任务2.2 认知铣削加工方法
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2.2.1 认知铣床
铣床是主要用铣刀进行切削加工的机床。铣刀旋转为主运动，工件或铣刀的移动为进给运动。铣床的工艺范围很广，生产效率很高。铣床在机器制造业中应用很广，在绝大多数场合替代了刨床。铣床的主要类型有卧式升降台铣床、立式升降台铣床、龙门铣床、床身铣床、工具铣床以及各种专门化铣床。
1.卧式升降台铣床
卧式升降台铣床的主轴水平布置，简称“卧铣”。图2-2-1为其外形图。床身固定在底座上，用于安装和支承机床的各个部件，床身内装主轴部件、主传动装置和变速操纵机构等。横梁可沿水平方向调整其位置，支架用于支撑刀杆的悬伸端。工件通过滑座和升降台带动，可以在互相垂直的三个方向实现任一方向的进给和调整。
（1）主运动：铣刀的旋转；电源开关→主电动机→主轴变速机构→主轴→刀杆→刀具旋转。
（2）进给运动：工作台纵向、横向和垂直方向上的移动，如图2-2-2所示。
图2-2-1 X6132卧式万能升降台铣床
图2-2-2 X6132卧式万能升降台铣床主要运动
为了适应零件的加工要求，将工作台分为三部分。
①纵向工作台：是工作台最上面的部分，它用于安装工件，并带动工件左右移动，即纵向进给。
②横向工作台：在纵向工作台的下面，它用于带动工件沿横向导轨作前后移动，即横向进给。
③升降台；最下面是升降台，它用于带动纵向、横向工作台连同工件沿着床身前面的垂直导轨作上下移动，即垂直进给。
三个方向的进给运动是彼此垂直的，并与刀杆垂直平行，三个方向的进给，可以手动，也可以机动。
（3）各部分作用如下所述。
①横梁：在横梁上装有挂架，用以支承刀杆的外端，以减少刀杆的弯曲和颤动，它伸出长度可根据刀杆的长度进行调整。
②主轴：主轴可用来安装刀杆并带动铣刀旋转，刀杆是靠锥柄装在主轴的锥孔中，并用螺杆拉紧在主轴锥孔中。
③变速机构：用以实现主轴转速的变换，以适应不同工件的加工条件，从而保证工件表面的粗糙度和生产率。
④床身：床身是铣床的一个主要部件，上连横梁，前连工作台，其内部还装有主轴的变速机构（齿轮变速），这样将铣床连成一个整体。
2.立式升降台铣床
立式升降台铣床与卧式升降台铣床的主要区别在于，它的主轴是垂直布置的，可用端铣刀或立铣刀加工平面、斜面、沟槽、台阶等表面。图2-2-3所示为一种常见的立式升降台铣床，其工作台、床鞍及升降台的结构与卧式升降台铣床相同，不同之处在于立铣头，根据其与床身的连接结构不同，又分为两种：一种是立铣头和床身做成一体，这种铣床刚度高，但加工范围窄；另一种是立铣头和床身不为一体，两者之间有一回转盘，回转盘上有角度刻线，立轴可随着立铣头扳转一定角度，它可以铣削各种角度的斜面，加工范围更广些，通常适用于单件及批量生产。
3.龙门铣床
龙门铣床是一种大型高效的通用机床，主要用于加工各类大型工件的平面、沟槽等。图2-2-4为龙门铣床的外形图，工作台7位于床身1上，两个立柱固定在床身的两侧，横梁可沿立柱导轨上下移动，横梁上有两个立式铣削头3，可沿横梁导轨水平移动，两个立柱下部各安装一个卧式铣削头2，可沿立柱导轨上下移动。各铣削头都可沿各自的轴线作轴向移动，实现铣刀的切入运动。铣削时，铣刀的旋转运动为主运动，工作台带动工件作直线进给运动。
图2-2-3 X5032立式升降台铣床
1—立铣头；2—主轴进给手柄；3—主轴套筒；4—工作台；5—纵向进给手柄；6—横向溜板；7—升降台；8—进给变速机构；9—底座；10—电气箱；11—主电机；12—主轴变速机构；13—床身；14—回转盘
图2-2-4 龙门铣床
1—床身；2—卧式铣削头；3—立式铣削头；4—立柱；5—横梁；6—按钮站；7—工作台
4.万能工具铣床
万能工具铣床能完成镗、铣、钻、插等切削加工，适用于加工各种刀具、夹具、冲模、压模等中小型模具及其他复杂零件，借助多种特殊附件能完成圆弧、齿条、齿轮、花键等类零件的加工，如图2-2-5所示。
图2-2-5 X8126C万能工具铣床
5.仪表铣床
仪表铣床是一种小型的升降台铣床，用于加工仪器、仪表和其他小型零件。
6.工具铣床
工具铣床用于模具和工具制造，配有立铣头、万能角度工作台和插头等多种附件，还可进行钻削、镗削和插削等加工。
7.其他铣床
其他铣床如键槽铣床、凸轮铣床、曲轴铣床、轧辊轴颈铣床和方钢锭铣床等，是为加工相应的工件而制造的专用铣床。
2.2.2 认知铣刀
铣刀是刀齿分布在圆周表面或端面上的多刃回转刀具，可以用来加工平面、台阶、沟槽和各种成形表面等。由于铣刀的加工对象不同，就产生了各种不同类型的铣刀，一般按用途对铣刀进行分类，另外还可按铣刀结构、刀齿数、齿背形状等来分。
1.按铣刀的用途分类
（1）加工平面的铣刀
①圆柱形铣刀：圆柱形铣刀如图2-2-6所示，大多用在卧式铣床上，加工时铣刀轴线平行于加工面，它的特点是切削刃呈螺旋线状分布在圆柱表面上，无副切削刃。圆柱形铣刀主要用高速钢整体制成，可以镶焊螺旋形硬质合金刀片。选择铣刀直径时，应在保证铣刀杆有足够强度和刚度，刀齿有足够容屑空间的条件下，尽可能选用小直径的铣刀，以减小铣削力矩，减少切入时间，提高生产率。通常根据刀杆直径和铣削用量来选择铣刀直径。
②面铣刀：面铣刀又称端铣刀，如图2-2-7所示，大多用于在立式铣床上加工平面，加工时，铣刀轴线垂直于加工面。它的特点是切削刃分布在铣刀的一端。面铣刀比圆柱形铣刀质量大，刚性好，大多制成硬质合金镶齿结构。面铣刀的切削速度比圆柱形铣刀切削速度高，生产率高，表面粗糙度小，所以加工平面时大多采用面铣刀。
（2）加工沟槽的铣刀
①三面刃铣刀：如图2-2-8所示，除圆周表面具有主切削刃外，两侧面也有副切削刃，从而改善了切削条件，提高了切削效率，可减小表面粗糙度。三面刃铣刀主要用于加工沟槽和台阶面。
图2-2-6 圆柱形铣刀
图2-2-7 面铣刀
图2-2-8 三面刃铣刀
②立铣刀：立铣刀如图2-2-9所示，主要用于在立式铣床上加工沟槽、台阶面、平面，也可以利用靠模加工成形表面。立铣刀圆周上的螺旋切削刃是主切削刃，端面上切削刃是副切削刃，故切削时一般不宜沿铣刀轴线方向进给。
③键槽铣刀：键槽铣刀如图2-2-10所示，是铣键槽专用刀具，它仅有两个刀齿，端面铣削刃为主切削刃，圆周切削刃是副切削刃。它兼有钻头和立铣刀的功能。通常分别加工H9和N9键槽。加工时，键槽铣刀先沿刀具轴线对工件钻孔，然后沿工件轴线铣出键槽的全长，故仅在靠近端面部分发生磨损，重磨时只需刃磨端面切削刃。
（3）加工成形面的铣刀
①角度铣刀：角度铣刀如图2-2-11所示，是根据工件的成形表面形状而设计切削刃廓形的专用成形刀具，用于加工成形表面，有尖齿和铲齿两种类型。
图2-2-9 立铣刀
图2-2-10 键槽铣刀
图2-2-11 角度铣刀
②球头铣刀：如图2-2-12所示，把立铣刀的端部做成球形，即为球头立铣刀，其球面切削刃也是主切削刃，可沿轴线作进给运动，可用于多坐标三维成形表面的加工。
③T形槽铣刀：T形槽铣刀如图2-2-13所示。
图2-2-12 球头铣刀
图2-2-13 T形槽铣刀
2.按铣刀的其他形式分类
（1）按铣刀的结构分
①整体式：刀体和刀齿制成一体。
②整体焊齿式：刀齿用硬质合金或其他耐磨刀具材料制成，并钎焊在刀体上。
③镶齿式：刀齿用机械夹固的方法紧固在刀体上。这种可换的刀齿可以是整体刀具材料的刀头，也可以是焊接刀具材料的刀头。刀头装在刀体上刃磨的铣刀称为体内刃磨式；刀头在夹具上单独刃磨的铣刀称为体外刃磨式。
④可转位式：这种结构已广泛用于面铣刀、立铣刀和三面刃铣刀等。
（2）按铣刀的刀齿齿数分
①粗齿：铣刀齿数少，刀齿强度高，容屑空间大，适用于粗加工。
②细齿：适用于精加工。
2.2.3 分析铣削加工工艺特性
1.铣削工艺范围
铣削有较高的加工精度，其经济加工精度一般为IT7～IT9，表面粗糙度Ra值一般为1.6～12.5m。精细铣削精度可达IT5，表面粗糙度Ra值可达到0.04～0.1m。
铣床的工艺范围非常广泛，可以进行平面加工（见图2-2-14）切断加工（见图2-2-15）、铣V形槽（见图2-2-16）、用成形铣刀铣齿轮（见图2-2-17）、铣花键轴（见图2-2-18）、铣台阶表面（见图2-2-19）、铣内孔（见图2-2-20）、铣特形面（见图2-2-21）、铣圆弧面（见图2-2-22）、铣螺旋槽（见图2-2-23）、数控铣曲面（见图2-2-24）、数控雕刻（图2-2-25）等。
图2-2-14 铣平面
图2-2-15 切断
图2-2-16 铣V形槽
图2-2-17 铣齿轮
图2-2-18 铣花键轴
图2-2-19 铣台阶表面
图2-2-20 铣内孔
图2-2-21 铣特形面
图2-2-22 铣圆弧面
图2-2-23 铣螺旋槽
图2-2-24 数控铣曲面
图2-2-25 数控雕刻
2.圆周铣削方式
①逆铣：铣刀切削速度方向与工件进给速度方向相反时，称为逆铣，如图2-2-26（a）所示。
②顺铣：铣刀切削速度方向与工件进给速度方向相同时，称为顺铣，如图2-2-26（b）所示。
图2-2-26 顺铣与逆铣
逆铣和顺铣时，因为切入工件时的切削厚度不同，刀齿与工件的接触长度不同，所以铣刀磨损程度不同。实践表明顺铣时，铣刀耐用度可比逆铣时提高2～3倍，表面粗糙度也相应降低。但顺铣不宜用于铣削带硬皮的工件。
逆铣时，工件受到的纵向分力与进给运动的方向相反，铣床工作台丝杠与螺母始终接触；而顺铣时工件所受纵向分力与进给方向相同，如果丝杠螺母之间有螺纹间隙，就会造成工作台窜动，导致铣削进给量不匀，甚至还会打刀。因此在没有消除螺纹间隙装置的铣床上，只能采用逆铣，而无法采用顺铣。
3.端铣平面时的铣削形式
①对称铣削[见图2-2-27（a）]：切入、切出时切削厚度相同。
②不对称逆铣[见图2-2-27（b）]：切入时切削厚度最小，切出可将时切削厚度最大。铣削碳钢和一般合金钢时，这种铣削方式可减小切入时的冲击，同时硬质合金铣刀耐用度提高一倍以上。图2-2-27（c）：切入时切削厚度最大，切出时切削厚度最小。实践证明，不对称顺铣用于加工不锈钢和耐热合金时，可减少硬质合金的剥落磨损，切削速度可提高40％～60％。
图2-2-27 端铣刀加工平面时的铣削方式
4.铣削特点
（1）多刃切削：铣刀的刀齿多，切削刃的总长大，生产效率高，刀具耐用度高。
（2）断续切削：铣削时，铣刀刀齿周期性的切入、切出工件，瞬时切削力是变化的，切削有振动，影响加工质量。铣刀一转中有较长的时间冷却，有利于提高耐用度，但硬质合金刀具因周期性热冲击易产生裂纹和破损。
（3）铣床加工工艺范围广，适应性强，数控铣床具有较高的精度，适合加工平面及形状复杂的组合体，在模具制造行业占据非常重要的地位。
5.铣削参数
（1）铣削速度
铣削速度是铣削时铣刀切削刃上选定点在主运动中的线速度，通常以切削刃上离铣刀轴线距离最大点在1min内所经过的路程表示，单位mm/min。
铣刀铣削速度：
vc=πdn/1000（m/mim）
式中：d——刀具外径，mm；
n——铣刀转速，r/mim。
（2）进给量
进给量是铣刀在进给运动方向上相对工件的单位位移量。
铣刀进给速度：
vf=fn=znFz（mm/s）
式中：vf——进给速度；
f——每转进给量；
Fz——每个刃的进给速度，mm/z；
z——铣刀刃数；
n——铣刀转速，r/mim。
（3）背吃刀量与切削宽度
背吃刀量ap。在平行于铣刀轴线方向上测得的切削层尺寸，单位mm。
铣削宽度ae。在垂直于铣刀轴线方向上、工件进给方向上测得的切削层尺寸，单位mm，如图2-2-28和图2-2-29所示。
图2-2-28 周铣ap
图2-2-29 端铣ap
2.2.4 铣床常用工艺装备
1.刀柄
普通铣床的刀柄（见图2-2-30）一般采用7∶24外锥，莫式4#、3#、2#内锥，弹簧卡头外锥7∶24，钻卡头外锥7∶24。但也有一些工具铣床主轴锥柄是莫式4#的。而数控铣床和加工中心用的是BT40的锥柄，这是因为数控铣床和普通铣床装夹刀具的方式不同决定的。
图2-2-30 铣床刀柄
2.万能立铣头
万能立铣头主要在卧式铣床上使用，但在横梁上加了个小的立铣头，该立铣头可以前后左右旋转角度，能够代替立铣机床加工工件，扩大了卧式铣床的加工范围，如图2-2-31和图2-2-32所示。
图2-2-31 万能立铣头
图2-2-32 万能立铣头安装
万能铣头的底座用螺栓固定在铣床的垂直导轨上。铣床主轴的运动通过铣头内的两对锥齿轮传到铣头主轴上。铣头主轴还能在铣头壳体上偏转任意角度。因此，铣头主轴就能在空间偏转成所需要的任意角度。
3.平口钳
图2-2-33所示平口钳的尺寸规格，是以其钳口宽度来区分的。X62W型铣床配用的平口钳为160mm。平口钳分为固定式和回转式两种。回转式平口钳可以绕底座旋转360°，固定在水平面的任意位置上，因而扩大了其工作范围，是目前平口钳应用的主要类型。
图2-2-33 平口钳
平口钳安装时应先擦净钳体底座表面和铣床工作台表面。将底座上的定位键放入工作台中央的T形槽内，即可对平口钳进行初步的定位。然后，拧紧T形螺栓上的螺母即可。
校正固定钳口面常用的方法有用划针校正、用90°角尺校正和用百分表校正，校正平口钳时，应先松开平口钳的紧固螺母，校正后将紧固螺母旋紧。
平口钳固定方式有两种，如图2-2-34和图2-2-35所示。
图2-2-34 平口钳轴线与工作台垂直
1—铣床主轴；2—平口钳；3—工作台
图2-2-35 平口钳轴线与工作台平行
1—铣床主轴；2—平口钳；3—工作台
铣削一般长方体工件的平面、斜面、台阶或轴类工件的键槽时，都可以用平口钳来进行装夹。
4.压板
外形尺寸较大或不便用平口钳装夹的工件，常用压板将其压紧在铣床工作台台面上，如图2-2-36所示。使用压板装夹工件时，应选择两块以上的压板。压板的一端搭在垫铁上，另一端搭在工件上。垫铁的高度应等于或略高于工件被压紧部位的高度。T形螺栓略接近于工件一侧，并使压板尽量接近加工位置。在螺母与压板之间必须加垫垫圈。
图2-2-36 压板
注意事项
（1）在铣床工作台面上，不允许拖拉表面粗糙的工件。夹紧位置应在毛坯件与工件工作台面加工表面。
（2）压板在工件已加工表面上夹紧时，应在工件与压板间衬垫铜皮，避免损伤工件已加工表面。
（3）正确选择压板在工件上的夹紧位置，使其尽量靠近加工区域，并处于工件刚性最好的位置。若夹紧部位有悬空现象，应将工件垫实。
（4）螺栓要拧紧，尽量不使用活扳手。
（5）每个压板的夹紧力应大小均匀，并逐步以对角压紧，不应以单边重力紧固，防止因压板夹紧力的偏移使工件倾斜，如图2-2-37和图2-2-38所示。
图2-2-37 压板装夹工件1
图2-2-38 压板装夹工件2
5.分度头
分度头（见图2-2-39）一般用在等分工作中。它既可以用分度头卡盘（或顶尖）与尾架顶尖一起使用用于安装轴类零件，也可以只使用分度头卡盘安装工件。又由于分度头的主轴可以在垂直平面内转动，因此可以利用分度头在水平、垂直及倾斜位置安装工件。
当零件的生产批量较大时，可采用专用夹具或组合夹具装卡工件，这样既能提高生产效率，又能保证产品质量，如图2-2-40所示。
图2-2-39 万能分度头
图2-2-40 分度头的应用
6.回转工作台
回转工作台（见图2-2-41）又称为转盘、平分盘、圆形工作台等。它的内部有一套蜗轮蜗杆。摇动手轮，通过蜗杆轴，就能直接带动与转台相连接的蜗轮转动。转台周围有刻度，可以用来观察和确定转台位置，拧紧固定螺钉，转台就固定不动。转台中央有一孔，利用它可以方便地确定工件的回转中心。当底座上的槽和铣床工作台的T形槽对齐后，即可用螺栓把回转工作台固定在铣床工作台上。
铣圆弧槽时，工件安装在回转工作台上，铣刀旋转，用手均匀缓慢地摇动回转工作台而使工件铣出圆弧槽，如图2-2-42所示。
图2-2-41 回转工作台
图2-2-42 回转工作台的应用
任务练习
1.判断题
（1）高精度的齿轮通常在铣床上铣削加工。（ ）
（2）铣床无法加工螺旋槽工件。（ ）
（3）键槽是精度较高的加工内容，必须在专用铣床上加工。（ ）
（4）应用铣床加工的平面都比较小，无法加工较大的箱体类零件的平面。（ ）
（5）在铣床上可以加工圆柱孔和椭圆孔。（ ）
（6）铣削加工的主要特点是刀具旋转、多刃切削。（ ）
（7）在铣床上用单刃刀具切削加工不能称为铣削。（ ）
（8）常用的铣床是龙门铣床和仿形铣床。（ ）
（9）铣床的种类很多，最常用的是立式铣床和卧式铣床。（ ）
（10）立式铣床的主要特征是主轴与工作台面平行。（ ）
（11）目前常用的可转位铣刀的刀片是用高速钢制造的。（ ）
（12）机用平口虎钳、分度头是铣床常用的夹具和附件。（ ）
（13）分度头的主要功用是装夹轴类工件。（ ）
（14）万能分度头和回转工作台属于铣床专用夹具。（ ）
（15）用压板和螺栓装夹工件，属于常用的装夹方式，不是一种通用夹具。（ ）
2.选择题
（1）通常在铣床上加工效率较高的是（ ）。
A.齿轮 B.花键 C.凸轮 D.平面
（2）大型的箱体零件应选用（ ）铣削加工。
A.立式铣床 B.仿形铣床 C.龙门铣床 D.万能卧式铣床
（3）键槽一般在（ ）上铣削加工。
A.龙门铣床 B.卧式铣床 C.平面仿形铣床 D.立式铣床
（4）主轴与工作台面垂直的升降台铣床称为（ ）。
A.立式铣床 B.卧式铣床 C.龙门铣床 D.工具铣床
（5）龙门铣床的特征之一是工作台只能作（ ）进给。
A.纵向 B.横向 C.垂向 D.圆周
（6）较小直径的键槽铣刀是（ ）铣刀。
A.圆柱直柄 B.莫氏锥柄 C.盘形带孔 D.圆柱带孔
（7）机用虎钳主要用于装夹（ ）。
A.矩形工件 B.轴类零件 C.套类零件 D.盘形工件
（8）分度头的主要功能是（ ）。
A.分度 B.装夹轴类零件 C.装夹套类零件 D.装夹矩形工件
（9）V形架的主要作用是轴类零件（ ）。
A.夹紧 B.测量 C.定位 D.导向
（10）铣床的进给速度是指（ ）。
A.每齿进给量 B.快速移动量 C.每转进给量 D.每分钟进给量
（11）铣削的主运动是（ ）。
A.铣刀旋转 B.工件移动 C.工作台进给 D.铣刀位移
（12）用于切断加工的铣刀是（ ）。
A.锯片铣刀 B.立铣刀 C.三面刃铣刀 D.键槽铣刀
（13）用于铣削封闭键槽的铣刀是（ ）。
A.窄槽铣刀 B.立铣刀 C.三面刃铣刀 D.键槽铣刀
（14）各种通用铣刀切削部分材料大多采用（ ）。
A.结构钢 B.高速钢 C.硬质合金 D.碳素工具钢
（15）可转位铣刀属于（ ）铣刀。
A.整体 B.镶齿 C.机械夹固式 D.焊接式