插铣及插铣工艺报告

插铣加工
一、插铣技术简介【秦旭达.插铣技术的研究现状.2011】
1、插铣法就是在加工过程中刀具沿主轴方向做进给运动，利用底部的切削刃进行钻、铣组合切削，是一种能够在Z方向上快速铣削大量金属的加工方式，主要用于半精加工或粗加工，在重复插铣达到预定深度时，刀具不断地缩回和复位以便于下一次插铣时可迅速地从重叠走刀处去除大量金属。

图1 插铣示意图及实物图
插铣技术是一项正在发展的新型加工技术，由于插铣具有效率高、能够快速切除大量金属的优点，并且非常适合于加工难加工材料（如钛合金）和一些复杂曲面的零件，因此在许多领域，尤其是在航空航天领域正在逐步扩大应用。

插铣法非常适合模具型腔的粗加工，并被推
荐用于航空零部件的高效加工。

插铣的一个特殊
用途就是进行涡轮叶片的加工，这种加工通常是
在三轴或四轴的铣床上进行的。

插铣涡轮叶片时，
可从工件顶部向下一直铣削到工件根部，通过
X-Y 平面的简单平移，即可加工出极其复杂的表
面几何形状。

如下图2所示
图2 开盘式叶片的插铣加工
2、优点：
（1）加工效率高，能够快速切除大量金属，相对于普通铣削加工而言可以节省一半以上的时间。

（2）刀具的悬伸长度比较大，特别适用于一些模具型腔的粗加工，并被推荐用于航空零部件的高效加工。

(3）可以对钛合金等难加工材料进行曲面加工或切槽加工。

(4）加工时主要的受力方向为轴向，而径向力较小，因此对机床的功率或主轴精度要求不高并且具有更高的加工稳定性，有可能利用老式机床或功率不足的机床获得较高的加工效率。

(5）可以减小工件变形。

(6）可用于各种加工环境，可以用于单件小批量的一次性原型零件加工，也适合大批量零件制造。

3、插铣技术面临的问题
（1）稳定性问题。

插铣刀具的悬伸长度过长，使得刀杆的刚度很难保证，从而使得受力的时候容易发生弯曲现象，而在插铣过程中，刀具不仅会受到切削力的影响，所受的扭矩也不能忽略，使得刀具中心在 X、Y、Z 3 个方向上均有偏移，从而可能引起插铣过程中的颤振现象。

（2）刀具轨迹优化。

虽然已经有些 CAD/CAM 软件中包含插铣模块，但是由于其本身模块的不完善性和加工人员对利用插铣进行加工的经验仍然较少，如何确定初始加工位置和选择最优化刀具路径的问题仍未能解决，这也在很大程度上局限了插铣在加工领域的应用。

（3）有关插铣动力学方面的研究仍然较少，从控制铣削力、铣削温度等角度来减小刀具磨损，确定较好的工艺加工参数仍然很难实现。

二、插铣刀具
国外刀具供应商纷纷推出了自己品牌的插铣刀，如欧洲的山特维克、伊斯卡、山高，美国的肯纳和日本的三菱公司等，使插铣粗加工效率提高了3~4 倍。

目前插铣刀的发展仍然有很大的不足，一是插铣刀的种类很少，并且主要是通过普通盘铣刀改造而成，二是插铣的切削工艺还不完善，切削参数需进一步优化，专用插铣刀主要用于粗加工或半精加工【中航.数控加工中插铣技术的研究与应用.2013】。

山高插铣刀具：
图3 山高专用插铣刀 山高推出了用于多种加工类型插铣刀，包括用于小切深精加工、精加工、半精加工、中粗加工、粗加工、重粗加工的各类插铣刀，其直径依次增大。

其实此类插铣刀还能完成斜坡铣、螺旋插补铣、钻削(小直径)等加工类型。

瓦尔特插铣刀：
瓦尔特推出两种牌号的高性能铣刀，即插铣刀，分别为F2330和F4030，主要区别在于其刀片主偏角略有不同，都可用与难加工材料的插铣、斜坡铣、螺旋插补铣，而前者也可加工硬材料。

图
4
瓦
尔特
F2330
铣刀
图
5 瓦尔特
F4030
铣
刀
肯纳插铣刀具
肯纳MILL 1-14TM 系列螺旋铣刀既有类似山高、瓦尔特的插铣刀的刀具也有可用于插铣用的玉米铣刀，如图6所示。

图6 肯纳可用于插铣的玉米铣刀
三、插铣刀动力学、插铣温度研究
在插铣动力学方面,JeongHoonKo，YusufAltintas使用山特维克刀具公司的插铣刀R21O进行了插铣实验。

根据刀具几何形状，用切屑的横截面积计算切向力、径向力及轴向力，并结合机床的结构动态特性和切削条件建立了插铣铣削力的时域模型。

其铣削力仿真结果同实验结果相近。

该模型能够对插铣加工的铣削力、扭矩、功率和产生的振动做出较准确的预测。

天津大学对钛合金（Ti6Al4V）插铣过程中的铣削力进行了深入研究，分析了切削力的特点，构建了切削力分析试验平台，对插铣钛合金过程中的铣削力的变化规律进行了研究，并建立了铣削力模型【钛合金插铣切削力及切削热理论与实验研究】；与此同时，天津大学还对插铣过程中切削温度场分布进行了深入研究，并建立了温度场有限元分析模型，从而可以较为准确地预测插铣过程温度场分布【钛合金插铣过程切削区温度分布研究】；此外天津大学还对插铣稳定性进行了部分研究【钛合金插铣过程动力学及稳定性分析】。

北京航空航天大学【PH13-8Mo 插铣铣削力建模与分析】针对PH13-8Mo高强度沉淀硬化不锈钢进行插铣试验，建立了插铣铣削力经验模型。

华中科技大学大学【On cutting parameters selection for plunge milling of heat-resistant-super-alloysbased on precise cutting geometry.2013】提出了一种基于精确刀具参数的新切削模型来预测插铣力，
运用频率法来判断加工过程的稳定性，基于铣削力和稳定性的预测提出了一个切削参数（径向切削参数和主轴转速）优化策略。

四、插铣工艺参数
在插铣工艺参数方面研究较少，华中科技大学【On cutting parameters selection for plunge milling of heat-resistant-super-alloysbased on precise cutting geometry.2013】基于铣削力和稳定性的预测提出了一个切削参数（径向切削参数和主轴转速）优化策略。

天津大学赵伟【钛合金高速插铣动力学研究及铣削参数优化.2007】以及王猛【钛合金型腔插铣刀具轨迹优化方法研究。

2009】基于遗传算法以最大生产率为目标，对插铣铣削参数进行优化，通过实例验证，加工效率可提高一倍。

五、插铣加工路径研究
国外学者Matthieu Rauch & Jean-Yves Hascoet【Selecting a milling strategy with regard to the machine toolcapabilities: application to plunge milling】根据计算实现的材料去除率，机床动态特性和加工功能特性提出了一种新的方法来提高刀具路径的可实施行性。

天津大学王猛【钛合金型腔插铣刀具轨迹优化方法研究.2009】介绍了型腔插铣填充圆网格的划分过程，并分析其存在的刀位点间距过大、大直径刀位圆覆盖不充分等主要缺陷，并针对该问题进行了改进，如下图所示，另外运用遗传算法对刀具轨迹问题进行了优化研究，优化过程如图所示
（a）填充圆网格生成结果(b)增补后的覆盖区域
图填充圆网格划分到位点及改进
图插铣加工刀具轨迹优化调整过程
浙江大学【Gan Wenfeng, Fu Jianzhong,Tool-path Planning Based on Iso-scallop forPlunge Milling in Pocket Walls Manufacture】对曲线轮廓插铣刀具路径进行了研究计算，而主要以较好的表面质量为目标，根据表面残留面积对刀具轨迹进行规划。

Figure. Two dimensional (left) and three dimensional (right) simulation.
六、CAM 技术在插铣加工中的应用
UG 公司是在NX 4.0 中开始开发插铣加工功能的，在NX的CAM模块中，通过设置插铣可以实现环切，Zig-Zag 型等走刀模式，可以实现插铣加工的基本功能。

在UG 中的插铣操作中，可以由编程人员手工输入一系列的参数，如最大切宽、切削速度等，使得加工符合需求，也可以根据选择的刀具和其他参数，由系统从参数库中调用切削用量、切削速度等，具有较好的可操作性。

同时，在预工艺设计方面，例如预钻孔的定位等，则要操作人员手工选择确定，对编程人员的加工经验要求比较高。

其他一些相关软件，如WorkNC，利用插铣技术可以实现对大深度的工件的
快速切削，并可大大降低机床的损耗。

Solidedge 等也相继都开发了符合各自用户习惯的插铣功能模块。

西安科技大学将插铣应用于大直径、宽深流道二元叶轮的数控加工过程中，用MasterCAM 软件实现了简单的插铣编程。

七、加工实例
西北工业大学任学军【开式整体叶盘四坐标高效开槽插铣工艺方法】采用两把刀具参数完全相同的K40整体硬质合金平底刀在相同的切削参数下，进行侧铣和插铣对比试验。

实验表明，在切削力方面，侧铣的径向合力约为插铣的径向合力的三倍；侧铣比插铣更容易产生振动。

另外对某叶盘进行了插铣开槽验证如下图所示，
图开式整体叶盘插铣加工
插铣时刀具进给速度为200 mm/min,整个叶盘开槽粗加工时间为18 h;而传统分层侧铣加工根据刀具伸长量的大小其进给速度在50~100 mm/min范围内,其开槽粗加工时间为40 h。

加工结果表明,采用本文提出的方法比传统侧铣开槽粗加工效率提高了1倍以上，大大缩短了加工时间。

中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司【数控加工中插铣技术的研究与应用】列出了两种零件插铣加工实例，零件如图所示。

前者采用插铣刀具为山特D32 硬质合金
下限动块零件钛合金中央件
镶片插铣刀，插铣粗加工用时3h，相较于传统方法效率提高了400%，且节省了刀片（原：5片，现：2片）。

后者原使用山特2齿硬质合金镶片玉米铣刀，用时32h，采用高转速、高进给插铣加工，用时6h，同样节省了一半刀片。