數(shù)控銑螺紋及其在航空發(fā)動機上的應(yīng)用

俸躍偉 燕 凱 于 洋

(沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽110043)

航空發(fā)動機上有很多零件需要通過螺樁連接，航空發(fā)動機上的油管與主體零件的連接基本都是通過螺樁固定，因此很多零件需要加工螺紋孔。尤其是機匣類零件，作為整個發(fā)動機的骨架，需要連接各種油路和安裝各種傳感器，都需要通過螺釘連接。航空發(fā)動機上的螺紋孔對位置度和對相應(yīng)端面的垂直度都有較高的要求，傳統(tǒng)的螺紋加工方法，是用帶后引導(dǎo)的專用絲錐，借助攻絲模板等專用鉆具，將模具放在零件表面上，絲錐由模具導(dǎo)套引導(dǎo)通過手工攻絲完成。傳統(tǒng)的手工攻絲具有很多弊端:

(1)底孔孔口倒角不好。加工螺紋的底孔一般需要孔口倒角，由于是手工攻絲，一般孔口倒角也由手工完成，因此倒角的一致性很難保證，而且倒角不光滑、不完整，經(jīng)常會出現(xiàn)倒角缺口。

(2)螺紋的垂直度很難保證。由于是手工攻螺紋，即使螺紋底孔本身的垂直度很好，在手工攻螺紋時也會受操作者的技術(shù)水平等因素的限制，很難保證螺紋與相應(yīng)表面的垂直度，尤其是在空間斜面上攻螺紋時，螺紋與斜面的垂直度就更難保證。

(3)斷屑難且容易斷錐。手工攻螺紋的絲錐排屑槽很小，因此攻螺紋時鉸杠每轉(zhuǎn)動1/2～1圈就應(yīng)該倒轉(zhuǎn)1/2圈，使切屑碎斷后容易排出，加工效率很低;即使這樣還會經(jīng)常出現(xiàn)斷錐的現(xiàn)象，如果絲錐斷裂在零件內(nèi)部，不僅取出困難，還嚴重影響零件的表面質(zhì)量甚至造成零件報廢。

(4)其他如絲錐折斷、螺紋亂扣、螺紋喇叭、螺紋垂直度超差、螺紋中徑超差等各種問題，操作者的技術(shù)水平更是影響螺紋加工質(zhì)量的重要因素。

隨著航空發(fā)動機的不斷發(fā)展，發(fā)動機的性能不斷地提高，對零件的加工精度和表面質(zhì)量的要求也越來越高，尤其是當今對零部件疲勞壽命的關(guān)注，傳統(tǒng)手工攻絲帶來的孔口倒角缺陷和螺紋垂直度不好等因素，都很難滿足先進航空發(fā)動機性能和壽命的要求。

近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是多軸聯(lián)動數(shù)控加工系統(tǒng)的應(yīng)用，使更加先進的螺紋加工方式——螺紋的數(shù)控銑削加工得以實現(xiàn)。尤其是四軸以上的多軸聯(lián)動的數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)的使用，使航空發(fā)動機上復(fù)雜空間型面上的螺紋數(shù)控銑削也能方便地加工。螺紋銑削的螺距精度一般能達到8～9級，表面粗糙度可達Ra0.5～0.63μm，可以滿足航空發(fā)動機對螺紋尺寸和形位精度的要求，尤其是銑削螺紋的垂直度基本與螺紋底孔一致，能夠比較好地滿足裝配性能。

1 螺紋銑加工原理及特點

1.1 螺紋銑加工原理

螺紋銑是基于先進數(shù)控機床具有多軸聯(lián)動功能下的先進的螺紋加工工藝，通過主軸高速旋轉(zhuǎn)并做圓弧插補和軸向插補結(jié)合的方式加工螺紋。螺紋銑刀周向進給和軸向進給同時進行，在螺紋銑削過程中刀具周向運動產(chǎn)生螺紋直徑，同步的軸向運動產(chǎn)生螺距，如圖1所示。

在螺紋銑削的整個運動過程中，為方便計算，螺紋銑削的進退刀一般采用1/2、1/4或1/8圓弧切入和切出(外螺紋可采用直線進退刀)，銑削時應(yīng)一般選用銑刀長度大于被加工螺紋長度的銑刀，這樣螺紋銑刀在切入工件后只需旋轉(zhuǎn)360°即可完成螺紋加工。在此采用1/8圓弧切入切出的進退刀方式進行說明。銑削內(nèi)螺紋的徑向補償加工過程如圖2所示，刀具首先運動到孔中心0位置，軌跡1運動到進刀位置，軌跡2切入工件并沿刀軸運動1/8螺距，軌跡3整圓插補并軸向運動一個螺距即可切制螺紋，軌跡4退刀切出并軸向運動1/8螺距，軌跡5退回孔中心。

1.2 螺紋銑加工特點

螺紋銑削作為一種先進的螺紋加工工藝，與傳統(tǒng)的攻絲加工工藝相比，具有很多的特點和優(yōu)勢。

(1)用銑削加工出來的螺紋表面質(zhì)量好。攻絲是在螺紋底孔上用絲錐通過一次或幾次擠壓把螺紋加工到位，螺紋表面質(zhì)量差，通過剖開一個攻絲而成的螺紋孔并放在放大鏡下觀察結(jié)果，螺紋孔顯得有飛邊。而銑螺紋是通過數(shù)控機床的多軸聯(lián)動插補加工而成，加工時可以根據(jù)實際加工情況調(diào)整補償參數(shù)來控制徑向切削深度，通過留余量粗精加工結(jié)合的方法來完成螺紋加工，提高表面質(zhì)量。

(2)螺紋尺寸精度高。攻絲等傳統(tǒng)螺紋加工方法是成型刀具加工工藝，螺紋的尺寸完全取決于螺紋成型工具的尺寸。隨著絲錐的磨損，螺紋孔的尺寸也隨之變化，因此精度比較差。銑削螺紋不是成型加工，而是通過數(shù)控插補銑削形成，螺紋尺寸通過數(shù)控加工程序和螺紋銑刀共同控制，可以通過簡單的調(diào)整數(shù)控程序和對刀具的修磨來控制螺紋的尺寸，因此加工的螺紋尺寸精度好。

(3)螺紋形位精度好。如前所述，用傳統(tǒng)方法加工螺紋，螺紋與相應(yīng)表面的垂直度很難保證，尤其是航空發(fā)動機上復(fù)雜空間面上的螺紋加工，垂直度更是難以滿足當前航空發(fā)動機性能的要求。銑加工螺紋時，螺紋與底孔及其相應(yīng)平面可以在一次裝中全部實現(xiàn)，其位置精度和與相應(yīng)表面的垂直度都由數(shù)控機床保證，其形位精度可以得到很好的控制。

(4)加工效率高且成本低。如前所述，銑螺紋時螺紋銑刀只需要旋轉(zhuǎn)360°加進退刀即可以完成螺紋加工，且數(shù)控機床的加工速度特別快，因此銑螺紋的效率非常高。螺紋銑刀通常采用高釩和高鈷高速鋼，甚至采用硬質(zhì)合金制造，因此使用壽命長;一把螺紋銑刀可以加工左右旋向的內(nèi)外螺紋，通用性好;且螺紋銑削是斷屑切削，刀具局部接觸，局部受力，切削力小刀具磨損低，而且螺紋銑刀可以再修磨，因此可以大大降低使用成本。

螺紋銑削加工還有內(nèi)螺紋排屑方便、盲孔的底孔預(yù)留深度小、容易實現(xiàn)螺紋的二次切削等優(yōu)點。

2 螺紋銑加工刀具的選擇

目前通用的螺紋銑刀主要有整體式和鑲刀片式兩種類型，整體式螺紋銑刀一般應(yīng)用于螺紋公稱直徑在16 mm以下的螺紋加工，鑲刀片式螺紋銑刀一般應(yīng)用于螺紋直徑在16 mm以上的螺紋加工。整體螺紋銑刀的外形類似普通整體銑刀與螺紋絲錐的結(jié)合體(如圖3所示)，但它的切削刃沒有絲錐那樣的螺旋升程，加工中的螺旋升程依靠機床插補運動實現(xiàn)，因此左右旋螺紋都可以加工。鑲刀片的螺紋銑刀類似于機夾銑刀，刀片可采用雙面刃，從而降低刀具費用，但其抗沖擊性和精度都較整體式螺紋銑刀稍差。

隨著航空發(fā)動機的發(fā)展，其零部件很多都已經(jīng)采用鈦合金和高溫合金等難加工材料，鈦合金韌性和強度好加工回彈大，高溫合金強度好且硬度高，對加工刀具都有較高的要求。而且航空發(fā)動機上用于安裝固定的螺紋孔直徑一般都比較小，通常直徑都在16 mm以下，部分安裝套帽的直徑也在20 mm以下，因此加工此類零件一般都選用整體硬質(zhì)合金螺紋銑刀。整體硬質(zhì)合金螺紋銑刀的選用必須滿足以下條件:螺紋銑刀螺距必須與加工螺紋螺距相同;螺紋銑刀直徑必須小于加工螺紋底孔直徑;螺紋銑刀的螺紋長度必須大于加工螺孔長度。

3 螺紋銑削應(yīng)用實例分析

航空發(fā)動機零件上的螺紋孔通常都是成組呈均勻分布或?qū)ΨQ分布。如圖4所示為某航空發(fā)動機典型零件的螺紋孔形位公差要求及分布示意圖，螺紋孔對端面的垂直度要求為0.05 mm，位置度要求為φ0.05 mm，形位公差要求非常嚴格，且該零件為鑄造鈦合金難加工材料，手工攻絲根本無法達到要求，必須使用數(shù)控銑加工。該螺紋為M6普通標準螺紋，螺紋公稱直徑較小，因此選用整體硬質(zhì)合金螺紋銑刀，在此使用埃莫克法蘭肯公司的整體硬質(zhì)合金螺紋銑刀，銑刀直徑為4.36 mm。由于螺紋孔為21孔沿圓周呈均勻分布，因此只需要編制一個螺紋銑加工程序，充分利用數(shù)控系統(tǒng)的柔性特點和數(shù)控機床的精度，通過將螺紋銑加工程序作為子程序調(diào)用，就可以完成21處孔的螺紋加工。螺紋底孔的主程序和銑螺紋主程序的主體相同，只改變子程序的調(diào)用，既使數(shù)控程序編制更加簡單和方便，又降低了數(shù)控編程出錯的風(fēng)險。

在此使用旋轉(zhuǎn)工作臺的四軸立式加工中心，采用西門子840D系統(tǒng)的編程方式，并利用西門子系統(tǒng)參數(shù)化編程的優(yōu)點，將螺紋公稱直徑、螺紋銑刀直徑、刀具的當量半徑、螺距和螺紋深度定義為宏變量，使螺紋的銑加工程序簡單明了而且修改簡單，通過簡單修改參數(shù)賦值，就可以適用于不同直徑的銑刀和螺紋孔徑的加工。如果對標記LOCATION處稍作修改就可適應(yīng)更多類型螺紋的加工，大大簡化了螺紋銑程序的編制。如圖5所示，DIAT1是螺紋公稱直徑，為了提高加工的安全性降低出錯風(fēng)險，在此使用刀具補償功能并在程序中將刀具半徑偏置出來，即將切削軌跡偏置刀具半徑DIAT2/2，當輸入刀具補償不為0時加工留有余量，補償值為0時將螺紋加工到最終尺寸。

下面是該工件M6螺紋的數(shù)控加工主程序及子程序:

螺紋加工主程序:

T1 M6

G54 D1

G0 G40 G90 Z200

X0 Y0C0 M03 S2200 M08

X196.5

C25.7142

L001 P21;調(diào)用銑螺紋子程序21次

G0 Z200 M09

X0 Y0C0

M05

M30

銑螺紋加工子程序L001:

DEF REAL DIAT1;定義螺紋公稱直徑

DEF REAL DIAT2;定義螺紋銑刀直徑

DEF REAL RADI;定義當量半徑(進刀半徑)

DEF REAL SCREWP;定義螺距

DEF REAL DEPTH;定義螺紋深度

DIAT=4.36

RADI=(DIAT1-DIAT2)/2

SCREWP=1

DEPTH=-8

G90 G0

Z10

Z4

G01 Z=DEPTH F500

G01 G91 G41 X=RADI/2 Y=-RADI/2 Z0 F9

G03 X=RADI/2 Y=RADI/2 CR=RADI/2 Z=0.125*SCREWP F37

G03 X0 Y0 I=-RADI J0 Z=SCREWP

G03 X=-RADI/2 Y=RADI/2 CR=RADI/2 Z=0.125*SCREWP

G01 G40 X=-RADI/2 Y=-RADI/2 Z0

G90 Z50 F3000

LOCATION:G91 G0 C17.1429;旋轉(zhuǎn)至下一孔

G90

M17

4 結(jié)語

螺紋銑加工方法較傳統(tǒng)的螺紋加工方法具有非常明顯的優(yōu)勢，尤其是對航空發(fā)動機行業(yè)中的難加工材料而言，使以往困難而費時的螺紋加工得到了很大的改變。隨著先進螺紋銑刀的快速發(fā)展，螺紋的銑削加工正逐步被廣泛采用，不僅可以更加高效地加工出精度和質(zhì)量更好的螺紋，而且是降低螺紋加工成本和工人勞動強度的有效方法。作為一種新的螺紋加工工藝，充分體現(xiàn)了數(shù)字化加工的理念，成為一種比較理想的實現(xiàn)數(shù)控加工中心柔性制造的手段，其獨有的優(yōu)勢和應(yīng)用的靈活性將會具有廣泛的應(yīng)用前景。

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