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（zuò）者（zhě）：Don Graham
刀（dāo）片失效及其對生（shēng）產設（shè）備的不（bú）利影響類似於運動員磨損一雙優質的跑鞋（xié）。 正如鞋子承受運動員的體重一樣，刀片（piàn）反複承受著巨大應力，導致（zhì）磨損和損耗。如果不（bú）進行解（jiě）決，磨損會使（shǐ）運動員感到疼痛，並會（huì）降（jiàng）低製造商的加工精度和生產率。
但是，製造商可以分析所用的刀具，以盡可能（néng）延長刀具壽命和預測刀具的使用，從而保持零件的（de）精度（dù）並減少設備性能下降。早期刀片檢查對（duì）確定失效根源至關重（chóng）要，因為此時易於觀察和報告。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（piàn）檢查，可以使用立體顯微鏡。立（lì）體顯微鏡具有良好（hǎo）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（xiào）模式非常有利。
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後刀麵磨損
任何（hé）類型的材料的正常磨損都可能導致刀片失效。 正常後刀麵磨損是最（zuì）受（shòu）歡迎的磨損形式，因為它是最容易預見的刀具失效類型。後刀麵磨損一般很均勻，它隨著加（jiā）工材料磨損切削刃而（ér）逐漸（jiàn）顯現出來，類似於刀刃變（biàn）鈍。
當工件中堅硬的細微夾雜物或加工硬化（huà）的材料切入（rù）刀片時，會出現正常後刀麵磨損。產生這種磨損的原因包括（kuò）低速切削時的（de）磨料磨損和（hé）高速切削時的化學反應。
識別正常後刀麵磨損時，會發現（xiàn）沿（yán）著刀片的切削刃形成一（yī）個相對均勻的磨痕。有時，工件上（shàng）的金屬會擦傷（shāng）切削刃，誇大了刀片磨痕的表觀尺寸。
為了減緩正常後刀麵磨損，重要的是采用不會發生微崩的最硬（yìng）刀片材質等級，並且使用最輕快的切削刃來減少切削力和摩擦。
另一方麵，後刀麵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 分鍾的典型切削時（shí）間（jiān）。在切削耐磨材料，比如球墨鑄鐵、矽鋁合（hé）金（jīn）、高溫合金、熱處理後（hòu）的沉澱硬化 (PH) 不鏽鋼、鈹銅合金及（jí）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（shí），常會出現快速磨損。
快速後刀麵磨損的跡象類似於正常磨損。為了（le）糾正快速後刀麵磨損，重（chóng）要的是選擇（zé）更耐磨、更堅硬或鍍層硬質合金（jīn）刀（dāo）片材（cái）質等級（jí）, 並確保使用適（shì）當的冷（lěng）卻液。降低切削速度也非常有效，但這不符（fú）合生產需（xū）要（yào），因為（wéi）這會對加工周期帶來（lái）不利影響。
月（yuè）牙窪（wā）
月牙窪常見（jiàn）於鐵基或鈦基合金的高速加工作業中，它屬於刀片溶解（jiě）到工件切屑（xiè）中的熱/化學問題（tí）。
擴散磨損（sǔn）與磨料（liào）磨損共同作用造成了（le）月牙窪。 在（zài）加（jiā）工基（jī）和鈦基合金時，工件切屑中的熱量會使硬質合金
的成分溶解並擴散到切屑中（zhōng），造成刀片（piàn）頂部產生“月牙（yá）窪”。月牙窪最終會增（zēng）大（dà）至足以使後刀麵發生微
崩、變形甚至可能導致快速的後刀麵磨損。
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積屑瘤
工件的碎片通（tōng）過熱壓焊結到切削刃（rèn）上時，會產生積屑瘤，這是切削區存在（zài）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（cóng）而導致微崩和快速的後刀麵磨損（sǔn）。
這種失（shī）效機理常見於粘（zhān）性材料、低速、 高溫合金、不（bú）鏽（xiù）鋼（gāng）和有色金屬材料，以及螺紋加工和鑽削。積屑瘤可（kě）以通過工件尺寸或（huò）表麵粗糙度的異常變化以及切削刃頂部或後刀麵上出現的閃亮材料來識別。
可以通過下（xià）列方法來控製積屑瘤：提高切削速度和進給量、使用氮化物 (TiN) 鍍層刀片、合理（lǐ）使用冷卻液（如增加濃度（dù）），以及選用具有可（kě）減少作用力的（de）幾何形狀和/或（huò）平滑（huá）表麵的刀片。
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微崩
微崩源（yuán）自機械性（xìng）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（yìng）質點或斷續切（qiē）削造成（chéng）。 這種現象有時（shí）會出現在意想不到（dào）的（de）場合，例如加工那些刻（kè）意在零（líng）件上留下多孔結構的粉（fěn）末冶（yě）金 (PM)材（cái）料。 切削（xuē）材料表麵所含的堅硬夾雜（zá）物和斷（duàn）續切削會導（dǎo）致局部應力集（jí）中並可能導致微崩。
在這種失效模式下，沿刀片（piàn）切削刃（rèn）分布的切屑（xiè）非（fēi）常明顯。確保機床合理裝夾、盡量減少彎曲變（biàn）形、使用研磨（mó）刀片、控製積屑瘤以及采用韌（rèn）性更好的（de）刀片材質等級和/或更強壯（zhuàng）的切削刃幾何形狀（zhuàng）將可阻止（zhǐ）微崩（bēng）的發生。
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熱機械失效
劇烈的溫度波動與機械衝擊可能造成熱機械失效。應力裂紋會沿刀片刃口形成，最終（zhōng）造成刀片的硬質合金部分脫落，看起來有點類似於微崩。
熱機械失效最有可（kě）能出現在（zài）銑削作（zuò）業中，有時會出現在大批量零件的斷續車削、端麵加工以及采用間歇冷卻液的加工（gōng）作業中。熱機械失效的跡象是出現多個垂直於切削刃的裂紋。在微（wēi）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，可使用更耐衝擊的材（cái）質等級以（yǐ）及降低熱量產生的槽型並降低進給量。
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刃口變形
過多的熱量和機械（xiè）負荷是刃口變（biàn）形的根源。在高速和高進給情況（kuàng）下，或是加工硬鋼、加工硬化的（de）表麵及高溫合金時，往往會產生大量的熱。
過多（duō）熱量會（huì）造成（chéng）刀片中的（de）硬質合金（jīn）粘接劑或鈷發生軟化。當刀片與工件（jiàn）之（zhī）間的應力導致刀片變形或刀（dāo）尖凹陷時會產生機械負（fù）荷，最終會折斷刀片或導致快速的後（hòu）刀麵磨損（sǔn）。
刃口變形（xíng）的跡象包括切削刃變形和加工出來的工件不符（fú）合尺寸規格要求。可通（tōng）過以下方法控製刃口變形：合理使（shǐ）用冷卻（què）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（jí）采用降低切削（xuē）力的（de）槽型。
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溝槽磨損
當粗糙的（de）工件表（biǎo）麵磨蝕和刻劃刀具上的切削區（qū）深處時，將產（chǎn）生溝槽磨損。鑄造（zào）表麵、氧化（huà）表麵、加工硬化表麵或不規則表麵都能造成溝槽磨損。盡（jìn）管磨料磨損是最常見的罪魁禍首，但在該區域也（yě）可能出現微崩。刀片（piàn）切削深度線通常處於拉應力下，因此容易受到影響。
刀片切削深度處開（kāi）始出現溝槽磨損和（hé）微崩時，這種失效模（mó）式會變得（dé）顯著。為防止出現溝槽磨損，關鍵是（shì）在多行程加工中改變切深，使用具有（yǒu）較大前角的刀具（jù），在加工高溫合金（jīn）時提高切削速度（dù），降低進給量，小心增加切削深度處的研磨，防（fáng）止積屑，尤其是加工不鏽鋼（gāng）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（jiāng）會發生機械破（pò）裂。本文所討論的任何失效（xiào）模式都有可能導致機械破裂。
除了正常後刀麵磨損之外，通過糾（jiū）正所有其他的失（shī）效模式可避免發生機械破裂。 使用（yòng）更耐衝擊的材質等級（jí）、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（qiē）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（shì）並培養失效分析技（jì）能（néng），製造商定會受益匪淺。主要好處包括：提高生產（chǎn）率，改善刀具壽命及壽命一致性，改進零（líng）件的精度和外觀（guān），減少對設備的磨損和損耗，以及降低刀（dāo）片嚴（yán）重失效的可能性（xìng），從而避免（miǎn）生產（chǎn）中（zhōng）斷（duàn）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（bù）經理 Don Graham
山高總部設在瑞典（diǎn）法格斯塔市，致力於開發創新的金屬切削解決方（fāng）案，並（bìng）與客戶（hù）密（mì）切合作（zuò）以全麵理解和專注於（yú）滿足他們的（de）需求，因此譽滿全球。我們在（zài） 50 個國家/地（dì）區雇（gù）用了 5000 多名員工，並通過培訓、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（lì）。我們的員工展（zhǎn）現了三個核心價（jià）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（wǒ）們與客戶、供應商和其他合作（zuò）夥（huǒ）伴之（zhī）間的交往方式。如需了解更多信息，請訪問（wèn） www.secotools.com。
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