任务2　螺纹的加工与编程

2.1　任务引入

零件如图10-27所示，完成M30mm右旋内螺纹的铣削加工。工件材料为45钢，螺纹底孔直径D1=24 mm，螺纹直径D0=30 mm，螺纹长度L=20 mm，螺距p=1.5 mm。

2.2　工艺知识

螺纹铣削是通过主轴高速旋转并做圆弧插补的方式加工螺纹的。只要改变数控加工程序，就可以实现不同直径螺纹、左右旋螺纹及内外螺纹的加工，其柔性较为理想，见图10-28。

与传统螺纹加工方式相比，螺纹数控铣削加工在加工精度、加工效率方面具有极大优势，并且加工时不受螺纹结构和旋向的限制，一把螺纹铣刀可加工多种不同旋向的内、外螺纹。不允许有过渡扣或退刀槽的螺纹，采用传统的车削方法或丝锥、板牙很难加工，但采用数控铣削加工却容易实现。此外，螺纹铣刀的耐用度是丝锥的十多倍甚至数十倍，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。

1.螺纹铣削的优点主要有以下几点：

（1）一把螺纹铣刀可以加工直径不同、牙型相同的螺纹：如图10-29所示，M15×1.0、M18×1.0、M20×1.0的螺纹可以采用一把螺纹铣刀通过改变插补半径来加工，这样减少刀具数量、节省换刀时间、提高加工效率、方便刀具管理。

（2）提高螺纹精度，降低表面粗糙度数值：螺纹铣削是通过刀具高速旋转、主轴插补的方式加工完成的。其切削方式是铣削，切削速度高，加工出来的螺纹精度高且光滑。而丝锥切削速度低，并且切屑长，容易损坏内孔表面。

（3）内螺纹排屑方便：螺纹铣削属于断屑切削，切屑短小，并且加工刀具直径比加工螺纹孔小，因此排屑通畅。而丝锥属于成形连续切削，切屑很长，并且丝锥直径和加工孔一样大，因此排屑困难。

（4）可以避免丝锥反转形成的螺旋线：在密封要求高的情况下，螺纹是不允许带有螺旋线的。由于加工原理不同，螺纹铣刀加工根本不存在螺旋线，而丝锥攻丝则无法避免。

（5）不易形成黏附切屑的现象：质地比较软的材料在螺纹加工过程中容易产生黏附切屑现象。对于这样的材料，采用螺纹铣削时，由于工件高速旋转并且属于断屑切削，不易出现黏附切屑现象。而采用丝锥切削时，由于工件旋转速度低，全螺纹与加工表面作用容易造成黏附切屑现象。

（6）要求机床功率低：由于螺纹铣削是断屑切削，刀具局部接触，受切削力小，使用机床功率不高。而丝锥切削是全螺纹接触，作用力大，要求机床很大的功率。

（7）刀具折损容易处理：螺纹铣刀所受切削作用力小，很少发生折损现象，即使发生折断，由于加工孔径比刀具直径大，折断部分很容易取出。而丝锥受切削力大、排屑不畅，容易折断，折断后处理起来比较麻烦，如图10-30所示。

（8）底孔预留深度小：由于刀具本身的设计不同，螺纹铣刀可以用来加工平底螺纹（图10-31），丝锥加工螺纹的底孔预留深度比较大。

（9）可加工硬度较高的材质：螺纹铣削是断屑切削，铣刀局部受力、刀磨损较少、寿命较长。对于硬度大于50HRC的材料，丝锥加工相当困难，勉强使用时丝锥的寿命很短。

（10）减少工序，减少换刀次数：螺纹铣刀可以用于钻孔、倒角、锪面、扩孔、铣削螺纹等多种场合。

（11）同一把铣刀可加工左旋螺纹和右旋螺纹：螺纹铣刀加工左旋螺纹还是右旋螺纹完全取决于加工程序的设定。同时，利用一把螺纹铣刀也可加工内螺纹和外螺纹，目前VARGUS（瓦格斯）公司推出的螺纹铣削刀具可用于内、外螺纹的加工，见图10-32。

（12）生产效率高：对于大孔径螺纹加工更为明显，铣削线速度高，且可以采用多刀片刀盘，生产效率可以成倍增加，见图10-33。

2.螺纹铣削的不足 加工普通螺纹时，单从单件成本考虑，采用螺纹铣削并不划算。普通螺纹一般是指硬度小于50HRC、直径小于38mm的螺纹。普通丝锥一般为高速钢材料，市场价格低，然而螺纹铣刀是其价格的10倍以上，而其单件寿命无法达到丝锥的10倍以上。螺纹铣刀的长径比L/D不能太大，一般需要小于3。这是因为螺纹铣刀单边受力，长径比太大，螺纹会产生锥度，并且刀具容易折断。

3.两种工艺的选择 由于螺纹铣削是通过主轴高速旋转并配以螺旋插补来实现的，所以必须配备加工中心（至少三坐标轴联动）。如果加工设备落后，没有加工中心，就不适合使用螺纹铣削，只能选择丝锥。

大批量、普通硬度、一般大小的螺纹（D＜38 mm）采用丝锥加工更经济适用。但VARGUS公司生产的最小螺纹铣刀目前可加工M1.6 mm的螺纹，技术仍在不断改进，甚至可加工更小孔径的螺纹。另外，直径大于12mm的螺纹可以采用刀片式螺纹铣刀加工。大直径孔的螺纹（D＞38mm）适合采用螺纹铣削加工。

小批量螺纹加工也适合采用螺纹铣削。螺纹铣刀可以加工各种直径不同、螺纹相同的工件，可有效减少刀具数量。在螺纹不同的情况下，采用刀片式螺纹铣刀，只需要更换不同规格的刀片，就能加工各种各样的螺纹。

模具或者较大型零件的螺纹适合采用铣削。

复合孔（带倒角）同样适合采用螺纹铣削。

由于螺纹铣刀加工受力小，工件变形小，薄壁零件螺纹孔加工适合采用螺纹铣削。另外，螺纹孔底可以做成平底，螺纹可以接近底部，因此所需空间小。

由于螺纹铣削线速度高、排屑好，螺纹精度高及表面粗糙度数值小，螺纹精度要求较高的加工更适合采用螺纹铣削。

4.螺纹铣刀的主要类型

（1）圆柱螺纹铣刀：从外形上看很像是圆柱立铣刀与螺纹丝锥的结合体，但它的螺纹切削刃与丝锥不同，刀具上无螺旋升程，加工中的螺旋升程靠机床运动实现。由于这种特殊结构，该刀具既可加工右旋螺纹，也可加工左旋螺纹，但不适用于较大螺距螺纹的加工。

（2）机夹螺纹铣刀及刀片：适用于较大直径（D＞25mm）的螺纹加工。它的特点是刀片易于制造，价格较低，有的螺纹刀片可双面切削，但抗冲击性能较整体螺纹铣刀稍差。因此，这种刀具常推荐用于加工铝合金材料。机夹单刃铣刀及三角双面（梳状多齿）刀片如图10-34所示。

（3）组合式多工位专用螺纹镗铣刀：一刀多刃，一次完成多工位加工，可节省换刀等辅助时间，显著提高生产效率。

5.螺纹铣削轨迹螺纹铣削运动轨迹为一条螺旋线，可通过数控机床的三轴联动实现。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，这样铣刀只需要旋转360°就可完成螺纹加工。螺纹铣刀加工右旋内螺纹孔的轨迹分析见图10-35。(www.daowen.com)

2.3　编程指令

螺纹切削指令运用的是G02指令或G03指令，其切削参数的计算如图10-36所示。

螺纹铣削相关参数的计算如下：

主轴转速n=1000v/（πD₂），单位为r/min。其中v为铣刀旋转运动的线速度，单位为mm/min。

每转进给量f=Zf_Z表示铣刀每转一周时工件相对于铣刀移动的距离，单位为mm/r。

进给速度v_f=fn=nZf_Z表示铣刀切削刃某点相对于工件的进给速度，单位为mm/min。

铣刀中心进给速度v₀=v_f（D₀-D₂）/D₀，表示铣刀中心在每分钟内相对于工件移动的距离，单位为mm。

如图10-36所示，设安全距离为C_L，切入圆弧半径为R_e，在△OO₁E中列方程（R_o-R_e）²+（R_i-C_L）²=R²_e，推导得到R_e=[（R_i-C_L）²+R²_o]/2R_o。

由∠OO₁E=arcsin[（R_i-C_L）/R_e]得切入圆弧角度B=180°-arcsin[（R_i-C_L）/R_e]，切入圆弧时Z轴位移Z_A=PB/360°。切入圆弧起始点坐标为X=0，Y=-R_i+C_L, Z=-（L+Z_A）。

底孔直径=公称尺寸-（1.05～1.1）p，这里取1.08，其中p为螺距。当加工外螺纹时，在公称尺寸上加（1.05～1.1）p。

2.4　任务实施

如图10-27所示，右旋螺纹，底孔直径Di=28.38mm，螺纹直径D0=30mm，螺纹长度L=20mm，螺距p=1.5mm，机夹铣刀直径D₂=19mm，铣削方式为顺铣，切削线速度v=150mm/min，铣刀齿数Z=1，每齿进给量f_Z=0.1mm，安全距离C_L=0.5mm。

螺纹铣削相关参数计算如下：

n=1000v/（πD₂）=2514.25r/min。

v_f=nZf_Z=251.425mm/min.

v₀=v_f（D₀-D₂）/D₀=92.19mm/min.

R_e=[（R_i-R_L）²+R²_o]/2R_o=13.747mm.

B=180°-arcsin[（R_i-C_L）/R_e]=95.18°（可近似取为90°）。

切入圆弧起始点坐标X=0，Y=-R_i+C_L=-13.69mm, Z=-（L+Z_A）=-20.397 mm。

运用HNC—18i/19i数控系统相关编程指令编制图10-27所示内螺纹加工程序如下：

%0000

N10 G90 G00 G57 X0 Y0； 刀具运动到孔的中心

N20 G43 H10 Z0 M0 3S2514.25； 在Z轴方向上建立刀具长度补偿

N30 G91 G00 X0 Y0 Z-20.397； 增量编程刀具到X、Z轴方向上的起点

N40 G41 D60 X0 Y-13.69Z0； 刀具到Y轴方向上的起点并建立半径补偿

N50 G03 X15 Y13.69 Z0.397 R13.747 F92.19； 沿曲线切入工件

N60 G03 X0 Y0 Z1.5 I-15 J0； 切削螺纹

N70 G0 3X-15 Y13.69 Z0.397 R13.747； 沿曲线切出工件

N80 G00 G40 X0 Y-13.69 Z0； 取消刀具半径补偿

N90 G49 G57 G00 Z200 M05； 取消刀具长度补偿

N100 M30； 程序结束