大直径内螺纹的铣削加工研究

林法振 孙文

摘 要：為解决大直径内螺纹在加工中遇到的丝锥采购成本高、对机床负荷要求高、加工表面光洁度低、切削速度低、生产效率低等问题，根据机械加工原理，本文介绍了一种数控铣削螺纹的加工工艺方法，包括螺纹结构分析、螺纹铣刀选用、加工工艺流程、切削用量、数控编程等。经实践证明，数控铣削螺纹效率高、精度高，并可节省一定的成本。

关键词：大直径内螺纹；铣削；数控

中图分类号：TH161 文献标志码：A

0 引言

内螺纹的加工常用方法一般为车削或攻丝，但对于大型、非圆零件的大直径内螺纹加工，在车床上一般需要复杂装夹和重力平衡，对装夹工艺系统要求较高，如若采用攻丝的方法，则需定制大直径丝锥，成本高，并且加工表面光洁度不好，对机床的功率和刚性也要求较高。为减小工艺难度、节省成本，可考虑在数控铣床上加工该螺纹，零件不动，螺纹铣刀旋转，避免了复杂装夹，同时也提高了生产效率。根据内螺纹数控铣削原理，在刀片加工深度允许的情况下，同一把刀具可加工多种规格的米制螺纹和美制统一螺纹，可为生产厂家节省一定的刀具成本。本文通过某机械设备用5.000-4 UN-2B内螺纹的铣削加工，总结了一套数控铣削内螺纹的制造方法。

1 螺纹介绍

本文所介绍的5.000-4 UN-2B内螺纹，螺纹深度为230mm，工件外形不规则，不利于车床装夹。另该工件材质为合金结构钢，螺纹的表面光洁度要求为Ra3.2μm。

5.000-4 UN-2B内螺纹为美制统一螺纹，执行标准为ASME B1.1-2003，经查询标准，该螺纹牙型角为60°，螺纹大径为5英寸（127mm），每英寸（25.4mm）的螺纹牙数为4。螺距P为6.35mm（25.4÷4），螺纹小径为120.126mm，螺纹中径为D2=122.875mm。

2 大直径内螺纹的数控铣削加工原理

螺纹铣削是运用数控机床的三轴联动功能及G02 或G03 数控螺旋插补指令，利用牙型为60°的螺纹铣刀进行螺旋插补铣削而完成的，即刀具在水平面上每作一周圆周运动， 在垂直面内则直线移动一个螺距。

对于大直径内螺纹，其螺纹底孔一般也较大，由于大直径的扩孔钻较难采购，为提高效率、节省成本，其螺纹底孔一般也采用铣削的方式进行粗加工、并用镗削的方式进行精加工。大直径内螺纹的铣削加工具有以下优点：

2.1 刀具应用灵活，节省刀具成本

由于统一螺纹和米制螺纹的牙型角均为60°，螺纹铣刀切削刃角度也为60°，对于大直径内螺纹，在刀具60°成型刀加工深度允许的前提下，利用数控插补程序，统一把螺纹铣刀可切削不同规格、不同螺距的统一螺纹或米制螺纹；

2.2 刀具结构简单、强度高，降低切削风险

相对丝锥，螺纹铣刀在铣螺纹时，其螺距是靠数控插补程序保证的，所以螺纹铣刀结构相对简单，同时强度也高，不易损坏。用丝锥加工螺纹，切削力大，有时会折断，堵塞螺纹孔，不易取出，甚至使零件报废。

2.3 降低了机床的负荷

相对丝锥攻丝，螺纹铣削刀具切削力大幅减小，这对大直径螺纹加工尤为重要，解决了机床负荷太大，无法驱动丝锥正常加工的问题。

3 刀具选用

螺纹铣刀一般由刀柄、刀杆、刀片组成，所选刀柄需与机床主轴联接处相匹配。鉴于螺纹铣削主要由数控机床的螺旋插补运动而完成，在选用刀具时，螺纹大径一般不为考虑的重点，只要保证螺纹铣刀可轻松的伸至螺纹底孔内即可。加工5.000-4 UN-2B内螺纹所选铣刀直径D为Φ50，在选用刀杆和刀片时应注意以下原则：

3.1螺纹铣削的本质为成型刀铣削，经查询标准，5.000-4 UN-2B内螺纹的牙型角为60°，所以所选螺纹刀片的成型切削刃角度也应为60°。

3.2所选刀片应为可转位、硬质合金刀片，既适合于高速切削、高效率作业，又可提高螺纹加工表面的光洁度，在刀片失效或损坏后还可以进行更换。

3.3所选刀杆应可在其端部均布安装3个刀片，同一刀盘上参与切削的刀片多，在机床转速一定的情况下，可提高螺纹的加工精度。

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光洁度，尽可能地采用多刃结构。

4 切削参数的计算

切削用量包括切削速度、背吃刀量、进给量，切削速度的选择是由刀具和零件的材质确定的。螺纹加工中的背吃刀量和走刀次数会直接影响螺纹的加工质量。

4.1 背吃刀量

计算铣螺纹时单面切削总深度如下：

根据工件材质、加工螺纹精度及所选刀具情况，拟采用6次走刀，第1～3次切削深度分别为0.8mm，第4次的切削深度分别为0.55mm，第5次切削深度为0.35mm，第6次切削深度为0.14mm。

4.2 主轴转速n、进给速度V

根据工件材质、及所选刀具情况，在背吃刀量为0.35mm时，选定螺纹铣刀的切削速度为85m/min、铣削进给量为0.1mm/齿，相关切削参数计算如下：

4.2.1 主轴转速

4.2.2 铣刀切削刃处进给速度V1

根据铣削进给量、转速及刀片数量，计算铣刀切削刃处进给速度V1如下：

V1=nfZ=541×0.1×3=162.3mm/min

4.2.3 铣刀中心的进给速度V

根据铣刀切削刃处进给速度V1、螺纹大径、刀具直径，计算铣刀中心的进给速度V如下：

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

以上为在背吃刀量为0.35mm时，螺纹铣削的切削用量，在背吃刀量变化时，按上述方法计算即可。

5 铣螺纹编程的注意事项

5.1 数控程序应体现螺纹铣削的各个步骤，包括相对尺寸/绝对尺寸的确定、工作平面的选择、工件零点的确定、刀具在铣螺纹前/后的运动/加工轨迹、进刀/退刀路径、铣螺纹程序段、程序各运行阶段的主轴转速和刀具进给速度、切削液的控制、主轴的开关、刀具数据的调用、刀具补偿、程序的停止指令等。并保证整个的加工过程中，刀具不应与工夹具等干涉。

5.2 西门子840D系统的螺旋线插补编程指令可应用于铣螺纹程序段，该螺旋线插补编程程序段为：G02 X- Y- Z- I- J- K- TURN= 。其中X- Y- Z-为直角坐标的终点，I- J- K-为直角坐标的圆心。TURN=为附加圆弧运行次数。

结论

本文从螺纹铣刀选用、加工工艺流程、切削参数、数控编程等方面对内螺纹铣削工艺进行了分析， 总结出了一套合理的数控铣削内螺纹工艺方案， 最终在数控铣床上加工出了该螺纹。通过对螺纹的实际检测， 其精度和表面光洁度在标准要求范围内，满足产品的技术要求。

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