铣工技师培训第三章铣削原理应用与铣刀设计、改制实例

1、国家职业资格培训教材 国家职业资格培训教材编审委员会 编 胡家富 主编 依据依据劳动和社会保障部劳动和社会保障部 制定的制定的国家职业标准国家职业标准要求编写要求编写 掌握铣削原理的应用方法，熟练掌握专 用铣刀设计制造和标准铣刀改制的方法和步 骤，了解新型铣刀的发展方向，熟悉现金铣 刀的结构特点和使用方法。 刀具的几何角度有两类：一类是将刀具看成是一个几何实体，用来确 定切削刃、刀面相对于刀具在制造、刃磨及测量时定位基准的几何位 置的角度，是在刀具工作图上所标注的角度，这类角度称为刀具的静 态角度或标注角度；另一类是在切削过程中用来确定切削刃、刀面相 对于刀具的几何角度，是在刀具工作过程中的实

2、效几何角度，这类角 度称为刀具的工作角度。 1.刀具几何角度及其参考系的种类 图3-1刀具工作参考系的空间立体图 图3-2刀具工作参考系的平面投影图 2.刀具工作参考系 图3 1及图3 2所示分别为刀具工作参考系的空间立体图，它的各组 成平面的定义如表3 1所示。 表3-1组成工作参考系的各平面的定义 3.刀具工作几何角度的定义 刀具工作几何角度如图3 3所示，各角度的定义见表3 2。 1)表3-2所列为主切削刃上的工作角度，对副切削刃上的相应角度可 仿此定义，并在相应的主切削刃角度符号右上角加标“”，以示区 别。 2)工作刃倾角se应是工作主切削刃Se与工作基面pre之间的夹角， 因为切削刃

3、上静态主偏角re0的点与工作主偏角re0的点 并不一定重合，所以工作切削刃Se与静态主切削刃S也不完全一样， 两者在切削刃上所占的范围有些差异。 3)刃倾角、前角及后角的正负号，参见图3-3。 4)法平面(pn或pne)内的楔角是一个不变量，即nen。 图3-3刀具的工作几何角度 表3-2刀具工作几何角度的定义 表3-2刀具工作几何角度的定义 在刀具的设计、制造、改制、刃磨及测量中，经常需要进行角度换算。 (1)同一参考系内的角度换算表3-3所列是静态参考系内的角度换算 关系。 4.刀具几何角度的换算 表3-3静态参考系内的角度换算关系 表3-3静态参考系内的角度换算关系 表3-3静态参考系内

4、的角度换算关系 (2)不同参考系的角度之间换算 1)影响工作角度的因素。 由于刀具安装后，实际的主运动方向及进给运动方向与假定的主 运动方向和进给运动方向不相一致。 由于与主运动同时进行的进给运动的存在，使合成切削运动方向 相对主运动方向偏离了一个合成切削速度方向角。 假设在初始情况下，刀具的工作参考系与静态参考系是重合的，并沿 基面pr与背平面pp、背平面pp与假定工作平面pf、基面pr与假定工作 平面pf的三条交线，建立一个右手空间直角坐标系OXYZ。 图3-4与静态参考系相固连的空间直角坐标系 2)根据刀具静态角度计算工作角度(表3-4)。 表3-4根据刀具静态角度计算工作角度的公式 表

5、3-4根据刀具静态角度计算工作角度的公式 3)根据刀具动态角度计算静态角度的公式(表3-5)。 表3-5根据刀具工作角度计算静态角度的公式 表3-5根据刀具工作角度计算静态角度的公式 (3)计算实例如图3-5所示，一把体外刃磨的硬质合金端面铣刀， 其主偏角为75，刀体槽的位置参数为：刀槽斜角-7，槽底倾 角15，刀槽偏距e27.35mm，铣刀刀尖处的直径D315mm。 1)本例可将铣刀的几何角度看成是刀齿的工作角度，则由图可见刀齿 的工作参考系相对于刀齿的静态参考系先后依次转动了G、H及L角， 转角分别为 图3-5面铣刀角度换算实例 2)计算刀齿的工作法前角ne 3)根据刀齿工作参考系的转动角

6、度顺序为G、H、L，故计算应按相反 顺序进行： 先考虑转动L角的影响： 其次考虑转动H角的影响： 最后考虑转动G角的影响： 刀齿的主偏角r=rG=rH-G=734008-15=584008 将刀齿法前角换算成前角： (1)铣削力的来源铣削力的来源有两个方面：一是工件切削层金属、 切屑和工件表面层金属的弹性变形和塑性变形所产生的抗力；二是铣 刀与切屑、工件表面之间的摩擦阻力。 (2)铣削力的分解 1)作用在铣刀上的铣削力，即铣刀所承受的铣削合力F可以沿切向、 径向和轴向分解成三个互相垂直的分力，如图3-6所示。 1.铣削力的来源、分解及其影响因素 图3-6铣削力 2)作用在工件上的铣削力， 即工

7、件所承受的铣削合力F，可以沿铣床工作台的进给方向分解为 纵向铣削分力Ff、垂向铣削分力和横向铣削分力Fe。 (3)影响铣削力的因素 1)工件材料对铣削力的影响比较大。 2)铣削用量对切削力的影响是铣削面积越大铣削力越大，在铣削面积 不变的情况下，切下宽而薄的切屑要比切下窄而厚的切屑费力。 3)刀具对铣削力的影响比较大，各种不同的刀具材料因其摩擦系数不 同，会影响铣削力的大小。 4)刀具磨损对铣削力的影响较大，磨损后的铣刀后角等于零，作用在 后刀面的正压力和摩擦力增大，因而铣削力增大，磨损超过一定限度 数值后，铣削力将急剧上升。 (1)用单位铣削力估算铣削力和铣削功率 1)单位铣削力的概念。 2

8、)铣削力和铣削功率估算。 2.铣削力和铣削功率的计算方法 表3-6单位铣削力p(单位：MPa) 表3-7铣削时各铣削分力的比值 解 按材料抗拉强度和每齿进给量查表3-6得单位铣削力3550 MPa，按式(3-2)估算 按式(3-2)Pc=6kW 按效率公式计算最小铣床功率PE=7.5kW (2)用单位材料切除率估算铣削力和铣削功率 1)材料切除率。 表3-8铣削加工切削层参数和金属切削率 2)材料切除率的切削功率。 图3-7加工各种材料时的单位材料切削率的切削功率 计算平均切削厚度 计算材料切削率 由图3-7查得单位切削功率在(6.08.0)10-5kW之间,因材料强 度不高，取pc=6.01

9、0-5kWmin/mm3。 计算铣削功率 计算铣削力 (1)积屑瘤的形成原因在靠近切削刃的一部分刀屑接触区内，由 于正压力很大，使切屑底层金属嵌入前刀面上的微观不平的峰谷内， 形成无间隙的真正的金属间接触而产生粘结现象，这部分刀屑接触 区被称为粘结区。 (2)积屑瘤的特点及其对铣削加工的影响 1)积屑瘤硬度比工件材料高1.52.5倍，可代替切削刃及前刀面进行 切削，有保护切削刃、减小前刀面磨损的作用，但积屑瘤脱落时的碎 片流经刀具工件接触区会造成铣刀后刀面的磨损。 2)在积屑瘤形成后，铣刀的工作前角将明显增大，对减小切屑变形及 降低切削力起到了积极作用。 3)由于积屑瘤突出于切削刃之外，使实际

10、的背吃刀量增大，影响工件 的尺寸精度。 4)积屑瘤会在工件表面造成“犁沟”现象，影响工件的表面粗糙度。 5)积屑瘤的碎片会粘结或嵌入工件表面，造成硬质点，影响工件表面 的质量。 根据以上分析，积屑瘤对切削加工，特别是对精加工是不利的。 (3)控制积屑瘤的措施和方法若能不使切屑底层材料与前刀面发生 粘结或变形强化，即可避免积屑瘤的产生，通常可采取以下方法措施。 1)减小铣刀前刀面的粗糙度。 2)增大铣刀的前角。 3)减小铣削厚度。 4)采用低速或高速切削，避开容易形成积屑瘤的铣削速度。 5)对工件材料进行适当的热处理，提高其硬度，减小塑性。 6)采用抗粘结性能好的切削液(如含硫、氯的极压切削液)

11、。 采用各种新型刀具材料，使得新型铣刀具有更高的强度、硬度和耐磨 性。 (1)粉末高速钢粉末高速钢是用粉末冶金工艺制成，由于碳化物颗 粒小而均匀，可磨削性能优于通用高速钢，淬火变形小，约为熔炼高 速钢的1/21/3，刀具使用寿命比熔炼高速钢高一倍左右，由于目前 价格贵，适用于制造高性能精密铣刀，如汽轮机叶轮的轮槽铣刀、齿 轮滚刀和立铣刀等。 1.新型刀具材料及其应用特点 (2)高速钢表面涂层和强化处理采用物理气相沉积工艺(PVD)，在经 磨光过的高速钢刀具表面，涂一层或多层TiN、TiCN、TiAlN、CrN等 高硬度耐磨层(25m)，可以提高刀具寿命13倍，生产效率提高3 050。 (3)涂

12、层硬质合金涂层硬质合金刀片的产生是近代硬质合金刀具最 重要的进步。 (4)超细晶粒硬质合金超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度、 刃口锋利的硬质合金，其晶粒尺寸小于1m，大部分小于0.5m。 (5)碳、氮化钛基硬质合金碳、氮化钛基硬质合金是以TiC、TiN为 主要成分，再加入其他碳化物或氮化物，以镍、钼为粘结剂烧结而成。 (6)陶瓷陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度(9195HRA)和耐热性， 在1200的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗 粘结和抗扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削。 表3-9陶瓷与硬质合金的性能对比 C-7为美国硬质合金牌号。 表3-10陶瓷材料的分类及主

13、要性能 表3-10陶瓷材料的分类及主要性能 (7)超硬刀具材料超硬刀具材料主要包括天然金刚石、聚晶金刚石 和聚晶立方氮化硼三种。 (1)新型高速钢尖齿铣刀的特点 2.新型刀具结构及其应用特点 1)带孔铣刀外径系列与相应内孔直径尺寸更为合理，既能保证选用较 小直径的铣刀，又能保证铣刀心轴的强度和刚性。 2)铣刀齿数的确定更为合理，适用于粗、精加工不同需要，同时又能 保证铣刀具有尽可能大的容屑空间。 3)铣刀的刀齿和齿背形状有多种形式，以适应各种规模生产的需要， 能够保证足够的刀齿强度、足够的容屑空间，保证排屑顺畅，并具有 必要合理的重磨次数。 图3-8尾端削平型直柄铣刀装夹a)单一螺钉紧固b)双

14、螺钉紧固c)带锁紧销的 双削平型结构 4)带柄铣刀的柄部结构采用多种形式，可以与铣床直接联接安装，也 可以通过铣刀夹头安装。 图3-9螺尾直柄铣刀装夹 5)铣刀的几何参数的设计细化，以适应各种材料切削对铣刀不同几何 参数的要求，主要发展方向为提高铣刀的切削性能和使用寿命，开发 增强切削刃的正前角刀具和大螺旋刀具。 (2)新型高速钢铲齿铣刀的特点图3-10是粗加工铲齿波形刃铣刀， 这是一种高效率粗加工铣刀，采用铲齿结构可保证重磨后切削刃形状 和切削图形不变。 图3-10波形刃铣刀 图3-11波形刃铣刀节距排列 图3-12波形刃铣刀的切削图形 a)弧顶形b)平顶形 (3)新型硬质合金铣刀的特点 1

15、)整体硬质合金铣刀具有结构尺寸小、采用涂层等特点，切削性能好， 刀具寿命可比高速钢铣刀高数十倍，并且可以加工高硬度材料。 图3-13整体硬质合金铣刀 a)2齿精铣立铣刀(?0.10.95mm) b)2齿球头铣刀(?0.10.9mm) c)3齿过中心刃立铣刀(?320mm) d)4齿长型立铣刀(?320mm) 2)采用焊接机械夹固式结构，这种铣刀的硬质合金刀片是焊接在钢 制小刀体上，然后将小刀体夹固在刀体上。 图3-14体外刃磨式面铣刀 a)铣刀结构b)小刀头长度调整 3)硬质合金可转位铣刀是现代铣刀的发展方向，其主要特点为：完全 避免了硬质合金刀片由于焊接和重磨造成的质量问题；大大缩短了换 刀

16、及调整用的停机时间；可采用涂层刀片及其他高性能材料，使生产 效率和刀具寿命大大提高；可以便于各种形式刀片的设计和刀体、刀 片槽形位设计，灵活确定刀具结构和几何参数，制造各种形式的铣刀， 以适应各种材料和各种零件铣削的要求。 (1)硬质合金可转位面铣刀可转位面铣刀有两个系列。 结构比较新的可转位面铣刀有以下几种： 1)硬质合金可转位模块式铣刀。 图3-15硬质合金可转位模块式铣刀 2)帽盖型密齿铣刀。 图3-16帽盖型密齿面铣刀及刀片 a)铣刀b)刀片 1双面波形刃刀片2平刀片 3双面圆弧刃刀片4端面大前角刀片 3)硬质合金可转位重型面铣刀。 图3-17重型面铣刀 (2)硬质合金可转位三面刃铣刀

17、(图3-18)这种铣刀采用三角形带后 角刀片，靠楔块、螺钉夹紧在刀体上。 图3-18可转位硬质合金三面刃铣刀 1左刀片座2右刀片座3刀体4内六角螺钉5螺钉6楔块 7刀片 (3)硬质合金可转位球头立铣刀(图3-19)这种铣刀适用于模具内腔 及有过渡圆弧的外形面的粗加工、半精加工和精加工。 图3-19可转位硬质合金球头立铣刀 (4)硬质合金可转位螺旋齿可换头立铣刀(图3-20) 图3-20硬质合金可转位螺旋齿可换头立铣刀 (5)硬质合金可转位专用铣刀专用硬质合金可转位铣刀类型很多， 应用日益广泛。 1)硬质合金可转位曲轴内铣刀(图3-21a)。 图3-21可转位硬质 合金专用铣刀 a)曲轴内铣刀b

18、)组合铣刀 2)硬质合金可转位组合铣刀(图)。 (6)超硬材料可转位铣刀这类铣刀的刀体结构形式与硬质合金可转 位铣刀相似，所使用的刀片略有不同。 刀具设计的主要任务是： 1)对于大批生产的某些工件，根据规定的加工条件和要求，没有标准 刀具可以选用，或在小批生产、单件生产标准刀具不能满足要求时， 需要专门设计刀具。 2)为提高劳动生产率和加工质量，降低成本，改进现有刀具，设计新 型的刀具。 2.刀具设计、改制的主要内容 (1)工作部分的设计改制 1)选择合理的铣削方式。 2)选择合适的刀具材料。 1.铣刀设计、改制的主要任务 3)选择适宜的几何参数。 4)设计正确的切削刃形状。 5)保证足够大的

19、排屑与容屑空间。 表3-11铣刀齿数系数K值的选择 6)选择重磨表面。 刀具的磨损特性。如尖齿铣刀以后面磨损为主，因此刃磨后刀面； 铲齿铣刀因廓形需要，一般刃磨前刀面。 重磨后能否保证刀具截形(刃形)或者保持直径、长度、宽度尺寸 不变。重磨表面的形状要简单，以便磨得准确和方便检验，磨除的材 料尽可能少，以增加重磨次数，延长刀具使用寿命。 铣刀重磨的技术要求参见表3 12、表3 13。 表3-12铲齿铣刀的刃磨技术要求 7)保证刀齿有足够的强度和刚度。 8)设计合理的刀具结构。 (2)夹持部分的设计改制夹持部分的设计改制主要是确定刀具夹持 部分传递力与转矩的方式。 3.铣刀设计、改制的主要步骤

20、1)分析工件图样铣削加工部位的形状特征、精度要求。 2)在标准铣刀中选择与加工要求相近的刀具，大致确定铣刀的材料、 结构参数和几何参数。 3)分析标准铣刀不适用的因素、利用标准铣刀改制的可能性和可行性。 4)确定改制方案或设计的方案。 5)按设计或改制的方案实施，具体内容和步骤可参见上述设计、改制 的主要内容。 6)制定铣刀改制、制造的简单工艺过程。 7)检验铣刀的制造质量，如尺寸、几何参数等。 8)确定铣刀切削试验方法和条件进行试切削检验。 (1)工件铣削加工部位分析铣削如图3-22所示的推力轴承端面螺旋 面，铣削加工的余量少，螺旋面的导程小，工件的材料为QAl9-4铝青 铜，属于较易切削材

21、料。 (2)加工平面螺旋面的铣削方式分析均布的6个螺旋面与6条均布的 径向圆底封闭直槽通过凸圆弧面连接，形成封闭的油楔，目的是为了 通过压力油产生轴向推力。 1.加工小导程平面螺旋面铣刀设计 (3)选用标准铣刀改制方案若使用标准铣刀，可以采用立式铣刀圆 周刃进行铣削，螺旋面的宽度控制可以通过改制标准铣刀的切削部分 的长度来达到。 图3-22推力轴承零件简图 图3-23改制前后的标准铣刀 a)改制前b)改制后 (4)铣刀改制和试切削效果分析 1)立式铣刀改制方法是将颈部和夹持部分修磨成直柄，柄部直径较小， 可以使用弹簧夹头安装铣刀。 2)T形铣刀改制方法是选择宽度为22mm、直径为49mm的标准

22、错齿T形铣 刀，用工具磨床修磨颈部一侧的切削部分端面，控制长度尺寸与螺旋 面径向宽度一致，为了防止修磨后端面无切削刃引起切削摩擦干涉， 修磨改制时可以参考类似锯片铣刀两侧面偏角的形式，使端面靠近颈 部的部位略低于切削部分外圆部位。 图3-24T形铣刀改制后的试铣削效果分析 a)铣削起始位置b)铣削终止位置 (5)拟订铣刀设计方案参照标准错齿T形铣刀的结构形式，铣刀直径 略小于最大许可直径，颈部长度以刀具柄部能避开工件外圆为宜，齿 数选用与之直径相近的标准铣刀一致，保证铣刀具有足够的刚性和刀 齿强度；铣刀的几何参数可参照相近规格铣刀的几何参数。 (6)具体设计步骤 1)根据工件材料QAl9-4铝

23、青铜的切削性能，选用W18Cr4V高速钢作为 刀具材料。 2)根据类同的标准铣刀几何参数，确定前角为10，后角为15，刃 倾角为10，齿槽角为15，齿背后角为30，切削部分两端具有1 偏角，齿槽深度约为3.5mm。 3)为了便于制造，确定铣刀为整体柄式结构，刀齿为尖齿折线齿背结 构。 4)夹持部分采用莫氏2锥柄，尾端带内螺纹结构。 5)绘制刀具制造简图(图3-25)。 6)制订简单制造工艺：坯件备料车全部粗磨锥柄和铣刀切削部分 外圆铣削齿槽热处理淬火精磨锥柄磨削刀具前后刀面检验 入库。 图3-25螺旋面专用铣刀简图 7)铣刀切削部分的检验可参见错齿三面刃铣刀检验有关内容。 (1)工件铣削加工部

24、位分析铣削如图3-26所示槽盘的径向槽，根据 槽形截面可见，槽的夹角为90，槽底圆弧直径为0.8mm，槽的精度 要求高，表面粗糙度要求也比较高，槽的数量多，为了达到径向槽与 周向槽槽底的高精度连接要求(图3-26)，铣刀的使用寿命必须能达到 一次铣削所有径向槽的要求。 2.加工槽盘径向槽铣刀设计 (2)加工槽盘径向槽的铣削方式分析由图3-26可见，由于槽盘外圆 有高于槽面的斜坡台阶，因此无法使用盘形铣刀铣削，只能选用指形 铣刀加工。 图3-26槽盘零件简图 (3)选用标准铣刀改制方案分析 1)根据铣刀槽底圆弧的尺寸形状要求，可以选用球头指形铣刀改制后 进行铣削加工。 2)根据槽侧斜面的夹角要求

25、，可以选用满足槽口尺寸和槽侧斜度要求 的键槽铣刀改制后进行加工。 3)难点是铣刀球头的半径只有0.4mm，切削刃过中心的要求也比较高， 既不能形成不过中心的负前角切削，又不能过中心太多，影响球头顶 部的强度。 4)若采用高速钢材料整体标准铣刀改制，考虑到工件的材料是1Cr18N i9Ti不锈钢，属于较难切削材料，因此铣刀的使用寿命要达到一次铣 削加工300条径向槽的要求是比较困难的。 根据以上分析，此专用铣刀不宜采用标准铣刀改制。 (4)专用铣刀设计方案选用硬质合金材料制作整体铣刀，指形铣刀 的切削部分按槽形截面设计为圆锥与球面的相切连接，指形铣刀的夹 持部分为直柄结构，由于是采用数控铣床进行

26、加工，因此柄部的形式 应符合数控铣刀系列的规格和精度。 (5)具体设计步骤 1)根据工件的材料(1Cr18Ni9Ti)，以及加工部位尺寸小、刀具切削部 分精度要求比较高的特点，选用超细晶粒硬质合金制作整体硬质合金 指状铣刀。 2)根据同类球头铣刀的几何参数，形成槽形的主切削刃法向前角为5 ，法向后角为10，顶部切削刃过中心约为0.1mm，不得影响球头 的0.4mm直径的球面精度。 3)铣刀的结构参数：夹持部分长度50mm，直径8mm，切削部分长度3.5 mm，直径4mm，主切削刃夹角90对称轴线。 4)制造技术要求：夹持部分外圆与切削部分主切削刃(包括侧斜刃和 顶部球面刃)廓形超精磨削，保证表面粗糙度Ra0.4m以及同轴度为0. 02mm、球面刃与侧刃廓形的连接精度、两齿切削刃的对称度为0.02mm。 5)绘制铣刀简图(图3-27)，用文字说明技术要求。 6)制订简单制造工艺：备料粗磨外形精磨外形粗磨前后刀面 检验廓形精磨前后刀面检验几何参数物理涂层成品检验。 图3-27径向槽专用铣刀简图 7)铣刀试切削方法和条件 选用铣削用量：切削速度vc=