数控铣削螺纹的分析

数控铣削螺纹的分析

王吉林,周赵缨

王吉林；周赵缨（上海电机学院，上海200093）

摘要：数控铣削加工螺纹是应用数控系统三轴联动的典型示例。它不同与传统螺纹加工方法,有着高精度、高效率、高柔性等优点，因此应大力推广螺纹铣削加工编程技术。本文分析了用单刃螺纹刀来加工螺纹的方法。

关键词：螺纹加工；数控铣削；单刃螺纹刀

中图分类号：TH164文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）11-0105-02

0引言

在工件上加工内﹑外螺纹的方法，主要有切削加工和滚压加工两类。螺纹切削加工一般指用成形刀具或磨具在工件上加工螺纹的方法，主要有车削、铣削、攻丝、套丝、磨削、研磨和旋风切削等。螺纹滚压是用成形滚压模具使工件产生塑性变形以获得螺纹的加工方法。本文着重讨论螺纹切削加工中的螺纹数控铣削内螺纹加工。螺纹铣削加工与传统螺纹加工方式相比，在加工精度、加工效率方面具有极大优势，且加工时不受螺纹结构和螺纹旋向的限制，如一把螺纹铣刀可加工多种不同旋向的内、外螺纹。此外，螺纹铣刀的寿命是丝锥的好几倍，而且在数控铣削螺纹过程中，对螺纹直径尺寸的调整极为方便，这是有别于丝锥、板牙的最大优势。螺纹数控铣削主要是利用数控系统的螺旋插补功能G02/G03。

1螺纹的铣削加工

1.1数控铣削内（直）螺纹螺纹铣削的原理是基于数控机床具有三轴联动插补功能，可以实现空间螺旋线运动来完成的。在螺纹铣削过程中圆周运动产生螺纹直径，同步直线运动产生螺距，即使用成型的螺纹铣刀沿螺旋插补轨迹进行铣削加工的过程。图1是数控车床中所用螺纹刀具，这种刀具选取方便，价格较低，可以实现车削和铣削两用，但加工效率稍低，较适用于单件和小批量生产。为了提高螺纹铣削加工效率，可以采用专用的螺纹铣削刀具，见图2，这种刀具从截面上看有很多齿，这样铣削效率大大提高，但这种刀具又受到螺纹螺距的限制，一般一把刀只能加工一种螺距的螺纹。刀具成本较高，适用于批量螺纹铣削加工。

由于螺纹铣刀本身并不带有导程（螺距），不要求主轴转速和Z向进给速度高度同步，完全只是依靠数控系统的G02/G03螺旋插补功能实现三轴联动，数控程序控制机床主轴、X、Y轴方向联动圆弧插补一周，同时Z轴方向联动进给一个螺距，形成螺旋线插补运动，并通过改变刀具补偿半径的大小，控制铣削螺纹的规格。

与一般轮廓的数控铣削一样,螺纹铣削开始进刀时也可采用1/4圆弧切入或直线切入。铣削时应尽量选用刀片宽度大于被加工螺纹长度的铣刀,这样,铣刀只需旋转360°即可完成螺纹加工。下面以M40×1.5内螺纹为例说明其加工过程。设工件坐标系零点在螺纹中心上表面位置，采用单刃螺纹刀，螺纹刀直径为16mm,在数控铣床上加工螺纹，现分别给出西门子数控系统和FAUNC0i系统加工M40×1.5内螺纹程序。

SIEMENS数控系统加工内（直）螺纹采用了模态调用铣螺纹循环指令，即西门子系统含有直螺纹加工模态指令，只要相应设置工件坐标系，计算单刃螺纹刀直径以及相关切削参数等。而FAUNC0i数控系统是利用了数控系统的螺旋插补功能G02/G03来实现螺纹加工的，G02是用于右旋螺纹加工，G03用于左旋螺纹加工。FAUNC数控系统并没有螺纹加工的固定循环指令。表2是通过调用子程序的方法来实现内直螺纹的加工。当然也可采用宏指令编程方法完成直螺纹的加工。这种螺纹铣削加工方法已十分普遍，特别适合大直径螺纹的加工。

1.2内锥螺纹的数控铣削锥螺纹在实际生产应用中已处处可见，此螺纹特别适合在高温、高压系统和润滑系统的两管联结，在常压下就能紧密配合，自动对心良好。内锥螺纹的螺旋呈阶梯盘旋向上，同时旋口直径按一定比例增大。在具备锥螺纹加工功能的数控机床上，完成锥螺纹的加工是很方便的一件事，但数控铣床一般都不具备此项功能。数控机床有直线插补、圆弧插补、螺旋插补和圆锥插补等四种插补功能，但后两者为可选项，又因圆锥插补在机械制造中的应用场合相对来说比较特殊和少见，应用不多，所以一般不作为选项。而螺旋插补为大多数用户所选择。对于G02/G03指令，FANUC数控系统给出了下述3个定义（以X、Y平面为例）：①圆弧插补：G17G02（G03）X-Y-R（I-J-F-；②螺旋插补：G17G02（G03）X-Y-R（I-J-）Z-F-；③圆锥插补：G17G02（G03）X-Y-Z-I-J-K-（Q-）F-。本文将运用螺旋插补功能来完成锥螺纹的铣削加工。当使用伺服电机时，定位系统会造成指令轨迹和实际轨迹的误差。由于刀具是沿指令的线段行进，因此直线插补时没有形状误差。而在圆弧插补时，特别是当高速切削时，会产生径向误差。见图3。误差由下式公式计算：Δr=1/2*（T12+T22*（1-α2））V2/r。

式中Δr：径向误差的最大值（mm），V：进给速度（mm/s），r：圆弧半径（mm），T1：切削进给指数加/减速的时间常数（T=0），T2：定位系统的时间常数（sec）（位置回路增益的倒数），α：进给倍率（%）。不同的机床设备其设定的切削进给加/减速时间常数是不同的，其设定值有厂商提供。而当Δr超出半径公差，数控系统会产生020号报警。即在圆弧插补（G02或G03）中，起始点与圆弧中心的距离不同于终点与圆弧中心的距离，差值超过了参数3410中指定的值。此值通常设定为10~30μm。众所周知，锥螺纹与直螺纹的区别在于Z方向行走1个螺距的同时，直径方向也因锥度角有对应变化，起始点与终点不在同一圆柱面上。笔者通过分析、实践，得出能修改N0.3410参数（此参数的修改无需任何特殊权限），按照锥度的实际尺寸适当扩大，就可成功实现锥度螺纹的加工。见图4内锥螺纹牙型。

现以加工右旋内螺纹为例说明加工其锥螺纹思路。设螺纹大端直径为60mm，螺距4mm，螺纹深度为Z-32mm，单刃螺纹铣刀半径R13.5mm，螺纹锥度角10°，中心位置设为（0，0）。假设螺纹底孔已预先加工完成，只要合理分配螺纹切削余量、选择合适进给参数等，最后应用O0005精加工程序来完成锥螺纹加工。加工时应注意半径的变化应由大到小。

从程序上看没有使用刀具半径补偿，对于N0.3410参数的修改要注意即使恢复。以上是加工锥螺纹的一种数控铣削方法，并非唯一的，还可以采用CAD/CAM软件，进行立体建模造型、后置处理、生成锥螺纹的加工程序，但这种方法对数控机床要求更高，需要四轴四联动。也有采用专用软件编程，完成锥螺纹的加工。在实际生产中加工锥螺纹效率较高的一般采用旋风铣削，所以对于锥螺纹的加工方法最终应根据企业自身的设备条件而定。

2结束语

铣削螺纹是螺纹加工新的工艺方法,与传统螺纹加工相比在精度、效率和表面质量等方面具有显著优势。一把螺纹铣刀可以加工直径不同、牙型相同的左、右旋螺纹。对于数控铣床的要求相对来说较低，刀具使用寿命长。它在实际生产中解决了许多螺纹加工的难题，降低了加工成本，在企业中已得到广泛的应用。

参考文献：

[1]邓奕等.Mastercam数控加工技术[M].清华大学出版社，2004.

[2]陈海舟.数控铣削加工宏程序及应用实例[M].机械工业出版社，2006.

[3]计志考.螺纹加工新工艺[M].北京:兵器工业出版社,1990.