在金属切削加工中，铣刀是最常用的平面加工刀具。铣刀不但能完成简单平面的加工，而且还能完成不同方位平面的加工，或由多个简单平面构成的表面的加工。

铣刀的种类很多，常用的有圆柱铣刀、端铣刀、键槽铣刀、立铣刀、模具铣刀、半圆键槽铣刀、三面刃铣刀、角度铣刀、锯片铣刀等。

本节以圆柱铣刀和硬质合金端铣刀为代表，来讲述铣刀切削部分的几何角度、铣削要素、铣削方式和铣削特点等，并简介其它常用铣刀的结构特点与应用等。

一、铣削运动

铣削的主运动是铣刀的旋转运动。进给运动一般有纵向、横向和垂直进给。

二、铣刀的几何角度

1．圆柱铣刀

圆柱铣刀有直齿和螺旋齿之分，前者切削刃与铣刀轴线平行；后者切削刃与铣刀轴线成一螺旋角Wc，。对于直齿圆柱铣刀，其前、后角在主剖面中表示，由于进给剖面与主剖面重合，故有：

对于螺旋齿圆柱铣刀，为了制造与测量的方便，一般标注法前角γn。法前角γn与前角γo的关系由前述可知，tanγn=tanγocosλs，而后角在主剖面Po内测量，即αo。

铣刀的刃倾角λs，即为铣刀的螺旋角ω。对于直齿圆柱铣刀，λs=0°对于螺旋齿圆柱铣刀，λs=ω。

螺旋齿圆柱铣刀，因螺旋角ω的缘故，铣削时切削刃是逐渐切入、切出工件金属层的，再加上同时工作齿数多，故铣削较直齿平稳，排屑也比较顺利；又因λs=ω，也具有斜角切削的特点，因此实际切削前角γoe比γn大很多，这就大大改善了切削条件。

2．端铣刀

由于端铣刀每一个刀齿即为一把车刀，因此，端铣刀的几何角度与车刀相似。

通过对车刀、钻头和铣刀几何角度的分析可知，尽管它们的结构与形状不同，但以切削刃为单元，则分析它们几何角度的方法和所得的结果是相同的。

3．铣刀几何角度的选择

铣刀几何角度的选择，除遵循第四章刀具几何参数的选择原则外，还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。对于硬质合金端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。

三、铣削要素

(一)铣削用量

如图所示，铣削用量的计算如下。

1．铣削速度

式中do——铣刀的直径，mm； n——铣刀转速，r／rain。

2．进给量f

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fz 指铣刀每转过一个刀齿时，铣刀与工件的相对位移，单位为mm／z。

(2)每转进给量f 指铣刀每转一转时，铣刀与工件的相对位移，即

式中z——铣刀的齿数。

(3)每分钟进给量νf 指铣刀相对于工件每分钟的位移量，即

3．铣削深度ap

指基面内平行于铣刀轴线度量的切削层尺寸。

4。铣削宽度ae

指在垂直于铣刀轴线的平面内度量的切削层尺寸。它是铣削时特有的一个参数，其大小取决于同时工作齿数的多少。

(二)切削层参数

1．圆柱铣刀

(1)切削厚度hD 指铣刀相邻两齿所形成的加工表面问的垂直距离，即

式中 ψ——瞬时接触角， 通常以ψ=δ/2处的切削厚度为平均切削厚度，于是有

式中hDav——铣削时的平均切削厚度，mm。

(2)切削宽度bD 根据定义，切削宽度是在基面内沿加工表面所度量的切削层尺寸。但为研究问题方便起见，常采用实际切削宽度bDs，即铣刀切削刃与工件切削层的实际接触长度。对于直齿圆柱铣刀铣削时，bD=ap=常数，由于每一个刀齿突然切入与切出，故铣削力波动大；对于螺旋齿圆柱铣刀铣削时，由于螺旋角ω的作用，bDs是变化的，刀齿刚切入工件时，bDs很小，以后逐渐增大，切离时又逐渐减小，因而铣削过程较直齿平稳。

(3)平均切削总面积ADav 铣削时的切削总面积为各刀齿切削面积之和。但因铣削时每齿的切削厚度hD是变化的，螺旋齿圆柱铣刀的切削宽度也是变化的，并且同时工作齿数ze也在变化，所以直齿、螺旋齿圆柱铣刀铣削时的切削总面积是变化的，故常用平均切削总面积计算：

式中 Qz——单位时间内的金属切除量； z——铣刀的齿数。

2．端铣刀

(1)切削厚度hD 在端铣时刀齿切入、切出时的切削厚度为最小，在铣刀中心移动的轨迹位置时切削厚度为最大。其任意一点的切削厚度为：

式中 ψ——瞬时接触角，是由铣刀中心移动轨迹分别向切入或切出位置两侧度量的角度。

根据数学推导，平均切削厚度为：

式中δ——切入角(δ1为切出角)。

(2)切削宽度bD 在铣削过程中，切削宽度保持不变。

(3)平均总切削面积ADav

第四次课

四、铣削力

1．作用于铣刀上的铣削力

铣削时，由于切削变形与摩擦，铣刀每一参与切削的刀齿上都受到铣削力。为了实际应用，通常假定各刀齿上的铣削力的合力F作用于某个刀齿上，并将它分解为三个相互垂直的分力。

(1)主切削力FC 它是作用于铣刀圆周切线方向的分力，也称圆周力，消耗功率最多。

(2)径向力Fp 它是作用于铣刀半径方向的分力。它使刀杆弯曲，影响铣削的平稳性。

(3)轴向力FO 它是沿铣刀轴线方向的分力。

Fp与FO的大小，若圆柱铣刀铣削时，则与螺旋角ω的大小有关；若端铣刀铣削时，则与主偏角κr的大小有关。

圆柱铣刀和端铣刀的主切削力FC可按经验公式进行计算。当被加工材料的强度和硬度不同时，需乘以修正系数KFC。

2．作用于工件或工作台上的铣削力

由于机床和夹具设计的需要，以及实际测量的方便，一般将作用在工件(工作台)上的铣削合力F′(F的反力)按纵、横和垂直进给三个方向进行分解。

(1)纵向进给分力Ff 它作用于铣床纵向进给机构上，其方向与纵向进给运动方向平行。

(2)横向进给分力Fe 它作用于铣床横向进给机构上，其方向与横向进给运动方向平行。

(3)垂直进给分力Fv 它作用于铣床工作台升、降机构上，其方向与工作台垂直进给运动方向平行。对于圆柱铣刀铣削，按不同的铣削方式，会使工件抬起或压向工作台；对于端铣刀铣削，正好与Fo相反。

铣削时，各铣削分力与主切削力有着一定的比例关系。若计算出主切削力Fc，就可计算出Ff、Fe和Fv的近似值。

铣削合力F可表示为：

3．铣削功率Pc

铣削中由于主运动消耗的功率最多，因此同车削一样铣削功率可表示为：

式中 PC——铣削功率，kw； FC——主切削力，N；υC——铣削速度，m／min。

五、铣削方式

铣削是断续切削，实际切削面积随时都在变化，因此铣削力波动大，冲击与振动大，铣削平稳性差。但采用合理的铣削方式，会减缓冲击与振动，还对提高铣刀耐用度、工件质量和生产率具有重要的作用。

1．圆柱铣刀铣削

圆柱铣刀在铣削平面时有两种铣削方式。

(1)逆铣：当铣刀切削刃与铣削表面相切时，若切点铣削速度移。的方向与工件进给速度研的方向相反，便称为逆铣。

逆铣有如下特点：

①切削厚度由薄变厚，即从hD=0到hDmax。当切入时，由于刃口钝圆半径大于瞬时切削厚度，刀齿与工件表面进行挤压和摩擦，刀齿较易磨损。尤其当冷硬现象严重时，更加剧刀齿的磨损，并影响已加工表面的质量。

②刀齿作用于工件上的垂直进给分力Fv向上，有挑起工件的趋势，因此要求夹紧可靠。

③纵向进给力Ff与纵向进给方向相反，使铣床工作台进给机构中的丝杆与螺母始终保持良好的左侧接触，故工作台进给速度均匀，铣削过程平稳。

④逆铣时，刀齿是从切削层内部开始的，当工件表面有硬皮时，对刀齿没有直接的影响。

(2)顺铣 当铣刀切削刃与铣削表面相切时，若切点的铣削速度口。的方向与工件进给速度奶的方向相同，便称为顺铣。

顺铣有如下特点：

①刀齿的切削厚度由厚变薄，即从hDmax到hD=O，这样容易切下切屑，刀齿磨损较慢，已加工表面质量高。有些实验表明，相对逆铣，刀具耐用度可提高2～3倍。尤其在铣削难加工材料时效果更加明显。

②刀齿作用于工件上的垂直进给分力Fv，压向工作台，有利于夹紧工件。

③纵向进给分力Ff与纵向进给方向相同，当丝杠与螺母存在间隙时，会使工作台带动丝杠向左窜动，造成进给不均匀，这样一则影响工件表面粗糙度，二则会因进给量突然增大而损坏刀齿。

2．端铣刀铣削

端铣刀在铣削平面时有许多优点，因此在目前的平面铣削中有逐渐以端铣刀来代替圆柱铣刀的趋势。根据端铣刀和工件间的相对位置不同，可分为三种不同的铣削方式。

(1)对称铣削 刀齿切入、切出工件时，切削厚度hD相同的铣削便为对称铣削。一般端铣时常用这种铣削方式。

(2)不对称逆铣 刀齿切入时的切削厚度最小，切出时的切削厚度最大。这种铣削方式切入冲击小，常用铣削碳钢和合金结构钢。

(3)不对称顺铣 刀齿切入、切出时的切削厚度正好与不对称逆铣相反。这种铣削方式可减小硬质合金的剥落破损，提高刀具耐用度，可用于铣削耐热合金和不锈钢。

六、铣削特点

综上所述，铣削过程有如下特点:

(1)生产率高铣削时铣刀连续转动，并且允许较高的铣削速度，因此具有较高的生产率。

(2)断续切削铣削时每个刀齿都在断续切削，尤其是端铣，铣削力波动大，故振动是不可避免的。当振动的频率与机床的固有频率相同或成倍数时，振动最为严重。另外，当高速铣削时刀齿还要经受周期性的冷、热冲击，容易出现裂纹和崩刃，使刀具耐用度下降。

(3)多刀多刃切削 铣刀的刀齿多，切削刃的总长度大，有利于提高刀具耐用度和生产率，优点不少。但也存在下述两个方面的问题：一是刀齿容易出现径向跳动，这将造成刀齿负荷不等，磨损不均匀，影响已加工表面质量；二是刀齿的容屑空间必须足够，否则会损坏刀齿。

(4)铣削方式不同 根据不同的加工条件，为提高刀具耐用度和生产率，可选用不同的铣削方式，如逆铣、顺铣或对称铣、不对称铣。

七、几种常用铣刀的简介

1．尖齿铣刀

尖齿铣刀是应用较多的一种铣刀，它的齿槽是用角度铣刀铣削而成.

(1)立铣刀 主要用在立式铣床上，铣削相互垂直的两平面或凹槽，利用靠模也可加工成形表面等。圆柱面上是主切削刃，端面上是副切削刃，中心处无刃，故一般不宜沿轴线方向进给。主切削刃螺旋角一般取ω=30°～45°，为使副切削刃有足够的强度，需磨出刃带。

(2)键槽铣刀 用于铣削圆头封闭键槽。这种铣刀圆柱面和端面上都有刀齿，且端面刀齿直接延伸到刀具中心。因此，键槽铣刀既可作纵向进给，又可作轴向垂直进给。此外，这种铣刀因齿数少、螺旋角小，故刚度较好。

(3)三面刃铣刀 主要用来加工沟槽或台阶面。它的圆周上是主切削刃，两侧面是副切削刃。三面刃铣刀按结构可分为以下三种。

直齿三面刃铣刀 这种铣刀制造容易，刃磨方便，但由于两侧刃前角γo′=0°，切削条件较差。

错齿三面刃铣刀 这种铣刀相邻刀齿左、右相错，并制成不同倾斜方向，使每一刀齿纹在正前角一侧有端齿。由于螺旋角ω的作用，使切削过程平稳，易于排屑，从而改善了切削条件。

镶齿三面刃铣刀 这种铣刀的特点是将带有齿纹的刀齿镶嵌在刀体的齿槽中。当多次重磨铣刀宽度变小时，可用移动齿纹的方法来恢复刀齿的宽度尺寸。

(4)尖齿铣刀的刃磨 尖齿铣刀磨钝后，一般在万能工具磨床上刃磨刀具的后面。刀齿的前面由支撑片支持着，并由其调节刀齿的位置。为了磨出后角，刀齿应低于铣刀中心，其值H由下式算出：

式中d0——铣刀直径； αo——铣刀后角。

2．硬质合金端铣刀

硬质合金端铣刀与高速钢铣刀相比，不仅适应于高速铣削，而且加工质量也好，所以它是目前应用十分广泛的一类铣刀。按其结构特点可分为如下三种。

(1)整体焊接式 这种铣刀结构紧凑，制造较易。但刀齿一旦破损整把铣刀将报废，故目前较少使用。

(2)机夹焊接式 这种铣刀是将焊接好的硬质合金刀头，用机械夹固的方式装夹在刀体槽中。当刀齿磨损到不能使用或刀头破损报废时，只需按上新刀齿即可，故刀体使用寿命长。

这种铣刀，既可整体刃磨又可体外刃磨。整体刃磨是将整个铣刀装夹在刃磨机上进行刃磨；体外刃磨是将各个刀齿从刀体上拆下后进行单独刃磨。

(3)可转位端铣刀 由于机夹焊接式铣刀结构复杂，缺点较多，故目前已逐渐被可转位硬质合金端铣刀代替。可转位端铣刀，它是将硬质合金刀片直接装夹在刀体槽中，当切削刃磨钝后，将刀片转位或更换新刀片即可继续使用。可转位硬质合金端铣刀具有效率高、寿命长、使用方便、加工质量稳定等优点。

第三次课

§7-2 成形车刀

一、成形车刀的特点与类型

1．成形车刀的特点

成形车刀是用在各种车床上加工内、外回转体成形表面的专用刀具，其刃形是根据零件的廓形设计的。它具有如下特点。

(1)生产率高 利用成形车刀进行加工，一次进给便可完成零件各表面的加工，因此具有很高的生产率。故在零件的成批大量生产中，得到广泛的使用。

(2)加工质量稳定 使用成形车刀进行切削加工，由于零件的成形表面主要取决于刀具切削刃的形状和制造精度，所以它可以保证被加工工件表面形状和尺寸精度的一致性和互换性。一般加工后零件的精度等级可达IT7～IT9，表面粗糙度值可达Ra2．5～10μm。

(3)刀具使用寿命长 成形车刀用钝后，一般重磨前面，可重磨次数多，尤其圆体成形车刀。

(4)刀具制造比较困难，成本高 故单件、小批生产不宜使用成形车刀。

2．成形车刀的类型

最常用的是沿工件径向进给的成形车刀，按其结构与形状可分为平体、棱体和圆体三种。

(1)平体成形车刀 它除了切削刃有一定的形状要求外，结构上和普通车刀相近。因其允许的重磨次数不多，一般仅用于加工螺纹或铲制成形铣刀、滚刀的齿背。

(2)棱体成形车刀 其外形是棱柱体，可重磨次数比平体成形车刀多，刚性也好，但只能用来加工外成形表面。

(3)圆体成形车刀 其外形是回转体，切削刃在圆周表面上分布，与以上两种成形车刀相比，制造方便，允许重磨次数多。既可用来加工外成形表面，又可用来加工内成形表面，使用比较普遍，但加工精度与刚性低于棱体成形车刀。

此 外，还有一种沿加工表面的切线方向切人的切向进给成形车刀。因切削刃相对工件有一定的倾斜角，故加工时是逐渐切入与切出工件的，始终只有一小段切削刃在工 作，从而减小了切削力，切削过程比较平稳。一般用于加工刚性较差的外成形表面。与径向进给成形车刀相比，其切削行程长，生产率较低。

二、成形车刀的前、后角

成形车刀刃形复杂，既有直线也有曲线，各段切削刃主剖面内的前、后角都不相同，故无法用主剖面内的γo、αo来统一表达。为使重磨后刃形不变，其几何角度规定在进给剖面内，即在垂直于工件轴线的端剖面内表示。

成形车刀的名义前、后角(γf、αf)，是当刀具安装在刀夹中，并使切削刃上离工件中心最近的点(称为基准点)与工件中心等高时得到的。制造刀具时，需按名义前、后角之和(γf+αf)磨出前面。

1．棱体成形车刀γf、αf的形成

(1)将棱体成形车刀前面重磨成γf+αf的斜面。 ’

(2)安装时，将成形车刀的基准点与工件中心等高，并使后面与垂直方向倾斜一个αf，这样便可得到要求的名义前、后角。

2．圆体成形车刀γf、αf的形成

(1)将圆体成形车刀前面刃磨成比刀具中心低一个hc。

(2)安装时，将刀具的基准点1’与工件中心o等高，并使刀具中心o′，比工件中心o高一个H。

这样便可得到要求的名义前、后角。

3．成形车刀安装后切削刃上各点前、后角的变化

成形车刀安装后，除基准点1′的前后角为γf、αf外，切削刃上其余各点的前、后角均不等于γf、αf，是按照一定的规律变化的。