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CarlSalomon所根据的实验曲线是铣削中刀具温度(而不是切削剪切区的温度)与切削速度的关系。
其中高速段上刀具温度的降低是由于刀具与工件接触时间变短所导致的结果。
从切削机理研究的角度看,应当考察切削剪切区中的温度变化及材料变形。
随着切削速度的提高,切屑上的切削热来不及传到工件和刀具而被切屑带走对高速切削十分有利,可使刀具寿命延长、工件加工质量提高。
可以说,迄今为止,对于超高速切削的机制研究还停留在实验观察和推断摸索阶段,还不能把握最佳切削方案。
即尽管目前已形成了高速切削的实用技术,但高速切削机理研究还只停留在一个试验探索阶段,在基础理论上的研究还不成熟。
3、超高速加工技术的优越性和应用
优越性:
课本93页
从目前的情况看,超高速切削主要用于轻合金加工。
(1)航空航天领域
飞机制造业是最早采用超高速铣削的行业。
飞机上的零件通常都采“整体制造法”制造,即在整块毛坯上切除大量材料后,形成高精度的铝合金或有色轻合金的复杂构件,其切削工时占整个零件制造总工时的比例很大。
采用超高速切削,可大幅度提高生产效率,降低制造成本,这是促使飞机制造行业开发和应用超高速切削技术的主要原因。
图是美国Ingersoll公司为英国BritishAerospace公司提供的大型高速型面铣床。
床身底面积为33m×
15m,约有三层楼高,它主要用来加工大型铝合金飞机零件。
该机床装有4个液体静压主轴头可同时进行切削,主轴直径245mm,长度240mm,主轴电动机在10000~20000r/min范围内的输出功率为150kW。
4个主轴同时工作时,工件材料的切除率可达26000cm3/min。
其余见课本96页。
(2)汽车工业领域
汽车制造业也是应用超高速切削较为领先的工业部门。
铸铁、铸铝的汽车零件都可采用超高速切削。
当用CBN刀具超高速铣削和键削铸铁缸体时,切速可高达l000m/min。
采用氮化硅(Si3N)刀具加工铸铁零件,切速可达1500m/min。
对钢件的超高速切削困难较大,目前还应用较少,有时可用于钢件的精加工。
(3)模具工业领域
参看课本96页。
(4)难加工材料领域
航空和动力工业部门大量采用镍基合金(如ineonel718)和钛合金(如TIA16V4)制造飞机和发动机零件。
这些材料强度大、硬度高、耐冲击,加工中容易硬化,切削温度高,刀具磨损严重,属于难加工材料。
如采用超高速切削,则其切削速度可提高到100~1000m/min,为常规切速的10倍左右,不但可大幅度提高生产效率,而且可有效地减少刀具磨损,提高加工零件的表面质量。
纤维增强塑料是机械工业常用的新型复合材料,分碳素纤维和玻璃纤维两大类,切削这种材料时,对刀具有十分严重的刻划作用,刀具很容易磨损。
当用金刚石刀具对这种材料进行超高速切削时上述问题都可避免,加工精度和效率将明显提高。
(5)超精密微细切削加工领域
总之,在加工轻合金、不含铁金属和工程塑料时,超高速切削可用于零件加工的全过程;
在加工铸铁、钢和难加工合金材料时,目前常用于精加工。
4、超高速切削的相关技术
超高速切削是一种综合性的高新技术,它可以带动一系列单元技术的发展。
超高速切削的相关技术可用图5来表示。
4、1超高速切削的刀具技术
硬质合金是由W,Mo,Cr,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta的九种炭化物和Fe族(Fe,Co,Ni)金属结合而成的合金总称,一般指WC-Co合金。
硬质合金是一种主要由硬质相和粘结相组成的粉末冶金产品。
硬质相很硬,主要是各种碳化物:
碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、碳化铌(NbC)
在大部分情况下,钴作为粘结相使用。
在硬质合金工厂,硬质合金需经过混合、压制和烧结。
(1)刀具的材料
a.涂层刀具材料
在切削加工中,刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。
刀具性能的两个关键指标——硬度和强度(韧性)之间似乎总是存在着矛盾,硬度高的材料往往强度和韧性低,而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。
在较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜(如TiC、TiN、Al2O3,等)组成的涂层刀具,较好的解决了刀具存在的强度和韧性之间的矛盾,是切削刀具发展的一次革命。
涂层刀具是近20年来发展最快的新型刀具。
目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上,CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。
一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用,因而可以大大减少刀具的品种和库存量,简化刀具管理,降低刀具和设备成本。
但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后,因基体材料和涂层材料性质差别较大,涂层残留内应力大,涂层和基体之间的界面结合强度低,涂层易剥落,而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。
目前常用的涂层方法是CVD(化学气相沉积法)和PVD(物理气相沉积法)。
课本99页。
如日本住友公司开发的…
b.金属陶瓷刀具材料
为了使陶瓷既可以耐高温又不容易破碎,人们在制作陶瓷的粘土里加了些金属粉,因此制成了金属陶瓷。
金属陶瓷中的陶瓷相是具有高熔点、高硬度的氧化物或难熔化合物,金属相主要是过渡元素(铁、钴、镍、铬、钨、钼等)及其合金。
金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性,又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。
根据各组成相所占百分比不同,金属陶瓷分为以陶瓷为基质和以金属为基质两类。
陶瓷基金属陶瓷中碳化物基金属陶瓷以碳化钛、碳化硅、碳化钨等为基体,与金属钴、镍、铬、钨、钼等金属复合而成,具有高硬度、高耐磨性、耐高温等特点。
氮化物基金属陶瓷以氮化钛、氮化硼、氮化硅和氮化钽为基体,具有超硬性、抗热振性和良好的高温蠕变性。
金属陶瓷含钨少,具有硬度高、抗磨性强、摩擦系数和切削力小等优点,预计金属陶瓷刀具材料将代替WC基硬质合金,成为整个刀具材料中的新生力量。
c.陶瓷刀具材料
与硬质合金刀具相比,陶瓷刀具硬度高,耐磨性好,刀具寿命长。
同时,陶瓷刀具与钢铁等金属的亲和力小,摩擦系数低,并且在1200℃时仍能保持高硬度,抗热冲击性能好,适合在高温下进行高速切削。
此外,其独具的原材料价格低廉优势,也是陶瓷刀具备受关注一个重要原因。
在韧性方面,抗弯强度、断裂韧性、弹性模量等则不如硬质合金。
这正是陶瓷刀具在某些场合不能取代硬质合金的重要原因。
氧化铝基陶瓷硬度高、耐磨性好,但韧性较氮化硅等差很多,多用于车削。
Si3N4陶瓷是一种非氧化物陶瓷,硬度可达1800~2000HV,热硬性好,能承受1300~1400℃的高温,与碳和金属元素化学反应小,摩擦系数较低。
这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料,尤其适用于大进给量或断续切削。
d.PCD(聚晶金刚石)刀具材料
课本100页。
e.CBN(PCBN,聚晶立方氮化硼)刀具材料
注:
超高速数控车床上可进行车、铣、钻、镗等工序。
钻孔时,工件旋转,钻刀进给(一次走刀可实现复合加工,如果用车刀即为车内圆,镗孔与车内圆区别,镗床上,工件不动,镗刀旋转)。
钻削工艺:
径向调整,非旋转钻头(即车内圆,工件旋转,只用一个钻头刀刃)。
4、2超高速切削机床
(1)超高速切削的主轴系统
课本102页。
(2)超高速切削的进给系统
课本103页。
(3)超高速切削的刀具夹持系统
(补充知识:
JT柄,主要由德国标准DIN69871发展而来,肩部尺寸较BT为小,360度圆周有定位(即刀具整体在360度范围内圆周方向唯一),定位的缺口对于高转速的情况下的动平衡性能不利(需要通过去重等方法提高动平衡性能)。
大部分的JT柄带有内冷却通道,支持主轴中心内冷却或(和)主轴端面内冷却。
BT柄是日本标准,肩部尺寸较JT为大因而刀重有所增加,180度圆周有定位,无对动平衡不利的定位缺口。
大部分的BT柄不带内冷却通道,个别可以提供带内冷却通道的BT柄,但由于BT柄(尤其是BT40及以下)拉钉颈部较细,增加中心内冷却通道可能导致拉钉被拉断刀柄脱落的危险。
原理上区别不大。
但实际使用必须分清,不能搞错。
BT的机床不能用JT的刀柄,JT的机床也不能用BT的刀柄。
欧洲机床大部分标准配置为JT类,如DIN69871。
欧洲的JT大部分可选择带中心内冷或主轴端面内冷。
日本、韩国、台湾机床大部分标准配置为BT。
BT刀柄可能由于拉钉颈部较细,大部分不带内冷。
因为拉钉如果加上内冷孔,截面积可能过小,强度会不够。
)
1)刀柄系统
长期以来,加工中心上一直采用7/24锥度的单面夹紧刀柄实现刀具与机床主轴的连接。
随着高速切削加工技术的发展,机床主轴转速显著提高(一般可达10000r/min以上)。
在高转速条件下,单面夹紧刀柄的连接性能显得不足,主要表现在以下几个方面:
(1)在高转速下,由于离心力的作用,主轴锥孔扩张,其扩张量大于刀柄扩张量,在拉紧机构作用下,刀柄向后窜动,使刀具轴向定位不准确,在停车换刀时,易导致拔刀困难。
(2)主轴与刀柄只有锥面结合,连接刚度低,尤其是在高转速下,由于离心力的作用,主轴锥孔大端扩张量大于小端扩张量,扩张量的不均匀会使刀柄与主轴连接刚度进一步降低,致使刀头回转精度降低。
(3)BT刀柄较长,插入主轴锥孔后易使主轴前轴承内环变形,从而影响主轴回转精度。
此外,单面夹紧刀柄在主轴上的重复定位精度较低,不适合高精度加工的要求。
为提高刀柄与主轴的连接刚性和装夹精度,适应高速切削加工技术发展的需要,德国、美国、日本等国的多家科研机构和公司先后开发了多种两面夹紧刀柄,这些刀柄的共同特点是使刀柄锥面和法兰端面分别与主轴锥孔和端面紧密结合,实现两面夹紧。
BIG-PLUS刀柄系统由日本大昭和精机开发,仍采用7:
24的锥度。
优点:
课本105页。
从应用情况来看,7/24两面夹紧刀柄柄与传统单面夹紧刀柄具有互换性,可方便地应用于主轴锥孔锥度为7/24的机床上,以提高刀柄与机床主轴的连接刚度和装夹精度,从而有利于在这些机床上进行重载切削和高精度切削。
由于7/24两面夹紧刀柄与传统单面夹紧刀柄具有互换性,因此在机床上引入两面夹紧刀柄所需投资很小,这也是BIG-PLUS得以迅速推广的一个原因。
但是,从适应机床主轴转速进一步高速化的发展要求来看,短锥柄两面夹紧刀柄结构具有更为广阔的发展前景。
在目前开发的短锥柄两面夹紧刀柄结构中,具有代表性的是德国开发的HSK。
(课本106页)
(4)超高速切削的支承系统(课本107页)
(5)在机床结构方面,新型的并联机床开始逐渐得到应用。
自从世界上第一台机床诞生,随着机械工业的发展,机床从原始简陋的人力机床发展成现代的多种形式多种功能的数字控制的各种各样加工设备。
但是这些机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来。
课本108页。
典型的Stewart平台如图1所示,它由上下两个平台和6个并联的、可独立自由伸缩的杆件组成,伸缩杆和平台之间通过球铰链连接,改变伸缩杆的长度可以实现上动平台在空间有限的6自由度运动。
1978年,Hunt讲Stewart应用到了工业机器人上,形成一种六自由度的新型并联机器人。
Hexapod结构介绍,课本109页。
1994年在美国IMTS’94芝加哥国际机床展览会上有美国G&
L公司正式推出名为“变异”(VARIAX○R)的六条腿并联杆系机床。
与此同时,在1994年的IMTS’94展会上英格索尔铣床公司(Ingersoll)也推出被称为“八面六腿型”的OctahedralHexapod型并联杆系机床。
这些机床的推出,在机床及机械行业引起极大震动称其为革命化的机床、21世纪的概念型机床。
因为这种机床从运动理论到具体结构上都与传统机床截然不同———它没有滑台结构,没有沿X、Y、Z三个方向的滑式结构的导轨———不管是矩形导轨、V形导轨、圆形导轨,还是别的什么导轨,而只用几根丝杠带动主轴箱、带着刀具(或工件)在空间运动,按预定轨迹和目标通过复杂的数学计算经计算机控制完成加工任务。
以前这种机床称为虚拟轴机床(尽管它没有X、Y、Z轴的直线轴定向运动),但是它就像有直线轴一样可以完成空间任意方向的运动(故称虚拟轴)。
后来称之为并联(杆系)机床。
随着并联机床这一热点的出现,各国都竞相开展Stewart并联机床的研究开发。
在1994年美国成立了Hexel公司,专业从事Stewart机床及其功能部件研究、开发生产和销售。
在美国政府和企业的支持下有五个国家级基地:
麻省理工学院(MIT)、美国国家标准和技术研究所(NIST)、田纳西州橡树山国家试验室(ORNL)、国家先进制造试验基地(NAMT)和加州试验室(SNL/CA),专业从事Stewart并联机床的研究开发。
德国的许多大学、研究所试验室及企业也都纷纷大力开展并联机床的研究开发。
例如阿亨大学(Aachen)及其试验室WZL、斯图加特大学(Stuttgart)及其试验室IFW、富恩沃夫应用技术研究院的研究所等。
其它国家的著名公司和研究单位如:
瑞典的Neos公司。
日本的Okuma公司、韩国的(Edipse产品)、日本的丰田工机及美国的Inger-soll公司也同时对并联机床进行研究开发。
由于并联杆系机床的许多特点和优点,加之应用技术的日趋成熟以及配套产品零部件的商品化。
并联机床频频在各种机床展览会上亮相。
同时并联机床出现了一些改进。
比如苏黎世(课本109页)
4、3超高速切削的切削液和供液系统(课本116页)
5、超高速铣削
(1)小切削用量—实现精细加工
EDM加工时使用嵌件:
将嵌件上在电火花加工完的模具上。
(1)小切削用量—加工高硬度材料(如50HRC)
(1)小切削用量—使电极加工更高效
有时加工窄槽零件时(槽宽1mm以下),使用直径1mm以下的铣刀高速加工效率很低,而且容易断刀,此时仍采用EDM,需加工薄壁电极件。
在进行精加工电极加工的同时,就可以进行模具的粗放电加工:
存在深槽的工件,有时加工时需要两个电极:
一个先粗加工,磨损后使用另一个。
5、超高速铣削-先进的CAD/CAM软件
高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求,除了要有高速切削机床和高速切削刀具外,具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。
高速铣削加工对数控编程系统的要求越来越高,价格昂贵的高速加工设备对软件提出了更高的安全性和有效性要求。
数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程,一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等。
高速切削编程应当做到:
保持恒定的刀具载荷,把进给速率变化降到最低,程序处理速度最大化。
说明:
由于高速加工中,刀具的运动速度很高,而高速加工中采用的刀具通常又很小,这就要求在加工过程中保持固定的刀具载荷,避免刀具过载。
因为刀具载荷的均匀与否会直接影响刀具的寿命、对机床主轴等也有直接影响,在刀具载荷过大的情况下还会导致断刀。
由于高速加工中心具有前视或预览功能,在刀具需要进行急速转弯时加工中心会提前进行预减速,在完成转弯后再提高运动速度。
机床的这一功能主要是为了避免惯性冲击过大,从而导致惯性过切或损坏机床主轴而设置的。
有些高速加工中心尽管没有这一功能也能较好地承受惯性冲击,但该情况对于机床的主轴也是不利的,会影响主轴等零件的寿命。
在使用CAM进行数控编程时,要尽一切可能保证刀具运动轨迹的光滑与平稳,把进给速率的变化降到最低(零进给速度会产生走刀痕迹,破坏工件表面)。
高速加工中采用非常小的切给量与切深,故高速加工的NC程序比对传统数控加工程序要大得多,因而要求计算速度要快,要方便节约刀具轨迹编辑,优化编程的时间。
(1)保持刀具载荷的恒定
1)刀具载荷的分析与优化:
为了能够确保最大的切削效率,又保证在高速切削时加工的安全性,CAM系统应能根据加工瞬时余量的大小,自动对进给率进行优化处理,以确保高速加工刀具受力状态的平稳性,提高刀具的使用寿命
等高加工包括以去除余量为目的的粗加工、残留粗加工,以及以获取高质量的加工表面及细微结构为目的的半精加工、精加工和镜面加工等。
高速加工中的粗加工所应采取的工艺方案是高切削速度、高进给率和小切削量的组合。
等高加工方式是众多CAM软件普遍采用的一种加工方式。
另外,一些高级CAM系统采用螺旋等高加工方法。
螺旋等高也就是在加工区域仅一次进刀,在不抬刀的情况下生成连续光滑的刀具路径,进、退刀方式采用圆弧切入、切出。
螺旋等高方式的特点是,没有等高层之间的刀路移动,避免频繁抬刀、进刀对零件表面质量的影响及机械设备不必要的耗损。
2)基于毛坯残留知识的加工
粗切时使用具有层间二次粗加工优化的功能。
在等高线粗切中,由于零件上存在斜面,在斜面上会留有台阶,导致残留余量不尽均匀。
这样对后续的加工不利,如刀具载荷不均匀。
尽管系统具有载荷的分析与优化,但毕竟将影响加工的效率和质量。
因此在进行粗切时,用户应选择具有优秀的层间二次粗加工功能,在粗切时就得到了余量均匀的结果,为后续加工提供更有利的条件,也提高了加工的效率。
在编程过程中,应利用有效的刀柄干涉检查的功能,确保刀具的安全性。
要选择具有毛坯残留知识加工的系统。
这种系统的干涉检查更为合理,因为系统是把刀具信息与上次加工的残留毛坯进行校验。
(2)最大限度地减少速率损失
1)灵活有效的进刀方式
通常CAM系统中,有多种多样的进、退刀方式,如在走轮廓时,有轮廓的法向进、退刀,轮廓的切向进、退刀等。
高速加工时应尽量采用轮廓的切向进、退刀方式以保证刀路轨迹的平滑。
在对曲面进行加工时,刀具可以是曲面法向的进、退刀,曲面切向的进、退刀(或螺旋式进、退刀)等。
在实际加工中,用户可以采用曲面的切向进刀(或更好的螺旋式进刀)。
(可补充:
而且螺旋式进刀切入材料时,如果加工区域是上大下小,螺旋半径会随之减小以进刀到指定深度,有些CAM系统具有基于知识的加工,在检查刀具信息后发现刀具具有盲区时,螺旋加工半径不会无限制减小,以避免撞刀。
这些对程序的安全性提供了周全的保障。
2)刀路轨迹的拐角处理
3)光滑的移刀方法
这里所说的移刀方式主要指的是行切中的行间移刀,环切中的环间移刀,等高加工的层间移刀等。
行切的侧向移刀
普通CAM软件中的移刀大多不适合高速加工的要求。
如在行切移刀时,刀具多是直接垂直于原来行切方向的法向移刀,致使刀具路径中存在尖角。
而高速加工时,行切的移刀直接采用内切圆弧连接。
该种方法在行切切削用量(行间距)较大的情况下处理得很好,在行切切削用量(行间距)较小的情况下会由于圆弧半径过小而导致圆弧接近一点,即近似为行间的直接直线移刀,从而也导致机床预览减速,影响加工的效率,对加工中心也不利。
可采用外圆弧走刀。
该种方法在一定程度上会解决在前面采用切圆弧移刀的不足。
但是在使用非常小的刀子(0.6mm直径的球头刀)进行精加工时,由于刀路轨迹间距非常的小(侧向切削用量为0.2mm),使得该方法也不够理想。
可采用高尔夫球竿头式移刀方式
环切的侧向移刀
即采用圆周由里向外或由外向里走刀。
通常走轮廓,所以Z轴坐标是变动的。
环切的移刀采用空间螺旋式移刀。
该种移刀方法移刀在空间完成。
层间移刀
在进行等高加工时,用户要采用螺旋式等高线间的移刀。
4)加工的Nurbs插补
在进行零件的加工时,在加工中心支持Nurbs代码的情况下,应采用Nurbs编程。
这样产生的刀路轨迹的数据量不仅少,而且刀具运动也更光滑平稳高效。
5)先进的高速加工方式
采用摆线式加工:
摆线试加工是利用刀具沿一滚动圆的运动来逐次对零件表面进行高速与小切量的切削。
采用该种方法可以有效地进行零件上窄槽和轮廓的高速小切量切削,对刀具有很好的保护作用。
许多CAM系统都有很多高级的加工能力,充分利用和挖掘这些能力加工极大地改善加工的效果。
最后阶段对零件进行清根时,利用具有斜率分析的清根算法,对陡峭拐角和平坦拐角区别对待,即对陡峭拐角的清根使用等高线一层一层清根,对平坦区域采用沿轮廓清根,可以更好地保护刀具,获得更好的表面质量。
所谓清根,即加工成接近直角。
一般用球铣刀(或刀片半径较大的端铣刀)加工完后都存在一个圆弧。
此时用刀片半径极小的端铣刀进行清根。
采用高速加工设备之后,对编程人员的需求量将会增加,因高速加工工艺要求严格,过切保护更加重要,故需花多的时间对NC指令进行仿真检验。
一般情况下,高速加工编程时间比一般加工编程时间要长得多。
为了保证高速加工设备足够的使用率,需配置更多的CAM人员。
现有的CAM软件,如DELCAM的PowerMILL、美国MasterCAM、UGS的UnigraphicsNX、Dassualt的CATIA、以色列的CimatronE等都提供了相关功能的高速铣削刀具轨迹策略。
高速加工技术是世界范围内倍受关注的前沿技术,它将极大地促进加工的效率提高和产品品质的改善。
正如前文所述,高速加工是一个系统工程,他要求从软件、硬件及设备方面的全方位的改革,但由于其具有传统加工无可比拟的优势,仍将是今后加工技术必然的发展方向。
超高速加工样件实例
RFM1000S为一个高速加工中心。
进给量=主轴转速(rpm)×
刀具每转每齿进给量(刀具决定,可以理解为切削深度基本固定或切屑的厚度基本固定)×
刀具刃数
即转速越高,进给量相应要增大,否则刀具每转每齿进给量太小,即切屑会很薄,太薄了,可能小于刀尖半径,则只摩擦,形不成切削。
普通加工,主轴线速度只有每分钟几十米。
高速加工是普通的十几倍或几十倍,如铣刀通常在1000~10000m/min切削条件下工作。
由于超高速精加工通常用的刀具直径很小。
所以同样的线速度下,转速很高。
铣刀有2~8齿,2齿为键槽铣刀,可直接扎下去(相当于钻),再铣槽。
3齿以上中间有孔,不可直接扎下去。
另:
4齿以上用于精铣,刀齿小,容屑槽小,刀的强度更高)。
举例:
普通铣削(粗铣),比如主轴转速vs=500r/min,刀具每转每齿进给量=0.05mm,2个刃,则:
进给量=500×
0.05×
2=50mm/min。
超高速铣削(粗加工,10mm直径刀),主轴转速vs=30000r/min,刀具每转每齿进给量=0.05mm,2个刃,则:
进给量=30000×
2=3000mm/min。
超高速铣削(精加工,2mm直径刀,通常主轴线速度不变),主轴转速vs=150000r/min,刀具每转每齿进给量=0.005mm(刀小,每齿进给量