第二节　铣削原理及其工艺

一、数字化玉雕铣削基本含义

所谓铣削，就是在数字化玉雕铣床上以铣刀旋转做主运动，玉雕件或铣刀移动做进给运动的切削加工，切除毛坯件上的多余玉石层。铣削是一种用刀具进行的铣削加工，这种刀具叫做铣刀。铣刀是一种刀具，它具有一些齿，每一个齿就是一把最简单的铣削刀。根据铣刀齿对待加工面的安放位置，铣削分为水平铣削和垂直铣削。

在铣削过程中，我们可以观察到许多现象。例如在铣刀的作用下，玉雕件发生弹性变形和塑性变形，在切屑形成过程中，产生摩擦力和热。这些现象，对玉雕件的加工精度和表面光洁度以及数字化玉雕机、刀具、夹具的使用寿命都有重大影响。

二、数字化玉雕铣削工艺原理

铣刀绕着本身的轴线做旋转运动，而毛坯做前进运动。前进运动平行于铣刀的水平轴，或者垂直于铣刀的垂直轴。铣刀的旋转轴运动叫做主要运动，而毛坯的前进运动叫做辅助运动。这两种运动都在数字化玉雕机上完成。主要运动（就是铣刀的旋转）用数字化玉雕机主轴的每分钟转速来确定，并且用切削速度表示；而辅助运动是用数字化玉雕机工作台带着固定在上面的毛坯对于铣刀的每分钟转动量来表示的，并且把它叫做进给量。

（一）切削运动

切削过程中，刀具与玉雕件间的相对运动叫切削运动。切削运动又分主运动和进给运动。

主运动是从玉石件上把切屑切下来所必需的基本运动，是消耗数字化玉雕机主要动力的运动。数字化玉雕机主轴（或铣刀）的旋转运动就是主运动。

进给运动是使玉雕件上新的玉石层继续投入切削的运动。铣削时工作台（即玉雕件）的移动就是进给运动。

（二）辅助运动

辅助运动是为了实现数字化玉雕机床的辅助工作而必须进行的运动。铣削前工作台快速接近玉雕件的运动，切削完毕后工作台又快速退回的运动、铣齿轮时的分度运动等均属辅助运动。铣刀与玉雕件相对运动时，要形成如下三种表面。

（1）待加工表面。指玉雕件上即将切去切屑的表面。

（2）已加工表面。指玉雕件上已经切去切屑的表面。

（3）切削表面。指已加工表面与待加工表面之间的过渡表面。

（三）铣削方式

在切削运动中，因为主运动和进给运动的配合形式不同，所以铣削方式也不同，分为逆铣和顺铣两种。

用逆铣和顺铣这两种方式分别进行切削时，其切屑的截面变化是不同的，因而铣削力以及其他因素对加工质量的影响也是不同的，在铣削时应根据具体情况区别运用。

1.逆铣

逆铣时铣刀的旋转方向与工作台进给方向相反。刀齿切下的切屑由薄逐渐变厚，铣削力由小到大。

2.顺铣

顺铣时，铣刀的旋转方向与工作台进给方向相同，刀齿切下的切屑由厚逐渐变薄，铣削力由大到小，作用在工作台上的力与工作台前进方向一致。这样，工作台由于受间距影响，将出现爬行（即工作台突然前进，突然停止），造成啃刀，同时使铣刀轴和数字化玉雕机床传动机构受到冲击，引起刀齿折断，刀杆弯曲。顺铣的优点如下。

（1）由于刀齿切下的切屑是由厚逐渐变薄，使刀刃一开始就切入玉雕件，没有逆铣时所产生的滑移现象，避免了摩擦热和已加工表面被划伤的现象，提高了被加工玉雕件表面光洁度和延长了铣刀的寿命。

（2）铣刀对工作台作用力的垂直分力方向与逆铣相反，使切削力总是压在玉雕件上，不易产生振动，因此，铣削时平稳。

（3）没有因强烈摩擦而造成的硬化层，所以刀齿容易切入玉雕件。

（4）铣削过程中切削力的方向与工作台进给方向相同，节省动力。

通过上述分析可以看出，顺铣优点较多，应广泛采用。精铣时，由于铣削力很小，最好采用顺铣方式，有利于提高玉雕件表面光洁度。

（四）铣削过程

铣削过程是玉石受到挤压发生塑性变形的过程。切屑是在刀具的挤压作用下切下来的。因此，切屑的形成过程与玉石受挤压后的变形过程相同，而变形的程度与玉雕件材料和切削条件有关。

铣削塑性材料时，不同的铣削条件，其切屑的形成也不相同。切屑常有以下几种。

（1）粒状切屑。其塑性变形极为充分，沿挤裂面充分破裂，而使切屑形成粒状。

（2）挤裂切屑。其塑性变形较为充分，挤裂面不充分破裂，则切屑是未完全破裂。

（3）针状切屑。其塑性变形不充分，连绵不断的切屑。其靠近前刀面的一边很光滑，而另一边被挤成“毛茸状”。

一般说来，在切削塑性较大的玉石材料时，刀具采用较大的前角，锋利的刃口和较高的切削速度，使刀刃很快地切入玉雕件，使切屑还没有达到玉石材料的破裂程度时，就被切下来。这样切下的切屑没有经过挤裂阶段。

产生针状切屑时，切削过程比较平稳，切削力变动小，玉雕件表面已被加工得光洁度较高。

（五）铣削的力

铣削时，被加工玉雕件产生一个阻力，作用在刀具上，并竭力阻止刀具进行铣削，这个力叫做铣削力。铣削过程就是铣刀在力的作用下把玉石表层切去的过程。在这个过程中应尽量减少铣削力对铣削的影响。

铣削力的产生:铣削力主要是铣刀在切削玉石时，玉石发生弹性变形和塑性变形、刀具后面与已加工表面发生摩擦、切屑在刀具前面流过时的摩擦等产生的。数字化玉雕机的动力大部分消耗在这些变形和摩擦中。

三、影响数字化玉雕铣削效率因素

（一）铣削刀具

合理地选择铣刀材料是发挥铣刀的切削性能、提高铣削效率的关键。所以必须切实掌握各种铣刀材料的性能，根据被铣削玉雕件的材料的性能，合理使用铣刀。

切削刀具的材料，必须具备如下三种基本性能。

（1）冷硬性。指刀具材料在常温时具有的硬度。冷硬性也可以理解为耐磨性。

（2）热硬性。指刀具材料在切削中产生高温的情况下，仍能保持切削所需要的硬度，就是说要有很高的耐热性，这种性能也叫红硬性。

（3）坚韧性。指刀具材料在各种形式的切削过程中，能够承受振动和冲击的能力。

（二）玉件材料

切削强度大的玉料时的切削力要大于切削强度小的玉料时的切削力。切削强度大的玉料时，玉料变形也大，所以刀具上的摩擦也随之增大。玉雕件材料的硬度、强度大，铣削中的切削热、切削力就会增加，刀具磨损会加快，铣刀耐用度会降低。但是在切削玉雕件毛坯时，因为毛坯表面带有较硬的氧化皮或杂质、砂粒等，所以也会加快铣刀的磨损。

（三）铣削用量

在铣削过程中，除了要正确地选择刀具角度外，合理地选择铣削用量也是提高铣削效率的重要因素。

1.选择铣削用量的步骤

能够根据不同的玉雕件材料、毛坯种类、加工精度与表面光洁度，以及数字化玉雕机、刀具、夹具等，选择出比较合理的铣削用量，是保证铣削生产效率和加工质量的重要前提。所谓铣削用量是指铣削深度、走刀量和切削速度。

在以上所述三要素之中，应首先考虑增大铣削深度，其次是增大走刀量，最后再考虑增大切削速度。因为这三要素对刀具耐用度的影响是不同的，其中铣削深度的影响最小，而切削速度的影响最大。

实践证明切削速度增加15%，刀具耐用度就要降低50%，而切削速度增加100%，刀具耐用度仅为原耐用度的3%，可见切削速度对刀具耐用度的影响是很大的。增加切削速度从表面上来看是切削加快，实际上是耐用度下降，刀具磨损加快，反而增加了换刀、刃磨等辅助时间。因此，从保持刀具耐用度的前提出发，应该把影响耐用度最小的铣削深度选择得大些，最后再考虑增大切削速度。(www.daowen.com)

2.铣削速度的选择

从上面论述中可看出，在铣削三要素中，铣削速度对刀具耐用度影响最大。使用高速钢铣刀，选用低的切削速度时，虽然可以延长铣刀的耐用时间，但玉雕件表面光洁度会降低，铣削力也将增加，因此，只适用于粗铣加工。一般的选择原则是粗铣时选较低速度，半精铣时选中等速度，精铣时选较高速度。使用顺铣时，可选较高的铣削速度。

3.进给量的选择

铣削时进给量的大小，受多方面因素的影响。粗铣时，为了提高生产效率，进给量可选大些。精铣时，为了提高表面光洁度，应适当减少进给量。进给量的大小是随着铣削速度的变化而变化的，在保证同一光洁度的条件下，铣削速度高时进给量可取大些，铣削速度低时，进给量就要取小些。在铣刀前角为零度时，由于刀齿切入玉雕件前出现滑移，产生热量较大，因此进给量要选小些；铣刀前角增大，进给量可适当增大。使用小孔径铣刀时，为避免刀杆弯曲，进给量要选小些。使用粗刀杆时，可以适当增大进给量。

4.铣削深度的选择

铣削深度是选择铣削用量时优先考虑的问题，但也不是一成不变的，应根据玉雕件材料、加工余量和铣刀耐用度等因素灵活选取。

加工余量较大的玉雕件时，可分几次铣削，即粗铣、半精铣、精铣。粗铣时因加工余量较大，为减少吃刀次数，可以把铣削深度选大些；精铣时加工余量较小，必须适当地减小吃刀深度，增加铣削速度。

同时铣削深度直接影响着铣切所需动力，铣削深度大，所需的动力就大。在进刀速度不变而铣削深度增加时，铣刀每齿的接触长度随之增加，摩擦热也随之增加，从而影响铣刀的使用寿命。

铣削用量的选择原则，概括起来应为:粗铣时，应首先考虑铣削深度，其次考虑进给量，最后适当考虑铣削速度；精铣时，则应首先考虑铣削速度，其次考虑进给量，而铣削深度则根据玉雕件尺寸选定。

（四）产生的热量

切削热的存在主要是由切削力所引起的，有切削力，就必定会有切削热。

切削热对刀具耐用度有很大影响，在热量超过一定限度时，刀具切削刃就开始软化，甚至会失去其切削性能，使刀具很快磨损，所以切削热对刀具来说是极为不利的。

切削热的来源主要是机械能转化为热能，转化的途径是摩擦。切削热来源于以下几个方面。

（1）刀具与玉石之间的摩擦产生的热。

（2）切屑与前刀面的摩擦产生的热。切削塑性材料时，前刀面的摩擦占很重要的比例。

（3）刀具后面与玉雕件的摩擦产生的热。在铣削脆性材料与高硬度材料时，这是个主要的热源。

上面所述三个热源产生热量的比例，在不同玉石材料的玉雕件和切削条件上也不相同，对塑性玉石材料来说第（1）、（2）两项热源占主要比例；对脆性玉石材料来说第（3）项热源占主要比例；在高速切削时，第（2）、（3）两项热源所占的比例又有所增加。

切削过程中产生的热量有三个传出途径。

（1）切屑带走的热量占70%～80%。

（2）刀具传出的热量占15%～20%。

（3）周围介质（玉雕件、空气等）传出的热量占5%～10%。

这三个渠道传出的热量比例随着玉雕件材料、切削条件的改变而改变，如切削速度提高时，切屑带走的热量增加，而使用强力冷却时，周围介质传出的热量增加。

（五）铣削角度

一把铣刀单靠材料好是不够的，还必须具备合理的几何角度，几何角度是决定铣削效率的一个重要因素。

1.铣刀的几何角度

铣刀是一种多齿刀具，刀齿形状比较复杂。但铣刀刀齿的几何形状与其他刀具（车刀、刨刀等）具有相同的规律。

2.铣刀几何角度的选择

选择铣刀的几何角度是一项相当重要的工作。在铣削加工中，铣刀角度选择的合理与否，会直接影响到铣刀的使用寿命，影响到玉雕件的加工质量和铣削生产效率。

（六）铣刀磨损

正确掌握铣刀的摩损程度，及时刃磨，才能延长铣刀的使用寿命，进而提高生产效率和产品质量。

1.铣刀的磨损

铣刀磨损过程大致分为三个阶段。

（1）初磨阶段。这一阶段铣刀磨损很快。因为铣刀经刃磨后，前刀面和后刀面磨损相交的切削刃非常尖锐，且摩擦表面高低不平而使铣刀磨损速度加快。

（2）正常磨损阶段。当尖锐的切削刃和摩擦表面突出的各点被磨平后，就使得磨损速度变得缓慢，磨损情况就稳定了。

（3）急剧磨损阶段。当刀齿的磨损痕迹超过一定磨损值时，刀刃变钝，摩擦会急剧上升，硬度下降，磨损速度就急剧加快。

2.磨损的原因

（1）机械作用磨损。铣刀在切削时，刀尖和靠近刀尖的部位受到切屑流动时所产生的压力和摩擦力的影响，使刀尖和前刀面受到磨损。而已加工表面与刀尖和后刀面发生摩擦，将使刀尖和后刀面磨损。所以铣削时磨损部分是刀尖、前刀面和后刀面，其中以后刀面的磨损最为严重。

（2）热磨损。切削时产生了大量的摩擦热，使刀尖局部温度攀升，在这样的高温下，刀尖部分金属组织变软，硬度下降，因此，刀刃会很快磨损掉。

3.铣刀耐用度

铣刀在两次重磨之间的使用时间叫做铣刀的耐用度。影响铣刀耐用度的主要原因有两个:对于高速钢铣刀来说是切削温度，在使用高速钢铣刀时，应尽量控制切削温度，使它不超过耐热温度，对于硬质合金铣刀来说，切削温度低反而容易崩刀，高温切削比低温好。因为切削温度主要是由于切削力引起的。而切削力的大小是由玉雕件和铣刀材料的性能、刀具的几何形状以及铣削中所采用的切削用量和冷却润滑液等因素决定的。因此，要提高铣刀的耐用度就必须从减少切削力入手。下面讨论影响切削力、切削热和铣刀耐用度的因素。

（1）玉雕件材料。玉雕件材料的硬度、强度大，铣削中的切削热、切削力就会增加，刀具磨损会加快，铣刀耐用度会降低。

（2）刀具材料。刀具材料对刀具磨损的影响，主要决定于刀具材料的红硬性能和耐磨性能。

（3）铣刀的几何形状。除刀具材料和玉雕件材料外，铣刀的几何形状对铣削力的影响力也很大。

（4）切削用量。切削三要素（即切削速度、走刀量、切削深度）对铣刀耐用度也有很大影响。切削速度增加后，由于摩擦和切屑变形产生的热量增加，切削温度也随之增加。

另外，切削速度增加后，使切削热来不及扩散，铣刀前刀面的温度会显著增加，降低了铣刀的耐磨性，使铣刀耐用度降低。

铣刀每齿的走刀量增加后，其切削面积要增加，切削力、切削热也都要随之增加，因而加快了铣刀的机械磨损和热磨损，使铣刀耐用度降低。

在铣切过程中，增加铣削深度时，也要使切削面积增加，切削力、切削热随之增加，使铣刀磨损加快，降低铣刀耐用度。

在铣削三要素中，铣削速度对铣刀耐用度影响最大，其次是进给量，铣削深度影响最小。

对于铣刀来说，因为切削深度增加以后，主刀刃参加切削的长度增加，散热情况得到了改善，所以对铣刀的耐用度影响不大。

（七）铣削的溶液

克服铣削热的产生，除了采用合理的刀具、选用合理的铣削用量以减少铣削力外，主要是采用冷却润滑液来降低铣削温度和减少摩擦。

冷却润滑液的主要作用是:可使铣削热直接被冷却液带走，降低刀具磨损，减少玉雕件热膨胀，以保证玉雕件的加工精度；减少积屑瘤的产生，延长刀具使用寿命，提高加工表面光洁度；冷却润滑液渗入各摩擦表面之间后，形成吸附膜，减少外摩擦；此外，润滑液还能渗入玉雕件表面的微孔中，减少玉石和刀具之间的摩擦力，降低内摩擦，以利于铣削。