鋁合金材質(zhì)大直徑內(nèi)螺紋銑削加工研究

游新彥，張亦衡

（1.福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350001；2.常熟長城軸承有限公司技術質(zhì)量部，江蘇常熟 215500）

鋁合金材質(zhì)大直徑內(nèi)螺紋銑削加工研究

游新彥1，張亦衡2

（1.福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350001；2.常熟長城軸承有限公司技術質(zhì)量部，江蘇常熟 215500）

針對傳統(tǒng)加工工藝加工大直徑螺紋難度較高的現(xiàn)狀，結合某大直徑螺紋工件的特征和工藝特性，研制了專用螺紋銑刀，根據(jù)螺紋銑削工藝編制了螺紋數(shù)控銑削程序，獲得了良好的加工效果.

螺紋銑削；非標刀具；刀具設計

螺紋的傳統(tǒng)加工工藝有車/鏜、攻絲/扳牙、擠絲等，數(shù)控加工中心能實現(xiàn)程序化的螺紋自動攻絲.高精度和高效的螺紋銑削是近年來推廣使用的螺紋加工新工藝.螺紋銑削切屑控制流暢，加工表面質(zhì)量高且無鱗刺或切屑殘留，工序后處理簡便.螺紋銑刀損壞時便于取出，更換同型號刀具后仍可完成加工，避免工件報廢.單刃尖螺紋銑刀還可加工不同螺距和不同旋向的內(nèi)外螺紋，軸向無導向段的螺紋銑刀能在無退刀槽或螺紋接近孔底的情況下加工出符合要求的螺紋.數(shù)控螺紋銑削的一致性好，螺紋起始角度一致，能適應某些箱體類零件的特殊裝配要求.

螺紋銑削尤其適于加工大直徑孔螺紋，大直徑絲錐的切削力和功率需求大，切屑處理困難，加工中易出現(xiàn)絲錐折斷和工件報廢.重型設備及大型零部件的連接常采用大尺寸螺紋連接緊固，銑削螺紋的表面質(zhì)量好、螺紋硬度高、尺寸精度優(yōu)良.能較好的保證螺紋裝配要求.

1 大直徑螺紋孔的工藝特征

某大型結構件，毛坯由ZL103鑄造而成，端面上設有連接螺紋孔，均為M100×2-6H連接用細牙螺紋，通孔螺紋深度約60 mm.螺紋結構如圖1所示.

該螺紋連接精度直接關系設備整體裝配精度，螺紋精度要求較高，須在最后工序環(huán)節(jié)進行精加工，M100×2螺紋難以采用攻絲、車、鏜等常規(guī)加工手段完成，經(jīng)工藝設計和刀具研發(fā)，研制專用非標螺紋銑削刀具，實現(xiàn)加工效益最大化.

2 專用非標螺紋銑刀的設計

2.1 刀具形式選擇

常見的螺紋銑刀有整體式、單刃刀片機夾式和梳狀刀片機夾式等類型，其中整體式螺紋銑刀采用整體硬質(zhì)合金棒料磨制而成，造價昂貴，多用于小直徑孔螺紋的加工[1].單刃刀片機夾式螺紋銑刀的切削進給速度小、加工效率低且加工質(zhì)量不夠理想.梳狀刀片機夾式銑刀可實現(xiàn)多牙同時切削，切削效率高，但不適用該工件采用的鋁合金材質(zhì).

綜合各型刀具的優(yōu)點，結合該工件工藝特點，采用大直徑、單刃尖、多刀槽、各刃錯齒的設計方案，

003刀具結構如圖2所示.

2.2 刀具參數(shù)設定

1）刀桿直徑及材質(zhì)選擇：選用BT-40面銑刀柄以保證刀具和刀柄3之間的定位精度、剛性和夾緊強度，螺紋銑刀采用面銑刀接口設計，刀具直徑φ80 mm、懸伸約100 mm，選用50CrV鋼調(diào)質(zhì)至HRC40左右以保證剛性需求.刀體應盡可能輕量化以減小大直徑刀具的轉(zhuǎn)動慣量[2].

圖1 螺紋結構示意圖

圖2 刀具結構示意圖

圖3 錯刃銑削示意圖

2）刀片選擇：選用ISO標準的IR16刀片，可轉(zhuǎn)位3刃角刀片，利用率較高且供貨渠道順暢，根據(jù)被加工材質(zhì)特性選用SANDVIK COROMANT公司的H13A牌號刀片，刀片材質(zhì)為N20-N30類非涂層硬質(zhì)合金，具有良好的耐粘結性、耐磨損性和韌性，表面拋光處理適于加工鋁合金等有色金屬.若H13A刀片供貨不能滿足時也可選用被覆TiN涂層的P20-P30類硬質(zhì)合金刀片，但不宜采用TiAlN涂層的刀片，因為TiAlN涂層中的Al元素可與鋁合金材質(zhì)發(fā)生親和作用，加劇刀片磨損[3].

刀片前角15°，后角0°.實際安裝前、后角需經(jīng)計算后確定.考慮到較大直徑的螺紋銑刀將增大實際牙形角，引起螺紋齒形變化，因此刀刃牙形角也需經(jīng)計算后確定.

3）各刃錯齒設計：大直徑刀盤可容納較多槽數(shù)，采用6刃分3層錯刃設計，加工時刀具從工件的底部螺旋爬升進給，各層逐次切入，錯刃銑削，變原有的雙邊受力為單邊受力，減少各刃切削負荷，避免切屑粘結降低工件表面粗糙度數(shù)值[4].各刃錯齒銳削示意情況如圖3.

2.3 銑刀設計

銑削內(nèi)螺紋時，銑刀切削刃的回轉(zhuǎn)面與螺紋螺旋線成一夾角，銑削中會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象和工件螺紋牙形誤差，導致螺紋齒槽擴大.刀具直徑與工件直徑越接近時，接觸圓弧越大，造成的誤差也越大.減小螺紋銑刀直徑能減小誤差，但小直徑銑刀的切削進給路徑距離長、刀具強度低、磨損速度快.因此在滿足加工精度的情況下盡可能加大銑刀直徑，能提高刀具的剛性、強度和加工效率.

如圖4，t為螺紋刀具和內(nèi)螺紋之間的接觸時間；Re為螺紋大徑；Ri為螺紋小徑；r為螺紋銑刀直徑；b為螺紋銑刀齒高；p為螺距；Δ為p、b之差；H為兩圓干涉高度；h為銑削深度.

利用三角函數(shù)關系，可知：

圖4 螺紋銑刀的內(nèi)螺紋切削示意圖

由此可得：

又：Δ=t?tg λ=0.243

其中tg λ=p/2πRe；λ為螺紋升角.

刀片牙形角θ，標準牙形角60°,

刀具切削部直徑不變時，可修正齒形半角來減少齒槽擴大量.選用牙形角55°刀片，調(diào)整刀片下傾角，修正實際牙形角.

根據(jù)上述分析計算，選用牙形角55°刀片，增大實際后角5°，使該型螺紋銑刀滿足實際加工要求.螺紋銑刀設計見圖5.

圖5 螺紋銑刀設計圖

3 螺紋銑削編程

該螺紋為通孔設計，刀具下刀至指定深度后可直接沿徑向直線切入，螺旋爬升，一次走刀即完成加工.

4 刀具使用注意事項

加工完成后可用螺紋塞規(guī)分別檢查通止情況，還應經(jīng)常檢查刀片磨損情況，確認螺紋合格、刀具正常后方可加工下一螺紋孔.若加工不到位只需調(diào)整螺旋進給的圓半徑數(shù)值重新加工即可，程序調(diào)試簡便，加工可靠性高.

采用半合成鋁用切削液能進一步提高螺紋的表面質(zhì)量，冷卻潤滑效果良好[5].選擇合理的刀具直徑和刀片參數(shù)，確定適宜的冷卻液牌號，結合實際加工需求，選取合理的切削參數(shù)，采用趕刀法，效果較好[6].螺孔底部退刀槽尺寸較大時，該型螺紋銑刀也能用于盲孔的加工.

5 結語

螺紋銑削是一種行之有效的加工大直徑螺紋工藝.使用設計合理的復合刀具能有效整合工序工步，且只需一把刀具即可完成螺紋的全部加工，這對于減少刀具數(shù)量，節(jié)約換刀和工步準備時間，提高生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本亦有重要作用.該螺紋復合銑刀可用于相近螺紋或者同螺距螺紋的加工，螺紋的軸向和徑向尺寸也可以通過程序調(diào)試來保證，體現(xiàn)出一定的工藝柔性.

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[4]高世倫，黃建松，顧榮華.一把內(nèi)螺紋銑刀實現(xiàn)螺孔的全部加工[J].制造材料，2002（11）：35-36.

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[6]陳俊釗.數(shù)控銑削加工內(nèi)螺紋的應用[J].黑龍江科技信息，2008（16）：65-66.

A Study on Large Diameter Internal Thread Milling of Aluminum Alloy Material

YOU Xin-yan1,ZHANG Yi-heng2
(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350001,China; 2.Technology Quality Department,Changshu Great Wall Bearing Co.,Ltd.,Changshu 215500,China)

This paper develops a special thread cutter in view of the difficulty of processing large diameter thread by means of the traditional technology,and in combination with the feature of a large diameter threaded work?piece and process characteristics.According to the thread milling process,the paper designs a program for CNC milling thread and obtains a good processing effect.

thread milling;non-standard cutting tool;tool design

TG62

A

1008-2794（2013）04-0054-04

2012-03-10

游新彥，福建理工學校講師，碩士研究生，研究方向：先進制造技術，E-mail：viking8252@163.com.