異型零件螺紋銑削工藝研究

高 杰

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng)，550009)

1 引言

我公司大多數(shù)產(chǎn)品均涉及到螺紋結(jié)構(gòu)，螺紋的加工精度及表面質(zhì)量將直接影響到產(chǎn)品性能，因此選擇合理的加工技術(shù)對(duì)螺紋進(jìn)行加工具有重要意義。然而，采用絲錐、板牙和車削等傳統(tǒng)加工無(wú)法滿足我公司多品種、小批量產(chǎn)品的需求，探索新的加工工藝方法，改進(jìn)螺紋加工精度及表面質(zhì)量是一種必然的趨勢(shì)。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，數(shù)控行業(yè)在我國(guó)大中型機(jī)械加工業(yè)用得越來(lái)越廣泛，一些大型零件的螺紋加工，傳統(tǒng)的螺紋車削和絲錐、板牙已無(wú)法滿足生產(chǎn)的需要。而在數(shù)控銑床或加工中心得到廣泛應(yīng)用的今天，采用三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行螺紋加工，改變了螺紋的加工工藝方法，取得了良好的效果。

2 螺紋加工方法的選擇

在加工過(guò)程中，加工螺紋的方法很多，比如：絲錐、板牙手工攻絲和車削加工等，其中絲錐、板牙主要用于小規(guī)格的內(nèi)外螺紋進(jìn)行加工，一個(gè)規(guī)格的絲錐或板牙只能加工該規(guī)格的內(nèi)外螺紋特征，并且在加工小規(guī)格的螺紋時(shí)很容易被折斷，加工效率低，螺紋車削加工主要適用于回轉(zhuǎn)體零件的內(nèi)外螺紋加工，具有一定的局限性，不能廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)。

然而，螺紋銑削可以加工內(nèi)外螺紋，甚至一把螺紋銑刀可以滿足多種規(guī)格、螺距的螺紋加工，可用于孔徑較大的盲孔、通孔和外螺紋，能有效提高加工工藝性。因此，采用螺紋數(shù)控銑削加工方法能降低螺紋加工成本和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升螺紋加工質(zhì)量和加工效率，在實(shí)際機(jī)械加工過(guò)程中，選擇數(shù)控銑削加工方法對(duì)螺紋進(jìn)行加工是應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮的加工方法。

3 螺紋銑刀的選擇

在機(jī)械加工過(guò)程中，一般采用專用刀具(螺紋銑刀)對(duì)螺紋進(jìn)行加工，目前常用的螺紋銑刀主要有四種類型：整體式螺紋銑刀(多刃)、整體式螺紋銑刀(單刃)，機(jī)夾式螺紋銑刀和焊接式螺紋銑刀，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中整體式螺紋銑刀(多刃)外形很像是圓柱立銑刀與螺紋絲錐的結(jié)合體，適用于鋼鑄鐵和有色金屬材料的中小直徑螺紋切削，具有切削平穩(wěn)、耐用度高的優(yōu)點(diǎn)；機(jī)夾式螺紋銑刀是一種可以將刀片和刀桿拆分的一種螺紋刀具，其刀桿材料為工具鋼和高碳鋼，刀片材料為硬質(zhì)合金，適用于較大直徑(如D≥25mm)的螺紋加工。其特點(diǎn)是刀片易于制造，價(jià)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，因此多用于加工鋁合金材料；焊接式螺紋銑刀是把螺紋銑刀刀頭焊接到另一工具之上的螺紋銑刀。其強(qiáng)度、韌性稍差，屬于特種或非標(biāo)刀具，主要用于加工深孔或者特殊工件，整體式單刃的螺紋銑刀一般可用于車削和銑削，多用于車削加工，在銑削加工時(shí)銑削力比較大，加工不平穩(wěn)，加工出來(lái)的零件變形比較大，一般不常用于銑削加工螺紋。

圖1 一般常見(jiàn)的螺紋銑刀結(jié)構(gòu)圖

4 螺紋銑削加工實(shí)例

4.1 零件結(jié)構(gòu)工藝性分析

圖2是公司某新品彎式尾部外殼零件的結(jié)構(gòu)圖。在此，我們將主要論述對(duì)零件反面的外螺紋進(jìn)行銑削加工，即2個(gè)M33×1.5-6h和1個(gè)M30×1-6h螺紋，深度為8mm。外螺紋傳統(tǒng)加工工藝是：小螺紋采取板牙套螺紋加工或滾絲加工或搓牙加工，大螺紋則采取車削加工。對(duì)圖2所示的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的加工方法是行不通的：即車削加工，無(wú)法裝夾和進(jìn)刀。隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，三軸聯(lián)動(dòng)銑削加工螺紋在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，為此，我們可以突破思維，解決公司未曾使用過(guò)的方法，利用三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床實(shí)施編程進(jìn)行銑削加工螺紋的研究。

圖2 J1784某型號(hào)彎式尾部外殼

4.2 螺紋銑削原理

螺紋銑削是通過(guò)數(shù)控機(jī)床的三軸聯(lián)動(dòng)，利用螺紋銑刀進(jìn)行螺旋插補(bǔ)銑削而形成螺紋。加工螺紋時(shí)選用不同的螺紋刀，其編程方法略有不同。使用單刃螺紋銑刀，實(shí)際上是刀具在水平面上每作一圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在垂直面內(nèi)則直線移動(dòng)一個(gè)螺距(見(jiàn)圖3)。如果使用多刃螺紋銑刀，其實(shí)質(zhì)也是刀具在XY平面旋轉(zhuǎn)一周的同時(shí)繞Z軸方向移動(dòng)一個(gè)螺距，不同的是多個(gè)刀刃同時(shí)可以進(jìn)行螺紋切削，當(dāng)?shù)度杏行чL(zhǎng)度大于被加工螺紋長(zhǎng)度時(shí)，銑刀只用走一周，螺紋就加工完成。

圖3 銑削螺紋刀具插補(bǔ)軌跡

4.3 螺紋銑削加工程序編制

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，現(xiàn)在普遍使用CAD/CAM系統(tǒng)對(duì)零件加工程序進(jìn)行編制，較手工編程具有明顯的優(yōu)勢(shì)，使得編程效率大大提升，其編程原理同手工編程一致，現(xiàn)在的主流CAM軟件基本都已經(jīng)集成了螺紋銑削功能。在本文中先采用Inventor 2010按照如圖2所示的零件加工圖紙繪制該零件三維圖(如圖4所示)，并且在繪制三維模型時(shí)不需要把螺紋繪制出來(lái)，直接繪制一個(gè)大徑尺寸即可，這樣可以大大減少繪圖時(shí)間。然后采用GibbsCAM 2013對(duì)該零件數(shù)控加工程序進(jìn)行編制，該軟件操作簡(jiǎn)單，并且在編程時(shí)可以采用刀具半徑補(bǔ)償，只需生成一個(gè)軌跡程序就可以了，在調(diào)整尺寸時(shí)可以通過(guò)半徑補(bǔ)償來(lái)修改，這樣可以大大提高了生產(chǎn)效率，然后利用后置文件處理生成NC加工程序后就可以直接使用。

圖4 零件圖

由于最先車間沒(méi)有專用的螺紋銑刀，只能采用自磨單刃螺紋刀，螺紋刀回轉(zhuǎn)半徑Φ6，自制螺紋刀剛性差，螺紋一次切削背吃刀量不能太大，粗銑螺紋每次背吃刀量為0.2mm～0.4mm，最后一刀精銑為0.1mm，每個(gè)螺紋分別走7刀，才完成螺紋的加工，平均每走一刀1分11秒。自磨單刃螺紋銑刀可以完成大部分螺紋的銑削，但是加工效率不高，該蓋板的三個(gè)外螺紋特征，螺紋長(zhǎng)度8mm，銑削三段外螺紋共用時(shí)接近25分鐘。通過(guò)對(duì)螺紋銑刀的改進(jìn)，從廠家定制整體式螺紋銑刀，這種整體式螺紋銑刀在編程時(shí)和單刃的螺紋銑刀有不同之處，整體式螺紋銑刀在編程銑削螺紋時(shí)可以直接把深度下刀底，然后螺旋銑削一個(gè)螺距就完成了螺紋加工，而單刃的螺紋銑刀則需要一個(gè)螺距一個(gè)螺距地銑削。這兩種整體式螺紋銑刀卻提高了螺紋加工效率，并且加工出來(lái)的螺紋尺寸、外觀、橢圓度都比單刃好。這種刀具也是目前最為常用的。

在GibbsCAM 2013軟件中，按照如圖5、圖6所示的加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，按照合理的加工工藝路線進(jìn)行加工，可得到如圖7所示的螺紋刀路及如圖8所示的螺紋加工模擬情況，在螺紋加工模擬的仿真動(dòng)畫(huà)中，可以觀察到螺紋銑刀先快速運(yùn)行到安全平面，然后工作到零件臺(tái)階處，以圓弧形切入螺紋起始點(diǎn)，并繞著螺紋軸線在X,Y上作插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在Z方向運(yùn)動(dòng)，即螺紋銑刀繞螺紋軸線運(yùn)動(dòng)一圈，即Z方向運(yùn)動(dòng)一個(gè)螺距的距離。最后，螺紋銑刀在螺紋終止點(diǎn)退刀，并快速運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)臺(tái)階的螺紋加工起點(diǎn)位置，開(kāi)始下一個(gè)螺紋的加工，直到將3個(gè)螺紋加工完成，螺紋銑刀才快速退回到安全平面。在銑削螺紋時(shí)，也是要看銑什么材料的，一般在銑削鋁合金時(shí)轉(zhuǎn)速在5000轉(zhuǎn)左右，如果是PPS塑料的在銑削時(shí)，一般在2000轉(zhuǎn)左右。并且在編程時(shí)，進(jìn)退刀點(diǎn)的位置也很關(guān)鍵。一般銑削加工圓時(shí)，不管你怎么加工，加工出來(lái)的圓總有一點(diǎn)橢圓度，那再根據(jù)這個(gè)橢圓的方向來(lái)確定銑削螺紋的進(jìn)刀位置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工PPS塑料時(shí)，不同的進(jìn)刀點(diǎn)銑削出來(lái)的螺紋大有不同，如果進(jìn)刀的點(diǎn)定在橢圓的長(zhǎng)半軸方向上，則銑削出來(lái)的螺紋是歪斜的，螺紋塞規(guī)擰進(jìn)去一看塞規(guī)是歪的；如果進(jìn)刀點(diǎn)定在短半軸方向上，銑削出來(lái)的螺紋進(jìn)正了，則能滿足螺紋要求。

圖5 刀具參數(shù) 圖6 刀具路徑定義

圖7 螺紋加工刀路 圖8 螺紋加工模擬

通過(guò)以上生產(chǎn)準(zhǔn)備和編程仿真，將以下程序?qū)氲郊庸ぶ行腃NC系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)調(diào)試修正，最終成功完成了本批零件的加工。

%

O1

N1

G0G17G40G98G90G80

T1M6

G54

S5000M3

G90G0X-18.915Y18.915

G43Z100.H1

M8

Z1.

M98P4

G0Z10.G90G0X-18.915Y18.915

Z1.

M98P5

G0Z10.

G90G0X-18.915Y18.915

Z1.

M98P6

G0Z10.

G90G0X-18.915Y18.915

Z1.

M98P7

G0Z200.

M9

M5

X0Y180.

M30

O4

G91

Z-4.856

G41G1X5.991Y1.39F300.D18

G2X12.924Y1.195Z-.144I12.924J-69.304

Z-1.5J-21.5

Z-1.5J-21.5

Z-1.5J-21.5

Z-1.5J-21.5

X18.62Y-32.25Z-.5J-21.5

X-7.497Y-10.595Z-.144I-61.054J35.249

G40G1X-4.2Y-4.494

G90G0Z1.

M99

O5

G91

Z-4.858

G41G1X6.238Y1.379F300.D18

G2X12.677Y1.106Z-.142I12.677J-72.128

Z-1.5J-21.4

Z-1.5J-21.4

Z-1.5J-21.4

Z-1.5J-21.4

X18.533Y-32.1Z-.5J-21.4

X-7.296Y-10.426Z-.142I-63.422J36.617

G40G1X-4.314Y-4.713

G90G0Z1.

M99

O6

G91

Z-4.859

G41G1X6.369Y1.374F300.D18

G2X12.546Y1.061Z-.141I12.546J-73.626

Z-1.5J-21.35

Z-1.5J-21.35

Z-1.5J-21.35

Z-1.5J-21.35

X18.49Y-32.025Z-.5J-21.35

X-7.192Y-10.334Z-.141I-64.681J37.344

G40G1X-4.375Y-4.83

G90G0Z1.

M99

O7

G91

Z-4.859

G41G1X6.369Y1.374F300.D18

G2X12.546Y1.061Z-.141I12.546J-73.626

Z-1.5J-21.35

Z-1.5J-21.35

Z-1.5J-21.35

Z-1.5J-21.35

X18.49Y-32.025Z-.5J-21.35

X-7.192Y-10.334Z-.141I-64.681J37.344

G40G1X-4.375Y-4.83

G90G0Z1.

M99

%

4.4 銑削加工螺紋的要點(diǎn)

同一把螺紋銑刀既可以銑削左旋螺紋也可以銑削右旋螺紋，同時(shí)也可以銑削內(nèi)外螺紋，主要用在生產(chǎn)效率高的場(chǎng)合。

每把螺紋銑刀有一個(gè)值，該值為刀具圓角半徑編程值，也就是銑螺紋時(shí)的刀具半徑補(bǔ)償值。螺紋銑削時(shí)，一般的加工深度可以一次加工完成，但是如果要求分多次銑削時(shí)，只要修改刀補(bǔ)值就可以完成。

這種方法在螺紋銑削加工時(shí)效率非常高，程序編寫(xiě)也非常簡(jiǎn)單。其編程的實(shí)質(zhì)是：螺紋銑刀在XOY平面導(dǎo)入(或?qū)С?1/4 周，正式加工螺紋1周;在Z軸方向?qū)?或?qū)С?1/4周時(shí)，刀具運(yùn)行1/4個(gè)螺距，正式加工螺紋1周時(shí)，刀具在Z軸方向上運(yùn)行1個(gè)螺距。通過(guò)保證多刃螺紋銑刀上的每個(gè)有效刀齒同時(shí)參與銑削，從而完成整個(gè)螺紋的銑削加工。該方法加工螺紋的重點(diǎn)體現(xiàn)在選擇銑刀的螺距上：當(dāng)要求加工多大螺距的螺紋時(shí)，必須選擇與之相對(duì)應(yīng)的螺紋銑刀。同時(shí)，該方法受銑刀螺距和螺紋規(guī)格等因素的影響，但由于加工效率高，所以在數(shù)控銑床和加工中心上應(yīng)用廣泛。

5 總結(jié)

通過(guò)介紹的某彎式尾部外殼上的外螺紋加工，比較簡(jiǎn)單地論述了螺紋銑刀加工螺紋時(shí)的方法和一些關(guān)鍵參數(shù)，闡述了螺紋銑刀銑削螺紋的基礎(chǔ)編程方法，對(duì)生產(chǎn)一線的數(shù)控銑工和加工中心操作人員有一定的探索意義，為螺紋類零件的加工提供簡(jiǎn)單的理論依據(jù)和研究基礎(chǔ)，為推廣螺紋銑削加工做了初步的鋪墊。

目前，對(duì)公司機(jī)加車間，只要能三軸同時(shí)聯(lián)動(dòng)的設(shè)備，都可以采用銑削的方法加工螺紋，螺紋加工精度及表面質(zhì)量都得到了很大的改善。公司三軸數(shù)控銑床較多，有 GX1000PLUS、VCS430AL、2033VMC、NBP1000A以及C20U五軸聯(lián)動(dòng)加工中心等設(shè)備都具備螺紋銑削功能。因此，目前螺紋銑削加工的方法在公司都得到廣泛的應(yīng)用。