。）和DNC（Distributed Numerical Control，分布式数控，能够实现车间数控设备及生产工位的统一联网管理，支持数控设备的在线加工，NC程序的断点续传，在线远程请求和历史追溯等）所搭建的TDM系统。这些软件平台随着进口系统和数控系统在国内的使用﹑迭代升级逐步形成了与机床﹑对刀预调设备﹑在线编程与刀具管理系统共生的产品生态，具备相当程度上的封闭特性。作为整个制造环节的基层执行动作单元，机床自身的与MES﹑ERP是否打通共享以及连接方式也在工业互联网技术的推动下演化出了新的业态和机会。
轻量化﹑云化MES系统概念和服务模式的出现，通过降低实施成本以获取更长尾的用户；另一方面走向深入和全面化，在细分的场景中出现了更多的可选择模块，例如刀具管理模块。
联网硬件和传感器生产企业：作为生产数据的“第一座桥”，其开始尝试独自或联合第三方开发出的数据分析管理平台，通过延长服务价值链增加其生产现场数据接入产品的用户粘性。
面向工业数据分析的初创公司，凭借其在设备管理﹑工业机理沉淀﹑软件架构与分析能力等方面的优势，发展和提供了各具特色的刀具管理方案。
04 刀具管理服务内容与模式可能路径
涉及到机加工的制造业企业按照规模可以分为以下几类：小型加工中心﹑中等规模制造业企业﹑高端精密件加工企业和大型制造业集团。其对于刀具使用过程中涉及到的物资管理﹑使用管理和技术管理的侧重点﹑体量和技术复杂程度存在较大差异。
图3.涉及机加工的制造业企业分类
进一步的考虑到工业互联网带来的便利性和基础设施普及之后的使用成本逐步下行，服务模式采取边缘+云端架构更易于部署，提升产品的适用性。云端管理系统主要负责刀具在工厂内流转的业务管理、边缘端主要负责刀具加工过程中的状态监测、质量监控等，用户可以通过工业互联网云平台调取相关服务模块（App）。
面向的对象为切削刀具消耗数量较大的加工型生产过程（企业），单件刀具在寿命期内重复执行同一个加工工序。损耗过程为重复作业造成的损耗。旨在建立刀具身份标识、刀具数据采集（使用时间、使用次数、刀具基本参数等）、刀具全生命周期管理（在用户工厂内流转，如入库、领用、修磨、报废等过程）的系统，通过该系统的运营帮助终端用户或者刀具承包商有效管理刀具的总体成本（可降低人为因素造成的刀具浪费）以及控制库存周期。
单刀体价值高，需要进一步对刀具寿命进行更精细化的管控以提高刀具的有效使用寿命的。可通过采集加工过程中的振动或者电流等信号，并根据一定的算法来监测刀具的状态（磨损、破损、断刀等状态），提升单纯依靠加工次数以及加工累积时长判断刀具的寿命的精确性。
存在全生命周期定制开发需求，加工附加值较高的高端客户（如航空制造等），可增加工艺稳定性监测、自适应控制、刀具误差补偿等功能，通过这些功能提高加工过程效率和优化工艺，提升一次下线良品率为客户带来根本上的提质与增效。
随着工业数字化的推进，先进传感测量仪器和工艺机理的数字化封装和新的表达呈现模式（信息化和电商平台等）将不断激发传统行业价值链条中的标准工业消耗品如刀具﹑润滑油﹑结构紧固件的新流转生态。
作者：吴康，来源：明照资本
参考资料：
徐宏海 等著，《数控机床刀具及其应用》，化学工业出版社
浦艳敏，等著，《现代数控机床刀具及其应用》，化学工业出版社
张键，等著，《机械故障诊断技术》，机械工业出版社
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