第15章-铣削与铣刀.ppt

1、金属切削原理及刀具,山东英才学院,第十五章 铣削与铣刀,第一节 铣刀的种类与用途 铣刀是广泛用于平面及各种成形表面加工的刀具。例如：铣平面、沟槽、台阶、花键、齿形、内腔、螺纹和铣成形表面。 铣削是切削加工中典型的多齿（或多刃）切削加工方法。铣削的效率很高，受力很不平稳，切削层参数也是变化的很有特点。下面让我们先来认识一下各种铣刀。见下图。,一、按用途分类 铣刀可分为：端铣刀（面铣刀）、圆周铣刀、也叫圆柱铣刀、盘铣刀、锯片铣刀、立铣刀、键槽铣刀、球刀、角度铣刀、R铣刀、成形铣刀等。 二、按齿背形式分类 1、尖齿铣刀齿背是用铣刀铣出来的。齿背就是后刀面，用钝后重磨后刀面。 2、铲齿铣刀齿背是用铲刀

2、铲出来的。用钝后重磨前刀面。 三、按铣削原理分类,1、面铣刀或端铣刀 刀齿设计在铣刀的端面上，这种铣刀一般用来铣削平面、台肩。 2、圆柱铣刀或圆周铣刀 刀齿设计在铣刀的圆柱上，这种铣刀有多种形式，可以用来铣削平面、阶梯、槽型等。 3、成形铣刀 铣刀的形状按照工件的廓形来设计，这种铣刀都叫成形铣刀。除去成形铣刀以外，其实 任何一类铣刀都可以看作是端铣刀和周铣刀的组合，从原理上看没有什么不一样。,第二节 铣刀的几何角度 以下主要通过圆柱铣刀及面铣刀的铣削特点。介绍铣刀的几何参数、几何角度。 铣刀是多齿刀具，它的每一个齿都可以看作是一个车刀刀头，因此车刀几何角度的相关定义完全适用于铣刀。 一、周铣刀

3、的几何角度 周铣刀的几何角度见下图。,1、前角。为了便于制造，规定圆柱铣刀的前角用法平面前角n表示。 铣削钢件： o=10 20 铣削铸铁件： o=5 15 2、后角。圆柱铣刀的后角是用正交平面后角o表示。 粗加工： o 12 精加工： o 16 3、刃倾角。圆柱铣刀的螺旋角就是其刃倾角它能使切削刃逐渐切入和切离工件，而且同时工作齿数较多，故能提高铣削过程的平稳性。,粗齿铣刀： 40 60 细齿铣刀： 30 35 周铣刀通常不用副切削刃切削，故没有副偏角它的主偏角等于90度。 二、端铣刀的几何角度 端铣刀的每个刀齿类似车刀，有主、副切削刃和过渡刃。在正交平面内端铣刀的标注角度有：o、o、kr、

4、kr和s。见下图。,端铣刀的o、o、kr、kr和s与车刀的概念完全一样，只不过端铣刀还经常要标注切深方向的前角-p、后角-p和进给方向的前角- f、后角- f。铣刀前角的选择见表15.1；后角的选择见表15.2；螺旋角的选择见表15.3。 铣刀几何角度的选择，必须考虑铣削的自身特点，如铣削过程的断续切削和切削厚度随时变化等。对于硬质合金面铣刀为避免刀齿受冲击后而崩刃，一般将前角与刃倾角均选成负值。,值得注意的是，端铣刀的主前角和主后角一般是用进给前角和切深前角换算出来的。 端铣刀的切深剖面即平行铣刀轴线的剖面；进给剖面即垂直轴线的剖面。,第三节 铣削参数与铣削基本规律 一、铣削用量要素 铣削的

5、主运动是铣刀的旋转运动，进给运动是工件的直线运动。见下图。 1、铣削速度。铣削速度是指铣刀外缘处的线速度。见公式。P196。 2、进给量 铣削进给量有每齿、每转和每分钟三种表示法。 （1）每齿进给量 铣刀每转过一个刀齿时，工件与铣刀的相对位移量（mm/z）。,周铣、端铣的速度及合成,(2)每转进给量f 铣刀每转一转时，工件与铣刀的相对位移量（mm/r）。 (3)每分钟进给量或进给速度 单位时间工件与铣刀的相对位移量（mm/min）。 三种进给量之间的关系为 3、背吃刀量 在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层尺寸。铣削时为平行于铣刀轴线所测量的切削层尺寸。对于周铣刀和端铣刀背吃刀量是不一样的，

6、见下图。,周铣端铣的进给量和背吃刀量,4、铣削宽度 铣削时为垂直于铣刀轴线所测量的切削层尺寸。对于圆柱铣刀和端铣刀也是不一样的。见上图。 铣削速度、进给量、背吃刀量、铣削宽度。以上四个铣削用量合称为铣削用量四要素。 二、铣削切削层参数 1.圆柱铣刀 （1）切削厚度 铣刀上相邻两个刀齿主切削刃形成的过渡表面间的垂直距离。见下图,由图中可以看出，切削厚度是一个随时变化的量。每一瞬间的值为： 式中 铣刀刀齿所在位置与切入或切出位置间的夹角，称为瞬时接触角。 铣刀刀齿由切入工件至离开工件所转过的角度，称为接触角。 最大切削厚度 通常以=/2时的切削厚度作为平均切削厚度则：,平均切削厚度,（2）切削宽度

7、 主切削刃与工件切削层的接触长度(近似值)，即主切削刃实际参加切削的长度。直齿圆柱铣刀的切削宽度等于背吃刀量 螺旋齿的圆柱铣刀的切削宽度是变量由0变化到 (3)切削层截面积,2、面铣刀（端铣刀） （1）切削厚度 面铣时，刀齿开始切入时厚度最小，在中心位置时最大，以后又逐渐减小。任意点的切削厚度为： 平均切削厚度,（2）切削宽度 （3）切削层截面积,平均总切削面积 显然，铣削层参数包括铣削层厚度、铣削层宽度和铣削层面积。由于铣削的特殊性，在加工过程中，铣削层厚度和铣削层面积是不断发生变化的。,三、铣削力和铣削功率 1、铣削力和分力。作用于铣刀的切削合力通常是一个空间力，为研究方便，分解为切削分力

8、。 （1）主切削力。 作用于铣刀的主运动方向，消耗功率最多。铣刀切向力。 （2）垂直切削力 作用于铣刀的半径方向，使刀杆弯曲变形。铣刀进给力。 （3）背向力 作用于铣刀的轴线方向。对螺旋齿圆柱铣刀来说，与螺旋角（）有关，对面铣刀来说，与主偏角和刃倾角有关。见下图。,铣削合力使用时也经常分解为两个分力。一个是水平方向的分力，一个是垂直方向的分力。 1）水平方向的分力称为水平进给力，它作用在铣床工作台纵向进给方向上。 2）垂直方向的分力称为垂直进给力，它作用在铣床升降台运动方向上。 2、作用于工件的切削分力 1）纵向进给力。 平行于铣床的纵向进给方向。其作用方向可能与进给方向一致，也可能与进给方向

9、相反。,2）横向进给力。 作用于铣床横向进给方向。 3）垂直进给力。垂直于铣床工作台水平平面。其作用方向可能向下，将工件压向工作台，也可能向上，将工件自铣床工作台抬起。 关于力的方向不定的现象见下列两张图。 图中可以看出，端铣时纵向切削力的方向不定。 图中可以看出，周铣时垂直切削力的方向不定。 铣削力特点：切向力的方向随时在变；纵向进,端铣时纵向切削力,给力的方向不定；垂直进给力的方向不定；同时工作的刀齿数量经常加一减一；切削厚度和,周铣时垂直切削力方向不定,刀刃工作长度也在变；刀齿的工作位置随时在变；因此铣削力每一瞬间都是变化的力，而且波动很大。要具体情况具体分析。 各铣削分力与切向力Fc的

10、比值见表15.4。P199. 3、铣削力的经验公式 以上的讨论主要分析了铣削力的特点和特征，要真正计算铣削力的大小，还要靠铣削力的经验公式。见表15.5；15.6；15.7；15.8。 应当看到，对于具体的一次铣削，利用经验公式计算各铣削力的数值是保证铣削加工顺利进行的重要一环。,4、铣削功率Pc 根据铣削功率和铣床传动总效率，可以验证机床的电机功率是否能满足切削需要。 四、铣削方式 铣削方式指用铣刀切出切屑的方式。 1、周铣法 用圆周铣刀铣削平面的方法称为周铣法。周铣法的铣削方式有两种： 1）逆铣与顺铣 周铣法的顺铣与逆铣见下图。,由图可知，逆铣指主运动的速度分量与进给运动方向相反。或者相逆

11、。 （1）周铣法逆铣的特点 逆铣时，刀齿的切削厚度从ac=0至acmax,轨迹线平坦拉长，切削平稳;由于切削齿刃钝圆半径的影响，在开始切入时刀齿在工作表面上打滑、产生挤压和摩擦，使已加工表面产生硬化，表面粗糙度值变大，铣刀磨损增大。同时，工件表面受到较大的挤压应力，冷硬现象严重，加剧刀齿磨损，并影响已加工表面质量。,作用于工件上的进给力Ff与其进给方向相反，使铣床工作台进给机构中的丝杠螺母始终保持良好的右侧面接触，因此进给速度比较平稳。 （下图所示） 逆铣时刀齿是从切削层内部开始工作的，当工件表面有硬皮时，对刀齿没有直接影响；切削力的垂直分力方向向上，有使工作台抬起的趋势，影响夹紧力。 （2）

12、周铣法顺铣的特点 顺铣时，切削厚度由厚变薄，无“滑行”现象，,轨迹线短而陡，摩擦挤压较轻，加工表面粗糙度值小，铣削力小，铣刀磨损也小。同时，垂直分力向下，将工件压向工作台，避免铣削时上下振动。 但切削力的水平分力与进给方向相同，有使丝杠和丝母工作面脱开的趋势，容易引起加工中水平方向的振动。 总体来看，顺铣比逆铣优点多，但必须要求机床有消除间隙机构。 2、端铣法,端铣法是利用铣刀端面的刀齿加工平面的方法。用端铣刀铣平面时，根据铣刀和工件间的相对位置不同，分为对称铣削和不对称铣削。它有三种铣削方式。 1）对称铣削 被铣工件安放在铣刀轴心移动轨迹的对称位置时，称为对称铣削。把铣刀刀齿切入工件处和铣刀

13、中心的连线与铣刀轴心移动轨迹间的夹角，称为切入角；铣刀刀齿切出工件处和铣刀中心的连线与铣刀轴心移动轨迹间的夹角，称为切出角。在切入角范围内类似于逆铣，在切出角范围内相,当于顺铣。对称铣削时切入角等于切出角，一半是逆铣削，一半是顺铣削。见下图。 2）不对称铣削 被铣工件平分线相对于铣刀轴心移动轨迹，有一偏移量时，称为不对称铣削。逆铣部分大于顺铣部分时，称为不对称逆铣；顺铣部分大于逆铣部分时，称为不,对称顺铣。切入角和切出角位于逆铣一侧时为正值，位于顺铣一侧时为负值。据有关资料介绍，工件与铣刀摆放位置会影响刀具使用寿命十几倍，因此要重视铣削时工件的位置摆放。 五、铣削特点及改进途径 1、铣削特点

14、1）多刃切削。各切削刃都有制造安装误差、不均匀、刀杆受力下的弯曲变形、直径摆差、瞬时切削面积的变化，都会引起振动不平稳、每个刀齿的负荷不一致、磨损不均匀，影响,加工表面质量。 2）断续切削。每个刀齿都是断续切削，切入切出都有力的冲击，同时工作的刀齿数数量加一减一，都造成振动，刀齿有时工作有时休息散热好，切削速度可提高。 3）有切入切出过程。周铣刀逆铣时其切入过程由于存在刃钝圆半径会造成挤压、滑擦过程，刀齿磨损严重，硬化严重，表面质量变差。周铣顺铣切入冲击力大，此时切削厚度最大。直齿周铣顺铣切入时的冲击力最大。,因此，采用大螺旋角的圆柱铣刀，可以使铣削切入切出平稳。 4）铣削属于半封闭切削或封闭

15、切削。两刀齿之间的容屑空间要足够的大，因此铣刀的刀齿数量要受到限制，同时要考虑切屑的顺利排出。 2、铣刀改进途径 1）尽量选择切削性能好的刀具材料。 2）尽量采用不重磨刀片。 3）改进结构和切削参数。,例如：强力铣削时，减少齿数，增大容屑空间。 精铣时，增大后角减轻摩擦。 采用大螺旋角圆柱铣刀。 对三面刃铣刀为增大前角采用错齿排列。 在刀齿上开分屑槽等。 六、铣削用量选择 铣削用量的选择原则是，在保证表面质量和工艺系统刚度的前提下，首先应选大的背吃刀量，其次选较大的每齿进给量，最后在满足铣刀合理使用寿命的条件下，确定铣削速度。,1、铣削深度和铣削宽度的选择 端铣时：粗铣时铣削深度应尽量在留下精

16、切余量的前提下一次走刀全部完成。 铣削宽度与铣刀直径有关，应保证： 周铣刀的选择可参考端铣刀的选择。 2、进给量的选择 粗铣时应考虑加工效率，精铣时应保证表面质量。,对高速钢铣刀一定要考虑刀齿的强度、刀杆的强度和刀柄的强度。 对硬质合金铣刀，一定要考虑刀齿切入时的位置合理，以免刀片经受冲击载荷。见下图。,端铣刀铣削中碳钢时一般应选：每齿进给量等于=0.100.35mm。 3、铣削速度的确定 铣削速度可查切削用量手册选取，其中的个修正系数和指数都可以查到。 请注意教材上两个切削速度的例题公式和铣刀使用寿命的平均值表格P204。 当被铣削工件的宽度已经给定时，面铣刀直径和安装位置的选择方案如下图所

17、示。,铣刀直径和安装位置的选择方案,第四节 成形铣刀,成形铣刀:刀具廓形根据工件轮廓形状设计制造。是在铣床上加工成形表面的专用刀具，用成形铣刀可在通用的铣床上加工复杂形状的表面，并获得较高的精度和表面质量，生产率也较高。成形铣刀常用于加工成形直沟槽和成形螺旋沟槽。 成形铣刀属于专用刀具，需要时一般需要自行设计。,按齿背的加工形式，成形铣刀分为尖齿成形铣刀和铲齿成形铣刀两种。 尖齿成形铣刀后刀面是用铣刀铣出来的，重磨时重磨后刀面。 廓形复杂的成形铣刀常做成铲齿成形铣刀:其后刀面是用铲刀铲出来的，前刀面是平面，并且是径向平面，重磨时重磨前刀面，因此刃磨很方便，且能保证铣刀的廓形不变，得到广泛应用。

18、 一、铲齿成型铣刀 铲齿成型铣刀的前角通常做成零度，与基面重合,铲齿成型铣刀的后刀面是用铲刀铲出来的。 二、铲齿过程 1、运动 铣刀的等速转动；铲刀的匀速直线往复运动。见下图。 2、运动特点：凸轮每转一转，带动铲刀径向前进的距离为K值，K称为半径差即铲背量。 凸轮每转一转，铣刀转过的角度为齿间角。 =2/Z。其中Z铣刀齿数。铲刀的齿廓与铣刀的齿廓相同，凹凸相反实际是一把成型车刀。,三、铣刀的齿背曲线和铣刀的几何角度 1、齿背曲线 在铣刀后刀面上垂直于铣刀轴线做剖面，剖面与铣刀后刀面的交线称为铣刀的齿背曲线。显然，一个等速转动，一个匀速直线运动的合成运动，最终所形成的齿背曲线是阿基米德螺旋线。铣

19、刀的后刀面是由许多阿基米德螺旋线的等距线组成的。因此，铲齿成型铣刀的后刀面是阿基米德螺旋面。 2、成形铣刀后刀面必须满足两点要求。第一，重磨之后，齿形不变。第二，重磨之后，后角,不变。这两点要求需要齿背曲线来满足。 第一点由于铲刀是沿径向铲削，且铲刀的齿廓是根据铣刀轮廓设计，所以铣刀用钝后重磨前刀面时只要保证前角为零度则铣刀的齿形不会改变。 第二点，理论上保证铣刀重磨后后角不变的齿背曲线是对数螺线，但对数螺线不易制造而阿基米德螺旋线工艺性好，而且铣刀重磨后其后角基本不变，只是随重磨次数增加铣刀后角略有增大。所以，齿背曲线为阿基米,德螺旋线能够满足铣刀的使用要求。 另外这种齿背曲线的通用性好，齿

20、顶和两齿侧只要K值相同，可以用同一个铲刀进行铲削，对不同齿数Z的铣刀，只要K值相同都可以用同一个凸轮铲削，凸轮的利用率很高。生产上K值已经标准化了。2、2.5、3、3.5、是一个等差数列。不管d、Z、怎么变化，只要K值相同，就可用同一凸轮加工。 用比较少量的通用凸轮能加工K值相同的大量成形铣刀。,3、齿背曲线的后角 建立极坐标方程 其中：曲率半径；C单位转交的径向增量； 转角 顶刃后角基本公式： 对于新刀有： C为常数- 所以新刀的顶刃后角为：,铣刀用钝以后，重磨前刀面所获得的顶刃后角为： 从以上公式可以看出，刀具重磨之后，顶刃后角是有所增大的。 生产上K值已经标准化了。2、2.5、3、3.5

21、、是一个等差数列。不管d、Z、怎么变化，只要K值相同，就可用同一凸轮加工。 一般顶刃后角做成10-15，常用10-12。 四、铣刀正交平面内的后角,铲齿成形铣刀正交平面内的后角与成形铣刀的主偏角有关，见下图。 显然 铣刀刀刃上任意点的主后角，与各点的主偏角有关，当该点的主偏角为零时其后角为零。后角为零的刀具，摩擦将相当严重，无法使用。 一般要求后角要大于2应采取的措施如下： 1）修改铣刀刃形 见图15.19。,2）斜置工件 见图15.19。 3）斜向铲齿 见图15.20。 斜向铲齿只能单侧使用，双向斜向铲齿将影响工件的形状精度。,五、铲齿成型铣刀的结构要素 1、铣刀直径的确定 按照公式计算。P

22、209。 2、铣刀齿数的确定 当直径一定时，齿数Z多则同时工作的齿数就多，铣削力波动小，铣削过程平稳。但同时刀齿的强度和容屑空间及重磨余量就小。一般可用下式估算圆周齿数Z。 式中P圆周齿距。P的选取根据齿高P209。,3、后角的选取 保证新铣刀的顶刃后角在10-15。 保证正交平面内的后角不小于2。 六、前角0成形铣刀的廓形设计 所为廓形是指铣刀刀齿轴向剖面的形状尺寸。轴向剖面即轴向截形或铣刀基面。 1、为什么要进行廓形设计 一般铲齿成形铣刀的前角做成零度，这时铲刀的轴向截形与工件的断面截形完全一样。但是假如将铣刀前角做成大于零度时，用这,样的铣刀加工工件时，得到的工件形状将发生改变。见以下两图。 零度前角的铣刀其轴向廓形与工件槽形一样,正前角使工件槽形发生畸变,实际上，当前刀面有了正的前角之后，其刀刃上各点并不在共同的基面之中，刀刃上各点旋转到原来同一基面中陆续切削工件时，其切到的位置已经比