摘 要：本文介绍了螺纹铣削加工的特点及方法，并通过举例分析说明深螺纹数控铣削的加工工艺及利用宏程序编程加工的方法。
关键词：螺纹铣削 数控加工工艺 宏程序
中图分类号：
The Analysis of Milling Thread with Macro Program
ZOU Jin Lan
(Guangdong College of Industry And Commerce, Guangzhou 510510,China)
Abstract: It is according to introduce the virtue about the CNC milling of thread,the method of milling thread,and discribe the planning analysis on the CNC milling of deep thread with macro program.
Key word: the cnc milling of thread the cnc process planning macro program
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，采用丝锥、板牙手工攻丝以及套扣。随着数控加工技术的发展，特别是三轴联动数控加工系统的出现，利用数控铣床进行螺纹的铣削得以实现。螺纹铣削是通过数控机床的三轴联动，利用螺纹铣刀进行螺旋插补铣削而形成螺纹，刀具在水平面上每作一周圆周运动，在垂直面内则直线移动一个螺距[1]。
螺纹铣削加工可以实现在不换刀的情况下，一次性完成螺纹的加工，包括底孔的钻削，螺纹的加工等；同一把螺纹铣刀能加工出螺距相同、直径不同的螺纹。因此，与传统的螺纹加工方法相比，螺纹铣削加工具有较大的优势：加工效率高，加工质量好，刀具通用性好，加工安全性好。对于一些特殊结构的螺纹，如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。本文介绍螺纹铣削的加工工艺过程、螺纹铣刀类型，最后介绍一个螺纹铣削的编程实例。
2 螺纹铣削加工的工艺过程
用螺纹钻铣刀铣削螺纹时的加工过程如图1所示，具体步骤为：第1步，螺纹钻铣刀快速运行至工件安全平面；第2步，螺纹钻铣刀钻孔至孔深尺寸；第3步，螺纹钻铣刀提升至螺纹深度尺寸；第4步，螺纹钻铣刀以圆弧切人螺纹起始点；第5步，螺纹钻铣刀绕螺纹轴线作X、Y方向的插补运动，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方向就上升一个螺距，刀具三轴联动运动轨迹为一螺旋线；第6步，螺纹钻铣刀以圆弧从起始点退刀；第7步，螺纹钻铣刀快速退至工件安全平面，准备加工下一孔。
图1 内螺纹铣削加工示意图
3 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2为左旋和右旋外螺纹的铣削运动示意图。
图2 外螺纹的铣削运动示意图 图3 螺纹铣刀的轨迹图
与一般轮廓的铣削运动一样，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3所示。
4 深螺纹铣削编程
4.1 深螺纹加工工艺分析
在钻削中，那些孔深大于3倍孔径的孔称为深孔。而深孔攻丝意味着攻丝深度大于丝锥直径的1.5倍以上。如当用一只直径为1/4″的丝锥加工深度为3/8″的螺纹时，这种情况通常称为深孔攻丝。
加工一个深孔螺纹，意味着刀具与工件之间需长时间的接触。同时，在加工过程中会产生更多的切削热和更大的切削力。因此深孔中进行攻丝容易产生刀具破损和螺纹的不一致性[2]。
为解决这个问题，可以采用两种方案：(1)增大攻丝前孔的直径；(2)使用专为深孔攻丝设计的丝锥。nextpage
1)增大攻丝前孔的直径
合适的螺纹底孔对于螺纹加工是十分重要的。一个尺寸稍大的螺纹底孔能有效降低攻丝过程中产生的切削热和切削力。但它也会减小螺纹的接触率。国家标准和技术委员会规定：在深孔中，允许在孔壁上只攻出螺纹全高的50%。这一点在对特殊材料和难加工材料的小孔攻丝时尤其重要。因为尽管由于孔壁上螺纹高度的减少导致螺纹接触率下降，但由于螺纹长度的增加，因此仍可保持螺纹可靠的连接。
螺纹底孔的直径增量主要取决于所要求的螺纹接触率和每单位长度的螺纹头数。根据上述两值，利用经验公式可计算出正确的螺纹底孔直径。
2)使用专为深孔攻丝设计的丝锥的切削参数
由于钛金属零件难于加工，因此需要对切削参数和刀具几何尺寸做充分考虑。
A、切削速度
由于钛合金具有大的弹性和变形率，因此需要采有相对较小的切削速度。在加工钛合金零件的小孔时，推荐采用的圆周切削速度为250~300mm/min。
B、容屑槽
在深孔攻丝时，需减少丝锥槽数，使每个槽的容屑空间增大。这样，当丝锥退刀时，可以带走更多的铁屑，减小由于铁屑堵塞而造成刀具破损的机会。但另一方面，丝锥容屑槽的加大使得芯部直径减小，因此，丝锥强度受到影响。所以这也会影响切削速度。另外，螺旋槽丝锥比直槽丝锥更易排屑。
C、前角和后角
小前角可提高切削刃强度，从而增加刀具寿命；而大前角有利于切削长切屑的金属。因此在对钛合金加工时，需综合考虑这两个方面的因素，选用合适的前角。
大后角可以减小刀具和切屑之间的摩擦。因此有时要求丝锥后角为40°。在加工钛金属时，在丝锥上磨出大的后角，有利于排屑。另外，全磨制丝锥和刃背铲磨的丝锥也有利于攻丝。
D、冷却液
当加工特殊材料时，必须保证切削液到达切削刃。为改进冷却液的流量，推荐在丝锥的刃背上开冷却槽。如果直径足够大的话，可考虑采用内冷却丝锥。
4.2 深螺纹加工实例
现结合M36×2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：45钢,调质；螺纹底孔直径：Di=33.84mm；螺纹直径：D0=36mm；螺纹长度L=25mm；螺距：P=2mm；整体圆柱螺纹铣刀直径：D2=14mm,切削刃长为34mm；铣削方式：顺铣。切削速度：50mm/min，每齿进给量f=0.1mm。
(1)参数计算
主轴转速N为
N=1000V/(D2×π)=1000×150/(14×3.14)=3412r/min
铣刀齿数Z=1，每齿进给量fz=0.1mm,铣刀切削刃处进给速度F1为
F1=fz×N=0.1×1×3412=341mm/min
铣刀中心进给速度F2为
F2=F1(D0-D2)/D0=341×(36-14)/30=250mm/min
设安全距离CL=0.5mm,切入圆弧半径Re为
Re=[(Ri-CL)2+R02]/(2R0)=[(16.92-0.5)2+182]/(2×18)=16.489mm
切入圆弧角度b为
b=180°-arcsin[(Ri-CL)/Re]=180°-arcsin[(16.92-0.5)/16.489]=95.24°
为便于计算，b可近似取值为90°。切入圆弧时的Z轴位移Za为
Za=Pa/360°=2×90°/360°=0.5mm
切入圆弧起始点坐标为
X=0
Y=-Ri+CL=-16.92+0.5=-16.42mm
Z=-(L+Za)=-(25+0.5)=-25.5mm
(2)螺纹铣削程序(Fanuc系统)
在螺纹切削加工时，可以采用变量编程。在螺纹加工时，螺纹的参数并不固定，采用变量编程，可以将螺纹的直径、螺距、螺纹长度等参数设为变量，不同的螺纹只要改变这些参数，就可以采用同一个程序加工不同的螺纹，可以减少编程时间，提高螺纹铣削的效率，因此，充分利用变量编程高效、经济和应用范围广的特点，将使螺纹铣削的应用更加的广泛[3]。
对于Fanuc系统，变量编程就是采用宏程序编程。以下程序是根据螺纹切削的参数编制的宏程序。在加工不同螺纹时，只需改变相应的参数值。
%
#1=16.92 螺纹底孔半径
#2=18 螺纹公称半径
#3=25 螺纹长度
#4=2 螺纹螺距
#5=14 螺纹铣刀直径
#6=150 切削速度
#7=1 螺纹铣刀齿数
#8=0.1 每齿进给量
#11=1000*#6/[#15*3.142] 主轴转速
#12=#7*#8*#11 铣刀切削刃处进给速度
#13=#12*[2*#2-#5]/[2*#2] 铣刀中心进给速度
#14=[[#1-#10]^2+[#2]^2]/[2*#2] 切入圆弧半径值
#15=#4*90/360 切入圆弧时Z轴位移
#21=0 切入圆弧起始点的X坐标
#22=-#1/2+#10 切入圆弧起始点的Y坐标
#23=-[#3+#15] 切入圆弧起始点的Z坐标
N10 G90 G00 G54 X0. Y0.
N20 G43 H10 Z0. M3 S#11
N30 G91 G00 X0. Y0. Z#23
N40 G41 D01 X#21 Y#22 Z0
N50 G03 X#2 Y-#22 Z#15 R#14 F#13 圆弧切入
N60 G03 X0. Y0. Z#4 I#2 J0. 螺纹切削
N70 G03 X-#2 Y-#22 Z#15 R#14 圆弧切出
N80 G00 G40 X0 Y#22 Z0.
N90 G49 G54 G90 G00 Z100. M5
N100 M30
%
5 结语
螺纹铣削的加工方法可以高效率高精度地完成各种规格的螺纹加工，比起传统的螺纹加工方式具有一定的优越性。螺纹铣削的编程可以变量编程，只需更改相应的参数，就可以利用同一个程序加工出参数不同的螺纹，应用范围广泛。
