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铣刀的基本知识

点击:2278 日期:2015-11-18 选择字号:

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

()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,rrain

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mmz

(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。

()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。

FpFO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)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FfFeFv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,kwFC——主切削力,N;υC——铣削速度,mmin

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:

切削厚度由薄变厚,即从hD=0hDmax。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。

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。

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。

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:

刀齿的切削厚度由厚变薄,即从hDmaxhD=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23倍。尤其在铣削难加工材料时效果更加明显。

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。

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IT7IT9,表面粗糙度值可达Ra2510μm

(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。


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