平面铣削工艺、编程.doc

5．5 平面铣削工艺、编程

图5-5-1工平面加工工件
5．5．1 平面铣削加工的内容、要求
平面铣削通常是把工件表面加工到某一高度并达到一定表面质量要求的加工。
分析平面铣削加工的内容应考虑：加工平面区域大小，加工面相对基准面的位置；分析平面铣削加工要求应考虑：加工平面的表面粗糙度要求，加工面相对基准面的定位尺寸精度，平行度，垂直度等要求。
如图5-5-1所示工件的上表面，区域大小为80×120矩形，距基准面40㎜高度位置，并相对基准面A有0.08㎜的平行度要求，形状公差0.04㎜平面度要求，Ra3.2表面质量要求。
平面铣削加工内容、要求的正确分析是进行平面铣削工艺设计的前提。

（a）立铣刀周铣平面图 （b）面铣刀端铣平面
图5-5-2平面铣削方法
5．5．2 平面铣削方法
对平面的铣削加工，存在用立铣刀周铣和面铣刀端铣两种方式，如图5-5-2。用面铣刀端铣有如下特点：
1、用端铣的方法铣出的平面，其平面度的好坏主要取决于铣床主轴轴线与进给方向的垂直度。面铣刀加工时，它的轴线垂直于工件的加工表面。
2、端铣用的面铣刀其装夹刚性较好，铣削时振动较小。
3、端铣时，同时工作的刀齿数比较周铣时多，工作较平稳。这时因为端铣时刀齿在铣削层宽度的范围内工作。
4、端铣用面铣刀切削，其刀齿的主、副切削刃同时工作，由主切削刃切去大部分余量，副切削刃则可起到修光作用，铣刀齿刃负荷分配也较合理，铣刀使用寿命较长，且加工表面的表面粗糙度值也比较小。
5、端铣的面铣刀，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，铣削表面质量也比较好。
一般情况下，铣平面时，端铣的生产效率和铣削质量都比周铣高，所以平面铣削应尽量端铣方法。一般大面积的平面铣削使用面铣刀，在小面积平面铣削也可使用立铣刀端铣。
5．5．3 面铣刀及选用

图5-5-3可转位面铣刀
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。由于面铣刀的直径一般较大，为φ50～500mm，故常制成套式镶齿结构，即将刀齿和刀体分开，刀体采用40Cr制作，可长期使用。硬质合金面铣刀与高速钢面铣刀相比，铣削速度较高、加工效率高、加工表面质量也较好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，在数控面铣削时得到广泛应用。
1． 硬质合金可转位式面铣刀
硬质合金可转位式面铣刀(可转位式端铣刀) ，如图5-5-3所示。这种结构成本低，制作方便，刀刃用钝后，可直接在机床上转换刀刃和更换刀片。
可转位式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，制造要方便，降低成本，操作使用方便。
硬质合金面铣刀与高速钢面铣刀相比，铣削速度较高、加工效率高、加工表面质量也较好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，在提高产品质量和加工效率等方面都具有明显的优越性。
2． 直径选用
平面铣削时，面铣刀直径尺寸的选择是重点考虑问题之一。
对于面积不太大的平面，宜用直径比平面宽度大的面铣刀实现单次平面铣削，平面铣刀最理想的宽度应为材料宽度的1.3～1.6倍。1.3～1.6倍的比例可以保证切屑较好的形成和排出。
对于面积太大的平面，由于受到多种因素的限制，如，考虑到机床功率、刀具和可转位刀片几何尺寸、安装刚度、每次切削的深度和宽度以及其他加工因素，面铣刀刀具直径不可能比加工平面宽度更大时，宜选用直径大小适当的面铣刀分多次走刀铣削平面。特别是平面粗加工时，切深大、余量不均匀，考虑到机床功率和工艺系统的受力，铣刀直径D不宜过大。
工件分散的、较小面积平面，可选用直径较小的立铣刀铣削。
面铣时，应尽量避免面铣刀刀具的全部刀齿参与铣削，即应该避免对宽度等于或稍微大于刀具直径的工件进行平面铣削。面铣刀整个宽度全部参与铣削（全齿铣削）会迅速磨损镶刀片的切削刃，并容易使切屑粘结在刀齿上。此外工件表面质量也会受到影响，严重时会造成镶刀片过早报废，从而增加加工的成本。
3．面铣刀刀齿选用
面铣刀齿数对铣削生产率和加工质量有直接影响，齿数越多，同时参与切削的齿数也多，生产率高，铣削过程平稳，加工质量好，但要考虑到其负面的影响：刀齿越密，容屑空间小，排屑不畅，因此只有在精加工余量小和切屑少的场合用齿数相对多的铣刀。
可转位面铣刀的齿数根据直径不同可分为粗齿、细齿、密齿三种。粗齿铣刀主要用于粗加工；细齿铣刀用于平稳条件下的铣削加工；密齿铣刀的每齿进给量较小，主要用于薄壁铸铁的加工。

图5-5-4铣削中刀具相对于工件的位置
面铣刀主要以端齿为主加工各种平面。刀齿主偏角一般为450、600、750、900，主偏角为900的面铣刀还能同时加工出与平面垂直的直角面，这个面的高度受到刀片长度的限制。
5．5．4平面铣削的路线设计
平面铣削中，刀具相对于工件的位置选择是否适当将影响到切削加工的状态和加工质量，现分析图5-5-4中面铣刀进入工件材料时的位置对加工的影响。
⑴刀心轨迹与工件中心线重合。
如图5-5-4a刀具中心轨迹与工件中心线重合。单次平面铣削时，当刀具中心处于工件中间位置，容易引起颤振，从而影响到表面加工质量，因此，应该避免刀具中心处于工件中间位置。
⑵刀心轨迹与工件边缘重合。
如图5-5-4b，当刀心轨迹与工件边缘线重合时，切削镶刀片进人工件材料时的冲击力最大，是最不利刀具寿命和加工质量的情况。因此应该避免刀具中心线与工件边缘线重合。
⑶刀心轨迹在工件边缘外
如图5-5-4c，刀心轨迹在工件边缘外时，刀具刚刚切入工件时，刀片相对工件材料冲击速度大，引起碰撞力也较大。容易使刀具破损或产生缺口，基于此，拟定刀心轨迹时，应避免刀心在工件之外。
⑷刀心轨迹在工件边缘与中心线间
如图5-5-4d，当刀心处于工件内时，已切入工件材料镶刀片承受最大切削力，而刚切入（撞入）工件的刀片将受力较小，引起碰撞力也较小，从而可延长镶刀片寿命，且引起的震动也小一些。
因此尽量让面铣刀中心在工件区域内。但要注意：当工件表面只需一次切削时，应避免刀心轨迹线与工件表面的中心线重合。

（a） （b）
图5-5-5刀心在工件内的两种情况的比较
由上分析可见：拟定面铣刀路时，应尽量避免刀心轨迹与工件中心线重合、刀心轨迹与工件边缘重合、刀心轨迹在工件边缘外的三种情况，设计刀心轨迹在工件边缘与中心线间是理想的选择。
再比较如图5-5-5两个刀路，虽然刀心轨迹在工件边缘与中心线间，但图5-5-5b面铣刀整个宽度全部参与铣削，刀具容易磨损；图5-5-5a所示的刀具铣削位置是合适的。
5．5．5平面铣削用量
铣削用量选择的是否合理，将直接影响到铣削加工的质量。
平面铣削分粗铣、半精铣、精铣三种情况，粗铣时，铣削用量选择侧重考虑刀具性能、工艺系统刚性、机床功率、加工效率等因素。精铣时侧重考虑表面加工精度的要求。
1．平面粗铣用量
粗铣加工时，余量多，要求低，铣削用量的选择时主要考虑工艺系统刚性、刀具使用寿命、机床功率、工件余量大小等因素。
首先决定较大的Ｚ向切深和切削宽度。铣削无硬皮的钢料，Ｚ向切深一般选择3～5mm，铣削铸钢或铸铁时，Ｚ向切深一般选择5～7 mm。切削宽度可根据工件加工面的宽度尽量一次铣出，当切削宽度较小时，Ｚ向切深可相应增大。
选择较大的每齿进给量有利于提高粗铣效率，但应考虑到：当选择了较大的Ｚ向切深和切削宽度后，工艺系统刚性是否足够？
当Ｚ向切深、切削宽度、每齿进给量较大时，受机床功率和刀具耐用度的限制，一般选择较低铣削速度。
2．平面精铣用量
当表面粗糙度要求在Ra1.6～3.2μm范围时，平面一般采用粗、精铣两次加工。经过粗铣加工，精铣加工的余量为0.5～2 mm，考虑到表面质量要求，选择较小的每齿进给量。此时加工余量比较少，因此可尽量选较大铣削速度。
表面质量要求较高（Ra0.4～0.8μm ），表面精铣时的深度的选择为0.5mm左右。每齿进给量一般选较小值，高速钢铣刀为0.02～0.05mm，硬质合金铣刀为0.10～0.15mm。铣削速度在推荐范围内选最大值。如，当采用高速钢铣刀铣削一般中碳钢或灰口铸铁时，铣削速度在20～60m/min之间选大值，当采用硬质合金铣刀铣削上述材料时，铣削速度在90～200m/min之间选大值。
Z向切深、进给量推荐范围如表5-5-1、表5-5-2。
表5-5-1铣平面后精加工余量
粗铣平面后精加工余量
加工面长度
加工面宽度
≤100
＞100～300
＞300～1000
余量㎜
公差㎜
余量㎜
公差㎜

余量㎜
公差㎜
≤300
1.0
0.3
1.5
0.5
2.
0.7
＞300～1000
1.5
0.5
2.
0.7
2.5
1.0
表5-5-2硬合金刀具粗、精加工进给量选用推荐表
粗加工每齿进给量
mm/z
钢
铸铁及铜合金
YT15
YT5
YG6
YG8
0.09～0.18
0.12～0.24
0.14～0.24
0.20～0.29
精加工每转进给
mm/r
Ra3.2
Ra1.6
Ra0.8
Ra0.4
0.5～1.0
0.4～0.6
0.2～0.3
0.15

5．5．6 单次面铣的加工实例
加工如图5-5-1所示工件，设基准A面及四个侧面已经在普通铣床加工，现要在数控铣床上加工上表面，保证最终厚度为40㎜，且满足如图标注的形位公差和表面质量要求。上表面有余量5 ㎜。设工件坐标系如图所示5-5-1。
1．选择平面铣刀
工件上表面宽80㎜，面宽不太大，拟用直径比平面宽度大的面铣刀单次铣削平面，平面铣刀最理想的宽度应为材料宽度的1.3～1.6倍。如，那么选用φ125 ㎜的面铣刀比较合适（125：80≈1.5），当刀具中心偏离工件的中心时，刀具与工件的两边都有一定的重叠，如图5-5-6。
选用标准φ125数控硬质合金可转位面铣刀，选择刀齿数为8。
2．切削的起点和终点及刀路：
选定直径后，便可考虑起点和终点位置了。出于安全考虑，刀具需要在工件外有足够的安全间隙处移至Z向加工深度，并确定刀具沿X轴(水平)从右到左方向切削。
如图5-5-6，选择工件零点（X0，Y0）在工件对称线的右端。本例工件长度为120㎜，刀具半径为62.5㎜，选择安全间隙为12.5㎜，所以起点的X位置为X=62.5+12.5=75。
当Y=-10时，刀具中心偏离工件的中心，刀具超出工件边线32.5㎜，是刀具直径的25％左右。刀具直径的1／4到1／3超出工件两侧，可以得到适当的刀齿切入角，并基本保证顺铣方式（实际上顺铣中通常也混有一部分逆铣，这是平面铣削中的正常现象）。
如图5-5-6，最终确定起点(X75,Y-10)和终点(X-195,Y-10)。
3．切削参数的选择
设面铣刀分二次铣削到指定的高度，粗铣切深4㎜，留有1㎜的精加工余量，工序尺寸41，精加工保证40±0.02。
粗铣时，因面铣刀有8个刀齿(Z=8)，为刀齿中等密度铣刀，选fZ=0.12，则f=8×0.12≈1；参考V=55～105m/min，综合其它因素选V=62.5 m/min，则主轴转速S=318×62.5/125≈150r/min，计算进给速度F=fZ×Z×S=1×150=150㎜/min。
精铣时，为保证表面质量，Ra3.2，选f=0.6，参考V=55～105m/min，综合切深小，进给量小，切削力小的因素，选V=100 m/min，则主轴转速S=318×100/125≈300r/min，计算进给速度F=f×S=0.6×300=180㎜/min。
4．平面铣削编程
选择工件上表面为程序原点(Z0)，单次平面铣削的程序如下：

图5-5-6单次铣削中平面铣刀刀路位置设定
O0010
G21 G90 G54；
(平面粗铣)
S150 M03；
G00 X75 .0Y-10.0
G43 Z20.0 H01；
G0Z1.0 M08；
G1X-190. F150；
G00 Z20.0；
(平面精铣)
S300 M03
G00 X75 .0Y-10.0
G0Z0.0 M08；
G1X-190. F180；
G00 Z20.0；
M05 M09；
G49 G28 Z20.0；
M30；
5．5．7大平面铣削时的刀具路线

图5-5-7面铣的多次切削刀路
单次平面铣削的一般规则同样也适用于多次铣削。由于平面铣刀直径的限制而不能一次切除较大平面区域内的所有材料，因此在同一深度需要多次走刀。
铣削大面积工件平面时，分多次铣削的刀路有好几种，如图2-1-7，最为常见的方法为同一深度上的单向多次切削和双向多次切削。
1．单向多次切削粗精加工的路线设计
如图5-5-7a、b为单向多次切削粗精加工的路线设计。
单向多次切削时，切削起点在工件的同一侧，另一侧为终点的位置，每完成一次工作进给的切削后，刀具从工件上方快速点定位回到与切削起点在工件的同一侧，这是平面精铣削时常用的方法，但频繁的快速返回运动导致效率很低，但这种刀路能保证面铣刀的切削总是顺铣。
2．双向来回Z形切削
双向来回切削也称为Z形切削，如图5-5-7c、d，显然它的效率比单向多次切削要高，但它在面铣刀改变方向时，刀具要从顺铣方式改为逆铣方式，从而在精铣平面时影响加工质量，因此平面质量要求高的平面精铣通常并不使用这种刀路，但常用于平面铣削的粗加工。
为了安全起见，刀具起点和终点设计时，应确保刀具与工件间有足够的安全间隙。