小孔螺紋銑削的參數(shù)化編程及應(yīng)用

辛道銀 魏法明 郭湘宇

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214153）

小孔螺紋在精密儀器儀表零件和航空航天零件中有著廣泛應(yīng)用，因此對(duì)其加工方法的研究引起了專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。張慧云在鋁合金LY-12和不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料上通過對(duì)M2.5、M2、M1.6小螺紋的攻絲實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論[1]：對(duì)于小螺紋加工，柔性加工比剛性加工效果要好；對(duì)于加工M2.5以上的螺紋，如果螺紋深度不超過2.5D，建議選用切削絲錐，如果螺紋深度超過2.5D，建議選用擠壓絲錐；對(duì)于小于M2.5的螺紋，為了增加絲錐剛性，建議采用擠壓絲錐；油性的切削液總體上比水乳性切削液效果要好，特別是在對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行攻絲時(shí)，效果更佳。李志虎等通過定制刀具對(duì)M2.5、M2、M1.6等小螺紋進(jìn)行螺紋銑削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明采用螺紋銑刀銑削小螺紋可有效解決螺紋的質(zhì)量不穩(wěn)定問題，在成本控制和加工效率方面均有較大優(yōu)勢(shì)[2]。毛爽軍對(duì)比分析了擠壓絲錐、切削絲錐、銑削加工M4以下小孔螺紋的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)[3]。李偉華通過增加絲錐前角或同時(shí)增加絲錐后角減小了切削力和工件的彈性變形，有效消除了積屑瘤影響，效果顯著[4]。韓榮第采用修正齒絲錐和標(biāo)準(zhǔn)絲錐對(duì)Ni基變形高溫合金GH4169難加工材料進(jìn)行小孔螺紋攻絲對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)絲錐相比，采用修正齒絲錐可顯著減小攻絲扭矩，且切削錐角較大的修正齒絲錐加工效果較好[5]。陳誕院提供了銑削M10盲孔螺紋的手工編程方法和CAXA自動(dòng)編程方法[6]。孫翀翔等使用西門子高級(jí)循環(huán)指令“REPEAT”編制M4×0.2的盲孔螺紋，簡(jiǎn)化了編程[7]。為了解決小孔螺紋攻絲存在的攻絲扭矩大、排屑困難、絲錐易折斷等加工難題和適應(yīng)多品種、小批量小孔螺紋銑削的柔性生產(chǎn)要求，本文研究了一種基于宏程序的小孔螺紋銑削的參數(shù)化編程方法，并編制了通用性和靈活性強(qiáng)的加工程序。

1 螺紋銑削工藝

1.1 螺紋銑削原理

螺紋銑削是螺紋銑刀按照螺旋插補(bǔ)指令完成螺紋加工的一種方法。螺旋插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)由XY平面上的圓弧移動(dòng)和垂直于工作平面的同步直線移動(dòng)組成[8]，其中圓弧移動(dòng)產(chǎn)生直徑，同步直線移動(dòng)產(chǎn)生螺距。

1.2 螺紋銑刀

目前常見的螺紋銑刀有兩類。第一類是機(jī)夾式螺紋銑刀，可細(xì)分為單齒螺紋銑刀、單刀片多齒梳形螺紋銑刀和雙刀片多齒梳形螺紋銑刀。該類型螺紋銑刀由可重復(fù)使用的刀桿和可方便更換的刀片組成。第二類是整體式硬質(zhì)合金螺紋銑刀，可細(xì)分為單齒螺紋銑刀、三牙螺紋銑刀和全牙螺紋銑刀。該類螺紋銑刀結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、抗沖擊能力強(qiáng)、切削過程平穩(wěn)，在高速加工中心上得到了廣泛應(yīng)用[9]。此外，加工內(nèi)螺紋時(shí)，螺紋銑刀的直徑必須小于被加工螺紋底孔孔徑的0.8倍[10]。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)螺紋規(guī)格、生產(chǎn)批量、材料硬度以及刀具剛性合理選用螺紋銑刀。

2 小孔螺紋銑削的參數(shù)化程序設(shè)計(jì)

以整體式單齒螺紋銑刀為研究對(duì)象，采用順銑方式，研究小孔螺紋銑削的參數(shù)化編程。

2.1 走刀路線設(shè)計(jì)

對(duì)于小孔螺紋銑削，刀具以1/2圓弧切入、切出最安全。它的切入、切出及螺紋銑削走刀路線，如圖1所示。其中：1-2表示刀具以1/2圓弧螺旋插補(bǔ)切入工件；2-3表示刀具以整圓螺旋插補(bǔ)銑削螺紋；3-4表示刀具以1/2圓弧螺旋插補(bǔ)切出工件，同時(shí)刀具退回至底孔中心。若以背吃刀量a（直徑值）切入，則銑螺紋后螺紋牙槽直徑D槽=D孔+a。由幾何關(guān)系可得，刀心軌跡直徑d心=D槽-d=D孔+a-d，切入、切出圓弧直徑d切=0.5d心=0.5（D孔+a-d）。

圖1 走刀路線設(shè)計(jì)

2.2 螺紋銑刀的軸向定位設(shè)計(jì)

刀具以1/2圓弧進(jìn)刀時(shí)，刀具在工作平面內(nèi)走過的弧長(zhǎng)為螺紋切削加工時(shí)的1/4，故刀具軸向移動(dòng)距離為0.25P（P為螺距），于是得到螺紋加工前刀具起刀點(diǎn)的Z向坐標(biāo)Z始=-（L效+0.25P），其中L效為螺紋的有效長(zhǎng)度。螺紋加工完成后，刀具退回至底孔中心。經(jīng)推算，Z終到Z始的距離L刀為

式中：FUP為FANUC數(shù)控系統(tǒng)的下取整函數(shù)；FUP(L效/P)為螺紋銑削軸向分層的總層數(shù)。該函數(shù)表達(dá)的含義是如果算式L效/P計(jì)算結(jié)果是小數(shù)，那么函數(shù)值將自動(dòng)舍去小數(shù)位，向遠(yuǎn)離0的方向進(jìn)1。螺紋銑刀的軸向定位情況如圖2所示。

圖2 螺紋銑刀軸向定位

2.3 刀具的軸向運(yùn)動(dòng)過程分析

螺紋銑削加工時(shí)，刀具的軸向運(yùn)動(dòng)過程如圖3所示。圖3（a）為刀具在底孔正上方的參考高度位置快速下插至起刀點(diǎn)；圖3（b）為刀具以1/2圓弧、背吃刀量a螺旋插補(bǔ)切入工件，刀具同步向上移動(dòng)0.25P；圖3（c）為刀具軸向分層銑螺紋，銑削過程連續(xù)不間斷，直至加工完軸向所有的螺紋牙；圖3（d）為刀具以1/2圓弧、螺旋插補(bǔ)切出工件，刀具同步向上移動(dòng)0.25P，同時(shí)退回至底孔中心。

圖3 刀具的軸向運(yùn)動(dòng)過程

3 加工實(shí)例分析

加工如圖4所示的內(nèi)螺紋零件。螺紋公稱直徑為4 mm，螺距為0.7 mm，為粗牙螺紋。中徑和頂徑公差帶均為6H，中等旋合長(zhǎng)度，右旋，螺紋有效深度為8 mm，零件材質(zhì)為45鋼。

圖4 加工零件（單位：mm）

3.1 數(shù)控系統(tǒng)及刀具選用

使用FANUC Oi數(shù)控系統(tǒng)，刀具選用整體式硬質(zhì)合金單齒螺紋銑刀，表面帶涂層，尺寸參數(shù)如表1所示。該螺紋銑刀可以加工公稱直徑不小于M4、螺距為0.5～0.8 mm的內(nèi)螺紋，也可以加工螺距為0.5～0.8 mm的外螺紋。

表1 單齒螺紋銑刀尺寸參數(shù)

3.2 切削用量選取

使用螺紋銑刀初次加工時(shí)，應(yīng)在刀具廠家推薦的切削用量基礎(chǔ)上適當(dāng)降低數(shù)值，以防因轉(zhuǎn)速過高、進(jìn)給過大而造成切削振動(dòng)和噪聲，影響零件表面質(zhì)量。取主軸轉(zhuǎn)速n為5 500 r·min-1、進(jìn)給速度F為200 mm·min-1。為提高刀具壽命和工件表面質(zhì)量，徑向分3層加工，背吃刀量ap分別設(shè)為0.4 mm、0.2 mm和0.1 mm。

3.3 毛坯預(yù)加工

在螺紋銑削前，應(yīng)先加工螺紋底孔和孔口倒角，底孔直徑加工至Φ3.3 mm，孔口倒角加工至C0.7。

4 程序編制

根據(jù)分析，將加工程序設(shè)計(jì)成主程序和子程序。主程序通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)徑向分層加工，子程序主要實(shí)現(xiàn)徑向任意層的螺紋牙型的連續(xù)銑削加工。下面以中間的小孔螺紋為例，編制的參數(shù)化加工程序如下。

4.1 主程序代碼及說明

O3000//主程序名

G91G28Z0//返回參考點(diǎn)

G90G40G49G54G17//程序初始化

T1M6//調(diào)用1號(hào)螺紋銑刀

S5500M3//主軸正轉(zhuǎn)，5 500 r·min-1

M8//切削液開

G0X0Y0//定位至底孔中心

Z5//定位至參考高度

#1=4//內(nèi)螺紋公稱直徑

#2=0.7//螺距

#3=#1-#2//底孔直徑

#4=3.15//螺紋銑刀刃徑

#5=4//螺紋銑刀柄徑

#6=0.4//徑向第一層背吃刀量

#7=0.2//徑向第二層背吃刀量

#8=0.1//徑向第三層背吃刀量

#9=#3+#6//徑向第一層牙槽圓直徑

M98P4000//調(diào)用子程序

#9=#3+#6+#7//徑向第二層牙槽圓直徑

M98P4000//調(diào)用子程序

#9=#3+#6+#7+#8//徑向第三層牙槽圓直徑

M98P4000//調(diào)用子程序

G0Z5//刀具退刀至參考高度

G91G28Z0//返回參考點(diǎn)

M9//切削液關(guān)

M30//主程序結(jié)束

4.2 子程序代碼及說明

O4000//子程序名

#10=#9*0.5-#4*0.5//徑向第j層刀心軌跡圓半徑（j=1,2,3）

#11=#10*0.5//徑向第j層切入、切出圓弧半徑

#12=#5+#2*0.25//刀具軸向定位深度

#13=FUP[#12/#2]//軸向分層的總層數(shù)（軸向螺旋插補(bǔ)銑螺紋總?cè)?shù)）

#14=0//螺旋插補(bǔ)銑螺紋圈數(shù)初值

G0X0Y0//定位至底孔中心

Z-#12//軸向定位至起刀點(diǎn)

G3X#10Y0Z-[#12-#2*0.25]I#11J0F200//以200 mm·min-1進(jìn)給速度，1/2圓弧螺旋插補(bǔ)切入工件

N10Z-[#12-#2*0.25-#2*[#14+1]]I-#10J0//軸向螺旋插補(bǔ)銑螺紋第i圈（i=1,2,…）

#14=#14+1//軸向螺旋插補(bǔ)銑螺紋圈數(shù)遞增

IF[#14NE#13]GOTO10//當(dāng)螺旋插補(bǔ)銑螺紋圈數(shù)不等于螺旋插補(bǔ)銑螺紋總?cè)?shù)，程序跳轉(zhuǎn)，繼續(xù)軸向分層銑削，當(dāng)螺旋插補(bǔ)銑螺紋圈數(shù)等于螺旋插補(bǔ)銑螺紋總?cè)?shù)時(shí)，軸向分層銑削結(jié)束

X0Y0Z-[#12-#2*0.5-#2*#14]I-#11J0//以1/2圓弧螺旋插補(bǔ)切出，刀具退回至底孔中心

M99//子程序結(jié)束

5 基于VERICTUT的仿真加工

VERICUT軟件是由美國(guó)CGTECH公司為工業(yè)生產(chǎn)而研發(fā)的數(shù)控加工仿真軟件，是數(shù)控程序校驗(yàn)、測(cè)量分析、干涉檢查等精確仿真的專業(yè)軟件[11]。VERICUT軟件有著強(qiáng)大的自定義功能，可以輕松搭建與真實(shí)加工環(huán)境一致的仿真環(huán)境，同時(shí)完全基于G代碼，且支持宏功能。因此，加工前利用VERICUT軟件進(jìn)行加工程序驗(yàn)證，可以避免因程序錯(cuò)誤造成撞機(jī)、撞刀、過切等安全事故，減少編程人員和加工人員犯錯(cuò)誤的概率，提高企業(yè)的加工效率。本文主要使用VERICUT軟件的單步仿真功能和數(shù)控程序預(yù)覽功能生成徑向和軸向刀具軌跡。圖5（a）為螺紋銑削的完整刀路。為便于觀察和分析，將部分刀路放大顯示，見圖5（b）?？梢钥闯?，徑向有3條螺旋線，即徑向分3層加工，且每一條螺旋線都是連續(xù)的，即螺紋銑削是連續(xù)進(jìn)行的，中途不退刀，軸向每銑完一層緊接著銑下一層，直至加工完軸向所有的螺紋牙，最后退刀至底孔中心。據(jù)此可以判斷該刀具軌跡與所設(shè)計(jì)的刀具軌跡完全吻合，且加工程序正確。毛坯經(jīng)仿真加工后的效果，如圖5（c）所示。

圖5 仿真加工

6 結(jié)語

通過VERICUT的仿真加工，驗(yàn)證了參數(shù)化編程方法及加工程序的可行性。采用順銑方式加工小孔螺紋，刀具由下向上走刀，排屑流暢。螺紋加工后，表面質(zhì)量高。采用強(qiáng)度較高和通用性好的單齒螺紋銑刀，可加工一定螺距范圍內(nèi)的小孔螺紋。因螺紋銑刀刃徑比螺紋底孔直徑小，正常加工時(shí)不會(huì)出現(xiàn)碎裂的刀具難以從小孔取出的現(xiàn)象。此外，所編制的參數(shù)化加工程序只有40個(gè)程序段，具有循環(huán)加工的特點(diǎn)，通用性和靈活性強(qiáng)。