第六节 插铣刀

一、插铣的特点及应用

插铣法（plunge milling）又称为Z轴铣削法，是实现高金属去除率切削最有效的加工方法之一。对于难加工材料的曲面加工、切槽加工以及刀具悬伸长度较大的加工，插铣法的加工效率远远高于常规的端面铣削法。在需要快速切除大量金属材料时，采用插铣法可使加工时间缩短一半以上。其工作方式类似于钻削，刀具沿主轴方向做进给运动，利用底部的切削刃进行钻、铣组合切削。插铣加工法的原理图如图4-110所示。

插铣涡轮叶片时，可从工件顶部向下一直铣削到工件根部，通过X-Y平面的简单平移，即可加工出极其复杂的表面几何形状。实施插铣加工时，铣刀切削刃由各刀片廓形搭接而成，插铣深度可达250mm而不会发生振颤或扭曲变形，刀具相对于工件的切削运动方向既可向下也可向上，但一般以向下切削更为常见。插铣斜面时，插铣刀沿Z轴和X轴方向作复合运动。在某些加工场合，也可使用球形铣刀、面铣刀或其他铣刀进行铣槽、铣型面、铣斜面、铣凹腔等各种加工。

专用插铣刀主要用于粗加工或半精加工，它可切入工件凹部或沿着工件边缘切削，也可铣削复杂的几何形状，包括进行清根加工。为控制切削温度，所有的带柄插铣刀都采用内冷却方式。插铣刀的刀体和刀片设计使其可以以最佳角度切入工件，通常插铣刀的切削刃角度为87°或90°（见图4-111），每齿进给量范围为0.08～0.25mm/z。每把插铣刀上装夹的刀片数量取决于铣刀直径，例如，一把直径φ 20mm的铣刀安装2个刀片，而一把直径φ 125mm的铣刀可安装8个刀片。为确定某种工件的加工是否适合采用插铣方式，主要应考虑加工任务的要求以及所使用加工机床的特点。如果加工任务要求很高的金属切除率，则采用插铣法，可大幅度缩短加工时间。

另一种适合采用插铣法的场合是当加工任务要求刀具轴向长度较大时（如铣削大凹腔或深槽），由于采用插铣法可有效减小径向切削力，因此与侧铣法相比具有更高的加工稳定性。此外，当工件上需要切削的部位采用常规铣削方法难以到达时，也可考虑采用插铣法，由于插铣刀可以向上切除金属，因此可铣削出复杂的几何形状。例如，在一台40级机床上可实现插铣深槽的加工，而此类机床不适合采用长刃螺旋铣刀进行加工，这是因为螺旋铣削产生的径向切削力较大，易使螺旋铣刀发生振颤。由于插铣加工时径向切削力较低，因此非常适合应用于主轴轴承已磨损的老式机床。插铣法主要用于粗加工或半精加工，因机床轴系磨损引起的少量轴向偏差不会对加工质量产生较大影响。

与常规加工方法相比，插铣法加工效率高，加工时间短，且可应用于各种加工环境，既适用于单件小批量的一次性原型零件加工，也适合大批量零件制造，因此是一种极具发展前途的加工技术。

插铣加工法是复杂曲面金属切削实现高切除率最有效的方法之一，被广泛应用在具有垂直侧壁的零件切削上。插铣法的加工效率远高于常规的铣削方法，可以快速切除大量金属材料。此外，插铣加工还具有以下优点：

（1）侧向力小，减小了零件变形。

（2）加工中作用于铣床的径向切削力较低，使主轴刚度不高的机床仍可使用而不影响工件的加工质量。

（3）刀具悬伸长度可较大，适合对工件深槽的表面进行铣削加工并延长刀具使用寿命，也适用于对高温合金等难切削材料进行切槽加工。

另外，插铣的一个特殊用处就是对涡轮的叶片进行加工，该加工方式通常在四轴或者五轴数控铣床上进行。插铣涡轮叶片时，可以从工件叶顶向下一直切削到工件的叶根处，通过X-Y平面的平移，就可加工极其复杂的表面形状。

二、插铣的应用范围

插铣法非常适合模具型腔的粗加工，并被推荐用于航空零部件的高效加工。其中一个特殊用途就是在三轴或四轴铣床上插铣加工涡轮叶片，这种加工通常用在专用机床上进行插铣涡轮叶片。可从工件顶部向下一直铣削到工件根部，通过X-Y平面的简单平移，即可加工出极其复杂的表面几何形状。实施插铣加工时，铣刀切削刃由各刀片廓形搭接而成，插铣深度可达插铣刀长径比为5时而不会发生振颤或扭曲变形，刀具相对于工件的切削运动方向既可向下也可向上，但一般以向下切削更为常见，如图4-112所示。

1.插铣铣刀的选择 插铣法主要应用在数控机床上，是数控加工中的一种新方法，所以插铣刀的选择必须依据数控加工刀具选择的原则和方法。同时由于插铣的特殊性，必须选择适合插铣的刀具类型、结构、切削参数。数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。常用刀具分类如下：

（1）根据刀具结构可分为：

1）整体式。

2）镶嵌形式：采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种。

3）特殊形式，如复合式刀具、减振式刀具等。

（2）根据制造刀具所用的材料主要可分为高速钢刀具、硬质合金刀具等。

2.插铣切削用量的选择原则 合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。具体要考虑以下几个因素：

（1）背吃刀量ap。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。

（2）切削宽度ae。一般ae与刀具直径d成正比，与背吃刀量成反比。经济型数控机床的加工过程中，一般ae的取值范围为：ae=（0.6～0.9）d。

（3）切削速度v c。提高切削速度vc也是提高生产率的一个措施，但vc与刀具寿命的关系比较密切。随着vc的增大，刀具寿命急剧下降，故vc的选择主要取决于刀具寿命。另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如用立铣刀铣削合金钢30CrNi2MoVA时，vc可采用8m/min左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，vc可选200m/min以上。主轴转速n一般根据切削速度vc来选定。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调（倍率）开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。

（4）进给速度vf。进给速度vf应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。vf的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度值要求低时，vf可选择得大些。在加工过程中，vf也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。

随着数控机床在生产实际中的广泛应用，量化生产线的形成，数控编程已经成为数控加工中不可或缺的步骤。在数控程序的编制过程中，要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量。因此，编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平。

3.插铣加工刀具的结构特点 插铣由于其加工时的运动方式决定了刀具结构，数控插铣铣刀一般情况下由刀片、刀具座、刀柄、拉钉四部分组成，刀片必须安装在与之配套的刀具座上，所以插铣铣刀的刀具角度是由两者决定的，在实际应用当中刀片、刀具座、刀柄、拉钉型号规格必须统一。插铣加工刀具一般作轴向进给和螺旋插补运动，刀片的主切削刃一般比较长（在10~15mm），副切削刃依不同厂家牌号的不同（在5~15mm），插铣刀的切削刃角度为87°或90°。下面是某型号插铣刀刀片类型和主要技术参数（见表4-24）。

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