小孔螺纹铣削在超高强度钢加工中的应用

螺纹铣削是当今发达国家制造业中比较流行的一种螺纹加工方法。它是采用数控机床的螺旋插补功能进行螺纹加工的一种新方法。与传统的采用螺纹车刀车削螺纹或采用丝锥、板牙手工攻丝及套扣比较主要有以下优点：①同一把螺纹铣刀可以加工螺距相同直径不同的左旋螺纹或右旋螺纹；②同一把螺纹铣刀可以通过修改刀具半径补偿值，将螺纹加工到任意公差带；③由于螺纹铣刀没有导向部分，因此无需退刀槽或过渡扣即可靠近螺纹底部加工出精确深度的螺纹；④刀具折断或破损不会影响零件质量——刀具破损的部分可以很容易地从工件中取出。
随着数控机床在国内的广泛普及，这种螺纹加工方法在国内也逐步被采纳和应用。但也仅限于大直径螺纹的加工，小直径螺纹特别是内螺纹的加工，少有采用螺纹铣削的。小孔螺纹加工一般采用丝锥攻制，但在某些超高强度钢上进行小孔螺纹加工时，采用丝锥几乎无法完成加工。因为丝锥攻制螺纹时，必须有足够的扭力，在某些超高强度钢上攻制螺纹时，丝锥是无法承受要完成螺纹加工所施加的扭力的。尤其是在材料硬度也极高的情况下，丝锥也极易磨损。一旦丝锥稍有磨损，攻制时的扭力也急剧增大，这也更加快了丝锥的磨损，如此恶性循环，最终将导致丝锥的折断。
利用螺纹铣削的诸多优点，在加工某超高强度钢压力容器法兰连接处的螺纹孔时，采用了螺纹铣削方法，取得了较好的经济效益。下面就这一过程及工艺方法作简要介绍。
1 零件的特点及加工难点
零件为一大型压力容器，要在其法兰连接处端面一周加工60-M16×1.5-6H(均布)的盲孔螺纹。材料抗拉强度1,800MPa、硬度52HRC，属极难加工材料。此类材料不仅强度高，而且硬度也极高。开始采用丝锥攻制，仅采用进口的整体硬质合金带TiAlN涂层的丝锥，才能勉强进行加工。但此种丝锥价格极其昂贵(2,500元/支)，而且寿命也不高(仅为20孔/支)，更主要的是加工过程中丝锥经常折断，取出困难，而且取出时，易损伤螺纹，影响产品质量。

图1

2 刀具选择
刀具选择应以满足加工要求、提高刀具寿命和加工效率为原则。①刀具几何尺寸：总长70mm ，直径D2=Ø14mm。刀具长度在考虑夹持部分和切削部分后，刀具悬伸应尽量短，刀具直径应尽量大，比螺纹底孔略小即可，以增加刀具的刚性，减小加工过程中的振动；②刀具材质：整体硬质合金带TiAlN涂层。这种刀具不仅有优良的耐磨性，而且有较高的强度，适合于加工强度、硬度均极高的材料；③刀具齿数：Z=6齿。齿数越多，进给量越大，提高加工效率。
3 加工方法及参数选择
走刀方式：如图1所示，采用了螺旋进刀，即刀具在X、Y平面顺(逆)时针旋转半个圆弧，Z方向上升或下降0.5个螺距。这样以减小进刀时的振动，提高刀具寿命和螺纹表面质量，并使加工出的螺纹有半扣平滑过渡的螺纹收尾。
进给方式：径向进给分3个切深完成，并借鉴螺纹车削中的侧向进刀方式，如图2所示。以充分减小加工中的径向力，避免振动，提高刀具寿命。要注意的是，第1 、2两次切深的加工中，其相对于第3次切深位置的轴向偏移量t1、t2要通过计算确定，确保其不要位于螺纹轮廓之外，而造成螺纹过切。这里取t1=0.10，t2=0.05。

图2

冷却方式：内冷。由于是盲孔，采用内冷可充分冷却的同时，带走铁屑。
切削参数选择：切削速度Vc=81m/min，则转速N=1000 Vc/(D2×p)=1000×81/(14×3.14)=1842r/min；进给速度fz=0.075mm/Z ，则铣刀切削刃处进给速度为F1=fz×N×Z=0.075×6×1842=828mm/min，编程时应给定铣刀中心进给速度F2=F1(D0-D2)/D0=828×(16-14)/16=103mm/min。另外为避免切进时的振动，每次以半圆弧切进时，其进给取F2=50 mm/min。
4 程序编制
根据所确定的加工方法及参数，可编制程序如下，数控系统为西门子840D。该程序仅作为加工一个螺纹孔的子程序。
G90 G17
S1842 M3
G0 X0.000 Y0.000 Z2.000
G91
G0 Z-18.750
(第1切深加工)
 Z-0.10 (轴向偏移t1)
G41 G1 X0.000 Y7.000 F828
 G3 X0.000 Y-14.815 Z0.750 I0.000 J-7.408 F50
 G3 X0.000 Y0.000 Z1.500 I0.000 J7.815 F103
 G3 X0.000 Y14.685 Z0.750 I0.000 J7.408
G40 G1 X0.000 Y-7.000
(第2切深加工)
 Z0.15 (轴向偏移t2)
G42 G1 X0.000 Y7.000 F828
 G2 X0.000 Y-14.9 Z-0.750 I0.000 J-7.45 F50
 G2 X0.000 Y0.000 Z-1.500 I0.000 J7.9 F10
 G2 X0.000 Y14.865 Z-0.750 I0.000 J7.45
G40 G1 X0.000 Y-7.000
(第3切深加工)
 Z-0.05 (取消偏移)
G41 G1 X0.000 Y7.000 F828
 G3 X0.000 Y-15.000 Z0.750 I0.000 J-7.500 F50
 G3 X0.000 Y0.000 Z1.500 I0.000 J8.000 F103
 G3 X0.000 Y15.000 Z0.750 I0000 J7.500
G40 G1 X0.000 Y-7.000
G0 Z15.750
G90

5 结语
采用螺纹铣削加工该零件后，不仅刀具成本大大降低(每支铣刀可加工180孔，每支铣刀价格为4,500元)，而且加工效率也有提高，加工耗时由丝锥加工时的605s/孔降低至30s/孔，更为关键的是避免了因丝锥折断而引起的产品质量问题。