螺紋的數(shù)控銑削加工

1、引言 

　  傳統(tǒng)的螺紋加工方法主要為采用螺紋車刀車削螺紋或采用絲錐、板牙手工攻絲及套扣。隨著數(shù)控加工技術的發(fā)展，尤其是三軸聯(lián)動數(shù)控加工系統(tǒng)的出現(xiàn)，使更先進的螺紋加工方式———螺紋的數(shù)控銑削得以實現(xiàn)。螺紋銑削加工與傳統(tǒng)螺紋加工方式相比， 在加工精度、加工效率方面具有極大優(yōu)勢，且加工時不受螺紋結構和螺紋旋向的限制，如一把螺紋銑刀可加工多種不同旋向的內(nèi)、外螺紋。對于不允許有過渡扣或退刀槽結構的螺紋，采用傳統(tǒng)的車削方法或絲錐、板牙很難加工，但采用數(shù)控銑削卻十分容易實現(xiàn)。此外，螺紋銑刀的耐用度是絲錐的十多倍甚至數(shù)十倍，而且在數(shù)控銑削螺紋過程中，對螺紋直徑尺寸的調(diào)整極為方便，這是采用絲錐、板牙難以做到的。由于螺紋銑削加工的諸多優(yōu)勢， 目前發(fā)達國家的大批量螺紋生產(chǎn)已較廣泛地采用了銑削工藝。 

2、螺紋銑削加工實例

  　圖1所示為M6標準內(nèi)螺紋的銑削加工實例。工件材料：鋁合金；刀具：硬質(zhì)合金螺紋鉆銑刀；螺紋深度：10mm；銑刀轉(zhuǎn)速：2,000r/min；切削速度：314m/min； 鉆削進給量：0.25mm/min；銑削進給量： 0.06mm/齒；加工時間：每孔1.8s。 

    圖1所示加工工位流程為：①位，螺紋鉆銑刀快速運行至工件安全平面；②位，螺紋鉆銑刀鉆削至孔深尺寸；③位，螺紋鉆銑刀快速提升到螺紋深度尺寸；④位，螺紋鉆銑刀以圓弧切入螺紋起始點；⑤位，螺紋鉆銑刀繞螺紋軸線作X、Y方向插補運動，同時作平行于軸線的+Z方向運動，即每繞螺紋軸線運行360°，沿+Z方向上升一個螺距，三軸聯(lián)動運行軌跡為一螺旋線；⑥位，螺紋鉆銑刀以圓弧從起始點(也是結束點)退刀；⑦位，螺紋鉆銑刀快速退至工件安全平面，準備加工下一孔。該加工過程包括了鉆孔、 倒角、內(nèi)螺紋銑削和螺紋清根槽銑削，采用一把刀具一次完成，加工效率極高。 

3、螺紋銑刀主要類型

    在螺紋銑削加工中，三軸聯(lián)動數(shù)控機床和螺紋銑削刀具是必備的兩要素。以下介紹幾種常見的螺紋銑刀類型：

（1）圓柱螺紋銑刀 

    圓柱螺紋銑刀的外形很像是圓柱立銑刀與螺紋絲錐的結合體(見圖2上，圖2下為錐管螺紋銑刀)，但它的螺紋切削刃與絲錐不同，刀具上無螺旋升程，加工中的螺旋升程靠機床運動實現(xiàn)。由于這種特殊結構，使該刀具既可加工右旋螺紋，也可加工左旋螺紋，但不適用于較大螺距螺紋的加工。 

    常用的圓柱螺紋銑刀可分為粗牙螺紋和細牙螺紋兩種。出于對加工效率和耐用度的考慮，螺紋銑刀大都采用硬質(zhì)合金材料制造，并可涂覆各種涂層以適應特殊材料的加工需要。圓柱螺紋銑刀適用于鋼、鑄鐵和有色金屬材料的中小直徑螺紋銑削，切削平穩(wěn)，耐用度高。缺點是刀具制造成本較高，結構復雜，價格昂貴。

（2）機夾螺紋銑刀及刀片 

    機夾螺紋銑刀適用于較大直徑(如D>25mm)的螺紋加工。其特點是刀片易于制造，價格較低，有的螺紋刀片可雙面切削，但抗沖擊性能較整體螺紋銑刀稍差。因此，該刀具常推薦用于加工鋁合金材料。圖3 所示為兩種機夾螺紋銑刀及刀片。圖3a為機夾單刃螺紋銑刀及三角雙面刀片，圖 3b為機夾雙刃螺紋銑刀及矩形雙面刀片。

（3）組合式多工位專用螺紋鏜銑刀 

    組合式多工位專用螺紋鏜銑刀的特點是一刀多刃， 一次完成多工位加工，可節(jié)省換刀等輔助時間，顯著提高生產(chǎn)率。圖4所示為組合式多工位專用螺紋鏜銑刀加工實例。工件需加工內(nèi)螺紋、倒角和平臺d4。若采用單工位自動換刀方式加工，單件加工用時約30s。而采用組合式多工位專用螺紋鏜銑刀加工，單件加工用時僅約5s。

4、螺紋銑削軌跡

    螺紋銑削運動軌跡為一螺旋線，可通過數(shù)控機床的三軸聯(lián)動來實現(xiàn)。圖5為左旋和右旋外螺紋的銑削運動示意圖。 

與一般輪廓的數(shù)控銑削一樣，螺紋銑削開始進刀時也可采用1/4圓弧切入或直線切入。銑削時應盡量選用刀片寬度大于被加工螺紋長度的銑刀，這樣， 銑刀只需旋轉(zhuǎn)360°即可完成螺紋加工。螺紋銑刀的軌跡分析如圖6所示。 

5、螺紋銑削編程

   現(xiàn)結合M30×1.5右旋內(nèi)螺紋銑削加工實例說明螺紋銑削的編程方法。工件材料：42CrMo4；螺紋底孔直徑：D_i=28.38mm；螺紋直徑：D_o=30mm；螺紋長度L=20mm；螺距：P=1.5mm；機夾螺紋銑刀直徑：D₂=19mm；銑削方式：順銑。

(1) 參數(shù)計算 

主軸轉(zhuǎn)速N為

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

銑刀齒數(shù)Z=1，每齒進給量f=0.1mm，銑刀切削刃處進給速度F₁為

F₁=f_z×N=0.1×1×2512=251.2mm/min

銑刀中心進給速度F₂為 F₂=F₁(D₀-D₂)/D₀=251.2×(30-19)/30=92.1mm/min 設安全距離C_L=0.5mm,切入圓弧半徑R_e為 R_e=[(R_i-C_L)²+R₀²]/(2R₀)=[(14.19-0.5)²+15²]/(2×15)=13.747mm 

切入圓弧角度b為 b=180°-arcsin[(R_i-C_L)/R_e]=180°-arcsin[(14.19-0.5)/13.747]=95.22° 

為便于計算，可近似取值為90°。切入圓弧時的Z軸位移Z_α為 Z_α=P_α/360°=1.5×90°/360°=0.375mm 

切入圓弧起始點坐標為

(2)螺紋銑削程序(Fanuc系統(tǒng)) 

%

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

%