高職生認(rèn)知銑削平面用銑刀的難點分解

孫晉梅 王曉萌

中圖分類號：G64DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2204-5640-1474作者簡介：孫晉梅（1969—），女，本科，高級講師，研究方向為機械制造自動化其他學(xué)科。

摘要：隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，銑刀在機械制造業(yè)中的應(yīng)用越發(fā)廣泛，但因銑刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分高職生對銑刀的認(rèn)知不是很清晰。本文堅持化繁為簡的思路，即將復(fù)雜問題簡單化、直觀化，將銑削概念用實例來講解以加深學(xué)生的理解，吸引學(xué)生積極主動思考，準(zhǔn)確把握銑刀的相關(guān)技術(shù)要素。本文將從銑削平面用銑刀的幾何參數(shù)、銑削用量、銑削層參數(shù)、銑削力的分解、銑削方式、銑刀幾何參數(shù)的選擇等方面逐一進(jìn)行難點分解。

關(guān)鍵詞：銑刀幾何參數(shù) ?銑削用量 ?銑削方式??銑削力的分解 ?背前角??側(cè)前角

Decomposition of Difficulties for Higher Vocational Students to Recognize Milling Cutters for Plane Milling

SUN Jinmei1 ?WANG Xiaomeng2

（1.Zaozhuang Technician College， Zaozhuang，?Shandong Province，?277800 China;?2.Shandong Normal University，?Jinan， Shandong Province，?250358 China）

Abstract：?With the rapid development of numerical control technology， milling cutters are widely used in machinery manufacturing industry， but because of the complex structure of milling cutters， part of the higher vocational students' cognition of milling cutters is not very clear.?This paper adheres to the idea of simplifying complex problems， that is， simplifying and visualizing complex problems， and explaining the milling concept with examples to deepen students' understanding， attract students to actively think， and accurately grasp the relevant technical elements of milling cutters. This paper will decompose the difficulties one by one from the geometric parameters of milling cutter for milling plane， milling amount， milling layer parameters， decomposition of milling force， milling mode， selection of geometric parameters of milling cutter， etc.

Key Words： Milling cutter geometric parameters; Milling amount; Milling method; Decomposition of milling force; Tool back angle; Side rake angle

銑刀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，將高職生認(rèn)知的難點做一分解，本文用實例來熟悉相關(guān)的概念，例如，對銑刀幾何參數(shù)的認(rèn)知，先找基面，由定義引申為：回轉(zhuǎn)體類刀具的基面，可以看成過軸線、刃上一點，沿半徑方向的平面;再找切削、測量平面就容易了，更易于區(qū)分各幾何參數(shù);對銑削用量中的背吃刀量、側(cè)吃刀量，借助典型的圓柱和面銑刀的切削層，用定義區(qū)分;對銑削合力分解的各分力，從認(rèn)知在切削中所起的作用，來對其作用力方向等進(jìn)行辨析;對順、逆銑，用生活中簡單的活動來舉例更直觀。

1 銑刀的幾何參數(shù)

1.1圓柱銑刀幾何參數(shù)

如圖1所示，所有刀刃上各點均有可能轉(zhuǎn)到中心位置，取中心位置的刀刃上的點分析，由基面引申理解，找過該點、中心軸線的水平平面確定為該點的基面，切削平面由定義可判斷就是圖中頁面的平面，其他平面，前、后角即可判斷出，而刃傾角λs（即切削平面內(nèi)測量的主切削刃與基面間的夾角）和螺旋角ω（即切削刃螺旋線展開成直線與銑刀軸線間所夾的角度）相等，直齒銑刀則為0°。螺旋角增大，實際前角增大，切削輕快平穩(wěn)，形成螺旋屑，排屑容易，防止切屑堵塞。

1.2面銑刀的幾何參數(shù)

如圖2所示，先來區(qū)分切削刃，在圓周上的切削刃主要承擔(dān)全部切削任務(wù)，為主切削刃;位于端面上的切削刃為副切削刃，盡管是面銑刀，但不要誤解。假定刀尖這點恰好轉(zhuǎn)到正右方位置，過該點和軸線的平面即圖示紙面就是該點的基面;若該點轉(zhuǎn)到正前方位置，則過該點和軸線，垂直于圖示紙面的平面為該點的基面，假定工作平面為水平面，背平面為圖示紙面，三個面相互垂直，同時比其他刀具增加了背前角γ_p（前刀面繞副切削刃向左偏為負(fù)值;向右偏為正值）和側(cè)前角γ_f（前刀面繞主切削刃向左偏為負(fù)值;向右偏為正值），該二角度用于切削中，是否考慮讓刀刃或刀尖避免沖擊？以延長銑刀的壽命，原本銑刀刀齒就屬斷續(xù)切削，受機械、熱沖擊影響。其他角度很容易找出。^[1]

2 銑削用量

銑削用量包括銑削速度v_c：πdn/1000m/min、背吃刀量a_p、側(cè)吃刀量a_e、進(jìn)給運動參數(shù)（進(jìn)給速度v_f進(jìn)給量f、每齒進(jìn)給量f_z）。

2.1進(jìn)給運動參數(shù)

進(jìn)給速度v_f（mm/min）：每分鐘銑刀在進(jìn)給運動方向上相對工件的位移量;進(jìn)給量f（mm/r）：銑刀轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，相對工件在進(jìn)給運動方向上的位移量：每齒進(jìn)給量f_z（mm/齒）：銑刀轉(zhuǎn)過一個齒，相對工件在進(jìn)給運動方向上的位移量;銑刀上的刀齒為z，銑刀每分鐘轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)，則進(jìn)給速度v_f=f·n=f_z·z·n

2.2背吃刀量a_p與側(cè)吃刀量a_e

背吃刀量a_p：如圖3所示，背吃刀量是平行于銑刀軸線測量的切削層尺寸。端銑時，a_p為切削層深度;圓周銑時，a_p為被加工表面的寬度。

側(cè)吃刀量a_e：如圖3所示^[2]，側(cè)吃刀量是垂直于銑刀軸線并垂直于進(jìn)給方向測量的切削層尺寸。圓周銑時，a_e為切削層的深度;對面銑刀，a_e為被加工表面寬度。

3 切削層參數(shù)

3.1切削層公稱厚度h_D

在基面中測量的相鄰刀齒主切削刃運動軌跡間的距離，如圖4所示。圖4a：周銑，h_D =f_zsinψ;端銑，h_D=f_zcosψ·sinκ_r。周銑逆銑時開始切入時，切削層公稱厚度為0mm，切出時厚度最大。圖4b：端銑，對稱銑削時，切入、切出厚度相同且較薄，刀刃切到工件寬度的中心處，切削層公稱厚度最厚，h_Dmax=f_zsinκ_r。

3.2切削層公稱寬度b_D

如圖4所示，圖4（a）為切削刃參加工作長度。直齒圓柱銑刀，b_D=a_p;螺旋齒圓柱銑刀加工時，由于螺旋角影響，從切入工件后，b_D由零逐漸增大至最大值，然后又逐漸減小至零。刀刃逐漸切入、切出，切削過程平穩(wěn)。如圖4（b）所示，端銑時b_D=a_p/sinκ_r^[3]。

4 銑削方式

逆銑和順銑：銑刀每一刀齒在工件切入處的切削速度與工件進(jìn)給運動方向相反，為逆銑，反之，則為順銑。

4.1周銑

周銑的順銑相當(dāng)于用鋤頭鋤草，從上表面開始鋤，表面有磚塊、石子對鋤頭磨損嚴(yán)重，同樣銑刀從表面開始銑，表面有硬皮也如此;逆銑相當(dāng)于用鐵锨鏟土，由鏟出的里層往表面鏟，表面有磚塊、石子直接翻上帶出，不會直接對鐵锨產(chǎn)生磨損，同樣，銑刀從里層往表面銑，表層有硬皮對銑刀不會有影響。

逆銑：切削厚度由零漸大，與工件表面擠壓摩擦，表面質(zhì)量差;垂直向上銑削分力，使工件彎曲變形。銑削時，向左的水平分力作用于工作臺上，間接地作用在絲杠上，使絲杠螺紋牙型左側(cè)頂靠在螺母螺紋牙型右側(cè)上，及時消除了絲杠、螺母的間隙，適于有硬化層工件的粗加工，如圖5（a）所示。

順銑：切削厚度由大變小;垂直向下的銑削分力，利于工件的夾緊;因水平銑削分力與進(jìn)給方向一致，當(dāng)進(jìn)給絲杠與螺母有間隙時，間接地作用在絲杠上的水平分力易拉動工作臺竄動，出現(xiàn)“啃刀”。適于無硬化層的精加工。如圖5（b）圖所示^[4]

4.2端銑

用端銑刀的端面刀齒加工平面，稱為端銑法。端銑法可以分為對稱銑與不對稱逆銑、不對稱順銑三種方式，如圖6所示，由h_D=f_zcosψ·sinκ_r可知，銑刀切削刃離銑刀水平中心平面越近，切削層厚度越厚，反之切削層厚度越薄。對稱銑：切入切出切削層厚度相同，銑淬硬鋼采用，如圖6（a）所示;不對稱逆銑：切入切削厚度小，切出大，銑碳鋼和合金鋼用，減小切入沖擊，增加刀具壽命，如圖6（b）所示;不對稱順銑：切入切削厚度大，切出切削厚度小，銑不銹鋼和耐熱合金用，可減輕加工硬化，如圖6（c）所示。

5 銑削力及分解

5.1概念

5.1.1 銑刀總銑削力F

如圖7所示，銑刀總銑削力F，即工件抵抗刀具切削所產(chǎn)生的阻力，分解為3個互相垂直的分力。（1）切削力F_c：總切削力在銑刀主運動方向的分力。（2）垂直切削力F_cn：在假定工作平面內(nèi)，總切削力在垂直于主運動方向的分力。（3）背向力F_p：總切削力在垂直于假定工作平面的分力。

5.1.2 銑削力的合成

5.2 區(qū)分各分力

5.2.1區(qū)分基面P_r、假定工作平面P_f和背平面P_P

基面P_r：過切削刃選定點，與該點假定主運動方向垂直的平面。銑刀做回轉(zhuǎn)主運動，所以基面可認(rèn)為過軸線，且過刃上選定點，沿半徑方向的平面。如圖7（a）所示，因為銑刀半徑比側(cè)吃刀量大得多，圖7（a）中的刃上選定點比銑刀軸線低，所以該點基面相對水平面沿刀的半徑方向稍向下傾斜，看成是斜放直四棱柱的上表面;圖7（b）中的基面則是沿水平斜放的直四棱柱的左側(cè)面，即過刃上選定點，沿銑刀半徑方向的平面。

假定工作平面P_f：過刃上選定點，與假定進(jìn)給方向平行，且與該點基面垂直的平面，就是圖7（a）中的左側(cè)面;圖7（b）中的水平面。

背平面P_P：既與基面，又與假定工作平面垂直的平面，即圖7（a）、圖7（b）中，直四棱柱的前面。

5.2.2找各分力

切削力F_c：即沿刃上選定點，銑刀旋轉(zhuǎn)的切線方向的作用力，它消耗功率最多。

垂直切削力F_cn：位于圖7（a）中的左側(cè)面、圖7（b）中的水平面即假定工作平面P_f內(nèi)，且垂直于切削力F_c，它使刀桿產(chǎn)生彎曲。

背向力F_p：垂直于假定工作平面上的分力，如圖7（a）、圖7（b）中，可看成沿銑刀軸線方向的分力。

F_cn、F_p的大?。褐茔?，與圓柱銑刀的螺旋角ω有關(guān);端銑，與面銑刀的主偏角κ_r有關(guān)。

5.2.3分力的意義

如圖8所示，伸出右手，手心對自己，四指沿軸線方向，齒線與拇指方向相同為右旋，如圖8（a）圖所示，反之為左旋，如圖8（b）圖所示。銑刀如圖示方向旋轉(zhuǎn)，銑削時，圖8（a）中，左旋銑刀會受到銑削工件抵抗而對其產(chǎn)生向左的背向力F_p，增大銑刀刀桿柄部與銑床主軸錐孔的摩擦力，利于夾緊銑刀;圖8（b）中，右旋銑刀會受到切削工件抵抗而對其產(chǎn)生向右的背向力，有將銑刀向右從主軸錐孔拔出的趨勢，并加快了支承刀桿右端的懸梁支架軸承的磨損。螺旋角ω越大，F_p越大，F_cn越小;反之則相反。

如圖9所示，面銑刀銑削平面時，銑削工件作用在面銑刀上的背向力和垂直切削力，會受主偏角κ_r的影響，κ_r越小，銑刀受到的背向力，即作用在銑刀軸線方向的力越大，而垂直切削力越小，即作用于垂直于銑刀軸線方向的力越小^[5]。

6 銑刀幾何參數(shù)的選擇

可轉(zhuǎn)位面銑刀幾何角度中除去常用的在正交、切削平面等測量的各角度外，因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，背前角γ_p、側(cè)前角γ_f、主偏角κ_r對其影響也頗大。

6.1背前角γ_p和側(cè)前角γ_f的選擇

6.1.1正前角型：正、側(cè)前角均為正值

如圖9所示，正前方的刀齒，正前角為正，其前刀面的位置，可看成繞副切削刃向右偏離，比基面即中心平面低;側(cè)前角為正，其前刀面的位置，可看成繞主切削刃向右偏離，比基面低。銑削時，銑刀刀尖先碰到工件材料，對刀尖有沖擊。特點：采用帶后角的刀片，切削輕快、排屑容易，但切削刃強度差，在切削刃上磨出負(fù)倒棱，提高其強度。適于加工普通鋼、鑄鐵、不銹鋼和非鐵材料。通常γ_p=7°，γ_f=0°;銑削鋁合金：γ_p=15°，γ_f=14°。

6.1.2負(fù)前角型：正、側(cè)前角均為負(fù)值

如圖9所示，正前方的刀齒，正前角為負(fù)，其前刀面的位置，可看成繞副切削刃向左偏離，比基面即中心平面高;側(cè)前角為負(fù)，其前刀面的位置，可看成繞主切削刃向左偏離，比基面高。銑削時，銑刀刀尖最后碰到工件材料，減少對刀尖的沖擊。采用不帶后角，兩面均可使用的刀片，刀片利用率高。適于加工粗銑鑄鋼、鑄鐵和高硬度、高強度鋼。但銑削時，切削力大，功率消耗多，機床動力和剛性足夠。通常γ_p=-5°～-10°，γ_f=-3° -10°。

6.1.3正負(fù)前角型：正、側(cè)前角分別正、負(fù)

如圖9所示，正前方的刀齒，正前角為正，其前刀面的位置，可看成繞副切削刃向右偏離，比基面即中心平面低;側(cè)前角為負(fù)，其前刀面的位置，可看成繞主切削刃向左偏離，比基面高。切削時，靠近副切削刃，前刀面遠(yuǎn)離刀尖位置先接觸工件材料，既保證切削刃具有足夠耐沖擊性，又不致使切削力過大。負(fù)的側(cè)前角能保證切入時前面和工件接觸點遠(yuǎn)離刀尖，正前角利于切屑從過渡表面排出。通常γ_p=0°～10°，γ_f=0°～-10°^[6]。

6.2主偏角κ_r的選擇

如圖10（a）、圖10（b）、圖10（c）所示，主偏角κ_r=90°、κ_r=45°和圓刀片的面銑刀，當(dāng)ψ=0°時，h_Dmax=f_z·sinκ_r。

主偏角κ_r=90°面銑刀銑削時，銑刀受到的背向力為零，即不會產(chǎn)生對被加工表面的垂直進(jìn)給力，受到垂直切削力很大，適于銑削低強度結(jié)構(gòu)或薄壁工件以及獲得直角邊方肩銑。

主偏角κ_r=45°面銑刀銑削時，進(jìn)給力和垂直進(jìn)給力大小接近相等，且使銑刀受到的垂直切削力減小，切削平穩(wěn)，銑削厚度減小，機床功率消耗相對較小。銑刀開始切入時較輕快。當(dāng)用大懸伸或小刀柄刀具銑削時，會減弱振動趨勢。適于普通用途端銑及短切屑材料銑削。

圓刀片面銑刀隨背吃刀量不同，刀片的主偏角和切削負(fù)載均會變化。刀片有非常堅固切削刃，可多次轉(zhuǎn)位使用。因平均主偏角小，可采用高進(jìn)給率，是高金屬切除率的粗加工銑刀，適用于耐熱合金和鈦合金加工以及大余量、高進(jìn)給加工。

7結(jié)語

本文從銑刀幾何參數(shù)及選擇、銑削用量、銑削方式、銑削力及分解等方面對銑削平面用銑刀的認(rèn)知難點進(jìn)行分解，將銑削術(shù)語，結(jié)合實例直觀、比較認(rèn)知，如背吃刀量、側(cè)吃刀量＼背前角、側(cè)前角，切削力、垂直切削力、背向力＼逆銑、順銑等，更易于扎實、準(zhǔn)確掌握。

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