刀片磨损失效分析及处理方法

优胜编程龚老师

刀片磨损失效分析及处理方法



刀片失效及其对生产设备的不利影响类似于运动员磨损一双优质的跑鞋。正如鞋子承受运动员的体重一样，刀片反复承受着巨大应力，导致磨损和损耗。如果不进行解决，磨损会使运动员感到疼痛，并会降低制造商的加工精度和生产率。但是，制造商可以分析所用的刀具，以尽可能延长刀具寿命和预测刀具的使用，从而保持零件的精度并减少设备性能下降。早期刀片检查对确定失效根源至关重要，因为此时易于观察和报告。若不采取这些重要步骤，就有可能混淆不同类型的失效模式。为了方便刀片检查，可以使用立体显微镜。立体显微镜具有良好的光学特性、充足的照明和至少 20 倍放大率，因此对识别导致刀片过早磨损的失效模式非常有利。

后刀面磨损
任何类型的材料的正常磨损都可能导致刀片失效。正常后刀面磨损是最受欢迎的磨损形式，因为它是最容易预见的刀具失效类型。后刀面磨损一般很均匀，它随着加工材料磨损切削刃而逐渐显现出来，类似于刀刃变钝。
当工件中坚硬的细微夹杂物或加工硬化的材料切入刀片时，会出现正常后刀面磨损。产生这种磨损的原因包括低速切削时的磨料磨损和高速切削时的化学反应。

识别正常后刀面磨损时，会发现沿着刀片的切削刃形成一个相对均匀的磨痕。有时，工件上的金属会擦伤切削刃，夸大了刀片磨痕的表观尺寸。

为了减缓正常后刀面磨损，重要的是采用不会发生微崩的最硬刀片材质等级，并且使用最轻快的切削刃来减少切削力和摩擦。


另一方面，后刀面快速磨损是人们不希望见到的，因为这会降低刀具寿命，无法达到 15 分钟的典型切削时间。在切削耐磨材料，比如球墨铸铁、硅铝合金、高温合金、热处理后的沉淀硬化 (PH) 不锈钢、铍铜合金及钨硬质合金，以及在切削非金属材料，例如玻璃纤维、环氧树脂、强化塑料和陶瓷时，常会出现快速磨损。

快速后刀面磨损的迹象类似于正常磨损。为了纠正快速后刀面磨损，重要的是选择更耐磨、更坚硬或镀层硬质合金刀片材质等级, 并确保使用适当的冷却液。降低切削速度也非常有效，但这不符合生产需要，因为这会对加工周期带来不利影响。

月牙洼
月牙洼常见于铁基或钛基合金的高速加工作业中，它属于刀片溶解到工件切屑中的热/化学问题。

扩散磨损与磨料磨损共同作用造成了月牙洼。在加工基和钛基合金时，工件切屑中的热量会使硬质合金的成分溶解并扩散到切屑中，造成刀片顶部产生“月牙洼”。月牙洼最终会增大至足以使后刀面发生微崩、变形甚至可能导致快速的后刀面磨损。

积屑瘤
工件的碎片通过热压焊结到切削刃上时，会产生积屑瘤，这是切削区存在化学亲和性、高压及高温所致。积屑瘤最终会脱落，有时随刀片碎片一同脱落，从而导致微崩和快速的后刀面磨损。
这种失效机理常见于粘性材料、低速、高温合金、不锈钢和有色金属材料，以及螺纹加工和钻削。积屑瘤可以通过工件尺寸或表面粗糙度的异常变化以及切削刃顶部或后刀面上出现的闪亮材料来识别。
可以通过下列方法来控制积屑瘤：提高切削速度和进给量、使用氮化物 (TiN) 镀层刀片、合理使用冷却液（如增加浓度），以及选用具有可减少作用力的几何形状和/或平滑表面的刀片。

微崩
微崩源自机械性能不稳定，通常是由不牢固的装夹、轴承不良或主轴磨损、加工材料有硬质点或断续切削造成。这种现象有时会出现在意想不到的场合，例如加工那些刻意在零件上留下多孔结构的粉末冶金 (PM) 材料。切削材料表面所含的坚硬夹杂物和断续切削会导致局部应力集中并可能导致微崩。

在这种失效模式下，沿刀片切削刃分布的切屑非常明显。确保机床合理装夹、尽量减少弯曲变形、使用研磨刀片、控制积屑瘤以及采用韧性更好的刀片材质等级和/或更强壮的切削刃几何形状将可阻止微崩的发生。

剧烈的温度波动与机械冲击可能造成热机械失效。应力裂纹会沿刀片刃口形成，最终造成刀片的硬质合金部分脱落，看起来有点类似于微崩。

热机械失效最有可能出现在铣削作业中，有时会出现在大批量零件的断续车削、端面加工以及采用间歇冷却液的加工作业中。热机械失效的迹象是出现多个垂直于切削刃的裂纹。在微崩开始前识别出该失效模式特别重要。
可通过以下方法来防止热机械失效：正确使用冷却液，或者，如果希望在加工工艺中完全杜绝这种失效，可使用更耐冲击的材质等级以及降低热量产生的槽型并降低进给量。


过多的热量和机械负荷是刃口变形的根源。在高速和高进给情况下，或是加工硬钢、加工硬化的表面及高温合金时，往往会产生大量的热。
过多热量会造成刀片中的硬质合金粘接剂或钴发生软化。当刀片与工件之间的应力导致刀片变形或刀尖凹陷时会产生机械负荷，最终会折断刀片或导致快速的后刀面磨损。


刃口变形的迹象包括切削刃变形和加工出来的工件不符合尺寸规格要求。可通过以下方法控制刃口变形：合理使用冷却液，使用粘接剂含量更低的更耐磨材质等级，降低加工速度和进给量，以及采用降低切削力的槽型。


当粗糙的工件表面磨蚀和刻划刀具上的切削区深处时，将产生沟槽磨损。铸造表面、氧化表面、加工硬化表面或不规则表面都能造成沟槽磨损。尽管磨料磨损是最常见的罪魁祸首，但在该区域也可能出现微崩。刀片切削深度线通常处于拉应力下，因此容易受到影响。


刀片切削深度处开始出现沟槽磨损和微崩时，这种失效模式会变得显著。为防止出现沟槽磨损，关键是在多行程加工中改变切深，使用具有较大前角的刀具，在加工高温合金时提高切削速度，降低进给量，小心增加切削深度处的研磨，防止积屑，尤其是加工不锈钢和高温合金时。


切削刃所承受的作用力超过其固有强度时，刀片将会发生机械破裂。本文所讨论的任何失效模式都有可能导致机械破裂。


除了正常后刀面磨损之外，通过纠正所有其他的失效模式可避免发生机械破裂。使用更耐冲击的材质等级、选择更强壮的刀片槽型、采用更厚的刀片、降低进给量和/或切深、验证装夹刚性以及检查工件是否含有坚硬的夹杂物或难以切入，这些都是有效的纠正措施。


通过了解这 些常见的失效模式并培养失效分析技能，制造商定会受益匪浅。主要好处包括：提高生产率，改善刀具寿命及寿命一致性，改进零件的精度和外观，减少对设备的磨损和损耗，以及降低刀片严重失效的可能性，从而避免生产中断和重要工作受到影响。