8.2.1 铣削加工

    铣削加工是目前应用最广泛的切削加工方法之一，适用于平面、台阶沟槽、成形表面和切断等加工。其加工表面形状及所用刀具如 图8.3 所示。铣削加工生产率高，加工表面粗糙度值较小，精铣表面粗糙度Ra值可达 3.2μm～1.6μm，两平行平面之间的尺寸精度可达IT9～IT7，直线度可达0.08mm/m～0.12mm/m。

    铣刀的每 1个刀齿相当于1把车刀，它的切削基本规律与车削相似，但铣削是断续切削，切削厚度与切削面积随时在变化，所以铣削过程又具有一些特殊规律。

    （齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1)铣削原理

    铣刀刀齿在刀具上的分布有 2种形式，一种是分布在刀具的圆周表面上，一种是分布在刀具的端面上。对应的分别是圆周铣和端铣。

    齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1)铣削要素

    ① 铣削用量要素 铣削用量要素包括背吃刀量 ɑ p ，侧吃刀量 ɑ e ，铣削速度 υ c 和进给量，如图 8.4所示。

图 8.4 铣削用量要素

    A.背吃刀量 ɑ p 平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸为背吃刀量 ɑ p ，单位为 mm。

    端铣时，背吃刀量为切削层深度； 而圆周铣削时，背吃刀量为被加工表面的宽度。

    B.侧吃刀量 ɑ e 垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸为侧吃刀量 ɑ e ， 单位为 mm。端铣时，侧吃刀量为被加工表面宽度；而圆周铣削时，侧吃刀量为切削层深度。

    C.铣削速度 υ c 铣削速度是铣刀主运动的线速度，其值可按下式计算：

υc＝πdn/1000 （8.１）

    式中 d —— 铣刀直径(mm) ，

    n —— 铣刀转速(r/mm) 或(r/s )。

    D.铣削进给量 铣削时进给运动的大小有下列3种表示方法：

    a.每齿进给量ɑ f 每齿进给量是铣刀每转1个刀齿时，工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位为mm/z 。

    b.每转进给量f 每转进给量是铣刀每转1转时，工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位为mm/z 。

    c.进给速度υ f 进给速度是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位为mm/min 。

    三者之间的关系为：

υf＝fn＝ɑfzn （ 8.２）

    式中 z —— 铣刀刀齿数目。

    铣床铭牌上给出的是进给速度，调整机床时，首先应根据加工条件选择ɑ f ，然后计算出υ f ，并按υ f 调整机床。

    ② 铣削切削层要素 铣削时，铣刀相邻2个刀齿在工件上形成的加工表面之间的一层金属层称为切削层，切削层剖面的形状和尺寸对铣削过程有很大的影响。如图8.5所示，切削层要素有以下几个。

    A.切削厚度ɑ c 是指相邻两个刀齿所形成的加工面间的垂直距离。由图 8.5可知，铣削时，切削厚度是随时变化的。

    圆柱铣刀铣削时，当铣削刃转到 F点时，其切削厚度为：

ɑc＝ɑfsinψ （8.３）

    式中 ψ —— 瞬时接触角，它是刀齿所在位置与起始切入位置间的夹角。

    由式（ 8.３）可知，刀齿在起始位置H点时，ψ＝０，因此ɑ c ＝０，为最小值。刀齿即将离开工件到 A点时，ψ＝δ，切削厚度达到最大值。

ɑcmax＝ɑfsinδ (8.4)

    以ψ＝δ／２处的切削厚度作为平均切削厚度ɑ cav ，由图可得：

cosδ＝1-2ɑ e /d

    而 sinδ/2＝

    因此 ɑ cav ＝ɑ f sin（δ/2）＝

    螺旋齿圆柱铣刀铣削时切削刃是逐渐切入和切离工件的，切削刃上各点的瞬时接触角不同，因此切削厚度也不相等，如 图8.6 所示。

    端铣时，刀齿在任意位置时的切削厚度为：

ɑc ＝EFsinkr＝ɑfcosψsinkr

    由于刀齿接触角由最大变为零，然后由零变为最大。因此，刀齿的切削厚度在刚切入工件时为最小，然后逐渐增大，到中间位置为最大，以后又逐渐减小。故平均切削厚度应为：

ɑcav＝ɑfɑesinkr/dδ (8.8)

    B.切削宽度ɑ w 为主切削刃参加工作时的长度，如 图 8.5 和 图 8.6 所示，直齿圆柱铣刀的切削宽度与铣削吃刀量ɑ p 相等。而螺旋齿圆柱铣刀的切削宽度是变化的。随着刀齿切人切出工件，切削宽度逐渐增大，然后又逐渐减小，因而铣削过程较为平稳。

    端铣时，切削宽度保持不变，其值为：

a w ＝a p /sinkr (8.9)

    C.平均切削总面积A cav

    铣刀每个刀齿的切削面积A c ＝ɑ c ɑ w ，铣刀同时有几个刀齿参加切削，切削总面积等于各个刀齿的切削面积之和。铣削时，铣削厚度是变化的，而螺旋齿圆柱铣刀的切削宽度也是变化的，并且铣刀的同时工作齿数也在变化，所以铣削总面积是变化的。铣刀的平均切削总面积可按下式计算：

Acav＝Zw/υc＝ɑpɑeυf/πdn

＝ɑ pɑeɑfZn/πdn＝ɑpɑeɑfZ/πd (8.10)

    2） 铣削力

    ① 铣削合力和分力

    A. 铣刀的铣削合力和分力 铣削时每个工作刀齿都受到切削力，铣削合力应是各刀齿所受切削力相加。由于每个工作刀齿的切削位置和切削面积随时在变化。为便于分析，假定铣削力的合力F r 作用在某个刀齿上，并将铣削合力分解为 3个互相垂直的分力，如 图8.7 所示。

    a. 切向力F y 在铣刀圆周切线方向上的分力，消耗功率最多，是主切削力。

    b. 径向力F x 在铣刀半径方向上的分力，一般不消耗功率，但会使刀杆弯曲变形。

    c. 轴向力F z 在铣刀轴线方向上的分力。

    圆周铣削时， F x 和F y 的大小与螺旋齿圆柱铣刀的螺旋角 有关；而端铣时，与面铣刀的主偏角β有关。

    B. 工件所受的切削力 可按铣床工作台运动方向来分解。如图8.7所示。

    a. 纵向分力F e 与纵向工作台运动方向一致的分力。它作用在铣床纵向进给机构上。

    b. 横向分力F c 与横向工作台运动方向一致的分力。

    c. 垂直分力F v 与铣床垂直进给方向一致的分力。

    （齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1)铣削方式

    齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1) 逆铣和顺铣 圆周铣削有两种铣削方式，如图8.8所示：

a)                          b)

图8.8 圆周铣削方式

a) 逆铣 b) 顺铣

    ①逆铣 铣刀切削速度方向与工件进给方向相反时称为逆铣。

    ②顺铣 铣刀切削速度方向与工件进给方向相同时称为顺铣。

    逆铣时，刀齿的切削厚度从零逐渐增大。铣刀刃口钝圆半径大于瞬时切削厚度时，刀具实际切削前角为负值，刀齿在加工表面上挤压、滑动切不下切屑，使这段表面产生严重的冷硬层。下一个刀齿切入时，又在冷硬层上挤压、滑行，使刀齿容易磨损，同时使工件表面粗糙度增大。

a)                         b)

图 8.9 铣削时工作台丝杆与螺母的间隙

    顺铣时，刀齿的切削厚度从最大开始，避免了挤压、滑行现象。同时切削力始终压向工作台，避免了工件的上下振动，因而能提高铣刀耐用度和加工表面质量。但顺铣不适用于铣削带硬皮的工件。

    如图 6.9所示，逆铣时工件受到的纵向分力F e 与进给运动方向相反，铣床工作台丝杆与螺母始终接触，而顺铣时工件受到的纵向分力 F e 与进给运动方向相同，当纵向分力大于工作台摩擦力时，本来是螺母固定丝杆转动推动工作台前进的运动形式，就会变成由铣刀带动工作台前进的运动形式。由于丝杆与螺母之间有间隙，就会造成工作台窜动，使铣削进给量不均，甚至还会打刀。因此在没有丝杆螺母间隙消除装置的一般铣床上，宜采用逆铣加工。

    2) 对称铣削与不对称铣削 端铣时，根据铣刀相对于工件安装位置不同，可分为对称铣削与不对称铣削，如图8.10所示。

a)                         b)                         c)

图 8.10 端铣的铣削方式

    ①对称铣削 铣刀轴线位于铣削弧长的对称中心位置，切入切出切削厚度一样，这种铣削方式具有较大的平均切削厚度，在用较小的ɑ f 铣削淬硬钢时，为使刀齿超越冷硬层切入工件，应采用对称铣削

    ②不对称逆铣 这种铣削在切入时切削厚度最小，铣削碳钢和一般合金钢时，可减小切入时的冲击