浅谈铣削力对铣削加工的影响

2021-08-03陈俊超

科学大众·教师版 2021年7期

陈俊超

摘要：在铣削加工中，能否正确把握铣削力的作用和方向会对加工的过程及效果有正面或负面的影响。本文通过对铣削力的分析去最大限度消除这些不利因素，并提出改善措施。

关键词：铣削加工; 铣削力; 分析; 措施

中图分类号：TH17 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2021）7-079-002

铣削加工过程中的许多弊病，例如铣刀的折断（俗称打刀或崩刃）、铣削时的振动、工件出现松动等问题，很大一方面原因是由于铣削力对工件产生的作用所造成的。在铣削过程中，铣削力直接影响到切削热的产生，并对刀具磨损、刀具耐用度、加工精度和工件已加工表面质量均有影响。此外，因为铣削力的存在，对铣床、刀具、夹具、工件组成的工艺系统的刚性和强度都有一定的要求，故在生产和教学中，要求我们了解掌握铣削力的变化规律，对铣削力的大小和方向有正确的认识。现结合生产和实习教学的实际情况，从铣削力的作用原理、铣刀的不同类型、普通铣床的结构特点、铣削方式和工件、刀具的装夹方式等多个方面入手，粗浅地对上述问题进行讨论。

一、铣削力的产生

铣削过程中，时刻有一对大小相等，方向相反的力分别作用在铣刀和工件上。这个在铣削过程中产生的力我们称为铣削力。研究铣削力，对弄清铣削机理和制定合理的铣削用量等具有非常重要的意义。铣削力的来源主要有三个方面：一是克服被加工材料对弹性变形的抗力;二是克服被加工材料对塑性变形的抗力;三是克服切削对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。

二、影响铣削力的因素

1.工件材料对铣削力的影响

工件材料的强度、硬度愈高，则变形抗力愈大，虽然变影系数K有所下降，但总的铣削力还是增大的。强度、硬度相近的材料，其塑性愈大，则变形愈大，而且切屑和前刀面间的摩擦系数较大，故铣削力增大。韧性高的材料，铣削力也比较大。切削脆性金属材料时，由于塑性变形很小，故铣削力较小。

2.铁削用量对铣用力的影响

2.1铣削深度、铣削宽度及每齿进给量这三个参数在铣削深度、铣削宽度及每齿进给量都增大时，切削总面积增大而使铣削力增大，但这些参数因素对铣削力的影响程度各不相同。在保持切削面積不变的条件下，如果减小切削宽度，增大切削厚度，则铣削力要下降。也就是说切下宽而薄的切屑要比切下窄而厚的切屑费力，原因是在切屑中滞流层的变形最严重，而宽而薄的切屑，在滞流层中所占的百分比比较大，这也是一条非常重要的切削力变化规律。在实际生产中，可以运用这一规律，适当减小铣削深度及增大铣削宽度和每齿进给量，在保持铣削面积不变的条件下能降低铣削力。

2.2铣削速度。铣削速度对铣削力没有显著的影响。在铣削塑性金属材料时，提高铣削速度虽然铣削力有些减小，但也不太明显。

3.刀具对铣削力的影响

3.1前角。前角加大时，刃口愈锋利，可加强切割作用，金属容易被切开，同时前刀面推挤金属表层的阻力减小，使切屑的变形和与前刀面的摩擦减小，因此铣削力降低。但在高速铣削时增大前角对减小铣削力的效果不大，故采用较小的前角甚至负前角。

3.2刃倾角（也称螺旋角）。刃倾角对铣削力的影响不大。但改变刃倾角的方向和大小，能改变铣削力的方向。

3.3主偏角。主偏角增大可以缩短铣削宽度，而使铣削力稍有下降，但并不显著。然而主偏角大小能改变轴向力的大小，主偏角愈大，轴向力愈小。

3.4铣刀直径和齿数。加工过程中铣刀齿数增加时，同时参加切削的齿数必然增加。当每齿进给量不变时，切削面积随切削齿数成正比例增加。所以铣削力增大;当每分钟进给量不变时，减少齿数会使切削厚度增加，而使铣削力减小。铣刀直径对铣削力影响极小。

3.5刀具磨损。铁刀磨损后，刀刃变钝，刀刃圆弧半径显著增大，铣削力会迅速增加。另外，铣刀在后刀面上可能形成后角等于零的情况，这时作用在后刀面上的正压力和摩擦力都将增大，故铣削力也会增大。

4.切削液

以冷却作用为主的水溶液，对铣削力影响不大，而对于润滑作用强的油类切削液，由于它的润滑作用，减小了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间的摩擦，甚至还能减小切屑滞流层的变形，从而减小铣削力。

三、铣削力作用过程分析

1.作用在铣刀上的铣削力。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的变化。为了方便起见，我们假定各刀齿上作用力的合力作用在刀齿上某一点，并分两种情形讨论，一是用端面铣刀铣削时，铣刀所受的总铣削抗力可以分解成三个互相垂直的分力，即切向铣削力，径向铣削力，轴向铣削力。二是用圆柱形铣刀在卧式铣床上铣削时，铣刀所受的总铣削抗力也可以分解成沿切向、径向和轴向三个互相垂直的分力。

1.1切向铣削力。切向铣削力是总铣削抗力沿着铣刀外圆切线方向上的分力，又称圆周铣削力。切向铣削力作用在铣刀和刀轴上，除产生扭力距外，还要使刀轴产生弯曲。切向铣削力是计算其他方向铣削力和铣床功率的依据，也称作主铣削力。

1.2径向铣削力。径向铣削力是铣削抗力沿着铣刀半径方向上的分力。它作用在铣刀和刀轴上时，主要是使刀轴产生弯曲。因此，造成刀轴弯曲和促使铣刀产生跳动，是由切向铣削力和径向铣削力的合力引起的。

1.3轴向铣削力。轴向铣削力是在用螺旋齿或斜刃铣刀铣削时产生的。端铣时还与主偏角有关。它是铣削抗力沿着铣刀轴心线方向的分力，其大小和方向与刀齿的螺旋角大小、方向及主偏角的大小有关。它作用在铣刀和刀轴上时，有可能使铣刀和刀轴沿轴向移动。因此，最好使铣刀所受的轴向铣削力指向铣床主轴的方向。

2.作用在工件上的铣削力。铣刀在受到工件的铣削抗力的同时，铣刀对工件有一个反作用力，这个作用力称为总铣削力。总铣削力可以分解为纵向、横向和垂直三个方向的铣削分力，即纵向铣削力、横向铣削力、垂直銑削力。

2.1在卧式铣床上进行圆周铣削时，铣削力作用在工件上的三个分力大小的方向和作用情况与圆柱形铣刀螺旋角大小、方向、旋向及铣削方式（顺铣和逆铣）等有关。

2.2在立式铣床上进行端铣时，工件上所受力中的纵向切削力与用圆柱铣刀在卧式铣床上铣削时的作用情况相同，而垂直铣削力是由铣刀上的轴向铣削力引起的。在端铣时影响垂直铣削力的主要因素是主偏角和刃倾角。由主偏角产生的垂直铣削力始终向下，其大小随主偏角的增大而减小。铣刀的刃倾角为正值时，垂直铣削力向下（轴向铣削力向上）;刃倾角为负值时，垂直铣削力向上。当主偏角较小，并且产生的垂直铣削力大于由刃倾角产生的垂直铣削力时则总的垂直铣削力向下，方向不变。当主偏角很大时，若用负的刃倾角铣刀切削，则垂直铣削力很可能向上。向上的垂直铣削力有把工件向上拉的趋势，在加工薄型工件和细长工件时，会影响加工面的平面度，甚至使工件中部的厚度铣得太小。但由于刃倾角的绝对值一般都不很大，故垂直铣削力也不是很大，因此在铣削较厚的工件时，可不考虑垂直铣削力的作用。

3.用立铣刀、键槽铣刀进行铣削时，要时刻掌握好铣削力的作用方向，否则会出现铣刀折断或影响加工精度的现象。例如，在立式铣床上用立铣刀加工一个带直角通槽的长方体工件。铣削时，先移动工作台使工件右侧面与旋转的立铣刀相切，再使工作台和工件一起向右移动一个距离，然后用横向进给对工件向外进行铣削。可以看出，此时纵向铣削力的方向是向右的，与工作台移动方向相同，随着铣削用量的增加纵向铣削力也增大，当纵向铣削力大于工作台导轨间的摩擦力时，工作台就会被拉动，导致工件加工尺寸不准确，严重时可以折断立铣刀。为了避免这种情况，可以使立铣刀与工件左侧相切，再把工作台连同工件向左移动一个合适的距离，再用横向进给向外进行铣削，这时纵向铣削力的方向仍然向右，与工作台移动方向相反，便不会拉动工作台，能使铣削过程平稳。又例如在立式铣床上用立铣刀加工一个“冂”型直角沟槽时，按照上面例子中的装夹对刀的铣削方法，要特别注意有两段直角沟槽铣削时需要避免上述铣刀可能折断的情况。

综上所述，在实际生产实习中，为避免因铣削力的作用所造成的不利影响，应注意以下几点并提出相应的改善措施：

1.铣刀安装时，为了减小铣刀的“让刀”和振动，要增强安装铣刀的刚度。必须使刀柄锥体与铣床主轴锥孔配合紧密、良好;在条件允许下，尽可能用较粗较短的刀柄;对于盘形铣刀和圆柱形带孔铣刀，在安装时应尽量使铣刀靠近机床主轴锥孔端部。

2.要合理地调整主轴轴承及工作台导轨的间隙，避免在铣削力的作用下，造成主轴及工作台的晃动，从而引起振动。对铣削中不移动的工作台导轨最好事先予以紧固。

3.工件或夹具安装时要紧固可靠，夹具和工作台之间最好要配置定位键。并尽可能在水平分力作用的方向上，对工件设置辅助支承，防止工件或夹具发生移动。

4.对带柄铣刀，铣夹头要装夹得非常牢固，以免受轴向铣削力作用而使铣刀发生轴向移动。

5.在立式铣床上用立铣刀或键槽铣刀加工时，要注意必须使铣削力的方向与工作台移动方向相反，如果出现相同方向的情况，应将相应的工作台手轮反摇一个空行程后，再进行铣削。通常用手轮反转来避免工作台被拉动的方法称为手轮反摇法。

参考文献：

[1]邱立功等，铣工实用技术，长沙：湖南科学技术出版社，2012

[2]劳动人事部培训就业局.铣工工艺学，北京：劳动人事出版社，1987

[3]李建国等.机械制造基础，延吉：延边大学出版社，2020

[4]人力资源和社会保障部教材办公室.铣工工艺与技能训练，北京：中国劳动社会保障出版社，2014

[5]人力资源和社会保障部教材办公室.铣工（技师高级技师），北京：中国劳动社会保障出版社，2017