主偏角Kr(又称切入角enteringangle)是刀具的重要参数,是切削刃与进给方向的夹角,这个参数很大程度上会影响切屑的卷曲形式,并决定切削力的方向。
下图为常用的90度主偏角铣刀的切削示意图,这种刀具主切削刃为侧刃,用于加工侧壁与底面相垂直的面,故也称方肩铣刀。刀片的形状有不同的设计,包括长条的双刃刀片,也有大致为三角形的三刃设计,也有图示四边形的四刃设计。其加工时的特点是切削力的方向集中在径向,也就是与刀轴垂直的方向,轴线的切削力比较小,会对刀具产生比较大的弯矩,因而多用于短悬伸的一个用场景。刀片也可以做成双面设计,这样可用的刃口数量加倍,总体来说,长条的双刃口刀片有效切深会比较大,4刃的刀片的有效切深更小一些,同时4刃刀片的径向尺寸占比比较大,对应的刀杆的最小直径也会偏小一些,坡走能力也普遍比较差甚至没有。
另外,图示红色加亮部分为切屑的横截面形状,呈矩形状态,切屑厚度刚好与刀具的每齿进给量一致。切屑厚度是刀片刃口设计的重要的参考因素,每一种刀片在设计时都有一个可承受的最大的切屑厚度值,应用中根据这个值来倒推每齿进给量。
90度主偏角,方肩铣刀
通用面铣刀的主偏角通常为45度或者60度,如下图所示,其切削刃的方向与水平方向呈45度夹角,切削力的方向垂直与切削刃,可以简单认为轴向和径向的切削力相当,是一种比较均衡的设计。不适合刀具悬伸过长,也不适合工件厚度不足或者轴向支撑不足的工况。
这种加工的过程中产生的切屑截面呈平行四边形,实际的切屑厚度比每齿进给量小,具体计算时hex=fz*sinKr,45度主偏角产生的切屑厚度是每齿进给量的71%,也意味着相比于90度主偏角铣刀,这款面铣刀的每齿进给量可以增加40%,来实现相同的切屑厚度hex。
45度主偏角,通用面铣刀
下图是一种10度主偏角的铣刀设计,这种刀具通常也称为高进给面铣刀,其切削刃在端部,切记不可使侧刃参与切削,否则刀具极容易被损毁。由于切削力的方向垂直于切削刃,所以切削力主要是超轴向的,径向分力比较小,这也就使得这种小主偏角的铣刀可以稳定地工作在刀具长悬伸的工况下不会震刀,加工时主轴声音很沉闷,这也是由轴向力引起的。
10度的主偏角产生的切屑厚度值只有每吃进给量的17%,这也就意味着用这种刀具进行免息的时候可以采用6倍的进给率,很高的进给,这也就是为什么这种刀具通常也被称作高进给铣刀了,小主偏角产生薄屑效应,带来高进给的可能性。实际加工的时候这种刀具的轴向切深能力比较弱,都是小切深,不过可以依靠高速度和高进给来弥补加工效率的损失。
10度主偏角,高进给铣刀
总结:以上简单介绍了铣刀主偏角的含义,带来的影响,以及在实际加工中的应用技巧。刀具制造商依据这样的基本原理开发出了多种不同理念的铣刀,结合优化的材质和槽型设计,为用户提供了丰富的选择。