大直徑內(nèi)螺紋的銑削加工研究

林法振 孫文

摘 要：為解決大直徑內(nèi)螺紋在加工中遇到的絲錐采購成本高、對機(jī)床負(fù)荷要求高、加工表面光潔度低、切削速度低、生產(chǎn)效率低等問題，根據(jù)機(jī)械加工原理，本文介紹了一種數(shù)控銑削螺紋的加工工藝方法，包括螺紋結(jié)構(gòu)分析、螺紋銑刀選用、加工工藝流程、切削用量、數(shù)控編程等。經(jīng)實(shí)踐證明，數(shù)控銑削螺紋效率高、精度高，并可節(jié)省一定的成本。

關(guān)鍵詞：大直徑內(nèi)螺紋；銑削；數(shù)控

中圖分類號：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

內(nèi)螺紋的加工常用方法一般為車削或攻絲，但對于大型、非圓零件的大直徑內(nèi)螺紋加工，在車床上一般需要復(fù)雜裝夾和重力平衡，對裝夾工藝系統(tǒng)要求較高，如若采用攻絲的方法，則需定制大直徑絲錐，成本高，并且加工表面光潔度不好，對機(jī)床的功率和剛性也要求較高。為減小工藝難度、節(jié)省成本，可考慮在數(shù)控銑床上加工該螺紋，零件不動，螺紋銑刀旋轉(zhuǎn)，避免了復(fù)雜裝夾，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。根據(jù)內(nèi)螺紋數(shù)控銑削原理，在刀片加工深度允許的情況下，同一把刀具可加工多種規(guī)格的米制螺紋和美制統(tǒng)一螺紋，可為生產(chǎn)廠家節(jié)省一定的刀具成本。本文通過某機(jī)械設(shè)備用5.000-4 UN-2B內(nèi)螺紋的銑削加工，總結(jié)了一套數(shù)控銑削內(nèi)螺紋的制造方法。

1 螺紋介紹

本文所介紹的5.000-4 UN-2B內(nèi)螺紋，螺紋深度為230mm，工件外形不規(guī)則，不利于車床裝夾。另該工件材質(zhì)為合金結(jié)構(gòu)鋼，螺紋的表面光潔度要求為Ra3.2μm。

5.000-4 UN-2B內(nèi)螺紋為美制統(tǒng)一螺紋，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASME B1.1-2003，經(jīng)查詢標(biāo)準(zhǔn)，該螺紋牙型角為60°，螺紋大徑為5英寸（127mm），每英寸（25.4mm）的螺紋牙數(shù)為4。螺距P為6.35mm（25.4÷4），螺紋小徑為120.126mm，螺紋中徑為D2=122.875mm。

2 大直徑內(nèi)螺紋的數(shù)控銑削加工原理

螺紋銑削是運(yùn)用數(shù)控機(jī)床的三軸聯(lián)動功能及G02 或G03 數(shù)控螺旋插補(bǔ)指令，利用牙型為60°的螺紋銑刀進(jìn)行螺旋插補(bǔ)銑削而完成的，即刀具在水平面上每作一周圓周運(yùn)動， 在垂直面內(nèi)則直線移動一個螺距。

對于大直徑內(nèi)螺紋，其螺紋底孔一般也較大，由于大直徑的擴(kuò)孔鉆較難采購，為提高效率、節(jié)省成本，其螺紋底孔一般也采用銑削的方式進(jìn)行粗加工、并用鏜削的方式進(jìn)行精加工。大直徑內(nèi)螺紋的銑削加工具有以下優(yōu)點(diǎn)：

2.1 刀具應(yīng)用靈活，節(jié)省刀具成本

由于統(tǒng)一螺紋和米制螺紋的牙型角均為60°，螺紋銑刀切削刃角度也為60°，對于大直徑內(nèi)螺紋，在刀具60°成型刀加工深度允許的前提下，利用數(shù)控插補(bǔ)程序，統(tǒng)一把螺紋銑刀可切削不同規(guī)格、不同螺距的統(tǒng)一螺紋或米制螺紋；

2.2 刀具結(jié)構(gòu)簡單、強(qiáng)度高，降低切削風(fēng)險(xiǎn)

相對絲錐，螺紋銑刀在銑螺紋時(shí)，其螺距是靠數(shù)控插補(bǔ)程序保證的，所以螺紋銑刀結(jié)構(gòu)相對簡單，同時(shí)強(qiáng)度也高，不易損壞。用絲錐加工螺紋，切削力大，有時(shí)會折斷，堵塞螺紋孔，不易取出，甚至使零件報(bào)廢。

2.3 降低了機(jī)床的負(fù)荷

相對絲錐攻絲，螺紋銑削刀具切削力大幅減小，這對大直徑螺紋加工尤為重要，解決了機(jī)床負(fù)荷太大，無法驅(qū)動絲錐正常加工的問題。

3 刀具選用

螺紋銑刀一般由刀柄、刀桿、刀片組成，所選刀柄需與機(jī)床主軸聯(lián)接處相匹配。鑒于螺紋銑削主要由數(shù)控機(jī)床的螺旋插補(bǔ)運(yùn)動而完成，在選用刀具時(shí)，螺紋大徑一般不為考慮的重點(diǎn)，只要保證螺紋銑刀可輕松的伸至螺紋底孔內(nèi)即可。加工5.000-4 UN-2B內(nèi)螺紋所選銑刀直徑D為Φ50，在選用刀桿和刀片時(shí)應(yīng)注意以下原則：

3.1螺紋銑削的本質(zhì)為成型刀銑削，經(jīng)查詢標(biāo)準(zhǔn)，5.000-4 UN-2B內(nèi)螺紋的牙型角為60°，所以所選螺紋刀片的成型切削刃角度也應(yīng)為60°。

3.2所選刀片應(yīng)為可轉(zhuǎn)位、硬質(zhì)合金刀片，既適合于高速切削、高效率作業(yè)，又可提高螺紋加工表面的光潔度，在刀片失效或損壞后還可以進(jìn)行更換。

3.3所選刀桿應(yīng)可在其端部均布安裝3個刀片，同一刀盤上參與切削的刀片多，在機(jī)床轉(zhuǎn)速一定的情況下，可提高螺紋的加工精度。

銑螺紋用的刀具也可自行設(shè)計(jì)，但其制造精度要滿足工作的要求，為保證其牙廓尺寸精度和表面光潔度，盡可能地采用多刃結(jié)構(gòu)。

4 切削參數(shù)的計(jì)算

切削用量包括切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量，切削速度的選擇是由刀具和零件的材質(zhì)確定的。螺紋加工中的背吃刀量和走刀次數(shù)會直接影響螺紋的加工質(zhì)量。

4.1 背吃刀量

計(jì)算銑螺紋時(shí)單面切削總深度如下：

根據(jù)工件材質(zhì)、加工螺紋精度及所選刀具情況，擬采用6次走刀，第1～3次切削深度分別為0.8mm，第4次的切削深度分別為0.55mm，第5次切削深度為0.35mm，第6次切削深度為0.14mm。

4.2 主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度V

根據(jù)工件材質(zhì)、及所選刀具情況，在背吃刀量為0.35mm時(shí)，選定螺紋銑刀的切削速度為85m/min、銑削進(jìn)給量為0.1mm/齒，相關(guān)切削參數(shù)計(jì)算如下：

4.2.1 主軸轉(zhuǎn)速

4.2.2 銑刀切削刃處進(jìn)給速度V1

根據(jù)銑削進(jìn)給量、轉(zhuǎn)速及刀片數(shù)量，計(jì)算銑刀切削刃處進(jìn)給速度V1如下：

V1=nfZ=541×0.1×3=162.3mm/min

4.2.3 銑刀中心的進(jìn)給速度V

根據(jù)銑刀切削刃處進(jìn)給速度V1、螺紋大徑、刀具直徑，計(jì)算銑刀中心的進(jìn)給速度V如下：

V= V1（D0-D2）/D0=162.3×（127-50）/127=98.4 mm/min

以上為在背吃刀量為0.35mm時(shí)，螺紋銑削的切削用量，在背吃刀量變化時(shí)，按上述方法計(jì)算即可。

5 銑螺紋編程的注意事項(xiàng)

5.1 數(shù)控程序應(yīng)體現(xiàn)螺紋銑削的各個步驟，包括相對尺寸/絕對尺寸的確定、工作平面的選擇、工件零點(diǎn)的確定、刀具在銑螺紋前/后的運(yùn)動/加工軌跡、進(jìn)刀/退刀路徑、銑螺紋程序段、程序各運(yùn)行階段的主軸轉(zhuǎn)速和刀具進(jìn)給速度、切削液的控制、主軸的開關(guān)、刀具數(shù)據(jù)的調(diào)用、刀具補(bǔ)償、程序的停止指令等。并保證整個的加工過程中，刀具不應(yīng)與工夾具等干涉。

5.2 西門子840D系統(tǒng)的螺旋線插補(bǔ)編程指令可應(yīng)用于銑螺紋程序段，該螺旋線插補(bǔ)編程程序段為：G02 X- Y- Z- I- J- K- TURN= 。其中X- Y- Z-為直角坐標(biāo)的終點(diǎn)，I- J- K-為直角坐標(biāo)的圓心。TURN=為附加圓弧運(yùn)行次數(shù)。

結(jié)論

本文從螺紋銑刀選用、加工工藝流程、切削參數(shù)、數(shù)控編程等方面對內(nèi)螺紋銑削工藝進(jìn)行了分析， 總結(jié)出了一套合理的數(shù)控銑削內(nèi)螺紋工藝方案， 最終在數(shù)控銑床上加工出了該螺紋。通過對螺紋的實(shí)際檢測， 其精度和表面光潔度在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王宏剛，李艷輝，朱國超.螺紋銑削優(yōu)化策略及編程方法[J].金屬加工，2013（3）：52-53.

[2]甘永立.幾何量公差與檢測[M].北京：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2008：20.

[3]徐宏海，等.數(shù)控機(jī)床刀具及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[4]曾志新.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：武漢理工大學(xué)出版社，2006.

[5]于駿一，鄒青.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.