浅谈铣刀和铣削用量的合理选择对数控加工的影响

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      对于高的金属切除率、高的加工精度和良好的加工表面质量是金属切削加工永恒不变的追求。随着制造技术的不断发展，金属切削技术进入了一个高速切削的阶段，数控机床的主轴转速和进给速度不断提高，使得数控加工对于刀具的要求越来越高，而刀具的刚性、强度、耐用度和安装调整方法都会直接影响切削加工的工作效率，刀具本身的精度、尺寸稳定性都会直接影响工件的加工精度及其表面加工质量。切削用量的合理选择不但可以决定刀具的使用寿命，而且切削用量的合理选择对于提高生产率、提高加工精度、提高表面质量和降低生产成本也起着决定性作用。
      1 合理的选择刀具材料
      刀具材料是刀具切削部分的材料。高速切削的过程中，刀具材料与工件接触的时间减少，但接触频率增高，因此在金属切削过程中，刀具承受着来自工件的巨大的冲击力和摩擦力，并且在铣削过程中将产生出大量的热量不断地向刀具传递。因此作为数控铣削刀具必须具有高硬度（一般刀具材料必须比工件材料的硬度大2~4倍）、高韧性（即能承受高的冲击力）、高耐磨性、高耐热性和良好的工艺性。在数控铣床上常见的铣刀材料有：①金刚石和立方氮化硼；②陶瓷刀具；③硬质合金钢；④高速钢。不同的刀具材料它的硬度、韧性、耐磨性、耐热性均不相同。在切削加工过程中，根据不同的加工要求应选择不同的刀具材料，例如：陶瓷材料，其材料轻，有高的硬度、高的耐磨性、高的耐热性，其允许的切削速度为硬质合金钢的2~3倍，但陶瓷刀具脆性大，抗弯、抗冲击的能力差，故粗加工一般不使用它。不同的刀具材料或同种刀具加工不同的工件材料时刀具的寿命往往会存在很大的差别，因此每一品种的刀具材料都有其最佳的加工对象，也即存在切削刀具材料与加工对象的合理匹配问题，匹配即物理、化学相匹配以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工效率。下面将这几种刀具材料的物理、化学性质比较结果罗列如下：①刀具材料的硬度大小顺序为：金刚石和立方氮化硼＞陶瓷刀具＞硬质合金钢＞高速钢。②刀具材料的抗弯强度和断裂韧性大小顺序为：高速钢＞硬质合金钢＞陶瓷刀具＞金刚石和立方氮化硼。③导热系数大小顺序：金刚石和立方氮化硼＞陶瓷刀具＞硬质合金钢＞高速钢。刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好，但其强度和韧性就越差。例如：硬质合金钢中含钴量越高硬度就越高但强度和韧性就越差，反之。导热系数越大刀具在加工时越不易变形，导热差的工件在进行加工时应选择导热性能较好的刀具。
      2 铣刀的选择
      铣刀是多刃刀具，它的每一个刀齿相当于一把车刀，它的切削基础规律与车削相似，但铣削是断续切削，切削厚度和切削面积随时在变化，因此，铣削具有一些特殊性。金机通提示，铣刀在旋转表面上或端面上具有刀齿，铣削时，铣刀的旋转运动是主运动，工件的直线运动是进给运动。常用的铣刀有：圆柱铣刀、立铣刀、硬质合金面铣刀、键槽铣刀、三面刃铣刀、半圆键槽铣刀等等。刀具的选择是数控加工工序设计的重要内容，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。另外，数控机床主轴转速比普通机床高1~2倍，且主轴输出功率大。因此与传统加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高，不仅要求精度高、强度大、刚度好、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便并且刀具的结构、几何参数要合理。
      数控铣床上使用最多的是可转位面铣刀和立铣刀，因此我主要介绍面铣刀和立铣刀参数的选择。①面铣刀的选择，可转位面铣刀可分为粗齿、细齿和密齿三种。粗齿容削量大主要用于粗加工，细齿主要用于加工具有断续加工表面的铸件和连续表面的钢件。密齿主要用于加工薄壁零件。面铣刀的直径一般在￠16mm~￠630mm之间，选择铣刀的直径尽可能大，尽量一次包容工件的整个加工宽度，以提高加工精度和效率，减小接刀刀痕。面铣刀的前角选择与车刀相似，只不过铣刀的冲击更大一些，故前角选择比车刀要小一些，前角的选择是根据工件材料和刀具材料来选择的。
      铣刀的磨损主要在后刀面上，故要加大后角，后角一般在5°~12°之间，工件材料越软后角应越大，反之。主偏角在45°~90°之间选取，工件材料为铸铁时选45°，钢材时选75°，铣削凸肩平面或薄壁零件时选90°。②立铣刀的选择，铣削内轮廓时，立铣刀的直径应小于零件内轮廓的最小曲率半径，一般为最小曲率半径的0.8~0.9倍，下刀量一般为刀具直径的四分之一或六分之一。金机通提示，加工不通孔时，立铣刀切削刃长度应长于零件深度的5mm~10mm长度。加工肋时，刀具直径为5~10倍的肋的厚度。
      当然选择好的刀具必然使得加工效率和加工质量大大提高，但由此所带来的刀具价格也会大大攀升，因此选择刀具不仅仅要考虑加工效率和加工质量，最值得关注的还是加工成本，故在满足了加工质量的前提下，是要提高加工效率还是要降低成本，那么合理的选择刀具才是其平衡点。
      3 铣削用量的选择
      铣削用量的确定应根据加工性质、加工要求、工件材料及刀具材料和尺寸等查阅铣削用量手册、刀具产品目录推荐的参数并结合实践经验。通常考虑如下因素：刀具差异，不同厂家生产的刀具质量不同，铣削用量应根据实际使用的刀具结合现场经验加以调整。机床特性，铣削用量受机床电动机的功率和机床刚性的限制，必须在机床规定的范围之内进行选择，否则可能造成闷车、机床变形或机床振动。
      铣削加工用量包括主轴转速、背吃刀量和侧吃刀量、进给量和切削速度。
      3.1 背吃刀量和侧吃刀量的选取主要由加工余量和表面质量的要求决定，在工件表面粗糙度要求为Ra12.5~25μm时，如果圆周铣削的加工余量小于5mm，端铣的加工余量小于6mm，则粗铣一次可达要求；在工件表面粗糙度要求为Ra3.2~12.5μm，分粗铣和半精铣两步铣削加工，粗铣时，圆周铣削取5mm，端铣取6mm，粗铣后留半精铣余量0.5~1.0mm；在工件表面粗糙度要求为Ra0.8~3.2μm，可分粗铣、半精铣、精铣三步铣削加工,半精铣时端铣背吃刀量和圆周铣侧吃刀量取1.5~2mm，精铣时端铣背吃刀量取0.5~1mm，圆周铣侧吃刀量取0.3~0.5mm。
      3.2 铣削宽度。一般铣削宽度与刀具的直径成正比，与铣削深度成反比，一般铣削宽度为0.6~0.9倍的铣刀直径。
      3.3 进给量（f mm/z）和进给速度（vf mm/min）。进给量是指刀具转一周，工件与刀具沿进给方向的相对位移量。进给速度指单位时间内工件与刀具沿进给方向的位移量，故vf=nf（n为机床转速），f=zfz（z为刀具的齿数，fz为每齿进给量，vf=nzfz。fz的选择与工件材料和刀具材料有关。
      3.4 铣削速度Vc(m/min)的确定。根据已选定的背吃刀量、进给量和刀具的耐用度选择切削速度，一般是根据生产实践经验在机床说明书允许的切削速度范围内查表选取或者参考有关切削用量手册选用。
      在选择切削速度时，还应考虑：应尽量避开积削瘤产生的区域；断续切削时，为减小冲击和热应力，要适当降低切削速度；在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度；加工大件、细长件和薄壁件时，应选用较低的切削速度；加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度；工艺系统刚性差的应减小切削速度。
      3.5 主轴转速n（r/min）。主轴转速一般根据铣削速度进行计算确定，n=1000Vc/∏d（d为刀具直径）。
      数控铣削过程中，铣刀和铣削用量的选择具有很大的灵活性，只有真正理解了铣刀和铣削用量的选择原则和目的，并在实践中不断进行总结再结合现场的生产状况进行合理的选择铣刀和铣削用量，才能真正使铣削加工做到高效率和高质量。