铣削设备及基础知识

时间：2022-10-17 百科知识版权反馈

【摘要】：铣床是用于铣削加工的机床。卧式升降台铣床的主轴是水平布置的，习惯上称为“卧铣”。卧铣主要用于单件及成批生产中，铣削平面、沟槽和成形表面。升降台内装有进给运动和快速移动装置和操纵机构等。由于立铣头可在垂直平面内旋转，因此可铣削斜面。若机床上采用分度头或圆形工作台，还可铣削齿轮、凸轮以及铰刀和钻头等的螺旋面。9为工作台，铣削时沿床身1上的导轨作直线进给运动。

第一节　铣削设备及基础知识

一、铣床

铣床是用于铣削加工的机床。铣床的类型主要有：卧式升降台铣床、立式升降台铣床、圆工作台及工作台不升降铣床、龙门铣床、万能工具铣床、仿形铣床、仪表铣床和各种专门化铣床等。

（一）铣床的运动情况

1．主运动　刀具的旋转运动。主电动机的旋转运动，经主轴变速机构传递到主轴，再经主轴传递到刀具，使刀具旋转。

2．进给运动　工作台的纵向、横向和垂直方向的移动。进给电动机的旋转运动，经进给变速机构，分别传递给三个方向的进给丝杆，获得工作台的纵向运动、横向溜板的横向运动和升降台的垂直方向运动。

（二）卧式升降台铣床

卧式升降台铣床的主轴是水平布置的，习惯上称为“卧铣”。卧铣主要用于单件及成批生产中，铣削平面、沟槽和成形表面。

图6－2　卧式升降台铣床

如图6－2所示，卧式升降台铣床由底座8、床身1、铣刀轴（刀杆）3、悬梁2、悬梁支架6、升降工作台7、滑座5及工作台4等主要部分组成。床身1固定在底座8上，用于安装和支承机床的各个部件。床身1内安装有主轴部件、主运动装置和变速操纵机构等。床身顶部的燕尾形导轨上装有悬梁2，可沿水平方向调整其位置。在悬梁的下面装有支架6，用于支承刀杆3的悬伸端，以提高刀杆的刚度。升降工作台7安装在床身的垂直导轨上，可作垂直方向运动。升降台内装有进给运动和快速移动装置和操纵机构等。升降台上面的水平导轨上装有滑座5，滑座5带着其上的工作台和工件可作横向移动，工作台4装在滑座5的导轨上可作纵向运动。

加工时，工件安装在工作台4上，铣刀装在铣刀轴（刀杆）3上。铣刀旋转作主运动，工件移动作进给运动。

图6－3是卧式升降台铣床X6132的传动系统图。万能卧式升降台铣床的结构与一般卧式升降台铣床基本相同，只有在工作台4和滑座5之间增加了一层转台。转台可相对于滑座在水平面内调整一定的角度（通常允许回转的范围是±45°），使工作台的运动轨迹与主轴成一定的夹角，以便加工螺旋槽等表面。

图6－3　X6132传动系统图

（注：图中为齿数×模数，如71×4，即：齿数71，模数4）

（三）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：立式升降台的主轴是垂直安装的，用立铣头代替卧式铣床的水平主轴、悬梁、刀杆及其支承部分；如图6－4所示，立式升降台铣床的外形除铣头部分外，主要组成部件与卧式升降台铣床相同，铣头1可以根据加工要求在垂直面内调整角度，主轴可沿其轴线方向进给和调整位置。

立式升降台铣床适用于单件及成批生产，可用于加工平面、沟槽、台阶。由于立铣头可在垂直平面内旋转，因此可铣削斜面。若机床上采用分度头或圆形工作台，还可铣削齿轮、凸轮以及铰刀和钻头等的螺旋面。在模具加工中，立式升降台铣床最适合加工模具型腔和凸模成形表面。

（四）龙门铣床

龙门铣床是一种大型的高效通用机床，如图6－5所示。它在结构上呈框架式布局，具有较高的刚度和抗震性。5为横梁，在它上面安装了两个铣削头（主轴箱）6和3；4为立柱，在它上面也安装了两个铣削头2和8。每个铣削头都是一个独立的运动部件，铣刀旋转为主运动。9为工作台，铣削时沿床身1上的导轨作直线进给运动。工作时，调整侧面T形槽内的撞块，可使工作台运动实现自动循环。四个铣削头都可沿各自的轴线作轴向移动，实现铣刀的吃刀运动。为了调整工件与铣削头之间的相对位置，铣削头6和3可沿横梁5水平方向移动，铣削头8和2可沿立柱在垂直方向移动。7为操作箱，操作位置可自由选择。

图6－4　立式升降台铣床

图6－5　龙门铣床

龙门铣床主要用于加工大中型工件的平面、沟槽。可以对工件进行粗铣、半精铣。也可以进行精铣加工。由于龙门铣床上可以多把铣刀同时加工工件的几个平面，所以龙门铣床的生产率很高，在成批和大量生产中得到广泛应用。

（五）数控铣床

数字控制技术是近代发展起来的一种自动控制技术，它是通过数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控（NC）。采用了数控技术的机床称为数控机床，如装备了数控系统的铣床称为数控铣床。

数控铣床和普通铣床相比较，其最大的区别在于：数控铣床可以实现刀具（或工作台）运动的自动控制，包括：坐标定位、移动轨迹、移动速度等等。因此，对于数控铣床来说，它可以进行在普通铣床上难以加工的复杂型面的零件加工。例如曲面外形、成形面、凸轮及蜗轮叶片和螺旋桨等采用数控加工方法，减少了繁琐的调整和操作，加工精度和加工效率比普通铣床提高了很多，从而使其在机械加工的各领域得到了广泛的应用。

二、铣床主要附件

（一）万能分度头

万能分度头是铣床的重要精密附件，用于多边形零件、花键、齿式离合器、齿轮等的圆周分度和螺旋槽的加工。

1．万能分度头的功能

目前常用的万能分度头型号有FW125、FW200、FW250、FW300等，其中FW250型万能分度头在铣床上使用较为广泛，其主要功能有：

1）能够将工件作任意的圆周等分或通过交换齿轮作直线移距分度；

2）可把工件轴线装夹成水平、垂直或倾斜的位置；

3）通过交换齿轮，可以使分度头主轴随纵向工作台的进给运动作等速连续旋转，用以铣削螺旋面和等速凸轮的型面。

2．万能分度头的结构

FW250型万能分度头的结构和传动系统如图6－6所示：

图6－6　万能分度头

通过底座将分度头固定在工作台上，壳体的内部装有分度传动机构，主轴的前端有锥孔，用以安装顶尖，需要时也可以将三爪自定心卡盘安装在主轴上。分度时分度手柄按分度盘上的孔距转过一定角度，通过一对传动比为1：1的直齿轮及一对传动比为1：40的蜗轮蜗杆副使主轴旋转，从而达到分度的目的。由图6－6（b）可知，蜗杆转40转，蜗轮转1转，因此，分度手柄转40转，分度头主轴转一转。

3．简单分度法

简单分度法是分度中最常用的一种方法，又称单动分度发，就是将分度盘固定，分度手柄相对分布盘转过一定的转数，使装夹在主轴上的工件转过所需要的角度，从而直接利用分度盘就可以进行分度的方法。用此方法分度时，分度手柄对应转过的转数n手可按下式计算：

式中：a——每次分度时手柄所转过的整转数；

　　　q——所用分度盘中孔圈的孔数；

　　　p——手柄转过整数转后，在q个孔的孔圈上转过孔的间距数。

例：在铣床上加工直齿圆柱齿轮，齿数Z＝28，试作分度及调整计算。

解

分度时，分度手柄应准确转过转，由于不是整数，还应通过分度盘上的孔圈来保证圈。FW250型分度头共有两块分度盘，分度盘正反两面各圈的孔数分别为：

第一块　正面：24、25、28、30、34、37：

反面：38、39、41、42、43；

第二块　正面：46、47、49、51、53、54；

反面：57、58、59、62、66。

分度时，只要将分度手柄的定位销调整到7的整数倍的孔圈上，如28、42、49均可，使手柄先转一整圈，再转12个（或18个、21个）孔距，即可完成分度操作。

分度盘上附设有分度叉，其作用是界定沿分度孔圈需要转过的孔数，避免每次分度时反复数孔的不便和分度差错，应用时只要让两叉间的夹角包含需要转过的孔距即可。

4．万能分度头的正确使用

分度头是铣床上的精密附件，正确的使用和日常的维护保养能延长分度头的使用寿命和保持它的精度，因此在使用和维护保养时应注意以下几点：

1）分度头蜗杆和蜗轮的啮合间隙应保持在0．02－0．04mm范围内，过小易使蜗轮磨损，过大则工件的分度精度因切削力等因素而受到影响，间隙的调整可通过偏心套及调整螺母来进行。

2）分度头是一种精密附件，使用中严禁用榔头等物敲打，在搬运分度头时，也应避免碰撞而损坏分度头主轴两端锥孔和安装底面。调整分度头主轴仰角时，先松开基座主轴后部螺母，再略微松开基座主轴前部内六角螺钉，待角度调整好后，先紧固前部螺钉（否则会使主轴位置的零位走动），再拧紧后部螺母。

3）在分度头上装卸工件时，最好先锁紧分度头主轴。

4）分度时，事先要松开主轴锁紧手柄，分度结束后再重新锁紧，但加工螺旋线工件时，由于分度头主轴在加工过程中要连续旋转，所以不能锁紧。

5）分度时，分度手柄上的定位销应慢慢地插入分度盘的孔内，切勿突然撒手，而使定位销自动弹入，以免损坏分度盘的孔眼。

6）要经常保持分度头的清洁。在使用前应清除表面的赃物，并将安装底面和主轴锥孔擦拭干净。存放时，应在外露的金属表面上涂防锈油。

7）经常注意分度头各部分的润滑，并按说明书上的规定加油。

8）合理选用分度头，严禁超载使用。

（二）铣刀

1．铣刀的类型

铣刀是一种应用很广泛的多齿旋转工具。铣刀的种类很多，其分类方法也很多。一般可按用途、结构和齿背形式进行分类。

（1）按用途分类

铣刀按用途可分为面铣刀、模具铣刀、键槽铣刀、角度铣刀、成形铣刀等，如图6－7所示。

图6－7　铣刀类型

1）面铣刀

常用的硬质合金面铣刀主要用于加工平面，它的铣削速度较高，加工生产率高，加工表面质量也较好，并可加工带有硬皮和淬硬的工件，故得到广泛应用。硬质合金面铣刀按刀片和刀齿的安装方式可分为整体焊接式、机夹—焊接式和可转位式。

①整体焊接式面铣刀

整体焊接式面铣刀是将硬质合金刀片直接焊接到铣刀刀体上，如图6－8所示。它必须整体刃磨，铣刀装卸、重磨较为费时且浪费刀体材料并且难以保证刀片焊接质量，故目前已经很少使用。

②机夹—焊接式面铣刀

机夹—焊接式面铣刀是将硬质合金刀片焊接在小刀齿上，再将小刀齿用机械夹固的方式安装在刀体上，如图6－9所示。这类铣刀按刃磨方式又可分为两种：一种是将小刀齿安装在刀体上，然后在专用磨床或工具磨床上对铣刀进行整体刃磨，即体内刃磨式；另一种是将小刀齿刃磨后装在刀体上，用对刀装置调整各刀齿尺寸一致，即体外刃磨式。

这种铣刀的焊接应力大，刀具耐用度低，而且重磨时装卸、调整较费时间，因此已经逐渐被可转位面铣刀所取代。我国工具厂已经不再生产这种铣刀，但国内许多工厂仍使用较多。

图6－8　整体焊接式面铣刀

图6－9　机夹—焊接式面铣刀

③可转位面铣刀

这种铣刀是将可转位刀片通过夹紧元件夹固在刀体上，当刀片的一个切削刃用钝后，直接在机床上将刀片转位或更换新刀片。因此，这种铣刀在提高产品质量、加工效率、降低成本、操作使用等方面都具有明显的优越性，目前已得广泛应用。

如图6－10所示，为一种典型结构的可转位面铣刀。它由刀体、刀片、刀垫、内六角螺钉、轴向支承块、楔块和紧固螺钉等组成。轴向支承块通过楔块和紧固螺钉紧固在刀体上。在紧固前，须将轴向支承块的轴向跳动调整到一定的数值范围内。刀垫通过内六角螺钉固定在刀体槽内。刀片安放在刀垫上通过楔块夹紧。

可转位面铣刀要求刀片定位精度高、夹紧可靠、排屑容易、更换刀片迅速等，同时各定位、夹紧元件通用性要好，并且制造方便、经久耐用。

2）模具铣刀

模具铣刀如图6－7（g）所示，主要用于模具型腔或凸模成形表面的加工。其头部形状根据需要可以使用圆锥形、圆柱形球头和圆锥形球头等多种形式。

3）键槽铣刀

键槽铣刀如图6－7（h）所示，主要用于加工圆头封闭键槽。

4）角度铣刀

角度铣刀有单角铣刀和双角铣刀两种，如图6－7（i）（j）所示，用于铣削沟槽和斜面。角度铣刀的大端和小端直径相差较大时，小端刀齿过密，容屑空间过小，因此可在小端将刀齿间隔地去掉，以增大容屑空间。

1—刀体　2—轴向支承块　3—刀垫　4—内六角螺钉　5—刀片　6—楔块　7—紧固螺钉

图6－10　可转位面铣刀

（2）按铣刀的形状分类

1）圆柱铣刀

如图6－7（a）所示，圆柱铣刀只在圆柱表面上有切削刃，一般用高速钢整体制造，也可镶焊硬质合金刀片。圆柱铣刀一般用于卧式铣床上加工较窄的平面，分粗齿和细齿两种，分别用于粗加工和精加工。

2）盘形铣刀

盘形铣刀分为槽铣刀、三面刃铣刀和错齿三面刃铣刀。

槽铣刀如图6－7（c）所示，只在圆柱表面上有刀齿，铣削时，为了减少两侧断面与工件槽壁的摩擦，两侧做有30′的副偏角，这样两端面实际上是一个内凹的锥面。槽铣刀一般用于加工浅槽。薄片的槽铣刀也称锯片铣刀，用于加工各种槽及板料、棒料和各种型材的切断。

两面刃铣刀除在圆柱表面有刀齿外，在一侧端面上也有刀齿，当圆柱表面上的刀齿为直齿时，端面切削（副切削刃）的前角为零。为了改善端面切削刃的工作条件，可采用斜齿结构。两面刃铣刀用于加工台阶面。

三面刃铣刀如图6－7（d）所示，在两侧端面上都有切削刃，为了改善端面切削刃的工作条件，同样可以采用斜齿结构，但由于斜面齿会使其中一个端面切削刃的前角为负值，故可采用错齿的结构，即每个刀齿上只有两条切削刃并交错地左斜或右斜，如图6－7（e）所示。三面刃铣刀用于加工沟槽、阶台面、零件的侧面及凸台平面。

3）立铣刀

立铣刀如图6－7（f）所示，它的圆柱表面和端面上都有切削刃，用于在立式升降台铣床上加工凹槽、阶台面以及按靠模加工成形面。

4）成形铣刀

成形铣刀如图6－7（k）所示，用于加工成型表面，其刀齿廓形要根据被加工工件的廓形来确定。

2．铣刀的装夹

（1）圆柱形及盘形套式铣刀的装夹方法

这类铣刀一般利用刀杆将铣刀安装在铣床主轴上。刀杆的结构如图6－11所示，它分为长、短两种，如图6－11（a）、（b）所示。

图6－11　刀杆

刀杆和铣刀的安装步骤如下：

①刀杆的安装　用干净的棉纱擦拭刀杆的锥柄和铣床主轴锥孔，把刀杆的锥柄插于主轴锥孔中，使刀杆锥柄前端凸缘上的两个缺口和主轴前端的两个传动键配合，并用螺杆把刀杆拉紧和紧固在主轴上。

②铣刀的安装　将铣刀、衬套和刀杆全部擦拭干净，套上几个垫圈，使铣刀处在需要的位置，然后装上铣刀，并在铣刀与刀杆之间装上键，再在铣刀外面套上适当数量的垫圈和与刀杆支承轴承相配的轴套，最后装上支架和旋紧螺母。还有一种轻便刀杆如图6－11（c）所示，它粗而短，刚性好，使用时不必用支架，所以在卧式升降台和立式升降台铣床上均可使用。

（2）带柄铣刀的装夹方法

这类铣刀包括立铣刀和小直径的端铣刀，有直柄和锥柄两种柄部形状。一般直柄铣刀用弹簧夹头装夹，如图6－12所示，装夹时，将铣刀柄插入弹簧套中，接着用螺母压弹簧套端面，并使之被挤紧在夹头体锥孔中，从而夹紧刀柄，夹头体用螺杆拉紧。更换相应的弹簧套，可安装直径在20mm内的直柄铣刀。锥柄铣刀安装时，先将其柄部插入主轴孔中，再用螺杆拉紧。如果柄部锥体小于主轴锥孔，则要通过中间套筒来装夹，装夹时，螺杆直接穿过过渡锥套后再拉紧铣刀。

（3）套式端铣刀的装夹方法

直径较小的套式端铣刀，一般用心轴装夹，如图6－13所示。铣刀内孔与心轴相配合，并用螺钉或螺母紧固，切削力矩依靠铣刀背面与心轴凸缘之间的端面键来传递。也可以用铣刀内孔加装平键来代替端面键。

1—内套　2—压紧螺母　3—外套　4—过渡锥套

图6－12　带柄铣刀的装夹

1—螺钉　2—铣刀　3—传动键　4—心轴5—拉杆　6—主轴

图6－13　端铣刀的装夹

三、铣削基础知识

（一）铣削方式

1．铣削方式的分类：

（1）按平面形成方法分：

①圆周铣削（简称周铣）

周铣是利用分布在铣刀圆柱面上的刀刃来铣削形成平面的。

②端面铣削（简称端铣）

端铣时利用分布在铣刀端面上的刀刃来形成平面的。

（2）按切削方向分：

①顺铣

切削处铣刀切削速度方向与工件进给方向相同时称为顺铣。

②逆铣

切削处铣刀切削速度方向与工件进给方向相反时称为逆铣。

顺铣和逆铣为两种不同的周铣铣削方式。

2．铣削方式的选择

（1）周铣和端铣的选择

当工件在圆柱铣刀下面以直线运动做进给时，工件表面就被铣出一个平面来。圆柱铣刀是由若干个刀刃组成的，所以铣出的平面有微小波纹。要使工件表面获得的表面粗糙度值较小，工件的进给速度就要慢一些，而铣刀转速要适当快一些。用周铣的方法铣出的平面，其平面度误差的大小主要取决于铣刀的圆柱度。因此铣削平面时，要保证铣刀圆柱度误差。

用端铣的方法铣出的平面也有一条条刀纹，刀纹的粗细也与工件的进给速度和铣刀转速高低等因素有关。用端铣的方法铣出的平面，其平面度误差的大小主要决定于铣床主轴轴线与进给方向的垂直度。

两者情况如下：

①面铣刀的装夹刚度较好，铣削时振动小；而圆周铣刀刀杆较长，轴径较小，容易产生弯曲变形和引起振动。

②端铣时同时工作的齿数比周铣多，工作较平稳。为减少周铣时振动，可选择大螺旋角铣刀来弥补这一缺点。

③端铣时刀齿有主、副切削刃同时工作，刀具寿命较长，且加工面的表面粗糙度值也较小；而周铣时只有圆周上的主切削刃工作，不但无法消除已加工面的残留面积，而且铣刀装夹后的径向跳动也会反应到工件表面上。

④端铣刀便于镶装硬质合金刀片进行高速铣削和阶梯铣削，生产效率高，铣削质量也较好；而圆柱铣刀镶装硬质合金刀片比较困难。

⑤铣削较大的工件时，圆柱铣刀一般要接刀铣削，故留有接刀痕迹；端面铣削时，则可用盘形铣刀一次铣出工件全宽度。

⑥圆柱铣刀可采用大刃倾角，充分发挥刃倾角在铣削过程中的作用，对铣削难加工的材料（如不锈钢、耐热合金等）有一定效果。

综上所述，一般情况下，端铣时的生产效率和铣削质量都比周铣高。所以铣削平面时，应尽可能采用端铣。但具体情况还应具体分析。在铣削单一的平面时，周铣和端铣是分开的；在铣削台阶和沟槽等组合面时，则两种情况同时存在。

（2）顺铣和逆铣的选择

①顺铣时，铣刀对工件的作用力的垂直分力始终向下，有压紧工件的作用，故铣削较平稳，对不易夹紧的工件及细长的薄板形工件更为适合。逆铣时，其垂直分力向上，有把零件从夹具内翻起来的倾向，因此对工件必须装夹牢固。

②顺铣时，铣刀切削刃切入工件时从切削厚处切到薄处，因此，铣刀后刀面与零件已加工表面的挤压、摩擦小，切削刃磨损较慢，零件加工表面质量较高。逆铣时，切削厚度由零逐渐增加到最大，由于铣刀的切削刃有一定的圆弧，所以，切削刃在开始时不能立即切入零件，须滑动一小段距离后才能切入，使切削刃容易磨损，并使已加工表面受到冷挤压和摩擦，影响工件已加工表面的表面质量。

③顺铣时，切削刃从零件的外表面切入，因此当工件是有硬皮及有杂质的毛坯件时，容易使刀具磨损和损坏。逆铣时，在铣刀中心进入零件端面以后，切削刃不是从工件的外表面切入，因此，工件表层的硬皮和杂质等对切削刃的影响较小。

④顺铣时，进给方向的水平分力与工作台进给方向相同，当丝杆与螺母、轴承的轴向间隙较大时，会拉动工作台，使工作台产生间隙性轴向窜动，导致刀齿折断，甚至造成刀轴弯曲、工件和夹具产生位移，而使工件、夹具以及机床损坏的严重后果。逆铣时，水平分力与工作台进给方向相反，因此，不会拉动工作台。

⑤顺铣时，能提高铣削速度，节省动力，而逆铣则相反。

综合上述比较，在铣床上进行圆周铣削时一般采用逆铣。只有在精铣时，把丝杆的轴向间隙调整到很小，或当水平分力小于工作台导轨间的摩擦力时，才选用顺铣。

（二）铣削用量

铣削用量包括背吃刀量、侧吃刀量、铣削速度和进给量，如图6－14所示。

1．背吃刀量a_p

背吃刀量a_p是指通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量。端铣时，背吃刀量等于切削层深度；而周铣时，背吃刀量为被加工表面的宽度。