PCD铣刀设计与应用基础简析

引 言

从刀具发展历程看，从19世纪末到20世纪中后期，刀具材料以高速钢为主要代表。1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；20世纪50年代，瑞典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期;20世纪70年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石(PCD)，解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域,PCD、CBN铣刀也得到广泛的应用。

一、铣削基础及铣刀种类

1.1、铣削基础

在铣床上用铣刀对工件进行加工的方法称为铣削。铣削加工范围很广，可加工平面、台阶、斜面、沟槽、成形面、齿轮以及切断等。在铣床上还能钻孔和镗孔。铣削加工的精度一般可达IT9～7级，表面粗糙度Ra值为6.3～1.6μm。铣削加工约占机械加工总数的25%。

1.2铣刀来源及其种类

铣刀，具有圆柱体外形，且在圆周及底部带有切削刃，在加工时，对工件进行旋转运动加工的切削刀具。

铣刀其实来源于刨刀。因为刨刀上只有一面有刀刃，刨刀在来回走动时，也只有一面有切削作用，那么刨刀回来的时间就完全浪费掉了。再者，刨刀的刀刃很窄，加工的效率很低。人们为了克服这一缺点，将其进行改进，办法就是将刨刀装在一根轴上，使其快速旋转，让工件慢慢从下面走过，这样就节省了时间，这就是原始的铣刀，也叫做单刃铣刀。经过长期的发展，才有了现在各式各样的铣刀。

铣刀种类繁多，依刀齿方向、齿背形式、结构和用途分类方式如下：

一、按刀齿方向：

a、直齿铣刀：铣刀的刀齿是直的，和铣刀轴线平行。但是现在普通铣刀已经很少再做成直齿。因为这种铣刀的全部齿长同时和工件接触，又同时离开工件，并且前一齿已经离开，后面的一齿可能还没有和工件接触，容易产生震动，影响加工精度，也减短铣刀的寿命。

b、螺线齿铣刀：这种铣刀有左旋和右旋的区别，如图所示。由于刀齿是斜绕在刀身上的，在加工时，前面的齿还没有离开，后面的齿就已经开始切削。这样在加工时就不会发生震动，加工表面粗糙度更好。

二：按齿背形式分类

a、尖齿铣刀：齿背的截形是直线或折线，制造和刃磨容易，刃口较锋利，应用广泛,如面铣刀、立铣刀、键槽铣刀、模具铣刀等。

b、铲齿铣刀：这种铣刀的后刀面不是平的，而是曲线的。后刀面是在铲齿车床上做出来的。铲齿铣刀用钝以后，只需磨前刀面，而不需磨后刀面。这种铣刀的特点就是在磨前刀面时不影响刀齿的形状。包括圆盘槽铣刀、凸半圆铣刀、凹半圆铣刀、双角度铣刀、成型铣刀等。

三：按结构分类；

a、整体式：刀体和刀齿是制成一体的。制造比较简便，但是大型的铣刀一般不做成这种的，因为比较浪费材料。

b、焊接式：刀齿用金刚石、硬质合金或其他耐磨刀具材料制成,并焊在刀体上。

c、镶齿式：这种铣刀的刀体是普通钢料做成，而把工具钢的刀片镶到刀身上去。大型的铣刀多半采用这种方法。用镶齿法制造铣刀可以节省工具钢材料，同时万一有一个刀齿用坏，还可以拆下来重新换一个好的，不必牺牲整个铣刀。但是小尺寸的铣刀因为空间有限，不能利用镶齿的方法。

d、可转位式：将能转位使用的多边形刀片用机械方法夹固在刀杆或刀体上的铣刀。可转位刀片是标准化和集中生产的,刀片几何参数易于一致,切屑控制稳定。

4、按用途：

a 、加工平面铣刀：圆柱铣刀、面铣刀等；

b、加工沟槽或台阶铣刀：立铣刀、盘铣刀、锯片铣刀、键槽铣刀等；

c、特形面用铣刀：成型铣刀等。

二、铣削加工原理

2.1、铣削要素

1、铣削速度:铣削速度指铣刀旋转的圆周线速度,单位为m/min。

计算公式： v=πdn/1000（公式1）

式中 d—铣刀直径，mm；n—主轴（铣刀）转速，r/min；

2、进给量:在铣削过程中,工件相对于铣刀的移动速度称为进给量。

有三种表示方法：

a、每齿进给量αf ：铣刀每转过一个刀齿，工件沿进给方向移动的距离，单位为mm/z。

b、每转进给量f：铣刀每转过一转，工件沿进给方向移动的距离，单位为mm/r。

c、每分钟进给量Vf :铣刀每旋转1min，工件沿进给方向移动的距离，单位为mm/min。

三种进给量的关系为：Vf =fn=αfzn

式中f—每齿进给量，mm/z；n—铣刀（主轴）转速，r/min；z—铣刀齿数。

d、背吃刀量：背吃刀量是平行于铣刀轴线方向度量的被切削层尺寸。

e、侧吃刀量：侧吃刀量是垂直于铣刀轴线方向和进给方向度量的被切削层尺寸。

2.2、铣刀螺旋及切刃方向

2.2.1、螺旋方向：从立铣刀的正面看，容屑槽朝刀柄方向伸延时是向左倾的就叫左螺旋，向右倾的就叫右螺旋。

2.2.2、切刃的方向：切削刃的朝向因立铣刀工作时的回转方向而异。把立铣刀的底刃朝上摆放并从立铣刀的正面看，切削刃的刃口朝左边的就叫左刃，朝右边的就叫右刃。

2.3、铣刀旋向及其特点

立铣刀的螺旋方向和切削刃的朝向可以有4种不同的组合，可根据工件的材质和形状选择所需的组合

①、右刃右螺旋、左刃左螺旋立铣刀，因切屑沿容屑槽由柄部方向排除，易保证切屑的平稳进行

②、右刃左螺旋和左刃右螺旋铣刀，在加工时切屑朝底刃方向移动，致使底刃切削出的工件表面质量不好，刀具寿命也短。但是对加工通孔或不使用底刃的精加工，切屑朝底刃方向排出时有不损伤工件表面、无划痕和无毛刺的优点。

2.4、铣刀螺旋角特性及其选择

2.4.1、螺旋角与切削阻力

①切削阻力随螺旋角的增大而减小

②切削阻力的轴向分力与螺旋角成比例。

结论：有螺旋容屑槽的螺旋刃立铣刀的径向切削阻力小，因此可以指定较大的径向吃刀量和较大的进给速度，这对切削加工是很有利的。但另一方面，螺旋角越大，切削阻力的轴向分力也越大，过大的轴向分力不但有将立铣刀从刀夹中拔出的危险，而且还有将工件从工作台表面抬起的趋势，尤其是在加工薄壁类零件时，很易引起振动。

F轴= Fsinβ，sinβ在（0～π/2）区间为单调增函数。当β增大，sin β增大，故而F轴增大。

F径= Fcosβ，cosβ在（0～π/2）区间为单调减函数。当β增大，cosβ减小，故而F径减小。

2.4.2、当螺旋角很大时，刀刃很锋利，刀具的刚性变差，易崩刃，从而影响刀具的使用寿命。

2.4.3、螺旋角的选取方法

①对一般的粗铣、精铣，考虑到刀具的使用寿命，通常选用较小的螺旋角。（螺旋角大时，切削刃与被切削面的接触点多，刀刃越锋利，圆周刃刃带的磨损与螺旋角大小基本成比例）

②加工切削阻力比较大的高硬度材料时，通常选用较大的螺旋角。

三、铣削方式选择及改进途径

3.1、铣削方式

a、顺铣：铣刀旋转方向和切削方向是相同的，在开始切削时铣刀就咬住工件并切下最后切屑。

b、逆铣：铣刀旋转方向和切削的进给方向是相反的，铣刀在开始切削之前必须在工件上滑移一段，以切削厚度为0开始，到切削结束时切削厚度达到最大。

由于顺铣的切削效果最好，通常首选顺铣，只有当机床存在螺纹间隙问题或者有顺铣解决不了的问题时，才考虑逆铣。

两种铣削方式优缺点：

①顺铣：切削厚度从最大到0，刀具使用寿命高，已加工表面质量好，产生垂直向下的铣削分力，有助于工件的定位夹紧，但不可铣带硬皮的工件，当工作台进给丝杆螺母机构有间隙时，工作台可能会窜动；

②逆铣：切削厚度从0到最大，刀具使用寿命低，已加工表面质量差，产生垂直向上的铣削分力，有挑起工件破坏定位的趋势，但可铣带硬皮的工件，当工作台进给丝杆螺母机构有间隙时，工作台也不会窜动；

3.2、铣刀改进途径

1）尽量选择切削性能好的刀具材料。

2）尽量采用不重磨刀片。

3）改进结构和切削参数。例如：强力铣削时，减少齿数，增大容屑空间。

精铣时，增大后角减轻摩擦。

采用大螺旋角圆柱铣刀。

对三面刃铣刀为增大前角采用错齿排列。

在刀齿上开分屑槽等。

3.3、抑制加工过程中的震颤

铣刀震刀是由于加工过程中切削力不均匀、阻力过大、铣刀刚度差、切削余量过大、工件装夹不稳定、机床性能差等多种因素所产生的综合现象。

震刀源于动载荷系统中不同物体的共振。两个振动频率相同的物体，其中一个物体振动时能够让另外一个物体产生相同频率的振动，这种现象叫做共振。欲解决震刀现象，要从从刀具设计参数和使用参数入手。

从刀具设计参数考虑：

3.3.1 增加刀具径向前角

PCD刀粒低中心，径向前角增大能有效分解刀具与工件接触作用力，并且使刀具变得锋利，从而抑制加工过程中的震颤。

3.3.2 增大刀具轴向前角

刀具轴向前角能有效分解刀具与工件接触作用力并且使刀具变的锋利，从而抑制加工过程中的震颤（参图2.4.1）。

3.3.3 设计不等分槽型

采用不等分槽型设计会降低参与动载荷系统所有物体的共振概率。

3.3.4 减少齿数

为了增大排屑槽容屑槽空间可适当减少齿数，使刀具排屑更加顺畅。

3.3.5 增加内冷孔

采用内冷孔会提高刀杆刚度，缓冲吸振。采用大流量的切削液冲洗，将切削热带走。同时也减少了刀具和切屑及工件的摩擦，减少了切削热的产生。

3.3.6 更换刀柄材质

采用更高刚度的材质作为刀柄，可以有效降低振刀现象。如：同等规格的硬质合金刀柄比模具钢刚度好，抗振强。

3.3.7 增加芯厚

合理选择刀具排屑槽角度，增大铣刀芯厚可以提高刀柄的抗振性能。

3.3.8 增加中心孔

刀杆中心通孔能有效降低刀具的震刀现象，可起到缓冲吸振的作用，提高其抗震性能

从刀具使用参数考虑：

3.3.9减少切深量

刚切入工件时每齿进给稍微降低,待全部切入,刀具稳定后恢复正常进给

3.3.10.降低进给

刚切削时切深可以少一点,随着加工深度变大,切深可以随着增加

四、总结

刀具的切削性能是刀具材料、几何结构及加工工况相互组合的结果，新材料、创新的结构设计和合理的加工参数能够促进刀具性能的改善。当下时期，我国正处于由制造大国向制造强国过渡的转型期，研发先进切削刀具具有重要的战略意义。只有不断推出先进刀具、制造技术，发展高性能、高可靠性的切削刀具，才能满足国家制造业的需求，促进国家制造业的成功转型实现中国制造2025。我国的刀具制造技术仍然与先进国家存在很大的差距，研究刀具技术迫在眉睫，特别是基础材料和结构创新，需要突破传统思维，大胆创新，发扬工匠精神，寻求刀具技术的新出路。