平面切削成形

7.2　平面切削成形

1.零件的平面

平面是盘形和板形零件的主要表面，也是箱体、支架类零件的主要表面之一。

（1）平面的技术要求

1）本身的精度。平面有形状精度的要求，如直线度、平面度等。

2）位置精度，包括平面与其他平面或孔之间的位置尺寸精度、平行度和垂直度等。

3）表面质量，包括表面粗糙度、表面层的加工硬化、金相组织变化和残余应力等。

（2）平面的分类

1）非结合面。这种平面不与任何零件表面相配合，一般无加工精度要求，只有当表面为了防腐和美观时才进行加工，属低精度平面。

2）结合面和重要结合面。这种平面多数用于零部件的固定连接面，如车床主轴箱、进给箱与床身的连接平面，属中等精度平面。

3）导向平面，如机床的导轨面等。这种平面的精度和表面质量要求高。

4）精密测量工具的工作面等。

（3）平面的加工方法

平面的加工方法有车削、铣削、刨削、拉削、磨削、研磨、刮削及抛光等。

2.平面车削

平面车削（plane turning）一般用来加工盘套、轴和其他需要加工孔或外圆的零件的端面，单件、小批生产的中小型零件在卧式车床上进行，重型零件可在立式车床上进行。平面车削的表面粗糙度R_a为1.6～12.5μm。

车削平面的方法如图7-8所示。图a是在卧式车床的三爪自定心卡盘上车削盘套类零件的端面，图b是在四爪单动卡盘上车削方形截面零件的平面，图c是在花盘上车削小型底座的平面，图d是在立式车床上车削重型零件的平面。

3.平面刨削

（1）刨削方法　平面刨削（planing）是最常用的加工方法，它可以作为工件表面的终加工，也可以作为加工精度及表面粗糙度要求更高平面的预加工。刨削可在牛头刨床或龙门刨床上进行。牛头刨床主要用于中小型零件的加工。刨削时刨刀的往复直线运动是主运动，工作台带动工件作间歇的进给运动。龙门刨床主要用于大型零件的加工，也可同时进行多个中型零件的加工。

刨削的加工精度一般为IT7～IT13，表面粗糙度R_a为1.6～25μm。用宽刀进行精刨，表面粗糙度R_a为1.6～0.8μm。

图7-8　车削平面

a）三爪自定心卡盘上车削套盘类零件的端面

b）四爪单动卡盘上车削方形截面零件的平面

c）花盘上车削小型底座的平面

d）立式车床上车削重型零件的平面

刨削加工的应用如图7-9所示。

图7-9　刨削的主要应用

a）刨平面　b）刨垂直面　c）刨斜面　d）刨直槽

e）刨V形槽　f）刨T形槽　g）刨燕尾槽　h）刨成形面

（2）刨削的工艺特点

1）加工精度低。刨削主运动为往复直线运动，冲击力较大，只能采用中低速切削，当用中等切削速度刨削钢件时易产生积屑瘤，增大表面粗糙度。

2）生产率低。因刨削的往复过程中有空行程，冲击现象又限制了刨削速度，因此，刨削加工生产率较低，在大批量生产中常被铣削加工所代替。但对于狭长平面，如机床导轨面，也可以采用多刀刨削，其生产率可以高于铣削。

3）加工成本低。由于刨床和刨刀的结构简单，刨床的调整和刨刀的刃磨比较方便，因此刨削加工成本低，牛头刨床广泛用于单件小批生产及修配工作中，而龙门刨床则主要用于中型和重型机械的生产中。

4.平面铣削

铣削（milling）是平面加工的主要方法，它可以铣削水平面、垂直面、斜面、燕尾槽及键槽等组合平面，还可以铣削成形面。

铣削加工可以在升降台式卧式铣床、立式铣床及龙门铣床上进行。

（1）周铣法　用圆柱铣刀的圆周上分布的刀齿加工平面的方法称为周铣法（round milling），它又分为顺铣与逆铣两种方法，如图7-10所示。

图7-10　铣削平面

a）顺铣　b）逆铣

1）顺铣法（down milling）是指铣刀旋转方向与工件进给方向相同的加工方法，如图7-10a所示。其特点为：

i）顺铣时每齿切削厚度从最大到最小，刀具易于切入工件，顺铣的刀具耐用度一般较高。

ii）刀齿对工件的切削分力F₁向下，有利于工件的夹紧，故顺铣切削过程平稳。

iii）顺铣时因切削水平分力F₂与工件进给方向一致，当水平分力大于工作台的摩擦阻力时，由于工作台进给丝杠与固定螺母一般存在较大间隙，造成工作台窜动。因此，顺铣时要把丝杠与螺母间隙调整好。

iv）顺铣在开始切削时切削力较大，如果刀杆刚度较差，就会出现扎刀现象，特别是毛坯表面的铣削加工，更容易出现此现象。

2）逆铣法（up milling）是指铣刀旋转方向与工件进给方向相反的加工方法，如图7-10b所示。因顺铣法很难消除工作台丝杠与螺母的间隙所引起的切削不稳定，故生产中多用逆铣法。其特点为：

i）逆铣时切削水平分力F₂的方向与工件进给方向相反，因此，切削送进平稳，有利于提高表面质量和防止扎刀现象。

ii）逆铣时垂直切削分力F₁向上，不利于工件的夹紧。

iii）因逆铣时刀齿从已加工表面开始进刀，刀具磨损较大，且影响已加工表面质量。

（2）端铣法　端铣法（end milling）又分为对称铣和不对称铣。工件相对铣刀回转中心处于对称位置时称为对称铣（见图7-11a），工件偏于铣刀回转中心一侧时称为不对称铣（见图7-11b、c）。

图7-11　端铣的方式

a）对称铣　b）不对称逆铣　c）不对称顺铣

铣削时，可通过调整铣刀和工件的相对位置来调节刀齿切入和切出时的切削厚度，从而达到改善铣削过程的目的。

通过切削力的分析表明：不对称逆铣切削比较平稳，切入时切削厚度小，减小了冲击。当铣削9Cr2低合金钢和高强度低合金钢时，铣刀耐用度可提高1倍左右。但在铣削2Gr13、1Gr18Ni9Ti及4Gr14Ni14W2Mo等不锈钢与耐热钢时，则应尽量减小切出时的切削厚度。这是因为切出时切屑与被切削层分离，一部分金属受压而成为毛刺。这时实际上对切削刃来说是受到一个力，也是一次冲击。

实验结果说明：在端铣不锈钢与耐热钢时，采用不对称顺铣可提高铣刀耐用度3倍甚至更高；当铣削淬硬钢时，采用对称端铣法，铣刀耐用度比其他铣削方式要提高1倍以上。故端铣方式要根据具体情况选用。

（3）周铣法与端铣法的比较

1）端铣的加工质量比周铣高。端铣同周铣相比，同时工作的刀齿数多，铣削过程平稳；端铣的切削厚度虽小，但不像周铣时切削厚度最小时为零；端铣改善了刀具后刀面与工件的摩擦状况，提高了刀具耐用度；端铣刀的修光刃可修光已加工表面，使工件表面粗糙度较小。

2）端铣的生产率比周铣高。端铣的端面铣刀直接安装在铣床主轴端部，刀具系统刚性好，同时刀齿可镶硬质合金刀片，易于采用大的切削用量进行强力切削和高速切削，使生产率得到提高。

3）端铣的适应性比周铣差。端铣一般只用于铣平面，而周铣可采用多种形式的铣刀加工平面、沟槽和成形面等，因此周铣的适应性强，生产中常用。

（4）铣削加工的工艺特点

1）铣削加工多为多齿刀具，且转速高，故生产率较刨削高。

2）铣削加工时刀齿可以在一段时间内离开切削表面，故散热条件好，可以得到冷却，提高了刀具的耐用度。

3）铣削因是断续切削而使切削过程不稳定，切入和切出产生很大冲击，产生较大振动，影响加工精度和表面粗糙度。

4）铣削加工不仅可以加工箱体、支架、机座以及板块状零件的大平面、凸台面、内凹面、台阶面、V形槽、T形槽、燕尾槽，还可以加工轴和盘套类零件的小平面、小沟槽以及分度工件，因此，铣削加工的应用范围非常广泛。

5.平面拉削

图7-12　平面拉削

a）层剥法　b）分屑拉削法　c）渐成式拉削法

拉削（lugging）是一种高效率、高质量的加工方法，主要用于大量生产中，其工作原理和内孔拉削相同。拉削平面的加工精度可达IT6～IT7，表面粗糙度R_a为0.4～0.8μm，在精拉或拉削没有硬皮的表面时，一般采用图7-12a所示的拉刀。这种加工方法称为层剥法。粗拉带有硬皮的表面时宜采用图7-12b、c所示的拉刀，加工余量按拉刀的宽度方向分配，这样，刀齿不致迅速磨损或断裂。这两种加工方法分别称为分屑拉削法和渐成式拉削法。为了缩短拉刀长度，也常先用铣刀对平面进行粗加工，留下较小的余量，再用拉刀进行精拉。平面拉刀可以制成整体的（加工较小的平面），但更多的是采用镶齿的（加工大平面）。镶齿拉刀镶有高速钢或硬质合金刀片，后者可以实现高速拉削。镶齿拉刀也便于刃磨和调整。

6.平面磨削

磨削（grinding）加工方法适用于淬硬平面和精度要求较高的平面加工。磨削平面时，工件的夹紧一般采用电磁吸盘，因此，工件夹紧可靠、迅速。但对于变形较大的薄板类工件，应采取相应措施如在工件下放适当厚度的橡胶垫，不致因夹紧力引起工件变形而影响平面加工精度，如图7-13所示。

平面磨削可作为车、铣、刨削平面之后的精加工，也可代替铣削和刨削。

（1）平面磨削方法　根据磨削时砂轮工作表面的差异，平面磨削有周磨和端磨两种方式。

图7-13　薄板磨削

1—工件　2—橡胶垫

图7-14　矩台卧轴平面磨床周面磨削

1）周磨是利用砂轮的圆周面进行磨削，常在矩台卧轴平面磨床上进行（见图7-14）。磨削时砂轮与工件的接触面积小，磨削热少，排屑和冷却条件好，工件不易变形，砂轮磨损均匀，因此可获得较高的精度和较小的表面粗糙度，适用于批量生产中磨削精度较高的中小型零件，但生产率低。相同的小型零件可多件同时磨削，以提高生产率。

周磨加工精度一般可达IT5～IT6，表面粗糙度R_a为0.2～0.8μm。

图7-15　矩台立轴平面磨床端面磨削

2）端磨是利用砂轮的端面进行磨削，常在矩台立轴平面磨床上进行（见图7-15）。磨削时砂轮与工件的接触面积大，磨削热多，排屑和冷却条件差，砂轮各点圆周速度不同，磨损不均匀，因此磨削精度低，表面粗糙度大。但端磨时砂轮轴刚性好，可采用较大的磨削用量，生产率较高，故端磨常用于成批大量生产中。对支架、箱体及板块状零件的平面进行粗磨，以代替铣削和刨削。

（2）平面磨削的工艺特点

1）平面磨床的结构简单，机床、砂轮和工件系统刚性较好，故加工质量和生产率比内、外圆磨削高。

2）平面磨削利用电磁吸盘装夹工件，有利于保证工件的平行度，且装卸工件方便迅速，可同时装夹多个工件，生产率高。但电磁吸盘只能适用于安装钢、铸铁等铁磁性材料制成的零件，对于铜、铜合金、铝等非铁磁性材料制成的零件应在电磁吸盘上安放一精密虎钳或简易夹具来装夹。

3）成批、大量生产中，可用磨削来代替铣、刨削加工去除毛坯表面上的硬皮，既可提高生产率，又可有效地保证加工质量。

7.平面加工方案的制订

平面加工方案应根据被加工平面的精度、表面粗糙度要求以及零件的结构和尺寸、材料性能、热处理要求、生产批量等来选择（见表7-2），并应考虑如下几点：

表7-2　平面加工方案

1）非结合面，一般采用粗铣、粗刨或粗车。

2）结合面和重要结合面，选用粗铣—精铣或粗刨—精刨即可，精度要求较高的，需磨削或刮削；盘类零件的结合面，如各种法兰的端面，一般采用粗车—半精车—精车的加工方法。

3）精度较高的板块状零件，如定位用的平行垫铁等，常用粗铣（刨）—精铣（刨）—磨削的方法；量块等高精度的零件还需研磨。

4）韧性较大的非铁金属件，一般用粗铣—精铣或粗刨—精刨的方法。