超高強(qiáng)度鋼大螺距內(nèi)螺紋銑削工藝研究

朱曉琳

(內(nèi)蒙古廣播電視大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特，010020)

1 螺紋加工發(fā)展現(xiàn)狀

螺紋在機(jī)械加工領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，其主要作用是緊固、傳動和密封。螺紋的加工方法主要包括車削、銑削、攻絲、套絲、磨削和旋風(fēng)切削等。其中，應(yīng)用最為廣泛的是車削、攻絲和銑削。

隨著數(shù)控機(jī)床精度和剛性的不斷提升以及刀具行業(yè)的空前發(fā)展，螺紋銑削加工技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域尤其是航空航天及模具制造領(lǐng)域愈發(fā)凸顯出其優(yōu)勢，并得以越來越廣泛的應(yīng)用。

2 螺紋銑削的原理及優(yōu)點(diǎn)

螺紋銑削是借助數(shù)控加工中心的三軸聯(lián)動功能及G02或G03螺旋插補(bǔ)指令，完成螺紋銑削工作。刀具沿周向及軸向同時運(yùn)動，刀具沿周向每運(yùn)動一周，沿軸向運(yùn)動一個導(dǎo)程。

相比其他幾種螺紋加工方法，螺紋銑削具有以下諸多優(yōu)勢：

(1)螺紋銑削更適合難加工材料的螺紋加工。相比其他幾種螺紋加工方法，螺紋銑削受材料及其硬度的影響相對較小。

(2)螺紋銑削更適合大直徑大螺距螺紋的加工。螺紋銑削所產(chǎn)生的切削力更小，而且可以通過修改刀具半徑補(bǔ)償值來控制每一次的切削量，從而獲得刀具能夠承受的最為合理的切削力。

(3)螺紋銑削的精度更高。攻絲的精度完全取決于絲錐的精度，隨著絲錐的磨損，螺紋孔的尺寸也會隨之改變，精度就會相應(yīng)降低；而螺紋銑削可以通過修改刀具半徑補(bǔ)償值來消除因螺紋銑刀磨損所帶來的影響，從而得到較高精度的螺紋孔。

(4)螺紋銑削更安全。攻絲是在螺紋底孔的基礎(chǔ)上用絲錐通過一次或幾次擠壓作用把螺紋加工到位，絲錐與螺紋底孔之間的空間很小，在切削條件較差、排屑不暢的情況下，很容易發(fā)生擠屑，甚至絲錐折斷，造成產(chǎn)品報廢。螺紋銑削是依靠螺紋銑刀對螺紋底孔的切削作用將螺紋加工到位，螺紋銑刀與螺紋底孔之間的空間較大，一般不會發(fā)生擠屑現(xiàn)象，即便在加工硬材料時切削力過大螺紋銑刀折斷的情況下，也很容易將螺紋銑刀取出，不會對螺紋造成損傷。

(5)對于盲孔，螺紋銑削能夠加工的螺紋有效深度比攻絲更大。絲錐的導(dǎo)引長度較長，通常是2～3個螺距，也就是說，對于盲孔，接近孔底的2～3個螺距的螺紋是無效螺紋。

圖1 螺紋銑刀

螺紋銑刀則不然，如圖1所示，無論是多刃的螺紋銑刀還是單刃的螺紋銑刀，在加工盲螺紋的時候都幾乎可以加工至孔底，理論上，只有接近孔底的0.5個螺距的螺紋是無效螺紋。

3 超高強(qiáng)度鋼大螺距螺紋銑削可行性研究

超高強(qiáng)度鋼主要應(yīng)用于航空、航天、兵器、核電和高鐵等尖端領(lǐng)域，D406A(30Si2MnCrMoVE)作為應(yīng)用最廣泛的超高強(qiáng)度鋼, 其淬火后硬度可以達(dá)到HRC55以上，抗拉強(qiáng)度大于1400MPa，是典型的難加工材料。對于直徑和螺距較小的D406A材料內(nèi)螺紋，攻絲難度相對較?。坏菍τ诼菥噍^大的內(nèi)螺紋，其常規(guī)加工難度主要體現(xiàn)在：第一，材料硬度高，攻絲時切削力也相對更大，對絲錐的強(qiáng)度要求更高。第二，螺紋螺距大，材料去除率高，攻絲時排屑更加困難，絲錐接觸面積大，阻力也更大，很容易發(fā)生擠屑和絲錐折斷。所以，采用攻絲的方式加工上述M24×3-6H內(nèi)螺紋風(fēng)險較大，可行性較低[1]。

本文以材料為D406A(淬火后)、尺寸為M24×3-6H、螺紋深度是28mm的內(nèi)螺紋為例，進(jìn)行螺紋銑削的可行性分析：

首先，螺紋銑削所產(chǎn)生的切削力更小，同時還可以根據(jù)實(shí)際加工情況通過調(diào)整刀具半徑補(bǔ)償值來獲得更合理的切削力。

第二，螺紋銑削與攻絲不同，螺紋銑刀與螺紋孔之間的間隙更大，不會發(fā)生擠屑的情況。即便發(fā)生切削力過大螺紋銑刀折斷的情況，螺紋銑刀也很容易取出，一般不會對螺紋造成損傷。更換新的螺紋銑刀后，很容易重新對螺紋進(jìn)行銑削，不會出現(xiàn)“亂扣”的現(xiàn)象。

第三，加工過程中，可一邊調(diào)整刀具半徑補(bǔ)償值，一邊用“通止規(guī)”對內(nèi)螺紋進(jìn)行規(guī)檢，直至螺紋規(guī)檢合格，可以保證螺紋精度。

4 超高強(qiáng)度鋼大螺距螺紋銑削工藝研究及實(shí)踐

通過對上述超高強(qiáng)度鋼大螺距螺紋銑削的可行性研究，以下將從刀具選用、切削參數(shù)選定、數(shù)控程序編制等方面對螺紋銑削過程進(jìn)行詳細(xì)說明[2]。

4.1 選擇刀具

螺紋銑刀可以分為多刃和單刃兩種。多刃螺紋銑刀是定螺距的螺紋銑刀。加工時，刀具上所有刀齒都參與切削，加工效率較高，但在實(shí)際加工時，刀具與工件的接觸面積更大，所產(chǎn)生的切削力也更大。多刃螺紋銑刀每個刀齒之間的間距是固定的，因此只能加工與之對應(yīng)螺距的螺紋。單刃螺紋銑刀的螺距不固定，可加工一定范圍內(nèi)任意螺距的螺紋。單刃螺紋銑刀每次加工時只有一個刃參與切削，因此效率相對較低，但實(shí)際加工時刀具與工件的接觸面積相對更小，所產(chǎn)生的切削力也更小。

本文所研究的螺紋材料硬度較高(D406A淬火后硬度可達(dá)HRC55以上)，且螺距較大(p=3)。選用多刃螺紋銑刀固然效率更高，但接觸面積大，阻抗就會更大，切削力也相應(yīng)更大，對于硬材料大螺距的螺紋顯然不適用。而單刃螺紋銑刀雖然效率偏低，但銑削加工時接觸面積小，產(chǎn)生的切削力更小，更適合硬材料大螺距的螺紋銑削加工。

綜上所述，最終選用Vargus公司生產(chǎn)的單刃螺紋銑刀，型號是CTM2SC16C21-80-2U。

4.2 制定切削參數(shù)

考慮到所要加工的材料硬度較高，每次的銑削去量不宜過大。同時，螺距越大，銑削加工時刀具與工件的接觸面積越大，切削力也越大，如圖2所示，兩種不同螺距的螺紋銑削加工時，前者刀具與工件的接觸面積明顯大于后者。

圖2 M24×3與M24×1.5螺紋銑刀接觸面積對比圖

為了有效地減小切削力，避免擠屑和絲錐折斷現(xiàn)象的發(fā)生，將走刀次數(shù)分為4次，表1是每次加工對應(yīng)的切削去量。批生產(chǎn)時，考慮到加工硬材料刀具磨損可能會對螺紋精度造成影響，筆者將螺紋銑削至理論值的95%。最后，一邊調(diào)整刀具半徑補(bǔ)償值，一邊用“通止規(guī)”對內(nèi)螺紋進(jìn)行規(guī)檢，直至螺紋規(guī)檢合格，這樣就可以有效保證螺紋的精度要求。

表1 M24×3-6H內(nèi)螺紋走刀次數(shù)及總切削去量參考表

4.3 編制數(shù)控程序

依據(jù)表1的走刀次數(shù)及切削去量進(jìn)行編程[3]，數(shù)控程序如下，供參考。

第1次(50%)

%MPF50

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")

N1 G90 G00 G57 X0 Y0

N2 D1 Z0.203 M3 S231

N3 G91 G00 X0 Y0 Z0

N4 G01 G42 D1 X0.638 Y10.613 Z0 F2

N5 G91 G02 X10.613 Y-10.613 Z-0.203 CR=10.613 F2

N6 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N7 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N8 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N9 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N10 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N11 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N12 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N13 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N14 G91 G02 X-10.613 Y-10.613 Z-0.203 CR=10.613

N15 G00 G40 X-0.638 Y10.613 Z0

N16 G00 Z50

N17 M30

第2次(75%)

%MPF75

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")

N1 G90 G00 G57 X0 Y0

N2 D1 Z0.247 M3 S231

N3 G91 G00 X0 Y0 Z0

N4 G01 G42 D1 X0.869 Y10.819 Z0 F2

N5 G91 G02 X10.819 Y-10.819 Z-0.247 CR=10.819 F2

N6 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N7 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

跨企業(yè)培訓(xùn)中心是德國雙元制職業(yè)教育模式經(jīng)過長期發(fā)展，在學(xué)校和企業(yè)之間，剝離出的一個過渡環(huán)節(jié)，是德國校企合作、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合深層次發(fā)展的產(chǎn)物和載體[1]。本文所依托的跨企業(yè)培訓(xùn)中心由太倉市政府主導(dǎo)，針對支柱產(chǎn)業(yè)，引入國際高質(zhì)量職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，精準(zhǔn)配置教育資源，與德國工商會上海辦事處(AHK-Shanghai)、健雄學(xué)院等職業(yè)院校、舍弗勒等德國企業(yè)合作建設(shè)的，強(qiáng)調(diào)在真實(shí)的工作場景中培養(yǎng)學(xué)徒，具備整合多方資源、對接課堂與車間、學(xué)生向員工身份轉(zhuǎn)化、融合教育與職業(yè)屬性、結(jié)合“教師+師傅”等多重功能特性。

N8 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N9 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N10 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N11 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N12 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N13 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N14 G91 G02 X-10.819 Y-10.819 Z-0.247 CR=10.819

N16 G00 Z50

N17 M30

第3次(90%)

%MPF90

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")

N1 G90 G00 G57 X0 Y0

N2 D1 Z0.365 M3 S231

N3 G91 G00 X0 Y0 Z0

N4 G01 G42 D1 X0.829 Y11.122 Z0 F2

N5 G91 G02 X11.122 Y-11.122 Z-0.365 CR=11.122 F2

N6 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N7 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N8 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N9 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N10 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N11 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N12 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N13 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N14 G91 G02 X-11.122 Y-11.122 Z-0.365 CR=11.122

N15 G00 G40 X-0.829 Y11.122 Z0

N16 G00 Z50

N17 M30

第4次(95%)

%MPF95

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")

N1 G90 G00 G57 X0 Y0

N2 D1 Z0.256 M3 S231

N3 G91 G00 X0 Y0 Z0

N4 G01 G42 D1 X1.074 Y10.964 Z0 F2

N5 G91 G02 X10.964 Y-10.964 Z-0.256 CR=10.964 F2

N6 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N7 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N8 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N9 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N10 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N11 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N12 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N13 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N14 G91 G02 X-10.964 Y-10.964 Z-0.256 CR=10.964

N15 G00 G40 X-1.074 Y10.964 Z0

N16 G00 Z50

N17 M30

5 結(jié)語

工件的螺紋加工通常在加工的最后工序，以往采用車削及攻絲的加工方式，極易發(fā)生刀具斷裂而影響產(chǎn)品質(zhì)量。通過采用螺紋銑削加工方案對D406材料進(jìn)行大螺距螺紋加工，不僅可以降低刀具成本，提高加工效率，而且能夠避免因材料硬度過高而引起的絲錐折斷現(xiàn)象，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。