大型内螺纹的旋风铣削加工工艺方法

1 前言

　　传统的螺纹加工主要采用螺纹车刀车削螺纹或采用丝锥、板牙手工攻丝及套扣等方法。随着数控加工技术的发展，尤其是三轴联动数控加工技术的出现，使更先进的螺纹加工方式—螺纹的数控铣削得以实现。螺纹铣削加工主要采用数控撞、铣类机床或加工中心。对于小直径内螺纹(≤20mm)常用攻丝、套扣等方法来加工;对于材质硬度高、孔数较多的大型精密非标准内螺纹的加工，用这些传统的加工方法则比较困难。英格索尔的NC-120内螺纹旋风铣削加工方法，则很好地解决了用传统方法难以加工的大型精密内螺纹的加工问题。它可严格控制中径公差、减小或消除刀具切削时对牙型的干涉，大大提高了被加工螺纹的精度，并且加工效率高。本文主要介绍旋风铣削的加工工艺方法和编程。

　　2 加工原理和加工工艺方法

　　1) 加工原理和轨迹

　　在数控镗铣类机床上加工大型内螺纹，可采用旋风铣削，其加工原理为:高速旋转的成形铣刀，其刀尖回转圆始终与内螺纹外径处于内接状态，与此同时，刀具绕工件孔轴线作螺旋运动，此时60°成形刀把与刀尖干涉的金属切除，在工件孔壁上就切出螺纹槽。螺旋运动由数控机床的螺旋插补功能来实现。为防止加工到孔底部时，切屑与刀具的干扰阻挤和加工部位被切屑遮盖，旋风铣削均采用从孔底向外加工的走刀方向。

　　2) 刀具和附具

　　在内螺纹的旋风铣削时是借用NC-120装置上的刀片、刀盘和刀杆，其机构如图1所示。并设计制造了一根专用接杆，前面连接NC-120刀杆和刀盘，后面的锥柄与机床主轴连接(图1)。该刀片是可转位、不重磨硬质合金刀片，其尺寸和角度精度较高，可装于铣刀盘，同时装4～6把刀片，组成多刃铣刀盘。通过刀盘尾部的定心柱和螺纹与刀杆联结，又通过刀杆尾部的短锥、键和螺钉，紧固在可装入锥孔的专用刀杆上。该刀具有同时参与切削的刀片多、精度高、耐磨性能好等优点。由于刀具直接连接主轴，在选择刀盘时，主要是考虑加工螺距的大小和螺孔的深浅，螺孔直径不是考虑的主要因素。铣螺纹用的刀具也可自行设计，但其制造精度要满足工作的要求。为保证其牙廓尺寸精度和表面粗糙度，尽可能采用多刃结构。

图1 铣削内螺纹刀具

　　3) 螺纹有关参数的计算

　　内螺纹的牙型尺寸和刀点如图2所示。螺纹标准中规定其牙型是将等腰三角形尖峰削去H/8高度，并以此处作为螺纹公称直径。图2中体现螺纹配合间隙的要求。

图2 内螺纹牙形尺寸和刀尖

　　数控铣削中，为使图2中所示的刀尖A与牙型尺寸中的点B重合，必须计算出螺孔的最大直径D1。其计算如下：

　　D1=d+2×H/8=d+H/4

　　式中，H=0.866P，P为螺距，中径公差按其公差值的1/3考虑，则D1直径还将加大：

　　D1=d+H/4+e/3

　　式中，e为中径公差值。

　　3 程序编制

　　以西门子8系统为例，介绍其数控程序的编制。以子程序形式编写。用R参数代替语句中的数码和数值，能适用于不同直径、不同螺距、不同深度的螺纹加工，具有一定的通用性。程序按刀具中心轨迹编写，所以不需要使用刀补功能。程序可存入机床，使用时，由主程序调用并给出切削用量、初始参数赋值，同时使刀具中心定位在已加工好的底孔上方。

　　1) 程序的初始赋值参数的定义和轨迹

　　图3是内螺纹旋风铣削程序轨迹及参数定义：RO1—加工螺纹公称直径;

　　R03—专用铣刀盘刀尖直径(SK);

　　R05—加工螺纹的深度;

　　R06—螺纹中径的公差值;

　　R08—螺纹铣削走刀速度;

　　R09—螺距;

　　R11—刀具轴编号(X轴，111=1;Y轴，111=2;Z轴，R11=3)。

图3 内螺纹铣削工作图及参数定义

　　2) XY平面上内螺纹铣削程序框图

　　在XY平面上进行内螺纹铣削的程序框图如图4所示：

图4 程序流程图

　　3) XY平面上内螺纹铣削程序

　　对于数控镗、铣类机床(加工中心)来说，螺纹铣削加工程序的编制主要采用G02、GO3圆弧插补指令，形成螺旋插补运动。下面是西门子8M系统使用的子程序单：

　　N1 R1O 0.8S6 R12 4 R50 0;

　　R52 2 R53 R02 0

　　R54 0

　　N2 R30×RO9 R00 0 R30/R32;

　　N3 R01 R30 R00 0 R06/R51;

　　N4 R01 R06 R00 0 R01-R01;

　　N5 R01/R52 R00 0 R02 R01;

　　N6 R02/R52 R00 0 R54 R01 ;

　　N7 R54×R51 R00 0 R05 R54 ;

　　N8 G64 G91 G01 Z-R05 FR08 M03;刃具进入孔底

　　N9 G03 X-R01 Y0 PR2;圆弧切入至最大外径

　　N10 G03 X0 Y0 IR01 J0 ZR9;螺旋插补铣削一扣

　　N11 R50 R09;已加工长度增加一个螺距

　　N12 @02-10 R5 R50;判断R05>R50时，前跳到N10段

　　N13 G00 XR01 M05;R05≤R50时，刀具退到孔中心

　　N14 G90 G60 M17;子程序结束

　　程序是按加工右旋内螺纹设计的，也可按同样方法编写左旋内螺纹的通用参数子程序。

　　4 结论

　　用旋风铣削法来加工大型精密内螺纹，能严格控制中径公差，加工精度好，效率高。由于采用了子程序技术，编程较为简便。且对于不同类型的螺纹，只需修改程序中的参数即可，程序可保存于数控系统中，加工时调出，适合于批量生产。我们在型号为XK713型数控机床上采用了旋风铣削加工M200的大型内螺纹，结果表明，用该方法加工，生产效率比用传统方法加工提高了40%，且容易控制其加工精度。