螺纹的数控铣削加工

kelvin1987

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。
  _8 A, O0 u0 D1 f% m+ {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。
% c; [# M% F' q: r' p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
0 b5 M+ r- i/ e' R3 T$ ~ 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。
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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
6 F  w9 u$ Y5 s' L! ^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：Di=28.38mm；螺纹直径：Do=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。
5 P- G) Z7 i$ V: y3 c(1) 参数计算
主轴转速N为
+ E& U2 s( I6 W9 V  l% F" e4 X5 DN=1000V/(D2×p=1000×150/(19×3.14)=2512r/min
4 v# t. D0 r6 k; U$ J* e3 w6 ^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
F1=fz×N=0.1×1×2512=251.2mm/min
铣刀中心进给速度F2为
F2=F1(D0-D2)/D0=251.2×(30-19)/30=92.1mm/min
" x6 e" p5 a9 g+ C7 {设安全距离CL=0.5mm,切入圆弧半径Re为
- U: k+ x1 h) m+ {4 r; U0 Y9 x' cRe=[(Ri-CL)2+R02]/(2R0)=[(14.19-0.5)2+152]/(2×15)=13.747mm
切入圆弧角度b为
b=180°-arcsin[(Ri-CL)/Re]=180°-arcsin[(14.19-0.5)/13.747]=95.22°
7 C; G) z; }: A% m' G为便于计算， ! 可近似取值为90°。切入圆弧时的Z轴位移Za为
! D& _% h" y8 R9 J$ TZa=Pa/360°=1.5×90°/360°=0.375mm
切入圆弧起始点坐标为
2 y" p5 z5 }& o3 z. G) q! i' ? 2)螺纹铣削程序(Fanuc系统)
. `7 G* I$ d% J* T. R%
+ [7 |  I) n* GN10 G90 G00 G57 X0. Y0.
N20 G43 H10 Z0. M3 S2512
7 @  ?0 _" W2 b. F0 f. B& j' r5 {N30 G91 G00 X0. Y0. Z-20.375
0 A; V& F7 N+ f+ }0 O; Y) w" ZN40 G41 D60 X0. Y-13.690 Z0.
N50 G03 X15. Y13.69 Z0.375 R13.747 F92
0 U. H8 S9 k0 D) |' z6 [5 [0 TN60 G03 X0. Y0. Z1.5 I-15. J0.
0 @. ]6 K4 n0 H" mN70 G03 X-15. Y13.69 Z0.375 R13.747
) n0 p" B, ^5 p9 V  t) |7 y6 nN80 G00 G40 X0. Y-13.690 Z0.
N90 G49 G57 G00 Z200. M5
' x7 \) o* p% y/ O- LN100 M30
2 Q$ l7 L$ w+ L! l+ d& Q%
1 }7 V' d; ^- Y& P文章关键词： 螺纹、数控、铣削加工