电铸划片刀失效模式分析与对策（转自 百度空间：盛华超硬砂轮）

diamond

失效模式分析（Failure Mode and Effects Analysis，简称FMEA）是有系统的跨功能小组的事先预防活动，是新产品开发最重要的文件。FMEA一般分为设计过程的Design-FMEA和生产制造过程的Process-FMEA。FMEA不是简单的填表，其目的是：1.认可并评价产品/过程中的潜在失效和失效后果；2.确定能够消除或尽量减少产品品质失效和生产安全失效发生机会的预防措施；3.为跨功能小组的主要沟通平台，并将全部活动形成文件；4.形成的标准化文件可作为日常现场管理的指导文件之一，并可作为新人或日常培训及考核的资料。

以上是FMEA 的简单概述，FMEA是一个持续的活动，从组建功能小组收集资料开始，本文将以电铸划片刀失效模式分类、详解、原因、控制对策等多方面来阐述，可作为FMEA的资料收集活动部分，在形成标准文件时可供参考。

电铸划片刀的失效形式主要可分为两种：1.安装使用时的结构失效；2.使用时的功能失效。电铸划片刀是采用电化学铸造的方法固结具有切割作用的超硬金刚石磨料而形成的复合材料制品，电铸金刚石划片刀是精密超薄切割工具，主要应用在光伏太阳能元器件切割；半导体晶圆上独立元件分割（硅、砷化镓、磷化铟、硅铝氧复材）；线路板及其他集成电路独立功能模块切割分离；蓝宝石、铁氧体磁性材料、水晶、硬质合金等硬脆性材料或其他复合材料的切割分离和切割开槽加工；电铸立方氮化硼划片刀是采用另一种CBN磨料的切割工具，主要用在钢铁类材质零件的切断和开槽加工中。

一、             电铸划片刀失效模式的详解。

上面说过电铸划片刀的失效形式分为结构和功能两方面的。其中结构失效又分为尺寸偏差结构失效和材料组织结构失效、切刃外观破损失效；功能失效分为切刃破裂失效、效率失效、被加工产品缺陷失效、自然磨损失效。

（一）、刀具结构失效主要发生在刀具的设计和刀具生产阶段。

1.               尺寸偏差结构失效。电铸划片刀属于精密刀具，其安装孔有公差要求，设备和法兰盘又有很多不同尺寸和类型，这样一来在公差之外或不匹配的刀具和设备就无法正常安装使用，例如某电铸金刚石硬刀的内孔公差要求在0到9微米之内；另外，划片刀的外径和厚度，以及出露的宽度也是有公差要求的，超出公差会直接影响工具的强度和正常使用；同轴度和平面度也是十分重要的指标，由于刀片在使用时的转速一般在10000RPM至60000RPM，这么高的转速会放大离心力的破坏力。

2.               材料组织结构失效。电铸划片刀属于复合材料，硬质相颗粒的机械强度、颗粒形状、粒度分布均匀性、以及硬质相在粘合剂中的分布规律等，都是在产品设计时应当考虑的问题，选择不当或工艺不稳定将直接导致刀具的组织结构失效而无法实现正常切磨的功效，例如材料内部由于组织结构不均匀造成的内应力释放而带来的微裂纹的产生等。

3.               切刃外观破损失效。电铸划片刀属于超薄小型刀具，其切刃部分的整体机械强度不高，所以在成型工艺或包装、转移过程中较容易造成切刃破损或毛边等失效形式，有的可以经过二次加工消除，有的直接造成废品。

（二）、刀具功能失效主要发生在刀具被使用的加工过程阶段。

1.       切刃破裂失效。电铸划片刀在使用过程中出现的刀体微裂纹，甚至刀具的破碎和脱落都属于切刃破裂失效。有的微裂纹很细小，要借助放大镜观察才能看清楚，大多数微裂纹是沿径向的；刀片破碎和硬刀刀环的脱离比较直观，但如果防护措施不好，很容易构成安全危害。

2.       刀具加工效率失效。不锋利的刀具在加工过程中，可调整设备参数或增加修锐次数才能加工出合格产品，这种情况就属于加工效率失效；刀具在使用过程中是逐渐被磨损消耗的，如果消耗过快而没能达到标准就属于加工效率失效，因为不但增加了采购成本，还延长了单位产品的加工时间，更换刀具和修磨需要时间。

3.       被加工产品缺陷失效。有的刀具不能被准确判断在以上非正常失效形式中，但被加工产品却有缺陷。这种情况需要微调设备参数或其他操作注意事项。

4.       自然磨损失效。刀具终有使用寿命，当其完成切割任务后，要更换新刀具。但需要一个判断的标准或指标。

二、             电铸划片刀的失效原因的总结。

1.       机械加工不当引起的失效。

I．硬刀由于铝法兰与刀片是一体的，机械加工如果没能达到科学的设计要求，那么①刀具安装孔就可能安装不上或由于太大而不能安全固定；②刀具反面会由于铝基体的影响，平面度达不到要求；③整体同轴度不好，造成偏刀和动平衡失效；

II．基板加工不当或安装不当也会造成同轴度超差，出露宽度超差等。

III．有的电铸划片刀在成型时是精密冲压而成的，冲压模具设计的合理性及其合理使用才能生产出合格产品，不当的方法会造成毛边、切刃破损，甚至微裂纹。

IV．一般软刀的生产过程中基板和刀片的分离，即刀片的剥离或脱模工序中，由于工装夹具设计不合理或操作不当，可能引起刀片的变形或破损。

2.       磨料选择不当引起的失效。

I．由于原料成本或磨料制造技术水平的原因，选择了低品级的磨料，就会造成刀具磨损快，不锋利等现象，加工效率就有问题。

II．磨粒粒度以及粒度分布集中度选择不当主要会造成刀具非正常磨损，不但影响被加工产品的品质（如光洁度），还会造成刀具内部组织结构不均匀而引起内应力释放，形成微裂纹或直接造成刀具在使用中容易破裂。

3.  电铸工艺设计不合理引起的失效。

I．如果电铸参数选择不当引起的刀片强度不够，可造成刀具容易破损。常用的电铸参数有电流密度、电源发生频率、正反脉冲参数、电解液温度、PH值等等。

举例说明：合理的参数选择可得到平整、光亮的金属结晶沉积层，还可得到非晶态沉积层和纳米结构的沉积层；溶液PH还能影响超硬粒子被固定的几率，从而影响到磨料在粘合剂中的浓度。

II．电铸系统的稳定性不可忽视。电铸系统是一个动态变化的系统，温度、PH值、磨料在溶液中的存在都是不断变化的。相对稳定的系统才能生产出稳定的产品，系统中任何因素的变化都会体现在产品质量上，造成刀具内应力或缺陷的存在。

III．电解液的配方和溶液添加维护的设计不当对刀片质量的影响是最大的，可能造成刀具极易破损，甚至铸造不出刀片。

4． 电铸设备设计不合理引起的失效。

I．电铸装置中最重要的就是阴阳极排布的合理性，如果阴阳极排布不合理，会造成刀片不同部位沉积速度不一致，这样不但会使磨料在粘合剂的分布不趋于均匀，还使毛坯刀片的尺寸不合格（即使有后续加工，也很困难）。

II．电铸设备外部阴阳极导电装置如果不好，会造成电流效率降低；如果是批量生产，各个刀片基体的导电性差异较大会影响产品的稳定性，造成个别产品尺寸超差。

III．搅拌和过滤装置设计不当回直接影响刀具中磨料的浓度和分布的均匀性。

IV．前处理装置的设计会直接影响硬刀刀片与铝胎体的粘附力，不良的会造成硬刀刀环易脱落。

V．多功能整流器的选择能使电铸刀片达到不同的组织结构，甚至是梯度过渡型结构，从而使刀片达到最大的使用强度要求和应力抵消结构要求，避免了应力不合理释放而造成的刀片的破损。

VI．日常添加设备的设计及其质量也会引起刀片的失效。不当的添补会造成溶液系统的稳定性下降，这样会间接造成产品失效。

5．使用刀具不当或被加工产品准备不当引起的刀具提前失效。

6．没有结合其他技术而造成的刀具失效。这种情况一般是在排除其他以上因素、被加工材料是特殊类型、开发新型刀具时才考虑。

三、             电铸划片刀的失效控制对策。

1．  由于机械加工不当引起失效的对策。

加强机械加工工艺的管理；引进高级机械加工装备和相应配套设施；培养和引进高端机加工技术人才。

2．  由于磨料选择不当引起失效的对策。

原则上磨料选择要从三方面考虑：i.选择高强度原晶料破碎的微粉磨料；ii.选择粒度集中度高的磨料；iii.选择杂质少，纯净度高的磨料。

3．  由于电铸工艺设计不合理引起失效的对策。

I．根据量化指标（比如强度、韧性等）筛选出合理的电铸参数。常规上，高频率的操作电流可得到细晶粒或非晶态的组织结构；合理的正反脉冲参数组合可得到更加平整的膜层；合理的PH和温度选择也可适当减少电铸膜层内应力的形成。

II．电铸系统的稳定性的维持首先需要大量的电解液和合理的阴阳极面积，还需必要的搅拌、热交换、循环配套设备。

III．选择合适的电铸液体系是避免不合理失效的前提条件。一般推荐低应力的氨基磺酸镍体系电铸液。

IV．科学的电解液维护和添加是产品持续稳定的保障。电解液需要不断过滤以除去有害杂质，保持电解液的纯净度；一般电解液在持续使用过程中要添加少量的酸液和其他添加剂来补充和维持电解液的系统稳定性，应遵循少量或极少量连续补加的原则。

4．由于电铸设备设计不当引起失效的对策。

I．尽量选择仿形的阳极，阳极面积一般要大于阴极面积约1.5倍以上；尽量避免阴极有尖锐的部分对准阳极；要采用合理的阴阳极辅助装置或阴极屏蔽装置来达到能够沉积出均匀平整的膜层。

II．要选择导电性好的导线（例如铂金线），接线柱要用钛螺钉或白金钛螺钉紧固。

III．搅拌装置根据工艺特点建议选择可间歇动作的无油隔膜泵，其动作可触摸屏甚至和流量调整，并配合可旋转的阴极板台；过滤装置部分可选择两层结构，一层截留超硬磨料微粉，选择便于分离和可连续再生使用的洁净膜；另一层选择高分子PP筒式过滤器。

IV．建议采用质量稳定的二次沉锌法制造硬刀毛坯；前处理各溶液的维护和清洗水的质量可按照电子级产品控制。

V．采用多功能电铸整流器（例如双极四象限整流器）可以根据工艺和不同类型产品进行合理选择波形可得到常规平整电铸膜层，也可得到非晶态膜层和纳米晶膜层，可大大增强刀片的机械强度。

VI．要求最好采用PLC或PC控制的内环控制设备，这样各功能模块的状态被连续及时记录在硬盘存储器中，可随时查阅各批次产品的参数，但需要专业的软件系统和及时保存或清理数据。

5．刀具的合理使用是提高生产效率和降低制造成本，促进各方面技术进步的关键。

I．电铸划片刀的包装和转移一定要避免切刃接触其他物体；

II．电铸划片刀在安装时一定要按照操作规程进行；

III．在切割动作开始之前一定要检查冷却水喷出的水流大小和方向合理，因为即使先进的设备对水流大小和方向的判断也有达不到的地方；

IV．被切割材料的准备也十分重要，比如晶圆背面贴膜质量的好坏直接影响刀具寿命和切割质量；

V．使用排刀时，如果一个刀片发生破碎，相邻的刀片也要一起更换；

6．新型电铸刀具开发时可参考的技术。

I．通过合理的热处理可得到不同机械性能的刀片；

II．通过覆膜可获得复合结构的刀片，例如真空沉积DLC或TiN等超硬薄膜；

III．在电沉积过程中除共沉积起磨切作用的超硬磨料外，还可通过适量添加CNT（纳米碳管）或其他微纳纤维等大大增强刀片的整体强度，减少应力释放的机会。

7．科学制定生产制程（含参数）文件和生产数据（产品和半成品的检测参数；生产设备参数；生产设备检修参数；生产环境检测参数）记录文件；生产现场认真执行文件要求，积极反馈改善意见。

技术的更新日新月异，本文所述只是作者对电铸超薄划片刀的粗浅之谈，希望能起到抛砖引玉的作用。

另外，所有计划或方案的实施重在落实，并形成企业的信息管理系统。这样企业的管理就会独立于企业的组织结构，并内化为一种企业精神，就能制造出质量一流的产品。

diamond

可能大家很少知道电铸划片刀啊。

shxlt

学习了，确实讲的很好。目前国内只有几家生产，规模太小。我可以加工划片刀基体。加工的轮毂有以下几点优势：
: N2 Q$ z- B8 v4 a7 p" ~  1，高精度，内孔精度≤0.004mm,镀砂面平面度≤0.002mm,平行度≤0.002mm.   
  2 成熟的工艺使产品的质量稳定。
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diamond

多谢！有需要会联系。

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