铣刀
《航空材料与腐蚀防护》课程
论文
系别: 航空系
班级: 飞机1105班
姓名: 郭理智
学号: 201100015034
长沙航空航天职业技术学院
2013年6 月6 日
铣刀
近年来，随着数控机床的不断发展，数控机床刀具种类越来越多，其划分也越来越细，但无论样式如何改变，从总体上看，数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，而数控刀具中又以数控铣刀应用最为广泛，现就目前数控刀铣刀的类型总结如下。
一、数控铣刀的分类
（一）按制造铣刀所用的材料可分为
1、高速钢刀具；
2、硬质合金刀具；
3、金刚石刀具；
4、其他材料刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。
（二）按铣刀结构形式不同可分为
1、整体式：将刀具和刀柄制成一体。
2、镶嵌式：可分为焊接式和机夹式。
3、减振式：当刀具的工作臂长与直径之比较大时，为了减少刀具的振动，提高加工精度，多采用此类刀具。
4、内冷式：切削液通过刀体内部由喷孔喷射到刀具的切削刃部；
5、特殊型式：如复合刀具、可逆攻螺纹刀具等。
（三）按铣刀结构形式不同可分为
1、面铣刀（也叫端铣刀）：面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构和刀片机夹可转位结构，刀齿材料为高速钢或硬质合金，刀体为40CR。钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等；
2、模具铣刀：模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄。它的结构特点是球头或端面上布满切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造。铝板点焊机
3、键槽铣刀：用于铣削键槽。
4、成形铣刀：切削刃与待加工面形状一致。
二、常用数控铣刀
现就几种目前比较常用的铣刀类型就其应用场合加以说明。
（一）单刃铣刀
该刀具加工效率高，采用优质的硬质合金作刀体，一般采用刃口锐磨工艺，以及高容量的排屑，使刀具在高速切割中有不粘屑，低发热，光洁度高等特点。
它广泛应用于工艺品、电子、广告、装饰和木业加工等行业，适合工厂批量加工以及高要求的产品。
（二）两刃铣刀和四刃立铣刀
（一）两刃铣刀
（二）四刃立铣刀
该类刀具一般采用整体合金结构，其特点是拥有很强的稳定性，刀具可在
加工面上稳固地工作，使加工质量得以有效的保证。适用材料范围广，如碳素钢、模具钢、合金钢、工具钢、不锈钢、钛合金、铸铁、适用于一般模具、机械零件加工。
（三）螺纹铣刀
随着中国数控机床的发展，螺纹铣刀越来越得到人们的认可，它很好的加工性能，成为降低螺纹加工成本、提高效率、解决螺纹加工难题的有力加工刀具。由于目前螺纹铣刀的制造材料为硬质合金，加工线速度可达80～200M／MIN，而高速钢丝锥的加工线速度仅为10～30M／MIN，故螺纹铣刀适合高速切削，加工螺纹的表面光洁度也大幅提高。高硬度材料和高温合金材料，如钛合金、镍基合金的螺纹加工一直是一个比较困难的问题，主要是因为高速钢丝锥加工上述材料螺纹时，刀具寿命较短，而采用硬质合金螺纹铣刀对硬材料螺纹加工则是效果比较理想的解决方案。可加工硬度为HRC58～62。对高温合金材料的螺纹加工，螺纹铣刀同样显示出非常优异的加工性能和超乎预期的长寿命。对于相同螺距、不同直径的螺纹孔，采用丝锥加工需要多把刀具才能完成，但如采用螺纹铣刀加工，使用一把刀具即可。在丝锥磨损、加工螺纹尺寸小于公差后则无法继续使用，只能报废；而当螺纹铣刀磨损、加工螺纹孔尺寸小于公差时，可通过数控系统进行必要的刀具半径补偿调整后，就可继续加工出尺寸合格的螺纹。同样，为了获得高精度的螺纹孔，采用螺纹铣刀调整刀具半径的方法，比生产高精度丝锥要容易得多。对于小直径螺纹加工，特别是高硬度材料和高温材料的螺纹加工中，丝锥有时会折断，堵塞螺纹孔，甚至使零件报废；采用螺纹铣刀，由于刀具直径比加工的孔小，即使折断也不会堵塞螺纹孔，非常容易取出，不会导致零件报废；采用螺纹铣削，和丝锥相比，刀具切削力大幅降低，这一点对大直径螺纹加工时，尤为重要，解决了机床负荷太大，无法驱动丝锥正常加工的问题。
螺纹铣刀作为一种采用数控机床加工螺纹的刀具，成为一种目前广泛被采用的实用刀具类型。
数控铣刀的种类多种多样，随着数控行业的日益发展，数控铣刀的类型和应用条件和场合也必将发生变化，我们仍要继续对其动态进行关注和研究，这是很有现实意义的。
可转位螺纹铣刀
数控铣刀的种类多种多样，随着数控行业的日益发展，数控铣刀的类型和应用条件和场合也必将发生变化，我们仍要继续对其动态进行关注和研究，这是很有现实意义的。
（四）常用铣刀
1.面铣刀
2.三刃立铣刀
3.钻头
4.铰刀
5.中心孔钻头
三、铣刀材料的种类及牌号
1、铣刀切削部分材料的基本要求：
1）高硬度和耐磨性：在常温下，切削部分材料必须具备足够的硬度才能切入工件；具有高的耐磨性，刀具才不磨损，延长使用寿命。
2）好的耐热性：刀具在切削过程中会产生大量的热量，尤其是在切削速度较高时，温度会很高，因此，刀具材料应具备好的耐热性，既在高温下仍能保持较高的硬度，有能继续进行切削的性能，这种具有高温硬度的性质，又称为热硬性或红硬性。
3）高的强度和好的韧性：在切削过程中，刀具要承受很大的冲击力，所以刀具材料要具有较高的强度，否则易断裂和损坏。由于铣刀会受到冲击和振动，因此，铣刀材料还应具备好的韧性，才不易崩刃，碎裂。
2、铣刀常用材料： )
（1）高速工具钢（简称高速钢，锋钢等），分通用和特殊用途高速钢两种。
其具有以下特点：
a、合金元素钨、铬、钼、钒的含量较高，淬火硬度可达HRC62—70。在6000C 高温下，仍能保持较高的硬度。
b、刃口强度和韧性好，抗振性强，能用于制造切削速度一般的刀具，对于钢性较差的机床，采用高速钢铣刀，仍能顺利切削。
c、工艺性能好，锻造、加工和刃磨都比较容易，还可以制造形状较复杂的刀具。
d、与硬质合金材料相比，仍有硬度较低，红硬性和耐磨性较差等缺点。（2）硬质合金：是金属碳化物、碳化钨、碳化钛和以钴为主的金属粘结剂经粉未冶金工艺制造而成的。
刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m人nln左右；20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米；30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米；当前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上G被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。一刀具材料应具备的性能性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下的基本要求。1)高硬度和高耐磨性刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。2)足够的强度与冲击韧性强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，
冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。3)高耐热性耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。4)良好的工艺性和经济性为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。
四、常用刀具材料
常用刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料，目前用得最多的为高速钢和硬质合金。表6—2为常用刀具材料的牌号、性能及用途。
1)高速钢高速钢是一种加人了较多的钨、铬、钒、相等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃；锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢。普通高速钢，如W1J8c24v广泛用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40—60m／min。高性能高速钢，如W12Cr4V4Mo是在普通高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素冶炼而成的。它的耐用度为普通高速钢的1．5—3倍。粉末冶金高速钢是70年代投入市场的一种高速钢，其强度与韧性分别提高30％一40％和80％一90％．耐用度可提高2—3倍。目前我国尚处于试验研究阶段，生产和使用尚少。2)硬质合金按GB2075—87(参照采用190标准)可分为P、M、K三类，P类硬质合金主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志；M类主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作标志，又称通用硬质合金，K类主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，用红色作标志。 P、M、K(后面的阿拉伯数字表示其性能和加工时承受载荷的情况或加工条件。数字愈小，硬度愈高。
五、国内高速铣削技术的研究现状
高速切削的研究正从过去的车削逐步转向铣削，因为铣削加工在机械加工总量中占有很大的比重。目前国内针对高速铣削的研究可大致分为如下几个方面：
1．采用各种切削模型，利用仿真软件模拟切削过程，辅助一定量的实验，修正模型，增强描述加工过程的准确性。以进一步了解高速铣削加工过程并反映其中的规律，为其他方面的研究打下基础。
南京理工大学陈占晖]1[利用ANSYS对高速铣削刀具进行瞬态动力学仿真，
研究了铣削参数对铣刀在铣削时振动位移的影响。参考研究结果，可以避免铣刀在铣削加工中产生过大的振动位移，并尽可能的减小振动位移，提高加工工件的质量。杜小东]2[通过理论分析，主要考虑高速切削下切削层惯性力影响会增大，铣削过程中刀齿的切入切出周期性变化引起切削力变化以及再生效应的影响等，建立了高速铣削力动力学理论模型。
2．高速加工淬硬钢基本特征量规律的研究和实验数据总结。
南京航空航天大学夏雨]3[
采用硬质合金涂层刀具对淬硬模具钢Cr12MoV
进行高速铣削正交试验，研究了刀具螺旋角、铣削方式、润滑条件以及切削速度、每齿进给量和径向切深对切削力、刀具寿命及工件表面质量的影响，并根据试验所得数据建立了高速铣削淬硬钢铣削力和表面粗糙度预测模型。
广西大学吴学奇]4[针对小直径( 2mm)涂层硬质合金铣刀高速铣削加工淬硬钢(HRC51)过程中的切削力、振动、刀具磨损、切屑形态以及切削参数优化等高速铣削机理和工艺问题进行深入、系统的实验和理论研究。
山东大学唐委校]5[以实现稳定切削条件下的高生产效率和高加工质量为优化目标，提出在高速切削机床和刀具的设计、制造、检验、切削加工生产与维护的整个生命周期中进行考虑切削稳定性的动态优化的新理念，研究适合高速切削的切削稳定性预测及其动态优化理论和工程应用方法。
3．结合生产背景，进行正交实验，分析多因素作用下高速铣削加工表面粗糙度的变化规律。
吉林大学王玉]6[对模具的高速铣削加工做了工艺参数对表面质量的影响和轨迹规划方面的研究。采用二次旋转回归的实验方法以加工后的表面粗糙度为评价标准对主轴转速、进给速度、径向间距和切削深度四个加工中重要的参数进行研究，获得加工参数的回归方程，通过显著性检验和验证实验，证明了回归方程的可靠性。
湖南大学潘建新]7[针对直径6mm涂层硬质合金球头立铣刀加工淬硬钢(HRC55)模具型腔进行研究，研究了国产淬硬钢模具材料(4Cr5MoSiV)在各种切削参数下对模具型腔表面质量(主要是表面粗糙度)的影响，进行了高速铣削切
削用量的优选。以一个典型手机面壳模具型腔的高速加工为例，通过实测加工参数优化前后的模具质量，进一步验证了优选的加工参数的正确性。
Qin Zhe]8[等研究了高速铣削尖角和圆弧的振动情况，指出了各自的振动规律及影响因素。虽然EDM加工效率低，但在加工拐角方面还是具有一定优势，此研究成果推广了高速铣削的应用范围，使其具有完全取代EDM的可能。
4．鉴于高速铣削刀具极易非正常磨损、高硬度刀具材料同时具有脆性大、抗弯强度低的特点，开展等切削力、等切削余量的轨迹规划和切削方法研究，可延长刀具寿命，降低加工成本。
大连理工大学黎振]9[提出了一种等残留高度光顺刀具轨迹规划算法。在保证刀具轨迹光顺的前提下使加工效率达到最佳。王炜]10[分析了高速加工切削力影响因素的基础上，研究了面向高速加工的等切削力余量规划方法。分析了建立等切削力余量模型的关键技术，并设计了等切削力余量思想实现的一般流程。
庞俊忠等]11[使用TiAlN涂层球形端铣刀，在13500r/min的转速下，对淬火45钢(47HRC～48HRC)进行高速铣削试验，建立了高速铣削下多项式切削力试验模型，模拟了以恒定切削力为目标、优化进给率的模型。结果显示稳定切削载荷能有效地提高加工效率，避免刀具剧烈磨损。
5．高速铣削刀具开发及安全性研究
高速铣削刀具设计开发方面哈尔滨理工大学做了众多有益的尝试和努力，孙拥军]12[针对高速面铣刀切削过程的特点，基于高速切削加工理论，建立了高速面铣刀单齿和多齿动态切削力模型，获得高速面铣刀动态切削性能的变化规律。依据高速铣刀ISO15641标准和高速铣刀动平衡原理，进行高速面铣刀不平衡影响因素的研究与刀具动平衡等级的评价；为安全性的高速面铣刀产品的开发提供了依据。
在刀具磨损在线检测方面南昌大学王超厚]13[用电机主轴电流(二次变量)去估计刀具磨损量(主导变量)的值。通过分析和处理数据采集卡采集到的数据，实现电流信号的实时采集、处理和显示，从而间接地推测出刀具的磨损状态。
综上，我们可以发现，针对高速铣削切削参数实验研究及选择方法、刀具轨迹控制、高速铣削刀具批量设计和优选系统的开发上，学术界进行了大胆的尝试和一定数量的研究。有的进行理论研究，通过实验分析，建立数学分析模型，但也存在一定的问题，吉林大学王玉仅仅针对T10一种材料和一种刀具，缺乏普遍意义。而生产企业由于缺乏相关资料，忙于应对市场竞争，缺少时间精力进行相关，难以使高速切削机床发挥出应有的作用。虽然多数学者认为目前针对高速切削的研究较少，但只要能将有限的实验数据和理论研究综合起来，一样能反应目前高速切削技术的发展水平，并知道生产。因此有必要针对现有研究成果，总结实验数据，反应高速切削行为的整体规律，用以指导生产。
目前学术界将研究目标转向了高速切削数据库的研究方面，既广泛的研究各种刀具与多种材料的匹配关系，以期待能在高速切削工艺参数选择方面能有一个坚实的理论和实践基础。但我们也注意到，目前国内高速切削机床和配套刀具还要依赖进口，由于整体科研投入较国外还有很大的差距，而且短期内难以改变。与其耗费大量人力财力进行广泛的普遍研究，不如结合生产实例进行专用高速刀具设计和切削参数优化。这种思想是解决目前理论研究不彻底，生产应用难的好方法。例如在发展迅速的汽车内饰行业，项目开发存在周期短，产品结构上具有继承性的特征。对有共同特征的一系列产品，进行系列化的高速刀具开发和切削参数优选。由于生产量大，刀具开发成本和研究成本可以平摊到产品中去，加工过程就是高速切削数据的积累过程，可以在节约成本的前提下，加速推广高速切削技术的应用。
结论
本文首先分析了高速铣削技术的研究现状，指出了存在的问题，进而提出了论文所要解决的问题，即通过分析高速铣削技术的加工特征与模具内在特征之间的关联性和分析高速加工过程中需要处理的三要素的内在关系。指出将高速铣削技术应用到模具加工中的可行性。然后分析了高速铣削加工型面的关键问题：加工表面质量分析、加工精度影响分析、加工效率分析、高速铣削加工
质量与加工效率的冲突及解决方案。
最后，针对加工示例中的两个工序设计了精加工用的模具铣刀。总结了模具铣刀的分类和使用条件以及几何参数的选择方法，通过总结的实验数据和前面的研究工作，给出了高速铣削结构参数的选择规律并总结出选择高速铣削模具铣刀的方法。
对于高速铣削技术的研究除了加强详细规范的实验研究，总结出准确的铣削力、铣削热、刀具寿命的变化规律（公式外）还应结合材料科学的基础上，对刀具切削过程与材料的相互作用的微观过程进行研究，为宏观的切削实验提供事实依据。同时进一步加工新一代刀具材料性能的研究或有别于传统切削加工原理的新一代无接触式加工方法。
建议相关高校应建立有效的协调机制，在研究项目分配上，重点高校进行前沿的基础研究、各个重点高校应该有效分工，重点在于积累详细的实验数据并总结成实用的高速切削数据库。
地方高校应在重点高校的研究基础上，结合本省的企业的生产实际，应用已有的理论研究成果，重点做生产应用方面的推广，或结合具体的生产背景，对已有的理论进行具体化研究。地方高校还应广泛搜集本地企业在应用高速铣削技术过程中遇到的具体的问题，对本身财力有限无法解决的问题，提供给重点院校，使其理论和基础实验研究有明确的方向性。
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