第三节 铣削基础知识

铣削是广泛使用的切削加工方法之一，它适用于加工平面、台阶面、沟槽、成形表面以及切断等。铣刀的每一个刀齿都相当于一把车刀，其切削基本规律与车削相似，但铣削是断续切削，切削厚度和切削面积随时在变化，所以铣削过程又具有其特殊规律。

一、铣削过程的基本规律

在金属切削过程中，会出现一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热、刀具磨损以及加工表面质量等，这些都是以切屑形成过程为基础的，而切削过程中出现的积屑瘤、断屑等问题，又都同切削过程中的变形规律有关。因此，研究这些物理现象和问题的发生与变化规律，对于正确刃磨和合理使用刀具、充分发挥刀具的切削性能、合理选择切削用量、提高生产效率和工件的加工质量，以及降低生产成本等都有重要意义。

1.切屑的种类

由于工件材料性质不同，切削条件不同，切削过程中的滑移变形程度也就不同，因此主要产生三种类型的切屑（表1-23）。

2.金属切削过程

切削时，在刀具切削刃的切割和前刀面的推挤作用下，使被切削的金属层产生变形、剪切滑移而变成切屑，这个过程称为切削过程，如图1-16所示。在图1-16（a）中，只考虑剪切面的滑移（模拟状态），把金属层的各单元比喻为平行四边形的卡片，实际上由于刀具前刀面的强烈挤压，这些单元的底面被挤压伸长，其形状变成如图1-16 （b）所示的近似梯形abcd了，将许多梯形叠起来，就形成了卷曲的切屑。

在切削过程中，金属材料的变形大致可发生在三个变形区域，如图1-17所示。一般将剪切区称为第一变形区，其位置如图1-17中Ⅰ所示。靠前刀面与切屑的接触区称为第二变形区，如图1-17中Ⅱ所示，积屑瘤、刀具磨损等现象主要取决于第二变形区的变形。在已加工表面处发生的显著变形，主要是已加工表面受到切削刃和后刀面挤压及摩擦造成的，这部分称为第三变形区，如图1-17中Ⅲ所示。

大部分塑性变形集中于第一变形区，切削变形的大小主要按第一变形区衡量。

3.切屑收缩

在切削过程中，被切金属层经过滑移变形而出现的切屑长度缩短、厚度增加的现象，称为切屑收缩，如图1-18所示。切屑收缩的程度用收缩系数ξ表示：

式中 ξ——收缩系数；

lc，ac——切削层长度和厚度，mm；

lch，ach——切屑长度和厚度，mm。

收缩系数ξ比较容易测量，所以能直观地反映切削变形程度的大小。当材料相同而切削条件不同时，ξ大说明切削变形大；当切削条件相同而材料不同时，ξ大说明材料塑性大。一般切削中碳钢时，ξ=2～3。

4.积屑瘤

用中等切削速度切削钢料或其他塑性金属时，有时在刀具前刀面上靠近切削刃处牢固地粘着一小块金属，这就是积屑瘤。

切削过程中，由于金属的变形和摩擦，使切屑和前刀面之间产生很大的压力和很高的温度。当摩擦力大于切屑内部的结合力时，切屑底层的一部分金属就“冷焊”在前刀面上靠近切削刃处（因未达到焊接的熔化温度），形成积屑瘤。积屑瘤对加工的影响如图1-19所示。

（1）保护刀具

积屑瘤的硬度约为工件材料硬度的2～3倍，就像一个刃口圆弧半径较大的楔块，能代替切削刃进行切削，且保护了切削刃和前刀面，减少了刀具的磨损。

（2）增大实际前角

有积屑瘤的刀具，实际前角增大了，因而减少了切屑的变形，降低了切削力。

（3）影响工件表面的质量和尺寸精度

积屑瘤的底部较上部稳定（积屑瘤的前端伸出在切削刃之外，使切削厚度增大了Δac），但是通常条件下，积屑瘤总是不稳定的，它时大时小，时积时失，在切削过程中，一部分积屑瘤被切屑带走，一部分嵌入工件已加工表面，使工件表面形成硬点和毛刺，表面粗糙度值变大，同时也加速了刀具的磨损。

为了抑制或避免积屑瘤的产生，可采取以下措施：

① 控制切削速度，尽量使用很低或很高的切削速度，避开产生积屑瘤的中等切削速度（15～30m/min）范围（图1-20），这是降低工件表面粗糙度值的好办法。

② 减小切削厚度，采用小的进给量或小的主偏角κr。

③ 使用高效率的切削液，研磨刀具的前刀面，以减少摩擦。

④ 增大刀具前角，减小切削变形。

⑤ 当工件材料硬度很低、塑性过高时，可进行适当的热处理，以提高材料硬度、降低塑性，也可抑制积屑瘤的产生。

二、铣削力与铣削功率

铣削力的来源主要有两个方面：一是切屑形成过程中，弹性变形及塑性变形产生的抗力；二是刀具与切屑及工件表面之间的摩擦阻力。克服这两个方面的力就构成了切削合力，它作用于前刀面和后刀面上。

铣削时，每个切削的刀齿都受到变形抗力和摩擦力的作用。每个刀齿的切削位置和切削面积随时在变化，所以作用在每个刀齿上的铣削力大小和方向也在不断地变化。为方便起见，通常假定各刀齿上作用力的合力作用在刀齿上某点，如图1-21所示，它可以分解为切向铣削力Fc、径向铣削力Fp和轴向铣削力Ff。切向铣削力Fc是沿铣刀主运动方向的分力，

它消耗的功率最多，是主要的铣削力；径向铣削力Fp和轴向铣削力Ff的大小与圆柱铣刀的螺旋角β有关，与面铣刀的主偏角有关，且计算公式有：

作用在工件上的合力F′与F大小相等，方向相反，如图1-21所示。为方便机床、夹具的设计和测量，把它沿着铣床工作台运动的方向分解为三个分力：纵向进给分力Ff、横向进给分力Fe和垂直进给分力FfN。

铣削时，各铣削分力与切向铣削力Fc有一定的比例，见表1-24。如果求出Fc，便可计算出Ff、Fe和FfN，同时也可以求出铣削功率Pm：

式中 Pm—铣削功率，kW；

vc—切削速度，m/min；

Fc—切向铣削力，N。

三、切削热和切削温度

1.切削热和切削温度的概念

切削热是切削过程的重要物理现象之一。切削温度能改变前刀面上的摩擦系数、工件材料的性质，影响积屑瘤的大小、已加工表面的质量、刀具的磨损量和使用寿命以及生产率等。切削热来源于切削层金属发生弹性变形和塑性变形产生的热量，以及切屑与前刀面、工件与后刀面摩擦产生的热量。切削过程中，上述变形与摩擦消耗的功绝大部分转化为热能。

切削热通过切屑、工件、刀具和周围介质传散。切削热传至各部分的比例，一般情况是切屑带走的热量最多。如不使用切削液，以中等切削速度切削钢时，切削热的50%～86%由切屑带走；10%～40%传入工件；3%～9%传入刀具；1%左右传入周围空气。

切削温度一般是指切削区域的平均温度。它的高低是由产生热和传散热两个方面综合影响的结果。

2.影响切削温度的主要因素（表1-25）