數控銑螺紋及其在航空發動機上的應用

俸躍偉 燕 凱 于 洋

(沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司，遼寧 沈陽110043)

航空發動機上有很多零件需要通過螺樁連接，航空發動機上的油管與主體零件的連接基本都是通過螺樁固定，因此很多零件需要加工螺紋孔。尤其是機匣類零件，作為整個發動機的骨架，需要連接各種油路和安裝各種傳感器，都需要通過螺釘連接。航空發動機上的螺紋孔對位置度和對相應端面的垂直度都有較高的要求，傳統的螺紋加工方法，是用帶后引導的專用絲錐，借助攻絲模板等專用鉆具，將模具放在零件表面上，絲錐由模具導套引導通過手工攻絲完成。傳統的手工攻絲具有很多弊端:

(1)底孔孔口倒角不好。加工螺紋的底孔一般需要孔口倒角，由于是手工攻絲，一般孔口倒角也由手工完成，因此倒角的一致性很難保證，而且倒角不光滑、不完整，經常會出現倒角缺口。

(2)螺紋的垂直度很難保證。由于是手工攻螺紋，即使螺紋底孔本身的垂直度很好，在手工攻螺紋時也會受操作者的技術水平等因素的限制，很難保證螺紋與相應表面的垂直度，尤其是在空間斜面上攻螺紋時，螺紋與斜面的垂直度就更難保證。

(3)斷屑難且容易斷錐。手工攻螺紋的絲錐排屑槽很小，因此攻螺紋時鉸杠每轉動1/2～1圈就應該倒轉1/2圈，使切屑碎斷后容易排出，加工效率很低;即使這樣還會經常出現斷錐的現象，如果絲錐斷裂在零件內部，不僅取出困難，還嚴重影響零件的表面質量甚至造成零件報廢。

(4)其他如絲錐折斷、螺紋亂扣、螺紋喇叭、螺紋垂直度超差、螺紋中徑超差等各種問題，操作者的技術水平更是影響螺紋加工質量的重要因素。

隨著航空發動機的不斷發展，發動機的性能不斷地提高，對零件的加工精度和表面質量的要求也越來越高，尤其是當今對零部件疲勞壽命的關注，傳統手工攻絲帶來的孔口倒角缺陷和螺紋垂直度不好等因素，都很難滿足先進航空發動機性能和壽命的要求。

近年來，隨著數控加工技術的快速發展，尤其是多軸聯動數控加工系統的應用，使更加先進的螺紋加工方式——螺紋的數控銑削加工得以實現。尤其是四軸以上的多軸聯動的數控機床和數控系統的使用，使航空發動機上復雜空間型面上的螺紋數控銑削也能方便地加工。螺紋銑削的螺距精度一般能達到8～9級，表面粗糙度可達Ra0.5～0.63μm，可以滿足航空發動機對螺紋尺寸和形位精度的要求，尤其是銑削螺紋的垂直度基本與螺紋底孔一致，能夠比較好地滿足裝配性能。

1 螺紋銑加工原理及特點

1.1 螺紋銑加工原理

螺紋銑是基于先進數控機床具有多軸聯動功能下的先進的螺紋加工工藝，通過主軸高速旋轉并做圓弧插補和軸向插補結合的方式加工螺紋。螺紋銑刀周向進給和軸向進給同時進行，在螺紋銑削過程中刀具周向運動產生螺紋直徑，同步的軸向運動產生螺距，如圖1所示。

在螺紋銑削的整個運動過程中，為方便計算，螺紋銑削的進退刀一般采用1/2、1/4或1/8圓弧切入和切出(外螺紋可采用直線進退刀)，銑削時應一般選用銑刀長度大于被加工螺紋長度的銑刀，這樣螺紋銑刀在切入工件后只需旋轉360°即可完成螺紋加工。在此采用1/8圓弧切入切出的進退刀方式進行說明。銑削內螺紋的徑向補償加工過程如圖2所示，刀具首先運動到孔中心0位置，軌跡1運動到進刀位置，軌跡2切入工件并沿刀軸運動1/8螺距，軌跡3整圓插補并軸向運動一個螺距即可切制螺紋，軌跡4退刀切出并軸向運動1/8螺距，軌跡5退回孔中心。

1.2 螺紋銑加工特點

螺紋銑削作為一種先進的螺紋加工工藝，與傳統的攻絲加工工藝相比，具有很多的特點和優勢。

(1)用銑削加工出來的螺紋表面質量好。攻絲是在螺紋底孔上用絲錐通過一次或幾次擠壓把螺紋加工到位，螺紋表面質量差，通過剖開一個攻絲而成的螺紋孔并放在放大鏡下觀察結果，螺紋孔顯得有飛邊。而銑螺紋是通過數控機床的多軸聯動插補加工而成，加工時可以根據實際加工情況調整補償參數來控制徑向切削深度，通過留余量粗精加工結合的方法來完成螺紋加工，提高表面質量。

(2)螺紋尺寸精度高。攻絲等傳統螺紋加工方法是成型刀具加工工藝，螺紋的尺寸完全取決于螺紋成型工具的尺寸。隨著絲錐的磨損，螺紋孔的尺寸也隨之變化，因此精度比較差。銑削螺紋不是成型加工，而是通過數控插補銑削形成，螺紋尺寸通過數控加工程序和螺紋銑刀共同控制，可以通過簡單的調整數控程序和對刀具的修磨來控制螺紋的尺寸，因此加工的螺紋尺寸精度好。

(3)螺紋形位精度好。如前所述，用傳統方法加工螺紋，螺紋與相應表面的垂直度很難保證，尤其是航空發動機上復雜空間面上的螺紋加工，垂直度更是難以滿足當前航空發動機性能的要求。銑加工螺紋時，螺紋與底孔及其相應平面可以在一次裝中全部實現，其位置精度和與相應表面的垂直度都由數控機床保證，其形位精度可以得到很好的控制。

(4)加工效率高且成本低。如前所述，銑螺紋時螺紋銑刀只需要旋轉360°加進退刀即可以完成螺紋加工，且數控機床的加工速度特別快，因此銑螺紋的效率非常高。螺紋銑刀通常采用高釩和高鈷高速鋼，甚至采用硬質合金制造，因此使用壽命長;一把螺紋銑刀可以加工左右旋向的內外螺紋，通用性好;且螺紋銑削是斷屑切削，刀具局部接觸，局部受力，切削力小刀具磨損低，而且螺紋銑刀可以再修磨，因此可以大大降低使用成本。

螺紋銑削加工還有內螺紋排屑方便、盲孔的底孔預留深度小、容易實現螺紋的二次切削等優點。

2 螺紋銑加工刀具的選擇

目前通用的螺紋銑刀主要有整體式和鑲刀片式兩種類型，整體式螺紋銑刀一般應用于螺紋公稱直徑在16 mm以下的螺紋加工，鑲刀片式螺紋銑刀一般應用于螺紋直徑在16 mm以上的螺紋加工。整體螺紋銑刀的外形類似普通整體銑刀與螺紋絲錐的結合體(如圖3所示)，但它的切削刃沒有絲錐那樣的螺旋升程，加工中的螺旋升程依靠機床插補運動實現，因此左右旋螺紋都可以加工。鑲刀片的螺紋銑刀類似于機夾銑刀，刀片可采用雙面刃，從而降低刀具費用，但其抗沖擊性和精度都較整體式螺紋銑刀稍差。

隨著航空發動機的發展，其零部件很多都已經采用鈦合金和高溫合金等難加工材料，鈦合金韌性和強度好加工回彈大，高溫合金強度好且硬度高，對加工刀具都有較高的要求。而且航空發動機上用于安裝固定的螺紋孔直徑一般都比較小，通常直徑都在16 mm以下，部分安裝套帽的直徑也在20 mm以下，因此加工此類零件一般都選用整體硬質合金螺紋銑刀。整體硬質合金螺紋銑刀的選用必須滿足以下條件:螺紋銑刀螺距必須與加工螺紋螺距相同;螺紋銑刀直徑必須小于加工螺紋底孔直徑;螺紋銑刀的螺紋長度必須大于加工螺孔長度。

3 螺紋銑削應用實例分析

航空發動機零件上的螺紋孔通常都是成組呈均勻分布或對稱分布。如圖4所示為某航空發動機典型零件的螺紋孔形位公差要求及分布示意圖，螺紋孔對端面的垂直度要求為0.05 mm，位置度要求為φ0.05 mm，形位公差要求非常嚴格，且該零件為鑄造鈦合金難加工材料，手工攻絲根本無法達到要求，必須使用數控銑加工。該螺紋為M6普通標準螺紋，螺紋公稱直徑較小，因此選用整體硬質合金螺紋銑刀，在此使用埃莫克法蘭肯公司的整體硬質合金螺紋銑刀，銑刀直徑為4.36 mm。由于螺紋孔為21孔沿圓周呈均勻分布，因此只需要編制一個螺紋銑加工程序，充分利用數控系統的柔性特點和數控機床的精度，通過將螺紋銑加工程序作為子程序調用，就可以完成21處孔的螺紋加工。螺紋底孔的主程序和銑螺紋主程序的主體相同，只改變子程序的調用，既使數控程序編制更加簡單和方便，又降低了數控編程出錯的風險。

在此使用旋轉工作臺的四軸立式加工中心，采用西門子840D系統的編程方式，并利用西門子系統參數化編程的優點，將螺紋公稱直徑、螺紋銑刀直徑、刀具的當量半徑、螺距和螺紋深度定義為宏變量，使螺紋的銑加工程序簡單明了而且修改簡單，通過簡單修改參數賦值，就可以適用于不同直徑的銑刀和螺紋孔徑的加工。如果對標記LOCATION處稍作修改就可適應更多類型螺紋的加工，大大簡化了螺紋銑程序的編制。如圖5所示，DIAT1是螺紋公稱直徑，為了提高加工的安全性降低出錯風險，在此使用刀具補償功能并在程序中將刀具半徑偏置出來，即將切削軌跡偏置刀具半徑DIAT2/2，當輸入刀具補償不為0時加工留有余量，補償值為0時將螺紋加工到最終尺寸。

下面是該工件M6螺紋的數控加工主程序及子程序:

螺紋加工主程序:

T1 M6

G54 D1

G0 G40 G90 Z200

X0 Y0C0 M03 S2200 M08

X196.5

C25.7142

L001 P21;調用銑螺紋子程序21次

G0 Z200 M09

X0 Y0C0

M05

M30

銑螺紋加工子程序L001:

DEF REAL DIAT1;定義螺紋公稱直徑

DEF REAL DIAT2;定義螺紋銑刀直徑

DEF REAL RADI;定義當量半徑(進刀半徑)

DEF REAL SCREWP;定義螺距

DEF REAL DEPTH;定義螺紋深度

DIAT=4.36

RADI=(DIAT1-DIAT2)/2

SCREWP=1

DEPTH=-8

G90 G0

Z10

Z4

G01 Z=DEPTH F500

G01 G91 G41 X=RADI/2 Y=-RADI/2 Z0 F9

G03 X=RADI/2 Y=RADI/2 CR=RADI/2 Z=0.125*SCREWP F37

G03 X0 Y0 I=-RADI J0 Z=SCREWP

G03 X=-RADI/2 Y=RADI/2 CR=RADI/2 Z=0.125*SCREWP

G01 G40 X=-RADI/2 Y=-RADI/2 Z0

G90 Z50 F3000

LOCATION:G91 G0 C17.1429;旋轉至下一孔

G90

M17

4 結語

螺紋銑加工方法較傳統的螺紋加工方法具有非常明顯的優勢，尤其是對航空發動機行業中的難加工材料而言，使以往困難而費時的螺紋加工得到了很大的改變。隨著先進螺紋銑刀的快速發展，螺紋的銑削加工正逐步被廣泛采用，不僅可以更加高效地加工出精度和質量更好的螺紋，而且是降低螺紋加工成本和工人勞動強度的有效方法。作為一種新的螺紋加工工藝，充分體現了數字化加工的理念，成為一種比較理想的實現數控加工中心柔性制造的手段，其獨有的優勢和應用的靈活性將會具有廣泛的應用前景。

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