高速铣削刀具及切削参数的选择
铣工工艺第十三章铣刀几何参数和铣削用量的选择
铣工工艺第十三章铣刀几何参数和铣削用量的选择铣刀是铣削加工中最为重要的切削工具之一，其几何参数的选择对于加工质量、效率和刀具寿命有着重要的影响。
本章将介绍铣刀几何参数的选择原则和铣削用量的确定方法。
一、铣刀几何参数的选择原则1.刀尖半径（RE）的选择：刀尖半径的大小直接影响到切削力和表面质量。
在一般情况下，刀尖半径越大，切削力越小，表面质量越好。
但是，过大的刀尖半径会导致铣削面积减小，加工效率降低。
因此，需要根据具体情况选择合适的刀尖半径。
2.刀具倾角（AP）的选择：刀具倾角的大小决定了铣削切削力的方向和大小。
一般情况下，刀具倾角越大，切削力越小，表面质量越好。
但是，过大的刀具倾角会导致切削力的方向与进给方向夹角过大，容易引起振动和切削不稳定。
因此，需要根据具体情况选择合适的刀具倾角。
3.切削刃数（Z）的选择：切削刃数的选择与铣削切削力和切削效率有关。
一般情况下，切削刃数越多，每刃切削力越小，切削效率越高。
但是，过多的切削刃数会导致刀具刃间距过小，切削润滑效果差，容易引起刀具卡刃、切削热等问题。
因此，需要根据具体情况选择合适的切削刃数。
4.刀具材料的选择：刀具材料的选择直接影响到刀具的切削性能和寿命。
一般情况下，硬度较高、耐磨性好的刀具材料能够提高刀具的使用寿命。
常用的刀具材料有硬质合金、高速钢和陶瓷等。
需要根据具体情况选择合适的刀具材料。
二、铣削用量的选择方法铣削用量的选择是指切削速度、进给量和切削深度的确定。
铣削用量的选择直接影响到加工效率、表面质量和刀具寿命。
1.切削速度的选择：切削速度的选择应根据刀具材料、工件材料和切削润滑条件等因素综合考虑。
一般情况下，切削速度越高，加工效率越高，但是过高的切削速度会导致刀具温度升高，刀具寿命降低。
需要根据实际情况选择合适的切削速度。
2.进给量的选择：进给量的选择应根据切削力和切削表面质量的要求综合考虑。
一般情况下，进给量越大，加工效率越高，但是过大的进给量会导致切削力增大，切削表面质量降低。
铣削加工道具的选择
铣削加工刀具的选择选择刀具应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素正确选用刀具及刀柄。
刀具选择总的原则是：适用、安全、经济。
适用是要求所选择的刀具能达到加工的目的，完成材料的去除，并达到预定的加工精度。
如粗加工时选择有足够大并有足够的切削能力的刀具能快速去除材料；而在精加工时，为了能把结构形状全部加工出来，要使用较小的刀具，加工到每一个角落。
再如，切削低硬度材料时，可以使用高速钢刀具，而切削高硬度材料时，就必须要用硬质合金刀具。
安全指的是在有效去除材料的同时，不会产生刀具的碰撞、折断等。
要保证刀具及刀柄不会与工件相碰撞或者挤擦，造成刀具或工件的损坏。
如加长的直径很小的刀具切削硬质的材料时，很容易折断，选用时一定要慎重。
经济指的是能以最小的成本完成加工。
在同样可以完成加工的情形下，选择相对综合成本较低的方案，而不是选择最便宜的刀具。
刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高则可以使总体成本可能比使用普通刀具更低，产生更好的效益。
如进行钢材切削时，选用高速钢刀具，其进给只能达到100mm/min，而采用同样大小的硬质合金刀具，进给可以达到500mm/min以上，可以大幅缩短加工时间，虽然刀具价格较高，但总体成本反而更低。
通常情况下，优先选择经济性良好的可转位刀具。
选择刀具时还要考虑安装调整的方便程度、刚性、耐用度和精度。
在满足加工要求的前提下，刀具的悬伸长度尽可能得短，以提高刀具系统的刚性。
下面对部分常用的铣刀作简要的说明。
1．圆柱铣刀圆柱铣刀主要用于卧式铣床加工平面，一般为整体式，如图1所示。
该铣刀材料为高速钢，主切削刃分布在圆柱上，无副切削刃。
该铣刀有粗齿和细齿之分。
粗齿铣刀，齿数少，刀齿强度大，容屑空间大，重磨次数多，适用于粗加工；细齿铣刀，齿数多，工作较平稳，适用于精加工。
机械加工中的刀具与切削参数优化研究
机械加工中的刀具与切削参数优化研究一、引言机械加工是制造业中非常重要的一环，其质量和效率对产品的制造过程和成本影响巨大。
而机械加工中的刀具与切削参数的优化研究，可以有效提高加工效率和降低加工成本。
本文将探讨机械加工中刀具与切削参数优化的研究。
二、刀具的选择与设计刀具是机械加工中至关重要的工具，直接影响加工效果和质量。
在刀具的选择上，可以根据加工材料和形状来确定。
不同材料和形状的加工需要使用不同的刀具，如高速钢刀具适用于普通钢和铸铁的加工，而硬质合金刀具则适用于不锈钢和高硬度材料的加工。
同时，刀具的设计也需要考虑到刀具的材料、刃磨形状和刀具刃口的数量等因素。
合理的刀具设计可以提高刀具的使用寿命和切削效率。
三、切削参数的优化1. 切削速度切削速度是指单位时间内切削刃与工件接触的次数。
切削速度的选择直接影响到机械加工的效率和质量。
一般来说，切削速度越高，加工效率越高，但同时也会增加刀具磨损和加工热量，影响加工质量。
因此，在确定切削速度时需要综合考虑刀具的耐磨性、材料的热扩散系数和工件的硬度等因素。
2. 进给量进给量是切削加工中工件相对于刀具的移动量。
进给量的选择直接影响加工的精度和表面质量。
通常情况下，进给量越大，加工效率越高，但同时也会增加刀具的磨损和加工精度的损失。
因此，在确定进给量时需要综合考虑刀具的稳定性、工件的硬度和表面粗糙度要求等因素。
3. 切削深度切削深度是指切削过程中切削刃和工件之间的距离。
切削深度的选择直接影响到加工过程中切削力和刀具寿命的变化。
一般来说，切削深度越大，加工效率越高，但同时也会增加切削力和刀具磨损的风险。
因此，在确定切削深度时需要综合考虑刀具的稳定性、工件的材料硬度和刀具寿命等因素。
四、刀具与切削参数的优化实例以铣削加工为例，对刀具和切削参数进行优化研究。
1. 刀具选择与设计对于中硬度的钢材加工，可以选择具有高硬度和耐磨性的硬质合金刀具。
刀具应具有适当的刃磨形状和刀具刃口的数量，以提高切削效率和使用寿命。
铣刀的选用
铣刀的选用一、铣刀的种类铣刀的种类很多，这里只介绍几种在数控机床上常用的铣刀。
铣刀：在回转体表面上或端面上分布有多个刀齿的多刃刀具。
粗齿铣刀－－刀齿少、粗，刀具强度大，用于粗加工；细齿铣刀－－刀齿多，用于精加工。
1、面铣刀（端铣刀）主要用于立式铣床上加工平面、台阶面。
主切削刃分布在铣刀的圆柱面上，副切削刃分布在端面上。
（1）高速钢整体式：刀齿损坏后很难修复。
――应用不多。
（2）硬质合金面铣刀与高速钢铣刀相比，铣削速度较高、加工效率高、加工表面质量也好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，故得到广泛应用。
按刀片和刀齿的安装方式不同，可分为：a.整体焊接式：将硬质合金刀片与合金钢刀体焊接而成，结构紧凑，制造方便。
但刀齿损坏后很难修复。
应用不多。
b.机夹－焊接式：将硬质合金刀片焊接在小刀头上，再将小刀头装在刀体槽中，用机械方法夹固。
刀头损坏后，只要更换新刀头即可，刀体可以继续使用。
应用较多。
c.可转位式将可转位刀片通过夹紧元件夹固在刀体上，一个切削刃用钝后，将刀片转位，全部切削刃钝后，更换新刀片。
该种铣刀加工质量稳定，切削效率高，刀具寿命长，刀片调整、更换方便，适合在数控铣床或加工中心上使用。
应用广泛。
2、立铣刀主要用于立式铣床上加工外周面、凹槽、台阶面等。
主切削刃分布在铣刀的圆柱面上，副切削刃分布在端面上，且端面中心有顶尖孔，因此，铣削时不能沿铣刀轴向进给，只能沿径向进给。
为了能加工较深的沟槽，并保证有足够的备磨量，立铣刀的轴向长度一般较长。
为了改善切屑卷曲情况，增大容屑空间，防止切屑堵塞，刀齿数比较少，容屑槽圆弧半径则较大。
一般粗齿立铣刀齿数Z＝3－4，细齿Z＝5－8，容屑槽圆弧半径r＝2－5mm。
图2－49为高速钢立铣刀。
应用较广，但切削效率较低。
图2－50为硬质合金可转位式立铣刀。
切削效率高。
3、键槽铣刀主要用于立式铣床上加工圆头封闭键槽。
先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向铣出键槽全长。
外形象立铣刀，仅有2个刀瓣，端面无顶尖孔，端面刃从外圆延至轴心。
CBN刀具的切削参数
CBN刀具的切削参数作者单位：郑州华菱超硬材料有限公司一，CBN刀具切削参数的制定方法：?粗加工时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度，故一般优先选择尽可能大的切削深度ap，其次选择较大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度。
精加工时，首先应保证工件的加工精度和表面质量要求，故一般选用较小的进给量f和切削深度ap，而尽可能选用较高的切削速度υc。
1，切削深度ap的选择1）切削深度应根据工件的加工余量来确定。
粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀应尽可能切除全部余量。
当加工余量过大，工艺系统刚度较低，机床功率不足，刀具强度不够或断续切削的冲击振动较大时，可分多次走刀。
切削表面层有硬皮的铸锻件时，应尽量使ap大于硬皮层的厚度，以保护刀尖。
2）半精加工和精加工的加工余量一般较小时，可一次切除，但有时为了保证工件的加工精度和表面质量，也可采用二次走刀。
3）多次走刀时，应尽量将第一次走刀的切削深度取大些，一般为总加工余量的2/3~3/4。
4）在中等功率的机床上、粗加工时的切削深度可达8~10mm，半精加工（表面粗糙度为Ra6.3~3.2μm）时，切削深度取为0.5~2mm，精加工（表面粗糙度为Ra1.6~0.8μm）时，切削深度取为0.1~0.4mm。
2，进给量f的选择切削深度选定后，接着就应尽可能选用较大的进给量f。
粗加工时，由于作用在工艺系统上的切削力较大，进给量的选取受到下列因素限制；机床—刀具—工件系统的刚度，机床进给机构的强度，机床有效功率与转矩，以及断续切削时刀片的强度。
半精加工和精加工时，最大进给量主要受工件加工表面粗糙度的限制。
工厂中，进给量一般多根据经验按一定表格选取（详见车、钻、铣等各章有关表格），在有条件的情况下，可通过对切削数据库进行检索和优化。
3，切削速度υc的选择在切削深度ap选定以后，可在保证刀具合理耐用度的条件下，用计算的方法或用查表法确定切削速度υc的值。
刀具及切削参数选择
刀具及切削参数选择在进行切削加工时，刀具及切削参数的选择是非常重要的。
刀具的选择取决于工件的材料、加工方式和所需的加工质量，而切削参数的选择则直接影响到切削效率、加工质量和工具寿命。
下面将详细介绍刀具及切削参数的选择要点。
首先，刀具的选择应根据工件的材料来确定。
不同材料的硬度、耐磨性和塑性等性质会对刀具的选择产生影响。
常用的刀具材料有高速钢、硬质合金和陶瓷等。
高速钢刀具适用于切削低硬度的材料，如铸铁、铝等。
硬质合金刀具具有较好的耐磨性和硬度，适用于切削高硬度材料，如钢和钛合金等。
陶瓷刀具具有良好的高温硬度和耐磨性，适用于切削高硬度和高温材料。
其次，根据加工方式来选择刀具的类型。
常见的刀具类型有立铣刀、立铣刀、钻头、螺纹刀和车刀等。
立铣刀适用于平面和立面的铣削加工。
立铣刀适用于开槽和切割加工。
钻头适用于孔加工。
螺纹刀适用于螺纹加工。
车刀适用于车削加工。
再次，切削参数的选择要考虑切削效率、加工质量和刀具寿命的平衡。
常见的切削参数有切削速度、进给速度和切削深度等。
切削速度是刀具切削的线速度，影响切削热的产生和刀具寿命。
一般来说，当工件材料硬度较高时，切削速度应适当降低。
进给速度是工件在单位时间内移动的距离，影响切削力和加工质量。
一般来说，较高的进给速度可以提高切削效率，但过高的进给速度会增加切削力和工具磨损。
切削深度是刀具在每次切割时进入工件的距离，影响切削力和切削热的产生。
较大的切削深度可以提高切削效率，但会增加切削力和工具磨损。
此外，还应考虑冷却润滑剂的选择和使用。
合适的冷却润滑剂可以降低切削热的产生，减小工具磨损，提高加工质量。
综上所述，刀具及切削参数的选择需要考虑工件材料、加工方式和所需加工质量。
合理选择刀具类型和切削参数可以提高切削效率、加工质量和工具寿命。
在实际应用中，还需要根据具体情况进行调整和优化。
数控铣削加工参数的确定原则
数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。
切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。
对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。
切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度并充分发挥机床的性能，最大限度地提高生产率，降低成本。
（1）主轴转速的确定主轴转速应根据允许的切削速度和工件(或刀具)的直径来选择。
其计算公式为：n=1000v/(πD)计算的主轴转速n最后要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速。
（2）进给速度的确定进给速度F是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。
最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。
在轮廓加工中，在接近拐角处应适当降低进给量，以克服由于惯性或工艺系统变形在轮廓拐角处造成“超程”或“欠程”现象。
确定进给速度的原则：1）当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。
一般在100~200mm/min范围内选取。
2）在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20~50mm/min范围内选取。
3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20~50mm/min范围内选取。
4）刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以选择该机床数控系统给定的最高进给速度。
（3）背吃刀量确定背吃刀量(a p)根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。
为了保证加工表面质量，可留0.2~0.5mm精加工余量。
高速切削加工的刀具选择
Ｔｉ Ｎ＋ ２ ＋ Ｎ， Ｎ＋ ２ ， Ｔｉ Ｔｉ ， Ｃ ＡｌＯ３ Ｈｌ Ｔｉ Ａｌ Ｏ３ ＣＮ， Ｂ２
碳 纤 维塑 料等 非金 属材 料 的加工 。 如 在铝合 金 例
ＴＡｌ １Ｎ Ｉｉ Ｎ等 。最 新 发展 的ＴＮ， ｌ ｉ Ｎ， ｉ Ｔ Ａ１ ｒ ｉ Ａ Ｎ纳米
温性 能 ，适合 高速 加工合 金钢 和铸 铁 。
陶瓷 刀具 ：陶瓷 刀具分 为氧 化铝 陶 瓷、氮化
砖 陶 瓷和 复合陶 瓷三类 ， 具有 高硬度 、 高耐磨 性 、
热稳定性。其中Ａ２ ３ ｌ 基陶瓷约ｌ２３ Ｏ ／，这种陶瓷
刀 具适合 加工 钢件 ；Ｓ３ 基陶 瓷约 Ｉ １３ ｉ Ｎ４ ‘ ／ ，这 种
２ 刀具结构
弹性 夹紧式 、液 压夹 紧式和 热膨胀 式刀 杆示 意 图 。其 中热膨 胀式 结构 简单 ，夹 紧可 靠 、同心 度 高 ， 递扭矩 和径 向力火 ， 传 刚性足 ， 动平 衡性 好 ，
摘
要 作 为先进制造技术 ，高速切削加 工 已成为机械制造业的主流发展方向 ， 它的应 用将 大幅度
地提 高加 工效率和加 工质量 。高速切 削刀具技术是 实现 高速 切削的关键技术之一 。本文根据 高速切 削加工
对刀具 系统 的要求 ，分 别从 刀具材料 、结构和刀杆 结构及切削参数等 方面阐述 了 高速切 削加工 中如何合 在
证 刀 具动平 衡 ，在 高速 铣 削时不 宜采用 。图２ 为
金刚石： 分天然金刚石和聚晶金刚石， 高速
铣 削主要采 用 聚品金 刚石 ， 常用 于高速 加：＝ 通 Ｉ ＝ 有 色金 属和非 金属 材料 。 目前在 高速铣 削 加工 中 ， 应用最 多 的是整体
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高速铣削刀具及切削参数的选择
摘要：通过等效类比的方法研究了高速铣削刀具选择的一般原则。
推导了球头铣刀的有效直径和有效线速度的计算公式，以此进一步确定转速，通过试验的方法测定了径向铣削深度和每
齿进给量对表面粗糙度的影响。
关键词：高速铣削刀具；有效直径；有效线速度；切削参数；表面粗糙度
作者：宋志国，宋艳，常州信息职业技术学院
0 引言
传统意义上的高速切削是以切削速度的高低来进行分类的，而铣削机床则是以转速的高低进行分类。
如果从切削变形的机理来看高速切削，则前一种分类比较合适；但是若从切削工艺的角度出发，则后一种更恰
当。
这是因为随着主轴转速的提高，机床的结构、刀具结构、刀具装夹和机床特性都有本质上的改变。
高转速意味着高离心力，传统的7∶24锥柄，弹簧夹头、液压夹头在离心力的作用下，难以提供足够的夹持力；
同时为避免切削振动要求刀具系统具有更高的动平衡精度。
高速切削的最大优势并不在于速度、进给速度提高所导致的效率提高；而是由于采用了更高的切削速度和进给速度，允许采用较小的切削用量进行切削加工。
由于切削用量的降低，切削力和切削热随之下降，工
艺系统变形减小，可以避免铣削颤振。
1 刀具的选择
通常选用图1所示的3种立铣刀进行铣削加工，在高速铣削中一般不推荐使用平底立铣刀。
平底立铣刀在切削时刀尖部位由于流屑干涉，切屑变形大，同时有效切削刃长度最短，导致刀尖受力大、切削温度高，导致快速磨损。
在工艺允许的条件下，尽量采用刀尖圆弧半径较大的刀具进行高速铣削。
图1 立铣刀示意图
随着立铣刀刀尖圆弧半径的增加，平均切削厚度和主偏角均下降，同时刀具轴向受力增加可以充分利用机
床的轴向刚度，减小刀具变形和切削振动（图2）。
图2 立铣刀受力示意图
图3为高速铣削铝合金时，等铣削面积时两种刀具的铣削力对比。
刀具为直径Φ10mm的2齿整体硬质合金立铣刀，螺旋角30度。
刀尖圆弧半径为1.5mm和无刀尖圆弧的两种刀具。
图3 刀尖圆弧半径对铣削力的影响
铣削面积同定为a，a p·a e=2.Omm2。
当轴向铣削深度减小时，则增大径向铣削深度。
对应的主轴转速为
18000rpm，进给速度3600mm/min。
从图中可以看出，在圆角立铣刀的铣削力明显小于平底立铣刀，同时在轴向切深较小时铣削力迅速下降。
因此，在高速铣削加工时通常采用刀尖圆弧半径较大的立铣刀，且轴向切深一般不宜超过刀尖圆弧半径；径向切削深度的选择和加工材料有关，对于铝合金之类的轻合金为提高加工效率可以采用较大的径向铣削深度，对于钢及其他加工性稍差的材料宜选择较小的径向铣削深度，减缓刀具磨损。
2 切削参数选择
由于球头铣刀的实际参与切削部分的直径和加工方式有关，在选择切削用量时必须考虑其有效直径和有效线速度（参见图4）。
球头铣刀的有效直径计算公式：
图4 铣刀的有效直径计算
铣刀实际参与切削部分的最大线速度定义为有效线速度。
球头铣刀的有效线速度为：
采用球头铣刀加工时，如果轴向铣削深度小于刀具半径，则有效直径将小于铣刀名义直径，有效速度也将小于名义速度，当采用圆弧铣刀浅切深时也会出现上述情况。
在优化加工参数时应按有效铣削速度选择。
图5根据公式（1）给出不同名义直径刀具在各种切深条件下的有效直径，例如，当Φ12刀具轴向铣削深度a p=1.5mm时，由图5在a p=1.5mm处画水平线，与Φ12的曲线相交，横坐标为8mm即为有效直径。
由有效直径可根据图6按有效切削速度可确定实际转速。
例如，当有效直径为Φ8，有效切削速度选择为
v=300m/min，则要求转速为n=12000rpm。
图5 有效直径选择曲线
图6 按有效直径与有效切削速度确定转速
在应用球头铣刀进行精加工曲面时，为获得较好的表面粗糙度减少或省去手工抛光，径向铣削深度最好和每齿进给量相等，在这种参数下加工出的表面纹理比较均匀，而且表面质量很高（图7～8）。
图7 径向铣削深度对表面纹理的影响
图8 径向铣削深度/每齿进给量对表面粗糙度的影响
高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。
不同刀具加工不同工件材料时，加工用量会有很大差异，目前尚无完整的加工数据，可根据实际选用的刀具和加工对象参考刀具厂商提供的加工用量选择。
一般的选择原则是中等的每齿进给量f z，较小的轴向切深a p，适当大的径向切深a e，高的切削速度v。
例如，加工HRC48～58淬硬钢时，切削参数的选择见表1。
表1 切削参数的选择
3 结束语
随着高速铣床在生产实际中的广泛应用，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。
在数控程序的编制过程中，要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量。
因此，编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥高速铣床的优点，提高企业的经
济效益和生产水平。