Don Graham：識別和解決 8 種常見的刀片失效模式
2014-2-12 來源：數控機床市場網 作者：Don Graham
刀片失效及其對生產設備的不利影響類似于運動員磨損一雙優質的跑鞋。 正如鞋子承受運動員的體重一樣，刀片反復承受著巨大應力，導致磨損和損耗。如果不進行解決，磨損會使運動員感到疼痛，并會降低制造商的加工精度和生產率。
但是，制造商可以分析所用的刀具，以盡可能延長刀具壽命和預測刀具的使用，從而保持零件的精度并減少設備性能下降。早期刀片檢查對確定失效根源至關重要，因為此時易于觀察和報告。若不采取這些重要步驟，就有可能混淆不同類型的失效模式。
為了方便刀片檢查，可以使用立體顯微鏡。立體顯微鏡具有良好的光學特性、充足的照明和至少 20 倍放大率，因此對識別導致刀片過早磨損的失效模式非常有利。
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后刀面磨損
任何類型的材料的正常磨損都可能導致刀片失效。 正常后刀面磨損是最受歡迎的磨損形式，因為它是最容易預見的刀具失效類型。后刀面磨損一般很均勻，它隨著加工材料磨損切削刃而逐漸顯現出來，類似于刀刃變鈍。
當工件中堅硬的細微夾雜物或加工硬化的材料切入刀片時，會出現正常后刀面磨損。產生這種磨損的原因包括低速切削時的磨料磨損和高速切削時的化學反應。
識別正常后刀面磨損時，會發現沿著刀片的切削刃形成一個相對均勻的磨痕。有時，工件上的金屬會擦傷切削刃，夸大了刀片磨痕的表觀尺寸。
為了減緩正常后刀面磨損，重要的是采用不會發生微崩的最硬刀片材質等級，并且使用最輕快的切削刃來減少切削力和摩擦。
另一方面，后刀面快速磨損是人們不希望見到的，因為這會降低刀具壽命，無法達到 15 分鐘的典型切削時間。在切削耐磨材料，比如球墨鑄鐵、硅鋁合金、高溫合金、熱處理后的沉淀硬化 (PH) 不銹鋼、鈹銅合金及鎢硬質合金，以及在切削非金屬材料，例如玻璃纖維、環氧樹脂、強化塑料和陶瓷時，常會出現快速磨損。
快速后刀面磨損的跡象類似于正常磨損。為了糾正快速后刀面磨損，重要的是選擇更耐磨、更堅硬或鍍層硬質合金刀片材質等級, 并確保使用適當的冷卻液。降低切削速度也非常有效，但這不符合生產需要，因為這會對加工周期帶來不利影響。
月牙洼
月牙洼常見于鐵基或鈦基合金的高速加工作業中，它屬于刀片溶解到工件切屑中的熱/化學問題。
擴散磨損與磨料磨損共同作用造成了月牙洼。 在加工基和鈦基合金時，工件切屑中的熱量會使硬質合金
的成分溶解并擴散到切屑中，造成刀片頂部產生“月牙洼”。月牙洼最終會增大至足以使后刀面發生微
崩、變形甚至可能導致快速的后刀面磨損。
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積屑瘤
工件的碎片通過熱壓焊結到切削刃上時，會產生積屑瘤，這是切削區存在化學親和性、高壓及高溫所致。積屑瘤最終會脫落，有時隨刀片碎片一同脫落，從而導致微崩和快速的后刀面磨損。
這種失效機理常見于粘性材料、低速、 高溫合金、不銹鋼和有色金屬材料，以及螺紋加工和鉆削。積屑瘤可以通過工件尺寸或表面粗糙度的異常變化以及切削刃頂部或后刀面上出現的閃亮材料來識別。
可以通過下列方法來控制積屑瘤：提高切削速度和進給量、使用氮化物 (TiN) 鍍層刀片、合理使用冷卻液（如增加濃度），以及選用具有可減少作用力的幾何形狀和/或平滑表面的刀片。
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微崩
微崩源自機械性能不穩定，通常是由不牢固的裝夾、軸承不良或主軸磨損、加工材料有硬質點或斷續切削造成。 這種現象有時會出現在意想不到的場合，例如加工那些刻意在零件上留下多孔結構的粉末冶金 (PM)材料。 切削材料表面所含的堅硬夾雜物和斷續切削會導致局部應力集中并可能導致微崩。
在這種失效模式下，沿刀片切削刃分布的切屑非常明顯。確保機床合理裝夾、盡量減少彎曲變形、使用研磨刀片、控制積屑瘤以及采用韌性更好的刀片材質等級和/或更強壯的切削刃幾何形狀將可阻止微崩的發生。
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熱機械失效
劇烈的溫度波動與機械沖擊可能造成熱機械失效。應力裂紋會沿刀片刃口形成，最終造成刀片的硬質合金部分脫落，看起來有點類似于微崩。
熱機械失效最有可能出現在銑削作業中，有時會出現在大批量零件的斷續車削、端面加工以及采用間歇冷卻液的加工作業中。熱機械失效的跡象是出現多個垂直于切削刃的裂紋。在微崩開始前識別出該失效模式特別重要。
可通過以下方法來防止熱機械失效：正確使用冷卻液，或者，如果希望在加工工藝中完全杜絕這種失效，可使用更耐沖擊的材質等級以及降低熱量產生的槽型并降低進給量。
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刃口變形
過多的熱量和機械負荷是刃口變形的根源。在高速和高進給情況下，或是加工硬鋼、加工硬化的表面及高溫合金時，往往會產生大量的熱。
過多熱量會造成刀片中的硬質合金粘接劑或鈷發生軟化。當刀片與工件之間的應力導致刀片變形或刀尖凹陷時會產生機械負荷，最終會折斷刀片或導致快速的后刀面磨損。
刃口變形的跡象包括切削刃變形和加工出來的工件不符合尺寸規格要求。可通過以下方法控制刃口變形：合理使用冷卻液，使用粘接劑含量更低的更耐磨材質等級，降低加工速度和進給量，以及采用降低切削力的槽型。
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溝槽磨損
當粗糙的工件表面磨蝕和刻劃刀具上的切削區深處時，將產生溝槽磨損。鑄造表面、氧化表面、加工硬化表面或不規則表面都能造成溝槽磨損。盡管磨料磨損是最常見的罪魁禍首，但在該區域也可能出現微崩。刀片切削深度線通常處于拉應力下，因此容易受到影響。
刀片切削深度處開始出現溝槽磨損和微崩時，這種失效模式會變得顯著。為防止出現溝槽磨損，關鍵是在多行程加工中改變切深，使用具有較大前角的刀具，在加工高溫合金時提高切削速度，降低進給量，小心增加切削深度處的研磨，防止積屑，尤其是加工不銹鋼和高溫合金時。
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機械破裂
切削刃所承受的作用力超過其固有強度時，刀片將會發生機械破裂。本文所討論的任何失效模式都有可能導致機械破裂。
除了正常后刀面磨損之外，通過糾正所有其他的失效模式可避免發生機械破裂。 使用更耐沖擊的材質等級、選擇更強壯的刀片槽型、采用更厚的刀片、降低進給量和/或切深、驗證裝夾剛性以及檢查工件是否含有堅硬的夾雜物或難以切入，這些都是有效的糾正措施。
通過了解這 8 種常見的失效模式并培養失效分析技能，制造商定會受益匪淺。主要好處包括：提高生產率，改善刀具壽命及壽命一致性，改進零件的精度和外觀，減少對設備的磨損和損耗，以及降低刀片嚴重失效的可能性，從而避免生產中斷和重要工作受到影響。
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作者：
山高刀具教育與技術服務部經理 Don Graham
山高總部設在瑞典法格斯塔市，致力于開發創新的金屬切削解決方案，并與客戶密切合作以全面理解和專注于滿足他們的需求，因此譽滿全球。我們在 50 個國家/地區雇用了 5000 多名員工，并通過培訓、發展和員工認同計劃以及開放的溝通環境來提升我們團隊成員的能力。我們的員工展現了三個核心價值觀 – 熱忱待客、家庭歸屬感和個人承諾，它定義了我們的經營之道以及我們與客戶、供應商和其他合作伙伴之間的交往方式。如需了解更多信息，請訪問 www.secotools.com。
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