第八章 铣刀

制作：赵冬晗概述铣削是使用多齿旋转刀具进行切削加工的一种方法。铣刀的种类繁多，但从结构实质上可看成是分布在圆柱体圆锥体和特形回转体的外缘或端面上的切削刃或镶装上刀齿的多齿刀具。每一个刀齿相当于一把车刀，其切削加工特点与车削加工基本相同。在铣削加工中，用圆柱铣刀和端铣刀铣削平面具有代表性，故在讨论铣削原理何铣刀的几何角度时以这两种刀具为主。并介绍了几种常见的尖齿铣刀的结构特点和成形铣刀的廓形设计。8.1铣刀的种类和用途铣刀是金属切削刀具中种类最多的刀具之一，属于多齿刀具，其每一个刀齿都相当于一把单刃刀具固定在铣刀的回转表面上。铣刀可以按用途分类，也可以按齿背形式分类。图8.3三面刃铣刀(a)(b)(c)又称盘铣刀，刀体的圆周及两侧环形端面上均有刀齿，其圆周刀刃为主切削刃，侧面是副切削刃，只对加工侧面起修光作用。主要用于加工台阶面和一端或两端贯穿的浅沟槽。有直齿（图8.3a）斜齿（图8.3b）之分，直径较大的常采用镶齿结构（图8.3c）。5．立铣刀一般有三到四个刀齿。用于加工平面、台阶、槽和相互垂直的平面，圆柱上的切削刃是主切削刃，端面上分布着副切削刃。工作时只能沿刀具的径向进给，而不能沿铣刀的轴线方向作进给运动。。用立铣刀铣槽时槽宽有扩张，故应取直径比槽宽略小的铣刀。8.1.2按刀齿齿背形式分1．尖齿铣刀尖齿铣刀的特点是齿背经铣制而成，并在切削刃后磨出一条窄的后刀面，铣刀用钝后只需刃磨后刀面，上述铣刀基本为尖齿铣刀。2．铲齿铣刀铲齿铣刀的特点是齿背经铲制而成，铣刀用钝后仅刃磨前刀面，易于保持切削刃原有的形状，因此适用于切削廓形复杂的铣刀，如成形铣刀。8.2铣刀的几何角度铣刀的种类、形状虽多，但都可以归纳为圆柱铣刀和面铣刀两种基本形式，每个刀齿可以看作是一把简单的车刀，所不同的是铣刀回转、刀齿较多。因此只通过对一个刀齿的分析，就可以了解整个铣刀的几何角度。8.2.1铣刀的标注角度参考系与车刀相似，由坐标平面和测量平面组成，其基本坐标平面有基面和切削平面。其中基面是通过切削刃选定点并包含铣刀轴线的平面，并假定与主运动方向垂直。切削平面是通过切削刃选定点的圆柱切平面。测量平面有端剖面，螺旋齿铣刀还有法剖面。如图8.8所示8.2.2铣刀的几何角度1．圆柱铣刀的几何角度前角和后角都标注在端剖面上（如图8.9）。若是螺旋齿，还要标注螺旋角β、法剖面前角γn和法后角αn三个参数。前角γo和法向前角γn两者的关系为costantanon圆柱铣刀的主偏角为90°，无副偏角。图8.8圆柱铣刀的几何角度2．面铣刀的几何角度面铣刀的一个刀齿，相当于一把小车刀，其几何角度基本与外圆车刀相类似，所不同的是铣刀每齿基面只有一个，即以刀尖和铣刀轴线共同确定的平面为基面。因此面铣刀每个刀齿都有前角、后角、主偏角和刃倾角四个基本角度。（如图8.9）注意在设计、制造、刃磨时，还需要进给、切深剖面系中的有关角度，如图8.9中的γf、αf。图8.9面铣刀的几何角度3．铣刀几何角度的选择（1）前角的选择工件材料σb（MPa）高速钢铣刀硬质合金铣刀钢材＜60020°15°600～100015°-5°＞100012°～10°-（10°～15°）铸铁5°～15°-5°～5°根据刀具和工件的材料确定。一般小于车刀；高速钢比硬质合金刀具要大；塑性材料→前角↑；脆性材料→前角↓；强度↑、硬度↑→负前角。见下表8.1（2）后角的选择铣刀的类型后角值高速钢铣刀粗齿12°细齿16°高速钢锯片铣刀粗、细齿20°硬质合金铣刀粗齿6°～8°细齿12°～15°在铣削过程中，铣刀的磨损主要发生在后刀面上，采用较大的后角可以减少磨损；当采用较大的负前角时，可适当增加后角。具体数值可参考表8.2。铣刀类型螺旋齿圆柱铣刀立铣刀三面刃、两面刃铣刀粗齿细齿螺旋角45°～60°25°～30°30°～45°15°～20°（3）刃倾角的选择立铣刀和圆柱铣刀的外圆螺旋角β就是刃倾角λs。β↑，实际前角↑，切削刃锋利，切屑易于排出。铣削宽度较窄的铣刀，增大β的意义不大，故一般取β=0或较小的值。具体数值参考下表8.3：（4）主偏角与副偏角的选择常用的主偏角有45°、60°、75°、90°。工艺系统的刚性好，取小值；反之，取大值。副偏角一般为5°～10°。圆柱铣刀只有主切削刃，没有副切削刃，因此没有副偏角。主偏角为90°。8.3铣削基本规律铣削是使用多齿刀具进行切削的一种加工方法，其生产率高、应用非常广泛。但属于断续切削，在刀齿切出和切入时有冲击，故应根据其加工特点综合各方面的因素合理的选择切削用量和铣削方式。8.3.1铣削要素与切削层参数1．铣削要素机床选用的铣削参量（1）铣削速度（2）进给量铣刀刀齿切削处的线速度①每转进给量f②每齿进给量af③进给速度νf（3）背吃刀量（铣削深度）ap通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量，如图8.10所示，它是平行于铣刀轴线方向度量的切削层尺寸。（4）侧吃刀量ae：在平行于工作平面并垂直于切削刃基点的进给运动方向上测量的吃刀量，如图8.10示，它是垂直于铣刀轴线方向和进给方向度量的切削层尺寸。图8.10铣削要素2．切削层参数（1）切削层厚度hD在铣削过程中，切削厚度是不断变化的。sinzifh圆周铣削逆铣（图8.11）时，任意点的切削厚度可以按此式计算：面铣刀铣削时，刀齿的切削厚度在刚切入工件时为最小，切入中间位置时最大，以后又逐渐减小。如图8.12任意点的切削厚度可以按此式计算：rzikfhsincos图8.11圆柱铣刀的切削厚度图8.12面铣刀的切削厚度（2）切削层宽度bD主切削刃与工件切削层的接触长度即主切削刃实际参加切削的长度螺旋齿圆柱铣刀的切削层宽度随刀齿的位置而变化（图8.13）。直齿圆柱铣刀DPba面铣刀rPDkabsin（3）切削面积AD常采用平均切削面积ADav这一参数，其计算公式是00dzaaandvaavQAfepfpecDav图8.13螺旋齿圆柱铣刀的切削宽度3．铣削用量的选择应当根据工件的加工精度、铣刀的耐用度及机床的刚性，首先选定背吃刀量，然后选取进给量，最后确定铣削速度。（1）背吃刀量的选择应视工艺系统的刚度和已加工表面的精度、表面粗糙度而定。（2）进给量和切削速度①粗加工时，根据工艺系统刚性及刀具耐用度来选择。②半精加工时，选择较小的每齿进给量，较大的切削速度（参见表8.5）③精加工宜选择较小的每齿进给量和较大的铣削速度进行铣削。8.3.2铣削力及铣削功率1．铣削分力根据对刀具和铣削加工动力的影响可分为（1）主切削力Fc（2）背向力Fp（3）轴向力Fa按工作台运动方向分解：（1）垂直分力Fv：（2）横向分力Fe（3）纵向分力Ff图8.14铣削力2．铣削功率有效切削功率60103cccvFP主切削力可根据M=Fcdo/2求得，其他各力则可根据它们与主切削力Fc的比值（见表8.6）求得。主切削力Fc的计算还可用有关手册经验公式进行计算，它与工件材料、刀具材料、铣刀的形式以及铣削用量有关。8.3.3铣削方式1．端铣的铣削方式（见图8.15）（1）对称铣：铣刀轴线位于铣削弧长的对称中心位置，即切入、切出时切削厚度相同时为对称铣。（2）不对称逆铣：若切入时切削厚度小于切出时切削厚度为不对称逆铣。（3）不对称顺铣：若切入时切削厚度大于切出时切削厚度为不对称顺铣。（a）对称铣；（b）不对称逆铣；（c）不对称顺铣图8.15端铣的三种方式2．圆周铣的铣削方式逆铣铣刀切入工件时的切削速度方向与工件的进给方向相反。刀齿的切削厚度从零逐渐增大。当接触角大于一定数值时，容易使工件的装夹松动而引起振动。但铣削过程比较平稳。（图8.16a）顺铣铣刀切入工件时的切削速度方向与工件的进给方向相同。刀齿的切削厚度切入时最大，而后逐渐减小。会使工作台带动丝杠出现窜动，如采用顺铣，必须要求铣床工作台进给丝杠螺母副有消除间隙的装置。（图8.16b）图8.16周铣的两种方式8.4尖齿铣刀尖齿铣刀是普通铣刀中应用较多的刀齿结构，它的齿槽是用单角度铣刀或双角度铣刀铣削而成。新铣刀的前刀面和后刀面均需用砂轮刃磨。当铣刀用钝后需重磨后刀面。8.4.1尖齿铣刀的结构参数1．铣刀直径直径d是铣刀的主要结构参数铣刀直径↑---孔径↑----刀心轴强度和刚度↑---工作平稳---表面粗糙度↓；刀体大---散热条件好---耐用度↑---容屑空间↑---易于排屑。但铣刀直径↑↑---刀具材料的消耗↑---铣削转矩↑---动力消耗↑---容易引起振动。选择铣刀直径的基本原则是：在保证刀杆刚度的前提下，选择较小的直径。2．铣刀刀齿和齿槽形状尖齿铣刀的刀齿和齿槽形状，应保证铣刀有足够的强度和充裕的容屑空间较多的重磨次数。常用的有三种刀齿齿背形式，如图8.17所示：(a)直线形齿背；(b)折线形齿背；(c)曲线形齿背图8.17尖齿铣刀的齿背形式8.4.2几种常用尖齿铣刀的结构特点1．立铣刀如图8.18所示，其在圆柱面上的切削刃是主刀刃，端面上的切削刃是副刀刃，主刀刃上螺旋角的作用与圆柱铣刀的螺旋角相似，一般取β=30°～45°。另常在副刀刃的前刀面上磨出宽为0.4～1.5mm，前角约为6°的棱边。立铣刀有粗齿细齿和直柄锥柄之分。粗齿齿数一般取3～4个齿，细齿齿数一般为5、6、8齿。图8.18立铣刀2．键槽铣刀用于铣削圆头封闭键槽，如图8.19所示。圆柱面和端面上都有刀齿，端刃为完整刃口，齿数少，螺旋角小。工作时可以纵向进给，也可以轴向进给。图8.19键槽铣刀3．直齿三面刃铣刀两侧面上的前角等于零，圆周前刀面与端齿前刀面连成一个平面，一次铣成和刃磨，圆周刀齿和端面刀齿留有凸起的棱边，便于刃磨，且可保持棱边的宽度不变。除直齿外，还有错齿三面刃铣刀和镶齿三面刃铣刀。8.5成形铣刀刃形按工件廓形设计。使成形铣刀能较容易地实现对复杂表面的加工，并能得到较高的加工精度和表面质量，而且，生产率极高。8.5.1成形铣刀的铲齿1．对成形铣刀的刃磨要求沿前刀面重磨后，要求刀齿的刃形不变，后角基本不变。2．成形铣刀的铲齿过程铣刀绕铲齿车床主轴作等速转动时，铲刀在阿基米德曲线凸轮控制下向铣刀轴线等速推进。因此铲刀切削刃上的任一点相对铣刀的运动轨迹为阿基米德螺旋线，即铲刀铲出的成形铣刀的齿背曲线为阿基米德螺线。当铣刀转过δo角时，凸轮则转过φo角，铲刀铲出一个刀齿的齿背。当铣刀再转过δ1角时，凸轮则转过φ1角，铲刀快速复位（图8.21）图8.21成形铣刀的铲齿过程8.5.2铲齿成形铣刀的铲削量和后角1．铲削量铲刀每转过一个齿间角ε，铲刀沿半径方向前进的距离称为铲削量，用K表示。2．后角阿基米德齿背上任一点M处的后角αƒM，可用右式计算计算：zRfm21tanRzfa2tan新刀齿顶处的后角αƒαfaxxfxRRRztan2tan切削刃上半径为Rx的任一点x处的端面后角αƒx图8.22成形铣刀的后角成形铣刀切削刃上任意一点应有足够的法向后角如图8.23所示：不得小于2°～3°。图8.23成形铣刀的法向后角3．主后角过小的改善措施（1）增大顶刃后角αƒ；（2）斜置工件（a）；（3）斜向铲齿（b）；（4）磨出凹槽或副偏角；另外还可适当的修改切削刃的形状（c）。8.5.3成形铣刀的廓形设计图可求出刀齿廓形上E1点的高度h1′：DGhBMhh111EMAGh12KzKDGBM而211Kzhh故其中fafahRR1/sinarcsin由上式求出θ之后，代入式即可求出刀齿廓形上E1点的高度h1′。该点的宽度，b1为工件的端面廓形上与点E1对应的点1的宽度。图8.25铲齿成形铣刀的刀齿廓形计算成形铣刀的刀刃廓形计算。根据图示求出E1′点的高度h1∥为factgRJEJAEAhfasincos1E1′点的宽度11bb类似的可求出铣刀的刀刃廓形上其他各点的坐标，从而完成了刀刃廓形计算。小结1铣刀的种类；2圆柱铣刀和端铣刀为例介绍了铣刀主要的几何角度及其选择；3铣削层要素包括铣削速度、