什么是仿形铣？

仿形铣是一种常见的铣削工序。圆刀片铣刀和大圆角铣刀是用于进行粗加工和中等粗加工的铣刀，球头立铣刀则是用于进行精加工和超精加工的铣刀。

仿形铣加工过程

仿形铣涵盖二维和三维不规则形状的多轴铣削。待加工的零件越大以及结构越复杂，仿形铣加工过程的规划就变得越重要。

加工过程至少应分为3种类型的工序：

• 粗铣/中等粗铣
• 半精加工
• 精加工

有时还需要超精加工，这通常使用高速加工技术执行。余量铣削 (即所谓的残料铣削) 包含在半精加工和精加工工序中。为了获得最佳精度和生产率，建议在单独的机床中执行粗加工和精加工，并使用针对每种工序经过优化的切削刀具。

应在4轴/5轴机床中使用先进的软件和编程技术执行精加工工序。这样能够显著缩短甚至完全消除手动完成工作所耗费的时间。最终结果将是几何精度更好、表面结构质量更高的产品。

刀具选择

针对粗加工和中等粗加工经过优化的切削刀具：
圆刀片铣刀和大圆角铣刀。

针对精加工和超精加工经过优化的切削刀具：
球头立铣刀和圆角立铣刀。

仿形铣应用检查表

应仔细研究零件的轮廓，以选择适当的刀具并找到最合适的加工方法：

• 确定最小刀尖圆弧和最大型腔深度
• 估计材料去除量
• 考虑刀具装夹和工件夹紧以避免振动。所有加工都应在经过优化的机床上执行，以实现良好的轮廓几何精度
• 通过使用单独的精密机床执行精加工和超精加工工序，可减少或在某些情况下消除对耗时的手工抛光的需求
• 实现大幅节约可能需要某些高级编程。使用整体硬质合金立铣刀和高速加工技术进行光整加工并实现尽可能好的表面质量
• 通常，使用传统方法和刀具对大型零件进行粗加工和半精加工可实现最高生产率。一个例外是铝合金，也可使用高切削速度进行铝合金粗加工

如何减少振动

振动是使用长悬伸刀具铣削深型腔的一项障碍。克服这一问题的常用方法是减少切深、降低切削速度或进给。

• 使用具有良好跳动精度的刚性模块化刀具
• 模块化刀具能够提高灵活性和可能的组合数量
• 当从主轴端面切削刃的刀具总长超过刀杆直径直径的4-5倍时，使用减振刀具或加长杆
• 如果必须从根本上增加抗弯刚度，则使用由重金属制成的加长杆
• 如果主轴转速超过20,000 rpm，则使用经过动平衡的切削刀具和刀柄
• 选择相对于铣刀直径尽可能大的加长杆和接杆直径
• 刀柄与切削刀具之间存在1 mm (0.039英寸) 的避空便已足够。使用带避空的铣刀
• 插铣是使用超长刀具进行铣削的一种替代方法

逐渐加长刀具长度

当最后一次走刀的位置位于零件深处时，为了保持最高生产率，需要使用一系列的加长杆。

• 从最短的加长杆开始，因为更长的加长杆将限制生产率并且易于产生振动
• 在程序中的预定位置改用加长的刀具。型腔的几何形状决定了换刀位置
• 根据每种刀具长度调整切削参数以保持最高生产率

真实切削速度

使用球头铣刀或圆刀片铣刀的标称直径值计算刀具的切削速度时，如果切深a_p较浅，则实际切削速度v_c将低得多。工作台进给和生产率将严重受限。

根据参与切削的实际或有效直径D_cap计算切削速度。

方肩立铣刀

球头铣刀

圆刀片铣刀

点铣 - 倾斜铣刀

使用球头立铣刀时，切削刃的最关键区域是刀具中心，此处的切削速度接近于零，不利于切削过程的进行。由于横刃处的空间较窄，刀具中心的排屑至关重要。

因此，建议将主轴或工件倾斜10°-15°，以使切削区域远离刀具中心。

• 最低切削速度将更高
• 更长的刀具寿命和改进的切屑形成
• 更好的表面质量

中心切削铣刀示例

中心部分，z = 2

周边部分，z = 4

Z = 2

Z = 4

浅切

以较小的切深使用圆刀片铣刀或球头铣刀时，切削刃的吃刀时间较短，因此可提高切削速度v_c。切削区域的热传播时间变短，即切削刃和工件都保持较低的温度。此外，由于切屑减薄效应，还可增加每齿进给量f_z。

                                                                           浅切

浅切示例，非倾斜铣刀与倾斜铣刀的比较

本示例说明了在a_e/a_p较小时提高切削速度的可能性，以及使用倾斜铣刀的优势。

球头整体硬质合金铣刀

D_c = 10 mm，材质GC 1610。

材料：钢，400 HB

深切a_p - D_c/2的切削参数建议：

v_c = 170 m/min

f_z = 0.08 mm/r = h_ex

在仿形铣中实现高生产率：恒定加工余量

A：粗加工

B：半精加工

C：精加工和超精加工

恒定加工余量是在仿形铣中实现稳定的高生产率的基本准则之一，特别是在高速加工时。

• 为了在这些工序中达到最高生产率 (在模具制造中比较常见)，根据具体的工序调整铣刀尺寸非常重要
• 主要目标是产生均匀分布的加工余量，以尽量减少所用每把刀具工作负载和方向的变化

与在每种工序中自始至终仅使用一种直径的铣刀相比，由大到小逐步减少不同铣刀的尺寸通常更有利，特别是在轻载粗加工和半精加工中。

• 当先前的工序留出的加工余量尽可能少、尽可能恒定时，可实现最佳精加工质量
• 目标始终应该是尽可能接近最终形状的规定要求
• 安全的切削过程

恒定加工余量的益处

• 一些半精加工工序以及几乎所有精加工工序都可在部分有人值守 (有时甚至无人值守) 的情况下进行
• 对机床导轨、滚珠丝杠和主轴轴承的负面影响将减少

从实心工件开型腔

• 开型腔时，重要的是选择一种能够最大限度地减少切深a_p，同时为后续仿形铣工序留出恒定加工余量的方法
• 方肩面铣刀/立铣刀或长刃铣刀将留出必须去除的阶梯状加工余量。这将产生变化的切削力和刀具偏斜。结果是为精加工留出的加工余量不均匀，这将影响最终形状的几何精度
• 使用圆刀片铣刀将在两次走刀之间实现平滑过渡，并为仿形铣工序留出更小、更均匀的加工余量，从而实现更好的零件精度
• 第3种替代方案是使用高进给铣刀开型腔。由于小切深，这也将实现小而均匀的恒定加工余量，即小台阶

方肩铣刀，
更大、更不均匀的加工余量

圆刀片铣刀，
小加工余量

高进给铣刀，
小加工余量

靠模铣

为型腔编程刀具路径的最简单的传统方法是使用常规仿形铣削技术，需要对材料多次进刀和退刀。然而，这意味着要以非常有限的方式使用强大的软件程序、机床和切削刀具。所用机床配备的软件最好具有预见功能，以避免刀具路径偏差。

开放的方式对于加工方法、刀具路径、铣刀和刀柄的选择而言至关重要。

- 刀片中心点重载

- 更低的进给率

- 更短的刀具寿命

- 机械冲击

- 形状误差

- 更长的编程和切削时间

仿形铣削的刀具路径通常是逆铣与顺铣的组合，需要进行许多次不利的进刀和退刀。每次进刀和退刀都意味着刀具将发生偏斜，从而在零件表面留下痕迹。随后，切削力和刀具弯曲将减少，退刀区域的材料将出现过切。

结论

• 应尽可能避免沿着陡壁进行仿形铣削。插铣时，切屑厚度较大，切削速度应较低
• 刀具中心存在切削刃碎裂风险，特别是在铣刀接触到底部区域时
• 通过预见功能使用进给速度控制。否则，减速将不足以避免使刀具中心受到损坏
• 铣刀切向侧壁时将出现较大的接触长度，这会带来偏斜、振动或刀具破裂风险
• 使用球头立铣刀时，最关键的区域在刀具中心，因为此处切削速度为零。避免使用刀具中心区域，通过倾斜主轴或工件进行点铣以改善工况
• 使切削过程沿着陡壁执行仿形逆铣会更好，因为切屑厚度在更有利的切削速度下达到最大值

刨削风险

仿形逆铣：
使用推荐的v_c时达到最大切屑厚度。

在型腔底部：
刀具中心碎裂风险。
形状误差很常见，特别是在使用高速加工技术时。

仿形顺铣：
v_c非常低时的切屑厚度较大。

降低进给以避免缩短刀具寿命

交替的逆铣和顺铣将使刀具交替偏斜并受到交替切削力的作用。在刀具路径的关键区域降低进给率将降低切削刃碎裂风险，并实现更安全的切削过程和更长的刀具寿命。

轮廓铣

与使用局限于以恒定的Z值“切掉”材料的编程技术不同，将轮廓铣刀具路径与顺铣结合使用非常有利。结果包括：

+ 大大缩短了加工时间

+ 更好的机床和刀具利用率

+ 改进了加工形状的几何质量

+ 节省了精加工和手动抛光工作时间

+ 切削速度控制 - v_e

+ 能够实现高速加工

+ 高进给率

+ 长刀片寿命

+ 安全性

初始编程工作难度更高，花费的时间也要长一些；然而，这将很快得到补偿，因为机床的每小时成本通常为工位的3倍。所用机床配备的软件最好具有预见功能，以避免刀具路径偏差。结论

• 使用轮廓铣型刀具路径 (例如“水线铣削”) 作为确保顺铣的最佳方法
• 通过铣刀边缘进行轮廓铣通常能够实现更高的生产率，因为直径更大的刀具将有更多的有效齿参与切削
• 如果机床的主轴转速有限，则轮廓铣将有助于保持并控制切削速度
• 轮廓铣还能减少工作负载和方向的快速变化。在高速和高进给铣削中以及在加工淬硬材料时，这具有特别的重要性，因为切削刃和加工过程更易受到可能产生不同的偏斜或产生振动的任何变化的影响
• 为了实现理想的刀具寿命，尽可能保持长时间连续切削

注意！当切削速度为零时，避免使用刀具中心进行切削。

刀具路径策略

以恒定的Z值进行轮廓铣，两轴粗加工到精加工

水线铣削，以恒定的Z值进行轮廓铣

• 常用于CAM控制的最大残留高度功能可用时
• 平稳进刀和退刀
• 编程简单
• 刀具选择范围广泛

螺旋轮廓铣，3-5轴精加工

以坡走铣刀具路径进行轮廓铣

• 方向变化平稳
• 良好的形状精度和表面质量
• 受控的残留高度
• 恒定吃刀量
• 短程序
• 短刀具

加工出复杂曲面

使用倾斜约10°的铣刀沿两个方向顺铣可确保良好的表面质量和可靠的性能。球头铣刀或大圆角切削刃将加工出具有一定尖顶高度h的表面，具体取决于：

• 切宽a_e
• 每齿进给量f_z

其他重要因素是切深a_p，切深会影响刀具的跳动 - TIR。为了获得最佳结果：

• 使用带Coromant Capto®接口的高精度液压夹头
• 将刀具悬伸减至最小

粗加工和中等粗加工

如果每齿进给量比切宽和切深小得多，则加工出的表面在进给方向上的尖顶高度也将小得多。

精加工和超级精加工

加工出在所有方向上都对称的光滑表面结构是有利的，随后，无论选择何种抛光方法，都能轻松抛光。

在f_z ≈ a_e时可实现这一点。

在超精加工中，请务必使用倾斜两齿铣刀，以获得最佳表面结构。

使用比a_e小得多的f_z

进行中等粗加工

使用倾斜铣刀和与a_e相等的f_z

进行超精加工