2.3　铣削加工

1.铣削加工的特点及应用

在铣床上用铣刀对工件进行切削加工的过程称为铣削。铣削是金属切削加工中常用的方法之一。铣削加工是应用相切法成形原理，用多刃回转体刀具在铣床对平面、台阶面、斜面、成形面、沟槽、螺旋槽、分度零件（齿轮、链轮、花键轴等）、切断以及刻线等，如图2-38所示。也可在铣床上安装孔加工刀具（如钻头、铰刀和镗刀）来加工工件上的孔。铣削加工时，铣刀的旋转运动是主运动，铣刀或工件沿坐标方向的直线运动或回转运动是进给运动。不同坐标方向运动的配合联动和不同形状刀具相配合，可以实现不同类型表面的加工。

铣削加工可以对工件进行粗加工和半精加工。其加工精度可达IT9～IT7，精铣表面粗糙度为Ra1.6～3.2µm。故此，一般来说，铣削属于粗加工和半精加工的范畴。

铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀，同时多齿参加切削，就其中一个刀齿而言，其切削加工特点与车削基本相同。但就整体刀具的切削过程而言又有其特殊之处，主要表现在以下几个方面：

1）铣削加工生产率高

由于多个刀齿参与切削，切削刃的作用总长度长，每个刀齿的切削载荷相同时，总的金属切除率就会明显高于单刃刀具切削的效率。

2）断续切削

铣削时，每个刀齿依次切入和切出工件，形成断续切削，切入和切出时会产生冲击和振动。此外，高速铣削时，刀齿还经受周期性的温度变化即热冲击的作用。这种热和力的冲击会降低刀具的耐用度。振动还会影响已加工表面的粗糙度。

3）容屑和排屑

由于铣刀是多刃刀具，相邻两刀齿之间的空间有限，每个刀齿切下的切屑必须有足够的空间容纳并能够顺利排出，否则会造成刀具破坏。

4）效率和刀具耐用度

同一个被加工表面可以采用不同的铣削方式和不同的刀具，来适应不同工件材料和其他切削条件的要求，以提高切削效率和刀具耐用度。

2.铣削用量及其选择

铣削时，铣刀相邻的两个刀齿在工件上先后形成的两个过渡表面之间的一层金属层称为切削层。铣削时切削用量决定切削层的形状与尺寸。切削层的形状和尺寸对铣削过程有很大的影响。

铣削用量包括背吃刀量ap、侧吃刀量ac、铣削速度vc和进给量f，如图2-39所示。根据切削刃在铣刀上分布位置不同，铣削可分为圆周铣削和端面铣削，切削刃分布在刀具圆周表面的切削方式称为圆周铣削；切削刃分布在刀具端面上的铣削方式称为端面铣削。

1）背吃刀量ap

背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的吃刀量，即平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。

2）侧吃刀量ac

侧吃刀量是在平行于工作平面并与切削刃基点的进给运动垂直的方向上测量的吃刀量，即垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。

3）铣削速度vc

铣削速度为铣刀主运动的线速度，单位为m/min；其值可用下式计算

式中：d——铣刀直径（mm）；

n——铣刀转速（r/min）。

4）进给量

进给量是铣刀与工件在进给方向上的相对位移量。它有三种表示方法。

（1）每齿进给量af：是铣刀每转一个刀齿时，工件与铣刀沿进给方向的相对位移量，单位为mm/z。

（2）每转进给量f：是铣刀每转一转时，工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位为mm/r。

（3）进给速度vf：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

vf=fn=afzn　　（2-9）

式中：z——铣刀刀齿数。

铣床铭牌给出的是进给速度，调整机床时，首先应根据加工条件选择af或f，然后计算vf，并按照vf调整机床。

3.铣刀

1）铣刀的类型

铣刀是金属切削刀具中种类最多的刀具之一，根据不同的分类方法，可将铣刀分为如下几类。

（1）按铣刀的切削部分材料的不同，可将铣刀分为高速钢铣刀和硬质合金铣刀。

①高速钢铣刀。这类铣刀是目前广泛应用的铣刀，尤其是形状比较复杂的铣刀，大都是用高速钢制造。高速钢铣刀大都做成整体的。

②硬质合金铣刀。端面铣刀很多是采用硬质合金做刀齿或刀齿的切削部分，目前可转换硬质合金刀片的广泛应用，使硬质合金刀在铣刀上应用日益广泛。硬质合金铣刀大多数不是整体的。

（2）按结构不同，可将铣刀分为整体式、焊接式、装配式与可转位式。

（3）按用途的不同，可将铣刀分为加工平面的、加工成形面的和加工沟槽的铣刀。

①加工平面的铣刀。加工平面用的铣刀有圆柱铣刀和端铣刀两种，如图2-40所示。加工较小的平面也可用立铣刀和三面刃铣刀进行。

②加工成形面的铣刀。成形铣刀是根据成形面的形状而专门设计的一种铣刀。例如半圆形铣刀和专门加工叶片内弧用的成形铣刀，如图2-41所示。

③加工沟槽的铣刀。常用的有盘形铣刀、锯片铣刀、键槽铣刀和立铣刀等，加工特形槽的有T槽铣刀、燕尾槽铣刀和角度铣刀等，如图2-42所示。

（4）按齿背形式分类，可将铣刀分为尖齿铣刀和铲齿铣刀。

①尖齿铣刀。尖齿铣刀在垂直于刀刃的截面上，其齿背的截面形状是直线齿背、折线齿背和曲线齿背三种刀齿齿背组成，如图2-43所示。尖齿铣刀的特点是用钝后需重磨后面，制造和刃磨较困难，但刀具耐用度和加工表面质量高，适合于在大批量生产中使用。

②铲齿铣刀。铲齿铣刀的齿背是用成形铣刀按阿基米德螺旋线铲出的，重磨时只需要磨前面即可保证刃形不变，刃磨方便，广泛用于成形铣刀。

2）铣刀的应用

（1）圆柱铣刀。圆柱铣刀仅在圆柱表面上有直线或螺旋线切削刃（螺旋角β=30°～45°），没有副切削刃，如图2-40（a）所示。圆柱铣刀一般用高速钢整体制造。它用于卧式铣床上加工面积不大的平面。国家标准《圆柱形铣刀第1部分：型式和尺寸》（GB/T 1115.1—2002）中规定，圆柱铣刀直径有50mm、63mm、80mm、100mm四种规格。

（2）端铣刀。面铣刀主切削刃分布在圆柱或圆锥表面上，端部切削刃为副切削刃，如图2-40（b）所示。按刀齿材料可分为高速钢和硬质合金两类。端铣刀多制成套式镶齿结构，可用于立式或卧式铣床上加工台阶面和平面，生产效率较高。

（3）立铣刀。立铣刀一般由3～4个刀齿组成，圆柱面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，而不能沿铣刀轴线方向做进给运动，如图2-42（a）所示。它主要用于加工凹槽、台阶面和小的平面，还可以利用靠模加工成形表面。

（4）盘形铣刀。盘形铣刀包括三面刃铣刀、槽铣刀两种类型。三面刃铣刀除圆周具有主切削刃外，两侧面也有副切削刃，从而改善了两端面的切削条件，提高了切削效率，但重磨后宽度尺寸变化较大，如图2-42（b）所示。三面刃铣刀可分为直齿三面刃和错齿三面刃，主要用于加工凹槽和台阶面。直齿三面刃铣刀两副切削刃的前角为零，切削条件较差。错齿三面刃铣刀，其圆周上刀齿交替倾斜，左、右螺旋角β两侧刀刃形成正前角，它比直齿三面刃切削平稳，切削力小，排屑容易。

（5）键槽铣刀。键槽铣刀只有两个刀瓣，圆柱面和端面都有切削刃，如图2-42（c）所示。加工时，先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向铣出键槽全长。主要用于加工圆头封闭键槽。

（6）角度铣刀。角度铣刀有单角铣刀和双角铣刀两种，如图2-42（f）所示。主要用于铣削沟槽和斜面。

（7）锯片铣刀。锯片铣刀仅在圆柱表面上有刀齿，侧面无切削刃，如图2-42（g）所示。为减少摩擦，两侧面磨出L°的副偏角（侧面内凹），并留有0.5～1.2mm棱边，重磨后宽度变化较小。可用于加工IT9级左右的凹槽和键槽。

（8）成形铣刀。成形铣刀如图2-38（j）所示。主要用于加工成形表面，其刀齿廓形根据被加工工件的廓形来确定。

（9）模具铣刀。模具铣刀如图2-38（k）所示。主要用于加工模具型腔或凸模成形表面，其头部形状根据加工需要可以是圆锥形、圆柱形球头和圆锥形球头等形式。

4.铣床

铣床的类型很多，主要有升降台铣床、工作台不升降铣床、龙门铣床、工具铣床等。此外还有仿形铣床、仪表铣床和各种专门化铣床。随着数控技术的应用，数控铣床和以镗削、铣削为功能的镗铣加工中心得到越来越普遍的应用。

1）普通铣床

升降台铣床是普通铣床中应用最广泛的一种类型。其结构特征是安装工件的工作台可在相互垂直的三个方向上调整位置，并可在各个方向上实现进给运动，如图2-44所示。安装铣刀的主轴做旋转运动。升降台铣床可用来加工中小型零件的平面、沟槽，配置相应的附件可铣削螺旋槽、分齿零件等。因而广泛用于单间小批量生产车间、工具车间及机修车间。

根据主轴的布置形式，升降台可分为卧式和立式两种。

XA6132型卧式升降台铣床。XA6132型铣床是目前最常用的铣床，其机床结构比较完善，变速范围大，刚性好，操作方便，如图2-44所示。其与普通升降台铣床的区别在于工作台与升降台之间增加一回转盘，可使工作台在水平面上回转一定角度。

XA6132型铣床传动系统如图2-45所示。该铣床主运动共有18种不同的转速。其进给运动由单独电动机驱动，经相应的传动链将运动分别传至纵、横、垂直进给丝杠，实现三个方向的进给运动。快速运动由进给电动机驱动，经快速空行程传动链实现。工作台的快速运动和进给运动是互锁的，进给方向的转换由进给电动机改变旋转方向实现。

铣床主轴用于安装铣刀并带动其转动，由于铣削力是周期性变化的，容易引起振动，因此要求主轴部件有较高的刚性及抗震性。

图2-46所示为XA6132型铣床的主轴部件。主轴2采用三支承结构，前支承4与中间支承3均为圆锥滚子轴承，用于承受径向力及轴向力。后支承1为单列向心球轴承，仅承受径向力。主轴2为一空心轴，其前端为锥度1∶24的精密定心锥孔，用于安装端铣刀刀柄或铣刀刀杆的柄部。前端的端面上装有两个矩形的端面键5，用于嵌入铣刀柄部的缺口中，以传递扭矩。主轴中心孔用于穿过拉杆，拉紧刀杆。

2）其他铣床

（1）工作台不升降铣床。这类铣床的工作台不做升降运动，机床的垂直进给运动由安装在立柱上的主轴箱做升降运动来完成。工作台不升降铣床根据机床工作台面的形状可分为圆形工作台和矩形工作台两类。圆形工作台铣床通常在工作台上安装几套夹具，工作台每转一个工位加工一个工件，装卸工件的辅助时间与加工时间重合，因而生产效率较高。它适用于成批大量生产中铣削中小型工件的平面。

（2）龙门铣床。龙门铣床是一种大型高效通用机床，如图2-47所示。它在结构上呈框架式布局，具有较高的刚度和抗震性。在横梁及立柱上均安装有铣削头，每个铣削头都是一个独立的主运动部件，其中包括单独的驱动电动机、变速机构、传动机构、操纵机构及主轴等部分。加工时，工作台带动工件做纵向进给运动，其余运动由铣削头实现。

龙门铣床主要用于大中型工件的平面、沟槽加工，可以对工件进行粗铣、半精铣，也可以进行精铣加工。由于龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工几个表面，所以它的生产效率很高，在成批和大量生产中得到广泛的应用。

（3）万能工具铣床。万能工具铣床的横向进给由主轴座的移动来实现，纵向及垂直方向进给运动由工作台及升降台的移动来实现，如图2-48所示。万能工具铣床除了能完成卧式铣床和立式铣床的加工外，配备固定工作台、可倾斜工作台、回转工作台、平口钳、分度头、立铣头、插销头等附件后，可大大增加机床的万能性。它适用于工具、刀具及各种模具加工，也可用于仪器仪表等行业加工形状复杂的零件。

5.铣削加工方法

根据铣削时切削层参数的变化规律不同，圆周铣削有逆铣和顺铣两种形式，如图2-49所示

1）逆铣

铣削时，铣刀切入工件时的切削速度方向与工件的进给方向相反，这种铣削方式称为逆铣，如图2-49（a）所示。逆铣时，刀齿的切削厚度从零逐渐增大。刀齿在开始切入时，由于切削刃钝圆半径的影响，刀齿在工件表面打滑，产生挤压和摩擦，使这段表面产生严重的冷硬层。至滑行到一定程度时，刀齿方能切下一层金属层。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。此外，逆铣加工时，当接触角大于一定数值时，垂直铣削分力向上易引起振动。

2）顺铣

铣削时，铣刀切入工件时的切削速度方向与工件的进给方向相同。这种铣削方式称为顺铣，如图2-49（b）所示。顺铣时，刀齿的切削厚度从最大逐渐减小到零，避免了逆铣时的刀齿挤压、滑行现象，使已加工表面的加工硬化程度大为减轻，表面质量也较高，刀具耐用度也比逆铣时高。同时垂直方向的切削分力始终压向工作台，避免了工件的振动。

由于铣床工作台的纵向进给方向一般是依靠丝杠和螺母来实现的。螺母固定，由丝杠转动带动工作台移动。逆铣时，纵向切削分力与驱动工作台移动的纵向分力相反，使丝杠与螺母间传动面始终贴紧，工作台不会发生窜动现象，铣削过程较平稳，如图2-50（a）所示。

顺铣时，铣削力的纵向分力方向始终与驱动工作台移动的纵向力方向相同。如果丝杠与螺母传动副中存在间隙，当纵向铣削分力大于工作台与导轨之间的摩擦力时，会使工作台带动丝杠出现窜动，造成工作台振动，使工作台进给不均匀，严重时会出现打刀现象，如图2-50（b）所示。因此，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，或采取其他有效措施。因此在没有丝杠螺母间隙消除装置的铣床上，宜采用逆铣加工。

综合上述比较，顺铣可减小工件表面粗糙度值，尤其适用于铣削不易夹紧或薄壁工件，铣刀寿命可比逆铣提高2～3倍，但采用顺铣法不宜加工有硬皮的工件。另外，采用顺铣时，工作台丝杠、螺母传动副间需要配有间隙调整机构，以免造成工作台窜动。

3）对称铣削与不对称铣削

端面铣削根据铣刀对工件相对位置的不同，可以分为对称铣削、不对称逆铣和不对称顺铣，如图2-51所示。

铣刀轴线位于铣削弧长的对称中心位置，铣刀每个刀齿切入和切离工件时的切削厚度一样，这种铣削方式称为对称铣削。否则称为不对称铣削。对称铣削方式具有较大的平均切削厚度，在用较小进给量铣削淬硬钢时，为使刀齿超越冷硬层切入工件，应采用对称铣削。

在不对称铣削中，若切入时的切削厚度小于切出时的切削厚度，称为不对称逆铣，这种铣削方式切入冲击较小，适用于端铣普通碳钢和高强度低合金钢。若切入时厚度大于切出时的切削厚度，则称为不对称顺铣，这种铣削方式用于铣削不锈钢和耐热合金时，可减少硬质合金的剥落磨损，提高切削速度40％～60％。