螺纹的数控铣削加工

1、引言

　　传统的螺纹加工方法主要为采用螺纹车刀车削螺纹或采用丝锥、板牙手工攻丝及套扣。随着数控加工技术的发展，尤其是三轴联动数控加工系统的出现，使更先进的螺纹加工方式———螺纹的数控铣削得以实现。螺纹铣削加工与传统螺纹加工方式相比， 在加工精度、加工效率方面具有极大优势，且加工时不受螺纹结构和螺纹旋向的限制，如一把螺纹铣刀可加工多种不同旋向的内、外螺纹。对于不允许有过渡扣或退刀槽结构的螺纹，采用传统的车削方法或丝锥、板牙很难加工，但采用数控铣削却十分容易实现。此外，螺纹铣刀的耐用度是丝锥的十多倍甚至数十倍，而且在数控铣削螺纹过程中，对螺纹直径尺寸的调整极为方便，这是采用丝锥、板牙难以做到的。由于螺纹铣削加工的诸多优势， 目前发达国家的大批量螺纹生产已较广泛地采用了铣削工艺。

2、螺纹铣削加工实例

　　图1所示为M6标准内螺纹的铣削加工实例。工件材料：铝合金；刀具：硬质合金螺纹钻铣刀；螺纹深度：10mm；铣刀转速：2,000r/min；切削速度：314m/min； 钻削进给量：0.25mm/min；铣削进给量： 0.06mm/齿；加工时间：每孔1.8s。

　　图1所示加工工位流程为：①位，螺纹钻铣刀快速运行至工件安全平面；②位，螺纹钻铣刀钻削至孔深尺寸；③位，螺纹钻铣刀快速提升到螺纹深度尺寸；④位，螺纹钻铣刀以圆弧切入螺纹起始点；⑤位，螺纹钻铣刀绕螺纹轴线作X、Y方向插补运动，同时作平行于轴线的+Z方向运动，即每绕螺纹轴线运行360°，沿+Z方向上升一个螺距，三轴联动运行轨迹为一螺旋线；⑥位，螺纹钻铣刀以圆弧从起始点(也是结束点)退刀；⑦位，螺纹钻铣刀快速退至工件安全平面，准备加工下一孔。该加工过程包括了钻孔、 倒角、内螺纹铣削和螺纹清根槽铣削，采用一把刀具一次完成，加工效率极高。

3、螺纹铣刀主要类型

　　在螺纹铣削加工中，三轴联动数控机床和螺纹铣削刀具是必备的两要素。以下介绍几种常见的螺纹铣刀类型：

（1）圆柱螺纹铣刀

　　圆柱螺纹铣刀的外形很像是圆柱立铣刀与螺纹丝锥的结合体(见图2上，图2下为锥管螺纹铣刀)，但它的螺纹切削刃与丝锥不同，刀具上无螺旋升程，加工中的螺旋升程靠机床运动实现。由于这种特殊结构，使该刀具既可加工右旋螺纹，也可加工左旋螺纹，但不适用于较大螺距螺纹的加工。

　　常用的圆柱螺纹铣刀可分为粗牙螺纹和细牙螺纹两种。出于对加工效率和耐用度的考虑，螺纹铣刀大都采用硬质合金材料制造，并可涂覆各种涂层以适应特殊材料的加工需要。圆柱螺纹铣刀适用于钢、铸铁和有色金属材料的中小直径螺纹铣削，切削平稳，耐用度高。缺点是刀具制造成本较高，结构复杂，价格昂贵。

（2）机夹螺纹铣刀及刀片

图3

　　机夹螺纹铣刀适用于较大直径(如D>25mm)的螺纹加工。其特点是刀片易于制造，价格较低，有的螺纹刀片可双面切削，但抗冲击性能较整体螺纹铣刀稍差。因此，该刀具常推荐用于加工铝合金材料。图3 所示为两种机夹螺纹铣刀及刀片。图3a为机夹单刃螺纹铣刀及三角双面刀片，图 3b为机夹双刃螺纹铣刀及矩形双面刀片。

（3）组合式多工位专用螺纹镗铣刀

　　组合式多工位专用螺纹镗铣刀的特点是一刀多刃， 一次完成多工位加工，可节省换刀等辅助时间，显著提高生产率。图4所示为组合式多工位专用螺纹镗铣刀加工实例。工件需加工内螺纹、倒角和平台d4。若采用单工位自动换刀方式加工，单件加工用时约30s。而采用组合式多工位专用螺纹镗铣刀加工，单件加工用时仅约5s。

4、螺纹铣削轨迹

螺纹铣削运动轨迹为一螺旋线，可通过数控机床的三轴联动来实现。图5为左旋和右旋外螺纹的铣削运动示意图。

与一般轮廓的数控铣削一样，螺纹铣削开始进刀时也可采用1/4圆弧切入或直线切入。铣削时应尽量选用刀片宽度大于被加工螺纹长度的铣刀，这样， 铣刀只需旋转360°即可完成螺纹加工。螺纹铣刀的轨迹分析如图6所示。

5、螺纹铣削编程

　　现结合M30×1.5右旋内螺纹铣削加工实例说明螺纹铣削的编程方法。工件材料：42CrMo4；螺纹底孔直径：D_i=28.38mm；螺纹直径：D_o=30mm；螺纹长度L=20mm；螺距：P=1.5mm；机夹螺纹铣刀直径：D₂=19mm；铣削方式：顺铣。

(1) 参数计算

主轴转速N为

N=1000V/(D₂×p=1000×150/(19×3.14)=2512r/min

铣刀齿数Z=1，每齿进给量f=0.1mm，铣刀切削刃处进给速度F₁为

R_e=[(R_i-C_L)²+R₀²]/(2R₀)=[(14.19-0.5)²+15²]/(2×15)=13.747mm

切入圆弧角度b为

b=180°-arcsin[(R_i-C_L)/R_e]=180°-arcsin[(14.19-0.5)/13.747]=95.22°

为便于计算，可近似取值为90°。切入圆弧时的Z轴位移Z_α为

Z_α=P_α/360°=1.5×90°/360°=0.375mm

切入圆弧起始点坐标为

(2)螺纹铣削程序(Fanuc系统)

%
N10 G90 G00 G57 X0. Y0.
N20 G43 H10 Z0. M3 S2512
N30 G91 G00 X0. Y0. Z-20.375
N40 G41 D60 X0. Y-13.690 Z0.
N50 G03 X15. Y13.69 Z0.375 R13.747 F92
N60 G03 X0. Y0. Z1.5 I-15. J0.
N70 G03 X-15. Y13.69 Z0.375 R13.747
N80 G00 G40 X0. Y-13.690 Z0.
N90 G49 G57 G00 Z200. M5
N100 M30
%