异型零件螺纹铣削工艺研究

高 杰

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

我公司大多数产品均涉及到螺纹结构，螺纹的加工精度及表面质量将直接影响到产品性能，因此选择合理的加工技术对螺纹进行加工具有重要意义。然而，采用丝锥、板牙和车削等传统加工无法满足我公司多品种、小批量产品的需求，探索新的加工工艺方法，改进螺纹加工精度及表面质量是一种必然的趋势。

随着时代的进步，数控行业在我国大中型机械加工业用得越来越广泛，一些大型零件的螺纹加工，传统的螺纹车削和丝锥、板牙已无法满足生产的需要。而在数控铣床或加工中心得到广泛应用的今天，采用三轴联动机床进行螺纹加工，改变了螺纹的加工工艺方法，取得了良好的效果。

2 螺纹加工方法的选择

在加工过程中，加工螺纹的方法很多，比如：丝锥、板牙手工攻丝和车削加工等，其中丝锥、板牙主要用于小规格的内外螺纹进行加工，一个规格的丝锥或板牙只能加工该规格的内外螺纹特征，并且在加工小规格的螺纹时很容易被折断，加工效率低，螺纹车削加工主要适用于回转体零件的内外螺纹加工，具有一定的局限性，不能广泛运用于生产。

然而，螺纹铣削可以加工内外螺纹，甚至一把螺纹铣刀可以满足多种规格、螺距的螺纹加工，可用于孔径较大的盲孔、通孔和外螺纹，能有效提高加工工艺性。因此，采用螺纹数控铣削加工方法能降低螺纹加工成本和工人劳动强度，提升螺纹加工质量和加工效率，在实际机械加工过程中，选择数控铣削加工方法对螺纹进行加工是应当优先考虑的加工方法。

3 螺纹铣刀的选择

在机械加工过程中，一般采用专用刀具(螺纹铣刀)对螺纹进行加工，目前常用的螺纹铣刀主要有四种类型：整体式螺纹铣刀(多刃)、整体式螺纹铣刀(单刃)，机夹式螺纹铣刀和焊接式螺纹铣刀，其结构如图1所示。其中整体式螺纹铣刀(多刃)外形很像是圆柱立铣刀与螺纹丝锥的结合体，适用于钢铸铁和有色金属材料的中小直径螺纹切削，具有切削平稳、耐用度高的优点；机夹式螺纹铣刀是一种可以将刀片和刀杆拆分的一种螺纹刀具，其刀杆材料为工具钢和高碳钢，刀片材料为硬质合金，适用于较大直径(如D≥25mm)的螺纹加工。其特点是刀片易于制造，价格较低，有的螺纹刀片可双面切削，但抗冲击性能较整体螺纹铣刀稍差，因此多用于加工铝合金材料；焊接式螺纹铣刀是把螺纹铣刀刀头焊接到另一工具之上的螺纹铣刀。其强度、韧性稍差，属于特种或非标刀具，主要用于加工深孔或者特殊工件，整体式单刃的螺纹铣刀一般可用于车削和铣削，多用于车削加工，在铣削加工时铣削力比较大，加工不平稳，加工出来的零件变形比较大，一般不常用于铣削加工螺纹。

图1 一般常见的螺纹铣刀结构图

4 螺纹铣削加工实例

4.1 零件结构工艺性分析

图2是公司某新品弯式尾部外壳零件的结构图。在此，我们将主要论述对零件反面的外螺纹进行铣削加工，即2个M33×1.5-6h和1个M30×1-6h螺纹，深度为8mm。外螺纹传统加工工艺是：小螺纹采取板牙套螺纹加工或滚丝加工或搓牙加工，大螺纹则采取车削加工。对图2所示的结构，传统的加工方法是行不通的：即车削加工，无法装夹和进刀。随着数控加工技术的发展，三轴联动铣削加工螺纹在各个领域都有广泛的应用，为此，我们可以突破思维，解决公司未曾使用过的方法，利用三轴联动的数控铣床实施编程进行铣削加工螺纹的研究。

图2 J1784某型号弯式尾部外壳

4.2 螺纹铣削原理

螺纹铣削是通过数控机床的三轴联动，利用螺纹铣刀进行螺旋插补铣削而形成螺纹。加工螺纹时选用不同的螺纹刀，其编程方法略有不同。使用单刃螺纹铣刀，实际上是刀具在水平面上每作一圆周运动的同时，在垂直面内则直线移动一个螺距(见图3)。如果使用多刃螺纹铣刀，其实质也是刀具在XY平面旋转一周的同时绕Z轴方向移动一个螺距，不同的是多个刀刃同时可以进行螺纹切削，当刀刃有效长度大于被加工螺纹长度时，铣刀只用走一周，螺纹就加工完成。

图3 铣削螺纹刀具插补轨迹

4.3 螺纹铣削加工程序编制

随着科学技术水平的不断发展，现在普遍使用CAD/CAM系统对零件加工程序进行编制，较手工编程具有明显的优势，使得编程效率大大提升，其编程原理同手工编程一致，现在的主流CAM软件基本都已经集成了螺纹铣削功能。在本文中先采用Inventor 2010按照如图2所示的零件加工图纸绘制该零件三维图(如图4所示)，并且在绘制三维模型时不需要把螺纹绘制出来，直接绘制一个大径尺寸即可，这样可以大大减少绘图时间。然后采用GibbsCAM 2013对该零件数控加工程序进行编制，该软件操作简单，并且在编程时可以采用刀具半径补偿，只需生成一个轨迹程序就可以了，在调整尺寸时可以通过半径补偿来修改，这样可以大大提高了生产效率，然后利用后置文件处理生成NC加工程序后就可以直接使用。

图4 零件图

由于最先车间没有专用的螺纹铣刀，只能采用自磨单刃螺纹刀，螺纹刀回转半径Φ6，自制螺纹刀刚性差，螺纹一次切削背吃刀量不能太大，粗铣螺纹每次背吃刀量为0.2mm～0.4mm，最后一刀精铣为0.1mm，每个螺纹分别走7刀，才完成螺纹的加工，平均每走一刀1分11秒。自磨单刃螺纹铣刀可以完成大部分螺纹的铣削，但是加工效率不高，该盖板的三个外螺纹特征，螺纹长度8mm，铣削三段外螺纹共用时接近25分钟。通过对螺纹铣刀的改进，从厂家定制整体式螺纹铣刀，这种整体式螺纹铣刀在编程时和单刃的螺纹铣刀有不同之处，整体式螺纹铣刀在编程铣削螺纹时可以直接把深度下刀底，然后螺旋铣削一个螺距就完成了螺纹加工，而单刃的螺纹铣刀则需要一个螺距一个螺距地铣削。这两种整体式螺纹铣刀却提高了螺纹加工效率，并且加工出来的螺纹尺寸、外观、椭圆度都比单刃好。这种刀具也是目前最为常用的。

在GibbsCAM 2013软件中，按照如图5、图6所示的加工参数进行设置，按照合理的加工工艺路线进行加工，可得到如图7所示的螺纹刀路及如图8所示的螺纹加工模拟情况，在螺纹加工模拟的仿真动画中，可以观察到螺纹铣刀先快速运行到安全平面，然后工作到零件台阶处，以圆弧形切入螺纹起始点，并绕着螺纹轴线在X,Y上作插补运动，同时在Z方向运动，即螺纹铣刀绕螺纹轴线运动一圈，即Z方向运动一个螺距的距离。最后，螺纹铣刀在螺纹终止点退刀，并快速运动到下一个台阶的螺纹加工起点位置，开始下一个螺纹的加工，直到将3个螺纹加工完成，螺纹铣刀才快速退回到安全平面。在铣削螺纹时，也是要看铣什么材料的，一般在铣削铝合金时转速在5000转左右，如果是PPS塑料的在铣削时，一般在2000转左右。并且在编程时，进退刀点的位置也很关键。一般铣削加工圆时，不管你怎么加工，加工出来的圆总有一点椭圆度，那再根据这个椭圆的方向来确定铣削螺纹的进刀位置，根据现场实际加工PPS塑料时，不同的进刀点铣削出来的螺纹大有不同，如果进刀的点定在椭圆的长半轴方向上，则铣削出来的螺纹是歪斜的，螺纹塞规拧进去一看塞规是歪的；如果进刀点定在短半轴方向上，铣削出来的螺纹进正了，则能满足螺纹要求。

图5 刀具参数 图6 刀具路径定义

图7 螺纹加工刀路 图8 螺纹加工模拟

通过以上生产准备和编程仿真，将以下程序导入到加工中心CNC系统，经过调试修正，最终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 铣削加工螺纹的要点

同一把螺纹铣刀既可以铣削左旋螺纹也可以铣削右旋螺纹，同时也可以铣削内外螺纹，主要用在生产效率高的场合。

每把螺纹铣刀有一个值，该值为刀具圆角半径编程值，也就是铣螺纹时的刀具半径补偿值。螺纹铣削时，一般的加工深度可以一次加工完成，但是如果要求分多次铣削时，只要修改刀补值就可以完成。

这种方法在螺纹铣削加工时效率非常高，程序编写也非常简单。其编程的实质是：螺纹铣刀在XOY平面导入(或导出)1/4 周，正式加工螺纹1周;在Z轴方向导入(或导出)1/4周时，刀具运行1/4个螺距，正式加工螺纹1周时，刀具在Z轴方向上运行1个螺距。通过保证多刃螺纹铣刀上的每个有效刀齿同时参与铣削，从而完成整个螺纹的铣削加工。该方法加工螺纹的重点体现在选择铣刀的螺距上：当要求加工多大螺距的螺纹时，必须选择与之相对应的螺纹铣刀。同时，该方法受铣刀螺距和螺纹规格等因素的影响，但由于加工效率高，所以在数控铣床和加工中心上应用广泛。

5 总结

通过介绍的某弯式尾部外壳上的外螺纹加工，比较简单地论述了螺纹铣刀加工螺纹时的方法和一些关键参数，阐述了螺纹铣刀铣削螺纹的基础编程方法，对生产一线的数控铣工和加工中心操作人员有一定的探索意义，为螺纹类零件的加工提供简单的理论依据和研究基础，为推广螺纹铣削加工做了初步的铺垫。

目前，对公司机加车间，只要能三轴同时联动的设备，都可以采用铣削的方法加工螺纹，螺纹加工精度及表面质量都得到了很大的改善。公司三轴数控铣床较多，有 GX1000PLUS、VCS430AL、2033VMC、NBP1000A以及C20U五轴联动加工中心等设备都具备螺纹铣削功能。因此，目前螺纹铣削加工的方法在公司都得到广泛的应用。