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模切刀——輕工產品裁剪成型的關鍵性基礎部件

2020/1/7 15:17:18 | 文章來源:本站  | 【大 小】 【打印】

一、模切刀、刀模及其用途

模切刀,是經過特殊熱處理制成的壓延刀帶,主要用于制成刀模,作為皮革、織物、紙板、橡膠和塑料等各類材料模切工序(見圖1)。模切是一種使用成型刀模切割各類板材的常見工序,大多數鞋履箱包皮革裁片、標準的紙箱和包裝材料、電子產品零件廣泛使用這種高效的工藝加工而成。除了切割出形狀,模切還可將材料壓出折痕、穿孔或縫隙等。

模切刀用于模切時,需先做成刀模,將模切刀帶定量裁斷,利用彎模機彎折成預定形狀后即制成刀模(見圖2)。目前,典型的模切刀按照刀身厚度,可以分為輕型模切刀和重型模切刀。其中,刀身厚度2.0mm以下為輕型模切刀,刀身厚度超過2.0mm為重型模切刀。輕型模切刀用于包裝印刷、電子信息等行業的模切,因為其質地較為輕薄,相應的刀模帶有基板用于固定刀身,一般選用高品質和高密度的膠合板。重型模切刀多應用于皮革、織物等材料的模切,其刀身本身具有一定厚度,可獨立折彎成型。

    模切刀及由其制作而成的刀模,應用于異形零件裁切的批量化生產。以模切刀最初應用的制鞋領域為例,現代制鞋業采用高效率的裝配式生產,即先在整片紡織物、皮革上裁出包頭、前幫、中幫、鞋舌、幫里等各個鞋幫部件,將其縫制成型后再與鞋底結合成為鞋履成品。因此,各種鞋類的制作要經過原材料準備、下料裁斷、車幫縫制、鞋幫成型、幫底結合、成品整飾等加工過程。刀模就是應用于裁斷機進行下料裁斷的核心工具(見圖3)。綜合生產速度、工效、裁切質量等因素考慮,使用刀模進行機械裁斷是當前大批量訂單、高效生產最適用的方式。

二、模切刀的歷史變遷

模切刀最初是隨著制鞋、箱包等輕工業消費品生產的機械化發展起來的。制鞋業在機械化之前采用手工裁斷,我國北方多是先用畫料樣板劃料,再用剪刀裁斷,稱為“先劃后裁”;南方企業普遍用割皮刀(介刀)按照裁斷的鐵樣板直接裁斷,稱為“直接套裁”。19世紀中期以后,縫紉機、裁斷機、釘跟機等輕工機械相繼發明,歐美等地手工制鞋技術逐漸被機械化生產所代替,鞋類產品進入批量生產的階段。1876年,隨著裁斷機的發明,刀模截料開始代替手工劃線裁剪,完成了下料裁減機械化的變革,帶動了模切刀快速發展起來。

模切刀在具體使用時,要在彎刀機上制成各類形狀的刀模,對其本體的彎曲性能要求很高,防止彎曲時崩斷。同時,規模化生產方式客觀上也要求刀刃具備極高的硬度和耐沖擊性能,保證較長的沖切壽命。因此,模切刀材料一般采用優質的鋼帶再經過特殊的熱處理達到韌性和硬度的均衡。奧地利奧鋼聯集團(Voestalpine AG)旗下的Martin Miller、B?hler是世界上具有代表性的模切刀品牌,從19世紀發展至今已有百余年的歷史,其所使用的原材料來源于奧地利母公司和德國的冷軋鋼帶,基于長期積累的精密鋼帶加工和熱處理核心技術,其模切刀乃至其他各類刀具在歐洲和全球都享有盛譽。裁斷機等輕工機械及其配套工具的率先發展,促進歐洲的意大利、西班牙、葡萄牙等國家,成為早期的全球制鞋業中心。

隨著時代的發展和模切技術的進步,模切刀的應用也從皮革、織物滲透到了包裝印刷、電子信息等工業領域。在包裝印刷領域,隨著工業化生產方式的進步,出現了圓壓圓模切機等適用于大批量印刷包裝產品的模切裝備,應用圓模切滾筒的加工工藝,以及相配套使用的模切刀(圓模刀、圓模線等)及刀模,模切的生產效率進一步提高(見圖4)。

    隨著電子信息的快速發展,印制電路板、保護膜、觸摸屏、顯示屏、背光膜、視窗等電子產品零件都廣泛用到模切工藝用于電子產品的模切工包括膠板刀模、鋁板刀模、雕刻刀模、蝕刻刀模等類型(見表1),其中,雕刻刀模、蝕刻刀模是在鋼板上直接雕刻或蝕刻而成,用于沖切高精密的電子產品零件,是隨著現代精密制造發展出來的模切技術。

    目前,模切刀品種不斷延伸擴展,產品設計創新十分活躍,在高度、厚度、硬度、刀口方面的各種規格已經十分齊全。如日本塚谷(TSUKATANI)刃物株式會社開發了鏡面模切刀、直紋模切刀、拉削模切刀、不干膠刀等多個系列,每個系列又針對卡紙及不干膠、電子產品、PET塑料膜、密封件拼圖、皮革、PVC地板等不同類型產品的加工設計了專用的模切刀品種。為了實現各種復雜圖案的模切或精密模切需求,業內相繼出現了多種特殊模切刀工具,如拉鏈刀、方齒刀、鋸齒刀、波紋刀、直紋刀、鏡面刀、雙面刀、涂膠刀、手孔刀等(見圖5)。這些異形、精密模切刀屬于比較高端的產品類型,比如直紋刀經直紋研磨刀口,可有效減少模切壓力,保持尖銳的鋒利度,實現長壽命的模切加工及切斷面光滑。鏡面刀對刀鋒進行類似鏡面的直紋研磨加工,使刀鋒更銳利,適用于覆膜卡紙、偏光膜、擴散膜、棱鏡膜、反射膜、半導體材料的精密模切加工。雙面刀對刀口進行了雙面開刃,一次模切即可做出左右對稱的裁片,用于高端鞋履的制造工藝。

三、中國模切刀產業的發展

中國模切刀產業系與國家整體工業同步發展起來的。改革開放以后,我國服裝鞋帽加工等輕工業率先發展起來。服裝鞋帽屬于典型的勞動密集型產業,全球產業布局重心發生多次轉移,每一次轉移也帶動了區域模切刀配套產業的騰飛。上世紀60、70年代,制鞋產業開始轉移到成本相對低廉的日本、臺灣、韓國、香港等國家和地區,當前國際著名制鞋大廠寶成、豐泰、清祿、隆典等在此期間迅速成長,韓國日進、臺灣海鯊等模切刀品牌也隨之發展起來。上個世紀80年代,鞋服箱包產業又開始轉移到土地勞動力成本更低廉、產業資源日漸豐富、投資環境日漸完善的中國大陸沿海一帶。

上個世紀80年代中期以后,國內機械化制鞋開始推廣,使用鋼制刀模的裁斷機逐漸代替手工制鞋,與之配套的模切刀及刀模逐漸從香港、臺灣、歐洲等地引進了冷彎加工,采用合金鋼材料冷軋成所需厚度的帶鋼,經磨削刃口、高頻淬火后直接冷彎加工成型,其效率、外觀和質量得到很大的提高。上個世紀90年代以后,福建恒而達(原莆田市恒達機電)、浙江伊利達、浙江五星等我國主要的模切刀企業相繼成立,這些企業圍繞著國內幾個重點的制鞋產業基地發展壯大,逐步開啟了模切刀國產化的歷史進程。

上個世紀90年代中期,世界鞋類年總產量約100億雙,進出口貿易額達300億美元,其中,中國制鞋企業達萬余家,總產量達25億雙,躍升為世界第一制鞋大國,效率和成本的競爭也日益激烈。此時我國模切刀市場主要流行瑞典sandvik、奧地利B?hler和Martin Miller、西班牙Gilma、韓國日進和Kantana等進口品牌,進口價格比較昂貴,且隨著輕工消費品花色款式的增多,刀模的費用越來越高。與此同時,隨著技術與工藝研發的突破和成熟,國產模切刀開始對金屬材料、熱處理工藝和專用裝備進行大量的創新,在適應國內規模化生產和成本要求的同時,迅速提升其各項性能指標,逐步縮小與國際模切刀品牌的差距,在綜合性價比方面更是具備較高的競爭力,其中,福建恒而達新材料股份有限公司(原莆田市恒達機電實業有限公司)的發展壯大,尤其具有代表性。

由于碳素結構鋼焊接時接口容易退火軟化,影響剛性和耐磨性,因此模切刀材料使用合金鋼,成本和產品價格較高。上世紀九十年代,福建恒而達突破熱處理技術,克服了碳結鋼材料的工藝缺陷,使其達到硬度和韌性的平衡,率先用碳素結構鋼逐漸替代合金鋼材料;之后又逐步使用熱軋鋼卷代替冷軋帶鋼作為原材料,在保證模切刀強韌性情況下,再次大幅度降低了生產成本和價格,有力支持了下游鞋帽服裝等輕工制造業的發展。

在刀型方面,上世紀90年代,進口刀型僅適用于沖切層數較少的皮革材料,福建恒而達不斷對刀型作出優化設計,適用于多層真皮及復雜材料(如塑膠、墊片、纖維板等較硬材料)的沖切,一方面促進鞋帽等輕工業的大規模量產,提高效率、降低成本,另一方面使得模切刀的應用更為廣泛。進入21世紀以后,重型模切刀已經被逐步被國產化替代,直至目前市場份額已以國產品牌為主導(見表2)。

隨著國內包裝印刷、電子信息產業的興起,輕型模切刀也隨著發展起來,已有國內企業能夠提供齒刀、波紋刀、拉鏈刀、不干膠刀等各種輕型模切刀品種。但從下游領域來看,應用于電子信息、高端包裝印刷行業的優質模切刀,具備精、細、微、薄的性能特征,如不干膠標簽模切過程中要求模切刀切穿上層膠水層而不破壞下層硅油層,對模切刀的厚度、高度、屈曲度等要求極高,電子產品中所用偏光膜、擴散膜、棱鏡膜、反射膜、絕緣材料、雙面膠帶、散熱片等產品也需應用高檔的模切刀加工成型,平面顯示行業對薄型材料的層數和沖切的精度要求尤為突出。在輕型模切刀領域,外資品牌的模切刀精度、穩定性、壽命等性能突出,工藝積累深厚,如瑞典山特維克公司是世界上首先采用刀刃硬化技術生產模切刀的企業,奧地利B?hler的至尊刀(Supreme)在刀鋒部位采用特殊金屬涂料填平毛細氣孔和間隙坑紋,使刀與加工材料之間減小摩擦,適用于高檔產品的加工,被稱為“模切刀之王”。因此,在高端輕型模切刀領域,國產化水平尚待進一步突破。

四、重型模切刀的市場

模切刀的實際需求受加工規模及訂單分散度、鞋履款式變化等因素的影響比較大。從規模來看,鞋履、箱包和服裝等普通消費品都是十分龐大的加工市場。據中國皮革協會鞋業專業委員會提供的數據,我國鞋類產量從90年代初不足40億雙增長到140億雙左右;服裝產量從90年代初的31億件增長到現在的約300億件(見圖6)。

數據來源:中國皮革協會

重型模切刀及刀模加工的輕工業消費品規模龐大,全球范圍內,服帽鞋包等輕工業已高度集中于中國及東南亞一帶,包括歐美國家知名品牌的代工企業也普遍位于亞洲,但整個市場極其分散。當前,臺灣寶成工業及其子公司是全球最大的運動鞋及休閑鞋制造商,鞋類年產量約為3億雙,但也僅占全球份額的1%左右。其他的制鞋知名大廠臺灣豐泰、隆典實業等年產量也僅在千萬至億雙之間。從福建部分鞋業產業集群的調研來看,規模較大的加工企業年產量多數在幾百萬雙至千萬雙。鞋服加工規模龐大而中小企業眾多,僅國內規模以上鞋類生產企業就有4500多家,更多以中小批量生產為主,產品多樣性更加突出,也在一定程度上推高了對重型模切刀及刀模的需求量。

應用重型模切刀制作刀模是一種根據裁片形狀定制的裁切工具,裁片形態稍有改變就需要另行制作相應的刀模用以裁切。當前國內模切刀已經達到了較高的使用壽命,因此,鞋履、包袋、服裝的材質、款式、花色日益多樣化,已逐步成為重型模切刀及刀模需求增長的重要驅動因素。比如左右腳鞋的部件,相應的刀模不能共用(只有部分左右腳鞋的部件如鞋舌、橫擔、小的后包跟等才能共用一只刀模),運動鞋構成相對復雜,左右兩只鞋以30片裁片計算,生產10個號碼,則一款運動鞋就需要彎制300只沖刀刀模(見圖7)。從福建等地實地調研情況來看,在制鞋行業,平均彎制一只沖刀刀模就需使用0.5-2.0米的重型模切刀,而在箱包等行業,單個使用量更大。


服飾、鞋履、箱包等作為日常消費品,是展示消費者個性的重要部分,隨著生活水平的提高,鞋履、箱包類商品除了發揮基本功能外,已經更多被作為時尚配飾,其產品設計、用料選擇、款式花色乃至品味格調等方面的推陳出新,也成為各企業贏得市場競爭力的關鍵要素。如安踏2017年共銷售超過6000萬雙鞋,超過8000萬件衣服,對應新推出超過1200款鞋類、2900款服飾類產品。據福建等地調研來看,年產量規模在百萬級別的鞋廠,每年生產的新款可達百種以上,款式的頻繁快速更新相應帶動了重型模切刀的市場需求。

    輕工消費品各種新品類正在不斷涌現。20世紀80年代以前,我國鞋類市場產品單一,布鞋、膠鞋、皮鞋、塑料鞋四類鞋中,每個大類基本上是固定的幾個款式。80年代以后,在傳統皮鞋的基礎上,旅游鞋、運動鞋逐漸進入了人們的生活,90年代中期以后,我國成為世界最大的鞋類生產和出口國,款式豐富度明顯提高,造型設計和款式創意成為鞋類產品打開市場和提升品牌的關鍵。進入21世紀,隨著人們生活水平的進一步提升和消費觀念的升級,傳統鞋類劃分呈現多元化,如休閑運動類、運動時尚類、半休閑鞋、便鞋、戶外鞋等(見圖8)。國內市場傳統旅游鞋是鞋底和鞋幫的簡單組合,后來逐步發展出戶外鞋、休閑鞋,開始大量應用皮、革等材料,在鞋面、腳尖、側部等位置作出新穎的造型設計。這些變化,都成為推動重型模切刀產業發展的積極因素。

    在當今信息化和高鐵時代,人們也開始日益重視旅游休閑,箱包制造商不僅融入更多時尚設計元素,包袋的功能設計也日趨多元化,出現了可以分別放置筆記本、筆、書、錢包、耳機、水杯、雨傘、鞋、眼鏡、行動電子產品等的多隔間、可分離、堆積、互扣、捆綁式的系統化設計及人體工學設計(見圖9),箱包體現出更輕、更薄、更精致時尚的特征,重型模切刀的應用廣度也越來越大。

以皮革、織物為材料的制品在其他各產業得到廣泛使用,如汽車座椅、儀表盤、車門等各部位的內飾件,一般也為模切而成,汽車各部位廣泛使用的密封防塵材料、降噪及減震材料、各部位粘合用膠帶的生產也均要使用模切刀。汽車產業的發展也為模切刀帶來大量的應用需求。

五、輕型模切刀的市場

輕型模切刀的刀身厚度2.0mm以下,刀體比較輕薄,適用于層數少、載荷輕的模切加工,主要為包裝印刷、電子信息、工藝品制作等領域,所面向的產業也具備很大的規模。例如紙質包裝,包括紙箱、紙盒、紙袋、紙罐、紙漿模塑等,其中紙箱、紙盒銷售規模較大,這些產品在規模生產過程均需使用模切工藝,是印刷后期必備的工序。據中國造紙協會調查資料,我國紙及紙板生產量和消費量均已超過1億噸,箱紙板、瓦楞原紙的產銷均超過2000萬噸,其加工過程為輕型模切刀帶來巨大的需求量。

電子產品具有零部件數量多、精密度要求高等特點,輕型模切刀在電子產品制造中有廣泛的應用。以手機為例,手機的操作日益智能化,機身越來越薄,離不開模切工藝的不斷革新與超精細加工技術的支持,其中用到模切工藝的部件有保護膜、觸摸屏、顯示屏、背光膜、視窗等。根據工信部的資料,2018年我國手機、計算機和彩電產量已經分別達到18億部、3億臺和2億臺,占全球總產量的90%、90%以及70%以上,均穩居全球之首。這些電子產品眾多零部件的加工需要大量的輕型模切刀的支持。

六、模切刀企業的成長路徑

模切刀本質上是一種金屬切削工具,屬于國家工業各個領域的重要配套,被譽為“工業牙齒”,是模切裝備實現功能的核心執行部件,具有配套基礎性和應用廣泛性的特征。模切刀制造更多是一門材料與工藝技術,為了使低成本鋼帶達到較高的本體韌性和刃口硬度,如退火、正火、淬火、回火等精密鋼帶熱處理過程就顯得十分關鍵,熱處理工藝也因此成為了金屬切削工具的關鍵共性技術,而工藝的實現離不開專用裝備的保障。因此,在金屬切削工具行業面臨著廣大的市場剛需和廣闊的品類延展空間大背景下,模切刀生產企業要立足于其常年積累的金屬材料加工、熱處理工藝和專用裝備的技術經驗,并持續創新,這是其未來進一步做大做強的關鍵。

金屬切削工具的種類十分廣泛。根據國家統計局的統計,金屬切削工具包括了輕、重工業各個領域使用的刀具及刀片,比如偏向輕工領域的如紙、紡織品、塑料、食品等切割、加工機械所使用的刀具、刀片,偏向重工業金屬切削機床所使用的切削工具,如銑刀、拉刀、帶鋸條、圓鋸片等。熱處理正是這些工具制造業的關鍵技術之一。其中,模切刀存在其他眾多分支,廣泛應用在鞋履箱包、紙板、包裝、塑料、電子產品零件的沖切成型過程。許多模切刀制作精密度高,比如用于PCB、保護膜等近幾年發展起來的電子產品零件模切工具,還有用于雙層不干膠標簽的模切,這些領域的模切刀較為高端,國產化的替代空間也比較大。

放眼全球,金屬切削工具領域已成長出了一些大型的跨國企業,為國內企業的發展提供了寶貴的經驗和路徑借鑒,其中以奧地利奧鋼聯集團(Voestalpine)、瑞典山特維克集團(Sandvik Group)等公司為代表。縱觀其百年來的發展路徑,正是以金屬材料、熱處理工藝、專用裝備技術為核心,不斷進行產品系列化發展,延伸擴展切削工具品類,拓展配套裝備,逐漸成長為全球性的大型企業集團。

其中,奧鋼聯集團擁有鋼鐵部、高性能金屬部、金屬成型部以及金屬工程部等四大業務部門,營業額超過120億歐元,擁有超過百年的鋼鐵加工技術積累。奧鋼聯集團以優質鋼帶為原料,以精密鋼帶加工和熱處理技術為核心,通過內部產品線延伸和外延并購整合的方式發展出了“B?hler”、“Martin Miller”、“SCANDIE”、“Wisconstrip”等幾個知名品牌,分別生產不同系列的的切削工具、帶鋼,如模切刀、木工鋸及鋼帶、食品帶鋸等(見表3)。

瑞典山特維克公司以鋼鐵冶煉技術起家,逐步發展下游產品,不斷拓展產品的應用領域,從十九世紀就開始積累精密鋼帶、鋸片等加工工藝,圍繞核心技術不斷調整公司的業務范圍,經過其特殊熱處理的鋼帶可用于生產模切刀、食品帶鋸、剃須刀、手術刀具等,各種銑削、車削、鉆削等金屬加工刀具的產品譜系也十分齊全。目前,瑞典山特維克是世界上最大的模切刀制造商和分銷商之一,產品系列化程度較高,擁有全系列模切刀產品。

隨著我國制造業幾十年來的發展壯大,處于基礎配套地位的切削工具產業也得到了快速發展,各個細分工具市場成長出了一批優秀的龍頭企業,比如專業生產金屬切削機床類刀具的漢江工具有限責任公司、恒鋒工具股份有限公司、株洲鉆石切削刀具股份有限公司,立足于模切刀發展起來的福建恒而達新材料股份有限公司、重慶華西三利包裝刀具有限責任公司、上海信鵬印刷器材有限公司等。以福建恒而達為代表的部分優秀民族企業,經過長期的技術與工藝積累,在模切刀的細分市場領域已經逐步實現進口替代,并向高端市場發力,同時立足于自身在金屬材料加工、熱處理工藝和專用裝備的同源共性核心技術積累優勢,開始進行產品系列化,拓展產品線和應用領域,未來有望成長為在全球市場具備競爭力的本土企業。

總體而言,我國雖是世界上最大的切削工具消費市場,但還有許多高端刀具種類需要大量進口。與歐美工業發達國家的大型跨國工具企業相比,我國企業規模還比較小,其產品技術、品牌影響力、產品豐富度仍有巨大的成長空間。今后幾年是我國從制造業大國走向制造業強國的新階段,屬于基礎配套性產業和先進制造業關鍵保障的模切刀等金屬切削工具行業,正面臨著良好的發展環境和空間。

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