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1.铣刀基本知识

1.1铣刀的定义及应用

铣刀即为具有圆柱体外形，并在圆周及底部带有切削刃，使其进行旋转运动来切削加工工件的切削刀具。

铣削是应用非常广泛的一种切削加工方法，不仅可以加工平面、沟槽、台阶，还可以加工螺纹、花键、齿轮及其他成形表面。

铣刀又是一种多刃刀具，铣削速度较高且无空行程，因此是一种高效率的切削加工方法。

[1]

1.2铣刀的分类

（一）按制造铁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，如立方氮化翩刀具、陶瓷刀具等。

（二）按铁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：

当刀具的工作胃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）按铁刀结构形式不同可分为

1.面铣刀（也叫端铣刀）：

面铣刀的回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，刀齿材料为高速钥或硬质合金，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,可分为回锥形立铣刀、回柱形球头立铣刀和回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，圆周刃与球头刃圃弧连接，可以作径向和轴向进给。

铣刀工作部分用高速钥或硬质合金制造。

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。

[2]

1.3铣刀的材料

1.3.1铣刀材料的要求

1．高硬度和高耐磨性

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，刀具才不易磨损，提高使用时间，延长铣刀的使用寿命。

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，即在高温下仍能保持较高的硬度，具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，刀具要承受很大的切削力，所以刀具材料要具有较高的强度，否则易断裂和损坏。

由于铣削属于冲击性切削，铣刀会受到很大的冲击和振动，因此，铣刀材料还应具备好的韧性，才不易崩刃、碎裂。

4．工艺性好

为了能顺利制造出各种形状和尺寸的刀具，尤其对形状比较复杂的铣刀，要求刀具材料的工艺性要好。

1.3.2铣刀常用材料及性能

（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末冶金工艺制造而成的。

硬质合金是利用粉末冶金制品将高硬度、高熔点的金属碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）粉末和钴（Co）、锰（M）粘结压制烧结而成。

它的常温硬度为88-93HRA，耐热温度为800-1000℃。

硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都高于高速钢。

它的抗弯强度只有高速钢的1/4-1/2，冲击韧度仅为高速钢的几十分之一，故硬质合金塑性、韧性差，怕冲击和振动。

由于硬质合金具有高的热硬性，允许切削速度为高速钢的数倍，使用寿命和生产效率也大大提高，故硬质合金刀片材料在现代刀具材料中占有极为重要的地位，现已广泛应用于车、铣、刨、幢、钻等刀具，也已逐渐推广应用于其他复杂、异型及专用切削刀具中，且其使用范围在日益增大。

在某些加工场合也使用整体硬质合金刀具，比如在用铣刀进行微加工硬脆性材料时。

我国目前常用的硬质合金刀具有三类：

（1）钨钴类硬质合金刀具

钨钴类硬质合金（代号YG）由WC和Co组成，主要用于加工铸铁、有色金属等脆性材料和非金属材料。

（2）钨钛钴类硬质合金刀具

钨钛钴类硬质合金（代号YT）由WC、TiC和Co组成，由于TiC比WC还要硬、耐磨、耐热，但是还要脆，因此YT类比YG类硬度和耐热温度更高，不过不耐冲击和振动。

（3）钨钛钽（铌）类硬质合金刀具

钨钛钽（铌）类硬质合金（代号YW）在YT类硬质合金中加入少量的NbC或TaC。

此类合金的硬度、耐磨性、耐热温度、抗弯强度和冲击韧度均比YT类高些。

现在常用化学气相沉积法在硬质合金刀具表面上沉积5-10微米的TiC薄膜（涂层呈银灰色），也有沉积TiC、TiN双层薄膜或沉积TiC、Al2O3和TiN三层薄膜的。

其中复合涂层用的更多。

经进过气相沉积的硬质合金刀具，可提高刀具寿命2-10倍。

[3]

1.4铣刀的铣削方式

相对于工件的进给方向和铣刀的旋转方向有两种方式：

第一种是顺铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相同的，在开始切削时铣刀就咬住工件并切下最后的切屑。

第二种是逆铣，铣刀的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，以切削厚度为零开始，到切削结束时切削厚度达到最大。

顺铣时，切削力将工件压向工作台，逆铣时切削力使工件离开工作台。

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。

1.5铣刀的几何角度

图1.铣刀的角度[4]

Fig.1Cutterangle

（1）前角γ：

表示前刀面相对基面的倾斜程度，它主要影响切屑的变形。

（2）后角α：

表示后刀面相对切削平面的倾斜程度，它主要影响刀具后刀面与工件之间的摩擦。

（3）楔角β：

前刀面与后刀面的夹角。

它反映了刀具切削部分的锋利程度和强度。

这三个角度的关系：

α+β+γ=90。

对于焊接式整体铣刀，一般推荐的刀齿后角为10-15度，前角为25-35度，楔角为40-55度。

组合式硬质合金成形装配式铣刀推荐的楔角为30-40度，软材取30度，硬材取40度，后角一般为10-20度，推荐的前角加工软材时为25-35度，加工硬材时为10-25度。

[5]

2.球头铣刀

2.1球头铣刀的出现与应用

球头铣刀是在立铣刀的基础上发展起来的，主要用于加工模具型腔表面及其它成形表面。

由于球头铣刀的有效刀刃角范围较大（可达180度），可以加工有严格变化曲率的切削面或很陡的曲面，因此在制造业（尤其在模具生产行业）中应用广泛，可用于加工涡轮、冲模、压模、飞机零件、具有复杂外形的新产品等。

在当今制造业的快速发展中，切削加工起着十分重要的作用。

现代切削刀具在推进制造技术进步和提高企业加工效率、降低制造成本等方面发挥了重要的作用。

[6]其中，球头立铣刀作为一种高性能的自由曲面加工刀具，其性能和品质的优劣对于切削加工的精度、效率和产品品质都有直接而重要的影响。

球头立铣刀刀具与数控机床或加工中心配合可以实现高效率、高质量的加工"

随着数控加工技术的不断进步和加工对象的日趋复杂，对象球头立铣刀这样的高精度、高性能刀具的需求也与日俱增。

然而，我国大量需求的球头立铣刀目前还主要依靠进口，即使可以自行加工生产，其数控加工技术与设备也主要是购自国外，充其量称之为代工。

[7]

2.2球头铣刀的特点

球头铣刀已广泛应用于具有复杂几何形状的工件三维表面加工。

在各种类型的球头铣刀中，具有平前刀面的球头铣刀具有结构简单、易于设计制造、便于重磨等特点。

[8]

在数控铣削加工中，最常用的刀具类型有平底铣刀和球头铣刀。

平底铣刀主要用于平面加工，具有价格便宜、刀刃强度高、加工效率高的特点。

球头铣刀在自由曲面的加工中应用最为普遍，由于它头部具有较小的曲率半径，可适应凸或凹形轮廓表面的加工，具有容易实现半径补偿、不易发生干涉、加工表面质量好等优点，可用于两轴半或三轴以上的数控加工。

但是，由于球头铣刀刃口曲线复杂，给设计和制造带来很多困难；

另外，球头铣刀的头部刀刃强度较低，头部中心切削条件差，且成本高，目前，它主要应用精加工和半精加工。

[9]

2.3球头铣刀分类

球头立铣刀可分为圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀两种。

圆柱形球头立铣刀由球头与圆柱两部分组成，而锥形球头立铣刀由球头、圆锥与圆柱三部分组成。

它们的结构特点是球头上布满切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。

球头立铣刀据其刀刃曲线形状不同，又可分为直线刃、螺旋形刃等。

[10-12]

直线刃是早期的球头立铣刀形状，其特点是：

沿刀具轴向看，球头部分的切削刃为直线。

这种铣刀在切削过程中排屑不畅、易形成积屑瘤、影响表面光洁度及精度、磨损快。

目前己很少使用这种刃形，随着刀具设计与制造技术的不断提高，刀刃形状已逐渐改进成螺旋形的曲线。

这样的刀刃曲线可以改变切屑的流向，使得切屑沿着螺旋槽流出，起到散热、减小切削阻力、防止切削擦伤已加工表面等作用。

[13]

3.球头铣刀使用寿命

3.1球头铣刀铣削方式

球头铣刀铣削方式随铣削点的z值的变化而变化，如图2所示。

（R-ap）<

=z<

（R-h）时，球头铣刀的铣削方式为非对称铣削；

（R-h）<

=z[R时,球头铣刀的铣削方式为对称铣削。

图2.球头铣刀铣削方式

Fig.2Ballmillingmethod

图2中：

ap为铣削深度；

p为铣削行距；

R为铣刀球面半径；

h为铣削行距间残留面积高度。

球头铣刀z=（R-h）~R段非常短，对称铣削集中在铣刀顶部；

而z=（R-ap）~（R-h）段比较长，是球头铣刀铣削的主要切削工作段，球头铣刀铣削以非对称铣削为主。

3.2球头铣刀铣削参数

由此可知，球头铣刀各处的切削进度V随直径D（Z）的变化而变化。

[14]

3.3球头铣刀微分化

球头铣刀的铣削参数沿铣刀轴线方向、随横截面积D（z）及铣削方式的变化而变化。

根据微分原理,沿铣刀轴线方向取厚度为dz、横截面直径为D（z）的铣刀切削部分作为球头铣刀铣削微元（见图3）。

[15]

图3.球头铣刀铣削微元的选取

Fig.3Ballendmillingunitselection

3.4球头铣刀铣削微元使用寿命

由立铣刀使用寿命经验公式得

式中:

CT为系数;

m,x,y,u,w,q为指数；

KT为与切削条件有关的修正系数。

球头铣刀铣削过程中,铣刀球面半径R、铣刀齿数Z0为确定值,机床主轴转速n、进给速度vf通常保持恒定。

铣削深度ap主要受加工余量的约束,为了减少铣削过程中因加工余量不均匀而引起的振动,铣削深度ap一般保持恒定。

铣削微元使用寿命Tw随铣刀球面处横截面直径D（z）及铣削方式的变化而变化,球头铣刀铣削过程中的磨损为非均匀磨损。

球头铣刀顶部的对称铣削微元的使用寿命远远高于非对称铣削微元的使用寿命。

因此，球头铣刀非对称铣削Z＝（R　ap）～（R　h）处，铣削微元使用寿命决定了球头铣刀使用寿命的高低。

（aP为铣削深度，P为铣削行距，R为铣刀球面半径，h为铣削行距间残留面的高度）

球头铣刀铣削微元使用寿命Tw变化曲线

图4.Tw-曲线

Fig.4Tw-curve

球头铣刀铣削过程中,非对称铣削处,z=（R-ap）时,铣削微元使用寿命Twa较低,磨削较大;

z=（R-h）时,铣削微元使用寿命Twh较高,磨损较小。

若球头铣刀使用寿命T＝Twa，则铣削过程中更换刀具时，仅Z＝（R　aP）处铣削微元达到了使用寿命，而其它铣削微元远未达到使用寿命。

这不仅未能充分发挥刀具的切削效能，而且由于使用寿命过低，刀具更换频繁，增加了换刀时间，使铣削效率降低，加工成本增加。

若球头铣刀使用寿命T＝Twh，则铣削过程中更换刀具时，其它铣削微元已大大超过了各自的使用寿命而发生剧烈磨损。

此时，铣削力急剧增大，加工质量明显恶化。

由此可知，球头铣刀使用寿命过高或过低均不利于球头铣刀铣削的顺利进行。

由此可知:

球头铣刀使用寿命过高或过低均不利于球头铣刀铣削的顺利进行。

3.5球头铣刀使用寿命

为了充分发挥球头铣刀铣削的顺利进行，以非对称铣削Z＝（R　aP）　（R　h）处铣削微元平均使用寿命Twp作为球头铣刀的使用寿命。

Dp反映了ap、h及球头铣刀铣削部分横截面直径D（Z）对刀具使用寿命的影响程度。

由于指数q^（1/m）＜-1，则Dp随（ap　h）的减少而增大。

球头铣刀使用寿命各阶层随之增大。

该结果与球头铣刀铣削的实际情况相符。

微分化方法,建立了球头铣刀使用寿命数学模型,实现了球头铣刀使用寿命的预报,为刀具优选提供了可靠的依据。

4.球头铣刀使用寿命在线监测

4.1球头铣刀使用寿命在线监测的必要性

在机械加工过程中,刀具作为切削过程的直接执行者,不可避免地存在着磨损和破损等现象,刀具状态的变化将直接导致切削力增加、切削温度升高、工件表面粗糙度上升、工件尺寸超出公差以及切削颤振的产生。

[16]如果不能及时对磨钝的刀具采取措施,将可能导致工件报废,甚至损坏机床。

[17]

刀具失效时间的正确预计,可以避免破损的刀具毁坏工件,优化配置工人和零件等。

[18]

多年来,人们一直致力于直接测量法（包括光电法,电阻法,放射线辐射法,气动测量法等）和间接测量法（包括切削力、切削振动、切削温度、表面粗糙度、工件尺寸和系统能量等）进行在线检测刀具磨损状态的研究。

其中有些方法在一定的应用范围内获得成功。

但由于切削过程非常复杂,具体条件差异很大,上述方法都难于在各种加工方法中通用。

[19]

由于机床主电机的功率随刀具的磨损程度的加重而增大,并且,电机功率信号的获取只需通过从机床电气柜中引出相应的电流和电压信号线即可。

现在以加工过程中采集到的功率信号为基础,利用主轴功率、功率波动量与刀具寿命之间的关系,针对球头铣刀,提出了一种新的在线监控刀具状态的方法,并能够实时预测出刀具剩余寿命进行刀具寿命管理。

[20]

4.2刀具寿命在线监控原理

目前复杂曲面主要的加工方式是以数控铣床或加工中心进行铣削加工,球头铣刀由于球面法线与铣刀球面部分的球心共线,NC控制、干涉校验较为简单,是五轴以下数控机床曲面精加工和半精加工中的最主要加工刀具。

球头铣刀切削力对计算功率消耗,对刀具、夹具选择,对优化切削参数等有非常重要的意义,同时也是自动化生产中监控切削过程和刀具工作状态的有效手段。

[21]

刀具寿命在线监测与管理系统主要由信号检测与处理模块、数据库模块和刀具磨损识别模块三部分组成。

系统结构如图5所示。

图5.球头铣刀寿命在线监控与管理

Fig.5Ball-endtoollifeon-linemonitoringandmanaging

信号检测与处理模块用来实时采集功率信号并进行FFT和均值差分处理,将信号处理成平均功率信号和功率波动量。

数据库模块有4个数据库组成,分别是存储刀具类型、刀具材料、刀具几何参数等的刀具信息数据库,存储被加工工件材料、尺寸等的工件信息数据库,存储刀具加工信息如已加工时间、相对寿命总消耗量等的加工信息数据库以及存储磨损监控参数与刀具寿命对应关系的刀具寿命数据库。

刀具磨损识别模块用来判断刀具是否失效。

4.3刀具磨损认定标准

为满足和适应先进制造系统对于刀具磨损的监测要求,以刀具寿命相对消耗量为衡量刀具磨损与否的标准。

所谓刀具寿命相对消耗量,是指在一定的切削条件下,刀具已切削时间与此条件下的刀具理论磨损寿命的比值。

即:

δ=t/T

铣削条件不同,刀具磨损寿命也不同。

刀具寿命相对总消耗量δ是各个铣削条件下的消耗量之和。

当δ=1时,刀具达到磨损极限,要求换刀或重新刃磨。

根据式可知,在加工过程中,只要预测出各个铣削条件下的刀具寿命,通过刀具已切削时间即可计算出刀具相对寿命消耗量,从而实现刀具寿命在线监控。

4.4刀具寿命预测模型

刀具磨损寿命理论公式为:

式中CT为刀具寿命系数,与工件材料,刀具材料和其它切削条件有关的修正系数。

v,ap,ae,fz,z,D0,分别为刀具切削速度,切削深度,切削宽度,每齿进给量,刀具齿数及刀具直径,而x,u,y,p,q,m分别为相应参数的指数。

铣削时功率的理论计算公式为:

式中n、vc、分别为主轴转速、主轴线速度;

xf、yf、uf、qf、wf分别为相应的指数。

功率波动量指的是在一定的切削条件下,铣削功率的最大值、最小值之差与平均值的比值。

实测相对消耗量与理论预测相对消耗量与切削时间的关系如图所示。

图6.刀具相对寿命消耗量与切削时间

Fig.6Therelativelifetimeconsumptionandcuttingtimeofthetool

由图可以看出,理论结果与实验结果基本吻合。

（1）用该方法预测的刀具寿命与实测寿命基本吻合,因此,刀具寿命在线监控方法具有可行性,其检测结果能满足实际工作需要。

（2）该方法能够预测刀具失效时间,且具有传感器安装方便,信号检测和算法实现较为简单,系统成本低,可靠性高,容易实现等特点。

本方法具有很好的推广价值。

（3）该方法不仅适用于球头铣刀,也适用于其他不同类型的刀具寿命监控。

5.结论

球头铣刀是复杂曲面数控铣削加工的主要刀具，球头铣刀的使用寿命关系到铣削加工的质量、效率和成本，是影响加工目标顺利实现的一个重要参数。

致谢感谢对本工作的大力支持，在此表示感谢！

参考文献：

[1].曲会玲.高速立铣刀优化设计[D].山东建筑大学,2011.4:

1-65.

[2].孙宇.数控铣刀的分类及应用的研究[J].应用科学,2008:

42.

[3].王玉涛.球头铣刀磨损智能检测技术研究[D].河北工业大学,2012.12:

1-68.

[4].宋克非.宋驰.宋感萌.铣削木材时铣刀切削刃磨损的研究[J].研究与开发,2007.6:

36-38.

[5].李黎.木工铣刀的选用[J].木材加工机械,2008,（5）:

47-52.

[6].赵炳祯.第九届中国国际机床展览会刀具展品述评[Z].工具技术.2005,39（7）:

3-9

[7].谢忠明.铣刀设计与加工特性之研究[D].台湾国立中山大学博士论文.2003

[8].王殿龙.康德纯.平前刀面球头铣刀的几何角度分析[J].大连理工大学学报.2000,34

（1）:

20-21

[9].王来华.基于逆向工程的球头铣刀实体造型及其仿真加工技术研究[D].山东大学,2007.4:

1-75

[10].韩成顺.特种回转面螺旋铣刀的非数控制造模型研究[D].哈尔滨工业大学出版社,2001

[11].刘世霞.唐余勇.孙家广.球面铣刀修磨几何模型研究[J].计算机辅助设计与图形学报.2000,（3）:

195-199

[12].韩小东.唐余勇.吴昌柞.平头铣刀与带角圆铣刀的选择[J].佳木斯大学学报.2000,（18）:

34-37

[13].刘井玉.刘华明.螺旋刀刃曲线的统一模型-普通螺旋线[J].工具技术.1998,（6）:

24-26

[14].姜彬.郑敏利.杨树财.球头铣刀使用寿命数学模型的建立[J].制造技术与机床,2003,（8）:

16-18.

[15].张滢.徐晗.杨者青.刘宝明.虚拟制造系统中球头铣刀的磨损预测[J].工具技术,2006,40

（1）:

32-35.

[16].吴道全.万光珉.林树兴.金属切削原理及刀具[M].重庆:

重庆大学出版社,1994.

[17].李劲松.基于铣削力的刀具磨损监控研究[J].北京航空航天大学学报,1998,（5）:

77-80.

[18].刘锐.王玫.陈勇.铣刀磨损量监测和剩余寿命预测方法研究[J].现代制造工程,2010,（6）:

102-105.

[19].褚同生.史维祥.林廷沂.在线检测铣刀磨损的实验研究[J].工具技术,1989,（8）:

19-24.

[20].王永新.球头铣刀寿命在线监测和管理[J].组合机床与自动化加工技术.2005,

（1）:

96-99.

[21].马万太.林志航.陈康宁.刚性的球头铣刀切削力模型[J].机械科学与技术,1998,17（3）:

422-424.