數(shù)控加工過程中銑削螺紋的應用

張媛 韓勇

摘 要：以三軸聯(lián)動加工技術為基礎，本文運用一種數(shù)控銑削大公稱直徑螺紋的加工方法，并以加工某立柱結合面上M64×1.5螺孔為實例，介紹了三軸聯(lián)動加工技術在該類大公稱直徑螺紋加工中的應用，實現(xiàn)對螺紋加工精度的保證。結果表明，該加工方法在保證螺紋加工精度的同時，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了加工成本。

關鍵詞：三軸聯(lián)動;數(shù)控銑削;螺紋加工

中圖分類號：TG62文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）05-0079-03

Abstract： Based on three-axis simultaneous machining technology， this paper used a numerically controlled milling method for machining large nominal diameter threads， took the processing of M64×1.5 tapped holes on the joint surface of a column as an example， and introduced the application of three-axis linkage processing technology in this type of large nominal diameter thread processing to ensure the accuracy of thread processing. The results show that the machining method improves the production efficiency and saves the processing cost while ensuring the accuracy of thread processing.

Keywords： three-axis;CNC milling;thread processing

在實際生產(chǎn)過程中，大公稱直徑螺紋的加工，特別是粗牙螺紋的加工往往會受刀具及操作工人技術水平的限制，加工比較困難。對于一些公稱直徑大于M42的螺紋孔，如果采用傳統(tǒng)加工刀具和加工方法，即采用普通的高速鋼絲錐進行螺紋加工，就難以保證加工螺孔質(zhì)量，而且加工效率較低，加工成本高，難以滿足生產(chǎn)加工要求。

1 傳統(tǒng)的高速鋼絲錐加工螺紋特點

在傳統(tǒng)的螺紋加工方式中，孔徑及孔深較小的螺紋可以采用人工手攻螺紋的方法，直徑稍大的螺紋（如公稱直徑大于M10）可以采用普通機床（如鉆床）。對于所選的刀具而言，一般可采用普通的高速鋼絲錐來完成加工。總體來說，傳統(tǒng)的高速鋼絲錐加工方式具有5個特點。

一是采用高速鋼絲錐進行螺紋加工時，在高速切削過程中，如果切削溫度高保持在500～600 ℃，高速鋼材質(zhì)刀具的切削刃仍能保持一定硬度[1]，但較其他材料（如硬質(zhì)合金材料）而言，其耐磨性及耐熱性均較差，未進行淬火處理的高速鋼硬度較低，絲錐本身的剛性較差，因此絲錐在攻絲過程中容易折斷。由于絲錐本身材質(zhì)有一定的硬度，所以折斷后螺紋孔里的那部分絲錐不容易取出，就會使孔堵塞，往往要花費一定的物力及時間才能取出斷掉的絲錐，耗時耗力，增加生產(chǎn)成本并影響生產(chǎn)進度。

二是對于相同螺距、不同直徑的螺紋孔，采用絲錐加工需要多把刀具才能完成，并且一種規(guī)格的絲錐還分頭錐和二錐，部分更大直徑的螺紋甚至還需要增加三錐，加工螺孔比較耗時。絲錐屬于成形刀具，一把絲錐只能產(chǎn)生一種旋向（左旋或者右旋）的螺紋，所以加工不同規(guī)格螺紋時，需要準備很多把絲錐，成本較高。

三是攻絲過程中刀具切削力大，加工線速度僅為10～30 m/min。當機床負荷太大時，將無法驅(qū)動絲錐正常加工。尤其對于高速龍門銑床來說，當螺孔直徑大于M42時，機床不能提供攻絲過程中所需要的功率，機床會出現(xiàn)報警，機床加工具有一定的局限性，機床利用率得不到提高。此種加工方式適用性不強。

四是用普通的機床如鉆床進行大公稱直徑螺紋加工時，其配合的刀具只能是絲錐，加工過程中排屑比較困難，產(chǎn)生的切削熱難以被切屑及周圍的介質(zhì)帶走，而且絲錐屬于定尺寸刀具，即使使用切削液也難以均勻降低切削區(qū)的溫度，熱量大部分被刀具及工件本身吸收，而造成刀具磨損的根本原因就是切削溫度，溫度越高，刀具磨損越快[2]，這樣不僅會影響絲錐的壽命，還會影響加工區(qū)的精度。

五是攻絲的加工方式會受到一定限制。攻盲孔螺紋時，在加工完后，絲錐必須反向退出，此時對操作者技術水平要求較高，稍不注意就會導致螺紋“亂扣”。

2 數(shù)控銑螺紋加工參數(shù)的設定及程序的編制

目前，裝備數(shù)控化率大大提高，人們要充分利用設備數(shù)控加工的優(yōu)勢，優(yōu)化數(shù)控銑削螺紋的加工方法，在數(shù)控銑鏜床上實現(xiàn)大公稱直徑螺紋的銑削加工。下面以數(shù)控落地銑鏜床FB260加工為例，介紹螺紋銑削加工。該機床采用SIEMENS 840D系統(tǒng)，加工某機床的左、右立柱，零件材料為焊接件。該機床在加工立柱結合面上的M64×1.5mm螺孔時，需要上角銑頭，在加工左立柱時，采用的是絲錐加工螺孔，加工完后，絲錐在螺孔中有晃動，無法滿足圖紙設計要求，因此決定對右立柱采用銑螺紋的方式加工。

因直角銑頭主軸朝[X]方向，其加工程序與直接用主軸加工的程序有些區(qū)別，刀具運動的軌跡是由繞螺紋軸線沿[Z]、[Y]方向做圓弧插補運動和沿[X]方向做直線進給運動而合成的螺旋曲線。刀具可采用螺紋銑刀桿和硬質(zhì)合金刀片，機床設定主軸轉(zhuǎn)速約為1 000 r/min，進給量設為600 mm/min，根據(jù)螺紋孔的外徑[Φ]64 mm和螺紋深度60 mm，先設定幾個參數(shù)（單位為mm）：[R1]=64;[R2]=27.0;[R3]=1.5;[R4=R1/2-R2/2];[R5=1.5-R3×41]。其中，參數(shù)[R1]為螺紋外徑大小，參數(shù)[R2]為刀具直徑大小，參數(shù)[R3]為螺距的大小，參數(shù)[R4]為加工時刀具的走刀半徑，參數(shù)[R5]為螺紋加工長度，41為螺紋加工的圈數(shù)。

編制加工程序如下：

N10? M03 S1000;

N20? G19 G54 G90 G00 Z0 Y0;

N30? X-1.5;

N40? G01 Z=R4 Y0 F600;

N50? FFWON;

N60? G03 Z=R4 Y0 X=-R5? K=AC（0） J=AC（0） TURN=40（40為重復的圈數(shù)）;

N70? FFWOF;

N80? G01 Z0 Y0;

N90? G00 X-50;

N100? M05;

N110? M30;

依照上面所設定的參數(shù)及所編制的程序，加工出來的內(nèi)螺紋用M64×1.5的螺紋塞規(guī)校驗，結果發(fā)現(xiàn)，螺紋塞規(guī)通端無法擰進螺紋孔中，經(jīng)過反復試驗以及查閱機械加工工藝手冊，筆者發(fā)現(xiàn)所設定的參數(shù)需要更正，編制的加工程序不變。現(xiàn)將正確的參數(shù)設定為：[R1]=6;[R2]=27.0;[R3]=1.5;[R0=R1+8/H];[R4=R0/2-R2/2];[R5=1.5-R3×41]。其中，參數(shù)[R1]、參數(shù)[R2]、參數(shù)[R3]及參數(shù)[R5]設定不變，參數(shù)[R4]發(fā)生了變化，這是在實際編程過程中會經(jīng)常忽略的，參數(shù)[R0]是經(jīng)常被忽略的數(shù)值，那么參數(shù)[R0]的設定則依據(jù)了普通螺紋基本牙型圖，如圖1所示。其中，[D]為內(nèi)螺紋大徑;[d]為外螺紋大徑;[D2]為內(nèi)螺紋中徑;[d2]為外螺紋中徑;[D1]為內(nèi)螺紋小徑;[d1] 為外螺紋小徑;[P]為螺距;[H]為原始三角形高度，[H=32P]。

在實際走刀過程中，60°牙型角螺紋銑刀的刀尖與原始三角形的頂點重合，因此在設定銑刀走刀半徑參數(shù)[R4]時不能忽略[H8]這個數(shù)值，不然加工出來的內(nèi)螺紋與外螺紋不匹配。銑刀片形狀如圖2所示。

3 數(shù)控銑螺紋加工方式的特點

采用數(shù)控程序利用銑削方式加工時，要注意刀具直徑的測量誤差和讓刀對加工精度的影響，刀具參數(shù)的測量要盡可能準確，建議使用對刀儀測量刀具的直徑，避免因刀具直徑測量誤差而影響加工精度;讓刀不可避免，但也有解決的辦法，簡單的方法就是按照程序重新走刀一次，通過精光一刀來修正螺紋，根據(jù)銑削加工螺紋的特點，同把刀具讓刀的數(shù)值在加工相同螺距螺紋時是一致的，這需要經(jīng)驗的積累，依據(jù)不同的讓刀值預先設定在程序中，直接就可以加工出符合圖紙工藝要求的螺紋。利用銑螺紋方式加工出的螺孔，經(jīng)檢驗沒有出現(xiàn)檢具在螺孔中晃動的情況，解決了細牙大直徑螺紋加工容易“亂扣”的問題，這種加工方法取得了較好的效果。

采用銑螺紋的加工方式很好地解決了大公稱直徑的螺紋加工問題。總的來說，銑削螺紋加工相對傳統(tǒng)絲錐加工具有5個優(yōu)點。

一是螺紋銑刀刀片采用可轉(zhuǎn)位的硬質(zhì)合金刀片，硬質(zhì)合金材料的刀具切削速度高，加工效率高，其切削速度為高速鋼刀具的4～7倍[3]，并且螺紋銑刀刀具壽命長，可以達到絲錐的十倍甚至幾十倍，持久耐用，加工性能穩(wěn)定。由于螺紋銑刀的刀片為可轉(zhuǎn)位刀片，其更換速度快，一旦磨損，可立即更換，不需要重新刃磨，操作簡單方便，提高了加工效率。

二是螺紋銑刀銑削螺紋時其通用性較好，對于加工相同螺距、不同直徑的螺紋孔，只需要改變數(shù)控程序，用一把刀具即可完成公稱直徑不同的螺孔的加工。對于不同螺距的螺紋，只需要依據(jù)螺距更換螺紋加工刀片，即可加工。另外，通過數(shù)控程序的簡單改變，就能使螺紋銑刀加工出不同旋向（左旋或右旋）的螺紋，大大降低了加工成本。

三是螺紋銑刀在銑削過程中加工線速度可保持在80～200m/min，加工螺紋的表面光潔度大幅提高。雖然其走刀路徑為螺旋線，但可以采用高轉(zhuǎn)速配合大的進給量，以節(jié)省加工時間。機床所用銑削功率小，通過數(shù)控螺紋銑削的方法，F(xiàn)B260機床能進行直徑大于M42mm以上螺孔的加工，加工適應性強，那么對于所選用的機床而言，數(shù)控落地銑鏜床能夠?qū)崿F(xiàn)三軸聯(lián)動，機床本身的精度較好，能夠保證孔的直線度等。

四是數(shù)控機床本身的精度好，使得螺紋的銑削加工避免了用絲錐加工時產(chǎn)生的“亂扣”現(xiàn)象。螺紋銑刀不屬于定尺寸刀具，在加工螺紋時，刀具占用孔內(nèi)空間比絲錐加工時少，利于排屑，便于散掉加工過程中的切削熱。同時，切削液的使用能夠均勻降低切削區(qū)及刀具的溫度，保證了加工精度及刀具的壽命，提高了加工的經(jīng)濟性。

五是數(shù)控螺紋銑削加工的最大優(yōu)點是不僅能完成內(nèi)螺紋的加工，還能完成外螺紋的加工。例如，某些零件帶有外螺紋結構但不屬于回轉(zhuǎn)體類零件，無法在車床上裝夾完成其外螺紋的加工，但可以在數(shù)控銑床上用銑外螺紋的方式來完成。

4 結語

隨著機械行業(yè)的迅速發(fā)展，大公稱直徑螺紋的使用越來越頻繁，外徑大于100 mm的螺紋也屢見不鮮，這些大公稱直徑的螺紋采用絲錐加工已經(jīng)不再實用，而銑削螺紋相較絲錐加工更能適應生產(chǎn)的需要。

參考文獻：

[1]藏文海.金屬切削刀具材料性能分析及其選用原則探討[J].機械工程師，2018（2）：165-167.

[2]劉文萍.切削溫度對零件表面質(zhì)量的影響[J].機械，2018（10）：28-31.

[3]薛藝，田靑超.硬質(zhì)合金切削刀具研究進展[J].材料導報，2019（1）：353-357.