再研磨前繩槽刀失效模式分析

作 者：應佶喆

單位名稱：霍尼韋爾汽車零部件服務（上海）有限公司

文章來源：《金屬加工》(冷加工)2017年第18期

以ZT8643SNC繩槽刀片為研究對象（見圖1），對其再研磨前後狀態進行研究。刀片材質為QM1，是施加了PVD塗層的超硬微粒子刀片，主要加工工件材質為FCD700（日本牌號，對應中國牌號為QT700-2），組織為珠光體+球狀石墨，屬於脆性材料。

該刀片為日本進口，日常使用量大，單片刀片造價昂貴，在不影響加工性能及產品質量的前提下，使用再研磨刀片能極大地降低製造成本，但在日常使用再研磨刀片的過程中，時常發現在加工參數未發生變化的前提下，加工出的繩槽有質量問題（波紋或台階），推測為再研磨後刀片的質量問題，故針對刀片各部位磨損情況及失效模式進行討論，分析適合刀片進行再研磨工作的情況，避免不必要的刀片誤送，浪費加工費用和加工時間。

1.刀片特徵分析

QM1即將超硬合金主要成分的WC硬質層細微化至1μm左右，將此微粒子超硬合金作為母材，在表面進行PVD[膜厚TICN]鍍層，是一種適用於精密加工、難切削材料加工的工具材質。與超硬合金相比，具有高韌性、高硬度及刀尖鋒利度優良等優點，由於韌性與刀尖鋒利度較超微粒子超硬合金高，故該材質還具有優異的耐磨損性、耐熱龜裂性特點。其物理特性如表1所示。

表1 QM1物理特性

2.QT700-2球墨鑄鐵化學成分、力學性能分析

QT700-2為珠光體型球墨鑄鐵，具有較高強度、耐磨性以及低韌性（低塑性）的特點。適於對強度要求較高的零件，其檢查標準均按GB1348—2009技術標準執行。QT700-2化學成分、力學性能分析如表2、表3所示。

表2 QT700-2球墨鑄鐵化學成分（質量分數）（%）

表3 QT700-2球墨鑄鐵力學性能

3.再研磨刀片尺寸計算

使用中發現，繩槽刀片的後刀面磨損非常嚴重，而刀片後刀面為圓弧形，不便於研磨，且繩槽深度也發生改變。

因刀片前角0°，后角為5°，故決定研磨前刀面（見圖2藍色區域），將前刀面向下研磨一定尺寸，可以適當減少後刀面磨損，如圖3所示，繩槽寬度（5.8±0.05）mm，如果刀片進行再研磨工序，刀片的刀頭圓弧尺寸將減小，最小為5.8-0.05/2=5.775（mm）。

如圖4所示，通過計算可知：Δx=（0.05÷2）/tanα,式中，α=5°；Δx為向下研磨量；Δx=0.28mm。綜上所述，前刀面最大向下研磨0.28mm。

4.失效模式分析

通過分析刀片的失效模式形態，為後面刀片二次挑選後再研磨奠定基礎，使用的檢測工具是評價實驗室中的顯微鏡，在高倍率顯微鏡放大觀察下，可以發現刀片各處磨損情況。

（1）崩刃。主要原因為刀具刃口的過度磨損和較高的加工應力，也因刀具材料過硬、切削刃強度不足以及進給量太大造成。為避免刀具過度磨損，應該選擇韌性較好的合金材料，加工時應減小進給量和切削深度，另外還可選擇高強度或刀尖圓角較大的刀片。

實際加工過程中，發現刀片再研磨前（見圖5），前刀面主切削刃磨損達到0.7mm，再研磨後繼續使用，切屑與前刀面接觸使前刀面崩裂，加工出的產品出現質量問題。

一般刀片使用後，主切削刃及前刀面磨損情況不大，通常＜0.2mm，如圖6所示。

（2）後刀面磨損。任何類型的材料的正常磨損都可能導致刀片失效，其中正常後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模式類型。後刀面磨損一般很均勻，隨著加工材料磨損切削刃而逐漸顯現出來，類似於刀刃變鈍。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，會出現正常後刀面磨損。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。

另一方面，後刀面快速磨損會降低刀具壽命。在切削耐磨材料，比如球墨鑄鐵、硅鋁合金、高溫合金、熱處理後的沉澱硬化(PH)不鏽鋼、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。

快速後刀面磨損的跡象類似於正常磨損。為了糾正快速後刀面磨損，需選擇更耐磨、更堅硬或鍍層硬質合金刀片材質等級,並確保使用適當的切削液。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。

在日常使用中，每把繩槽刀在使用後都會產生後刀面磨損（見圖7），有的磨損比較嚴重，達到0.648mm，主切削刃伴有不規則缺口，此類刀片不適合送出研磨。

（3）刃口剝落。切削刃口上出現一些很小的缺口，非均勻的磨損（見圖8）。主要由斷續切削、切屑排除不流暢等因素造成。解決對策可以為加工時降低進給速度、選擇韌性好的刀具材料和切削刃強度高的刀片，避免刃口剝落現象的產生。

後刀面與工件接觸，一般情況不會產生後刀面缺口，此類有缺口的刀片也不適合送出研磨，研磨後缺口仍然存在，加工工件後會產生台階，加工出的繩槽尺寸會偏小，影響產品質量。

（4）後刀面雜質附著。如圖9所示，刀片後刀面上附著一層黑色物質，擦除不掉，猜測是切屑切削液等雜質高溫燒結粘附在後刀面上所產生的，有的黑色物質在加工過程中會自然脫落，有的則不會，猜測產生雜質附著的原因為切削液濃度降低造成，如用此類刀片加工產品，難以保證相關尺寸參數，且類似刀片加工出的工件表面質量較差，不適合再研磨。

（5）後刀面表面氧化。後刀面被切屑氧化腐蝕，產生鏽斑（見圖10），銹斑不會對產品表面產生影響，後刀面磨損小，研磨後能將銹斑去除，不影響正常使用（見圖11）。

5.結語

(1)通過分析各類失效模式可知，刀片磨損分為三個階段：初期磨損階段、正常磨損階段和急劇磨損階段。正常磨損階段會使後刀面被磨出一條狹窄棱面，壓應力減小，磨損量增加均勻緩慢。急劇磨損階段，當磨損帶寬度增加到一定極限之後，切削力和切削溫度迅速升高，磨損帶寬度急劇增加。此時刀具的性能急劇下降，切削力、切削溫度持續增長，刀尖處易崩碎。

(2)挑選刀片時應挑選初期磨損階段的刀片送出再研磨，急劇磨損階段的刀片已經處於崩壞階段，不適合送出研磨。

(3)通過刀片現場篩選，發現部分刀片再研磨前就處於急劇磨損階段，在使用6次後，刀片已經臨近損壞，不適合送出再研磨。

(4)要讓刀片再研磨後依舊保持原刀片壽命，需要同時考慮刀片再研磨前狀態，與刀片再研磨後二次處理，對後刀面，切削刃處需要加工處理，讓刀片基材不裸露在外部，延長使用壽命。

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