高进给铣削加工工艺研究

王贺安

摘 要：在金属切削加工中，如何提高铣削的加工效率，这个问题与金属切削刀具的受力有关。文章分析金属切削刀具单元在加工时的受力，从而找出如何提高加工效率的途径。高进给铣削加工工艺的研究有助于人们在提高加工效率时做出合理的工艺选择。

关键词：加工效率；刀具；切削力；进给量

中图分类号：TG54 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）23-0017-02

1 金属切削加工工艺

在探讨如何提高加工效率的时候，金属切削加工工艺首先研究的对象是金属切削的切削三要素，即切削速度、切削深度、进给量，对于这三个加工要素来说，切削速度对刀具的加工寿命影响最大，当切削速度提高20%，则刀具寿命将下降50%，同时因工件材料的强度、硬度等性能参数的限制，切削速度可提高的幅度不大，且提高切削速度也会增加切削功率，而加大切深度切削方案前面也进行了分析，因此为提高加工效率，我们把主要的研究对象放到进给量上。

2 进给量

2.1 与进给量有关的刀具参数

如何提高进给量，而不增加切削力和切削功率？针对这个问题对进给量进行分析，进给量是切削刃在每个旋转单位下切削刃相对工件所移动的距离，进给量的大小直接影响刀具切削截面的大小，与进给量有关的刀具参数，如图1所示。

金属切削材料切削截面上所能承载单位面积的受力大小决定了刀片寿命的长短，每一片刀片被制造出来后，其单位面积下所能承受受力大小也就确定了，将刀片所能承受的单位面积下的力转换成进给量就是刀片的允许平均铁屑厚度，平均铁屑厚代表着每个刀片能够承受的进给量大小。

2.2 大进给铣削原理

一般情况下当铣刀的切削宽度与刀盘直径相等的情况下，平均铁屑厚度就等于进给量，当切削刀具的主偏角减小时，铁屑的厚度h就会相应减小，如图2所示，此时铁屑厚度h值小于刀片允许的平均铁屑厚度，这样为了使刀片更有效地被利用，则可以选铁屑厚度h和刀片允许的相等，这样就可以使用更大的进给量f值了，这就是大进给铣刀的基本原理。

大进给铣削原理是基于用小的主偏角和小的切削深度实现平均铁屑厚度的减小，从而提高进给量，故此所有的大进给加工都需要小的主偏角。切屑的厚度随着主偏角的减小而减小，为了避免铁屑过薄而影响加工表面质量，当进给量小于刀片刃口的倒钝圆弧半径，工件的加工表面形成时就不会进行切削而是碾压，从而使已加工表面被碾压造成表面质量下降或工件材料表面形成过大的冷做硬化层而影响工件的使用效果，见图3分析，已加工表面是经过多次复杂的变形而形成的。切削刃刃尖角为Rn时，切削层在刃口钝圆部分O点处存在复杂的应力状态，切削层的金属经剪切滑移沿刀具的前刀面流出形成铁屑，O点下薄薄的一层金属гhd不能沿OM进行剪切，而是被推挤压入工件的已加工表面，这部分金属首先受到压应力，当切削后刀面BE滑过挤压面后，工件已加工表面的压力消失，工件产生弹性回弹，回弹值гh小于压缩值гhd，这是已加工表面由于受到刀片后刀面的摩擦、拉伸的作用而产生内应力，内应力的大小和切削深度Ap的大小有关，如Ap→гhd值时，工件已加工表面的内应力最大，因此表面会形成一个冷作硬化层（加工硬化层），其硬度比工件高1-2倍，硬化层表面常常会出现细微裂纹，且表面粗糙度值较大，工件材料的疲劳强度也相应较低，从而影响工件的尺寸和形状的稳定性。

故此需要提高进给量从而避免切削过薄。在使用大进给铣刀的时候要确保足够大的进给，以便得到合适的切屑厚度和加工性能。

2.3 大进给加工理论依据

高进给铣削时，需要提高进给量的部分都在刀具的前刀刃，而当刀具的主偏角等于90 和主偏角等于15 时，铁屑厚度相等的情况下，刀具的进给量可以放大3.86倍。

一般情况下，刀片的最大进给量约等于刀尖圆弧半径的0.5倍，当主偏角等于90 时，此时进给量和铁屑厚度与进给量相等，当主偏角等于45 时，进给量约等于1.415倍的铁屑厚度，即≈0.849 mm，当主偏角等于15 时，此时进给量约等于3.86倍的铁屑厚度，即≈2.318 mm，如图4所示，这就是大进给加工理论依据。

2.4 大进给铣削的特点

大进给铣削的特点是：较小的切削深度，较大的进给量。从加工受力方向上进行分析，它与传统的铣削加工方式比较，综合切削力的方向（主切削力、进给力、切向力的合成力方向）更接近刀体回转中心线，即切削加工刃所产生的径向抗力的大部分分力是轴向力，而传统的加工方式，切削综合力的方向与回转中心线之间所形成的角度较大（在45 ～90 之间），如图5所示，这样大进给铣削方式相对传统的铣削方式，加工的稳定性和抗震动能力都得到有效的提高。

在铣削加工过程中为满足工件形状或工件夹具的要求，往往需要刀具有一定的悬伸，而传统的铣削方式因径向力较大会影响加工刀具的悬伸长度。一般钢制品的刀杆在悬伸与直径之比等于4的时候，就很难抑制切削力而产生的扭曲和挠度而出现加工震动问题。大进给铣削加工方式与传统铣削方式（主偏角为90 ）相比，以悬伸长径比L/d=4为校核依据分析，如图6所示。此时悬伸轴的扭曲角度为φ，挠度为y，由此得到公式③和④：

综合上述计算分析，对铣削刀具切削前角的平衡设计，如图7所示。目前大进给铣刀的最大的长径比达到10 D。

大进给铣刀实际加工应用过程中，加工效率和金属去除率得到了有效地提高，直径为66 mm的铣刀加工案例，见表1。

表中：Vf为进给速度，Vc为切削速度，Q为金属去除率。

3 结 语

在这个例子中，虽然传统铣刀的切削深度比大进给铣刀大3倍，但大进给铣刀的金属去除率却是传统铣刀的3倍，在大多数的情况下，我们使用相对较低的切削速度，这样刀具切削所产生的切削热度相对较低，对刀具的寿命提高有较大的帮助，这样就会降低刀具的成本，并高效地达成加工的目的。

参考文献：

[1] 刘党生.金属切削原理与刀具[M].北京：北京理工大学出社，2009.

[2] 王守新.材料力学[M].北京：清华大学出版社，2005.