铣削加工与刀具

三、铣削加工与刀具铣削是广泛使用的切削加工方法之一，它适用于加工平面、阶台面、沟槽、成形表面以及切断等。

铣刀的每一个刀齿都相当于一把车刀，它的切削基本规律与车削相似，但铣削是断续切削，切削厚度和切削面积随时在变化，所以铣削过程具有一些特殊规律。

以圆柱铣刀和面铣刀为例，介绍铣刀的几何参数和铣削过程特点，分析常用尖齿铣刀的结构特点、应用范围，为掌握常用标准铣刀的合理选用打下初步基础。

1. 铣刀的类型和几何参数（1）铣刀的类型铣刀是刀齿分布在旋转表面上或端面上的多刃刀具。

按刀齿齿背形状可分为尖齿铣刀和铲齿铣刀。

尖齿铣刀与铲齿铣刀相比，具有加工表面质量好，耐用度髙，切削效率髙等优点，因此得到广泛的使用。

铲齿铣刀沿前刀面可以重磨，重磨后铣刀刃形能保持不变，当铣刀具有复杂刃形时，铣刀制造容易、重磨简单，主要用于加工成形表面。

（2）铣刀的几何参数以圆柱铣刀和面铣刀为例来分析铣刀的几何参数。

铣削时，铣刀旋转是主运动，工件与铣刀沿进给方向相对运动是进给运动。

铣刀的主剖面标注坐标系由pr 、ps和p三平面组成：基面pr是过切削刃上的选定点且包含铣刀轴线的平面，即垂直于主运动速度方向的平面；切削平面ps是过切削刃上选定点与切削刃相切且垂直于基面的平面；主剖面p是通过切削刃上选定点，同时垂直于基面与切削平面的平面。

圆柱铣刀的主剖面p0与进给剖面pf；切削平面ps与切深剖面pp相互重合。

铣刀的主剖面p亦即为铣刀的端平面。

由于设计和制造的需要，铣刀的标注几何角度除规定在主剖面系外，还分别规定法剖面系和进给切深剖面系。

2）铣刀的几何角度车刀几何角度的定义也适用于铣刀。

①圆柱铣刀的几何角度圆柱铣刀的主剖面和进给剖面相重合，所以前角γ0和后角a分别等于进给前角γf和进给后角αf ，图纸上应标注γn和a。

主剖面、法剖面之间前角、后角关系可用下式换算：ββγγc o sc o satgatgtgtgnn==……………………4-13 4-14式中：β－螺旋角，相当于车刀上的刃倾角λs。

铣刀前角γ0可根据被加工材料来选择，通常取γ=100～200 。

铣削加工软材料时选取大值，铣削加工硬材料时选取小值。

在铣削加工时，由于加工呈现为断续切削，所以切削厚度比车削加工要小。

磨损主要发生在后刀面上，为了减少磨损，应选择较大后角。

通常取a 0=120～160。

粗加工选取小值，精加工选取大值。

圆柱铣刀螺旋角β是螺旋刀刃展开成直线后，刀刃与铣刀轴线间的夹角。

铣刀切削刃上选定点的刃倾角λS 等于铣刀的螺旋角β 。

它能使刀齿逐渐切人和切离工件，大大提高了铣削的平稳性。

增大β角，能增加实际工作前角，使切削轻快，同时使切屑易于排出。

一般细齿圆柱形铣刀β=300～350 ，粗齿圆柱形铣刀β=400～450 。

② 面铣刀的几何角度面铣刀每一个刀齿相当于一把运刀，每一个刀齿有主副切削刃和过渡刃。

在主部面坐标系内，面铣刀几何形状用oe r S a k k a r αλγ、、、、、、0//00和re k 角度来表示。

机夹铣刀单个刀齿的为γn 、λs 为0°。

为了安装在刀盘上获得所需的切削角度，刀齿在刀体中径向倾斜γf 角，轴向倾斜γp 角。

根据加工条件选择好γ0、λs 和k r 值，则可按下式换算出 γf 和 γp ：k tg k tg tg r s r fcos sin 0λγγ-= ……………………4-15 k tg k tg tg r s r psin cos 0λγγ+= ……………………4-16用硬质合金铣面铣刀进铣削时，由于断续切削，刀齿受机械冲击力大，应选择合适的几何角度，以保证刀齿有足够强度。

一般加工钢时取γ0=100～150，切铸铁时取γ0= -50～50；刃倾角取λs =-150～70。

此外，通常取k r =450～750, `k r =50～150, a 0=60～120,o aα5.0`= 。

2. 铣削用量要素 （1）铣削深度a p平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸, [a p ]为 mm. （2）铣削宽度a e垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸, [a e ]为mm 。

（3）进给运动铣削时进给运动的大小有下列三种表示法：1）每齿进给量a f 铣刀每转过一个刀齿时，工件与铣刀的相对位移，[a f ]为z mm 1-⋅； 2）每转进给量f 铣刀每转一转时，工件与铣刀的相对位移，[f ] 为r mm 1-⋅；3）进给速度v f 单位时间内工件与铣刀的相对位移，[v f ]为mm/min 。

通常铣床上列出的为进给速度v f ，所以应首先根椐加工条件选择a f 然后计算出v f ，以便于调整机床。

三者之间的相互关系为：Zn a fn v f f == （mm/min ）。

（4）铣削速度v铣刀旋转运动的线速度。

可按下式计算：1000dnv π= （m/min ）。

式中：d－铣mm ）n －铣刀转速，（r/min ）3. 铣削切削层要素铣削时，铣刀相邻两个刀齿在工件上形成加工表面之间的一层金属层称为切削层，切削层剖面的形状与尺寸对铣削过程有很大影响。

（1）圆柱铣刀切削层要素圆柱铣刀每个刀齿能够切去的切削层。

1）切削厚度a c切削厚度是铣刀上相邻两个刀齿所形成的加工表面间的垂直距离。

当用直齿圆柱铣刀铣削时，切削厚度为：ϕsin a a f c =式中：ϕ－瞬时接触角，它是工作刀齿所在位置与起始切人位置间的夹角。

由上式可知，切削厚度随刀齿所在位置不同而变化。

当刀齿在H 点时，切削厚度为最小值（a c =0 ），刀齿转到即将离开工件的A 点时，ϕ等于最大接触角 δ，切削厚度为最大值： δsin max a a f c =通常以2δϕ=处的切削厚度为平均切削厚度。

由ΔAOK 得知：da c 21cos -=δ而 da c =-=2cos 12sin δδ所以，圆柱铣刀的平均切削厚度为： da a a a c ff cav ==2sinδ……………………4-172）切削宽度a w切削宽度是主切削刃参加工作的长度，直齿圆柱铣刀的切削宽度a w 与铣削深度a P 相等。

而螺旋齿圆柱铣刀的a w 是变化的。

随着刀齿逐渐切人工件，a w 逐渐增大，然后又逐渐减小，因而铣削过程较为平稳。

3）平均切削总面积A cav铣削时，铣刀同时有几个刀齿参加切削，总切削面积等于各个刀齿的切削面积之和。

由于直齿圆柱铣刀的切削厚度是随时变化的，而螺旋齿铣刀的切削厚度和切削宽度都是随时变化的，所以铣削总切削面积也是随时变化的。

圆柱铣刀的平均切削总面积可按下式计算：dZa a a dnZ a a a v Z A f e p nf e p w cav ππ===……………………4-18（2）面铣刀切削层要素1）切削厚度a c刀齿在任意位置时的切削厚度为：k a k EF a r f r c sin cos sin ϕ==端铣时，刀齿的接触角由最大变为零，然后，由零变为最大。

所以刀齿开始切人工件时，切削厚度为最小，以后逐渐增大，到中间位置时，切削厚度最大，然后又逐体渐减小。

故平均切削厚度：δd k a a a re f ccvsin =……………………4-192）切削宽度a w 和平均切削总面积A cav 端铣时，切削宽度保持不变，其值为：k a a rp w sin =……………………4-20平均切削总面积为：dZa a a Zk a d k a a A e p f r pre f cavπδπδ==sin sin ……………………4-214. 铣削力铣削时，每个切削的刀齿都受到变形抗力和磨擦力。

每个刀齿的切削位置和切削面积随时在变化，所以作用在每个刀齿上的铣削力的大小和方向也在不断变化。

为了方便起见，通常假定各刀齿上作用力的合力作用在刀齿上某点。

它可分解为切向铣削力F Z ，径向铣削力F y 和轴向铣削力F x 。

切向铣削力是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗功率最多。

径向铣力F y 和轴向铣削力F x 的大小与圆柱铣刀的螺旋角β有关，与面铣刀的主偏角k r 有关。

作用在工件上的合力F /与F 大小相同，方向相反。

由于机床、夹具设计的需要和测量的方便，它可沿着铣床工作台运动方向分解为三个分力，纵向进给分力F e 、横向进给分力F c 和垂直进给分力 F v 。

铣削时，各铣削分力与切向铣削力F Z 有一定比例。

如果求出F Z ，便可计算出 F F Ce ,和F v ，同时也可求出铣削时所需功率：10603⨯=v F p z m ……………………4-22式中：v ——切削速度 （n/min ） F z ——切向铣削力 （N ）由铣削力计算公式可以得知下述规律：ap 对铣削力的影响比af大。

ap和af增加，虽然都使切削面积成正比增加。

但af 增加使切削厚度变厚，平均切削变形减小，因此af对铣削力的影响小于ap。

所以在粗铣平面时，可采用阶梯形面铣刀，使刀齿在径向和轴向成阶梯形分布，以减小铣削深度，增大进给量。

四、铣削加工切削用量的选择1.切削用量的确定1）铣削深度ap（mm）。

在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除待加工余量，最好一次切除待加工余量，以提高生产效率。

为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，可留少许余量留待最后加工。

数控机床的精加工余量可略小于普通机床。

一般可取（0.2-0.5）mm。

2）确定铣削速度v（m/min）。

铣削速度大，能提高生产效率。

但提高生产效率的最有效措施还是应该尽可能采取大的切削深度ap。

主轴转速n（r/min）由切削速度v（m/min）来选定。

dvnπ1000=（r/min）式中v——切削速度,由刀具耐用度决定。

d——刀具（或工件）直径（mm）。

3）确定进给速度vf（mm/min或mm/r）进给速度是数控机床切削用量中的重要参数。

主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、零件的材料性质来选取。

当加工精度和表面粗糙度要求高时，进给速度vf应该选择得小些。

一般应该在vf=20—50mm/min范围内选取。

最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能决定，并与数控系统中脉冲当量的大小有关。

总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法来确定。

同时，使主轴转速、切削深度以及进给速度三者能够相互适应，以形成最佳的切削用量。

切削用量的选取可参阅。