螺纹铣削工艺与编程研究

□ 邓集松

中国空空导弹研究院 河南洛阳 471009

1 螺纹加工问题

目前,零件螺纹加工采用传统车削或利用丝锥、板牙手工加工已无法满足生产需要。车削螺纹时无退刀槽,车刀无法退刀。手攻大直径螺纹丝容易造成丝锥折断,丝锥攻丝无法加工出有一定深度的螺纹。

螺纹加工在实际生产中还存在一些问题。

小直径螺纹公差小,特别是软铝材料,用攻丝的方法,加工效率较低,排屑困难,容易产生粘屑,造成烂牙,导致螺纹加工不合格。

细牙螺纹、英制螺纹、锥螺纹等用丝锥加工,需要购买或定制专用丝锥,通用性差,难以控制质量,生产效率低,成本较高。

采用螺纹铣削方法加工螺纹不易形成粘屑,具有加工精度高、加工效率高、刀具通用性好等优点,对于解决生产瓶颈具实用价值和推广价值。

2 螺纹铣削原理

螺纹铣削原理为:基于加工中心具有三轴联动实现螺旋插补的功能,螺纹铣刀周向和轴向同时进给,通过插补的方法加工出螺纹。在螺纹铣削过程中,圆周运动产生螺纹直径,同步的直线运动产生螺距。

3 常用螺纹铣刀

在螺纹铣削中,常用的螺纹铣刀是整体式螺纹铣刀,适用于小直径螺纹的铣削。整体式螺纹铣刀可以分为全齿螺纹铣刀、三齿螺纹铣刀、单齿螺纹铣刀。

对于全齿螺纹铣刀和三齿螺纹铣刀,铣刀刀刃上有多个螺纹加工齿,刀具螺旋运动一周便可以加工出多个螺纹齿,加工效率高,缺点是只能加工出与刀片齿形相同的螺距,所以又称为定螺距螺纹铣刀。

单齿螺纹铣刀结构像内螺纹车刀,只有一个螺纹加工齿,可以加工相同齿形任意螺距的螺纹,一个螺旋运动只能加工一个螺纹齿,切削效率低。

4 螺纹铣削方式与进刀方式

在加工螺纹前,先要确定螺纹的加工方向。右旋螺纹的加工方向是沿向右上升的螺旋线形成螺纹,左旋螺纹则相反。螺纹的加工方向决定螺纹加工采用顺铣还是逆铣,可以用左右刀补的方法来判别。

螺纹铣削的进刀方式主要有三种。

(1) 径向直线进刀法。径向直线进刀切入,方法简单。当铣刀刀齿切入到螺纹齿底时,铣刀刀齿与螺纹切削面接触面积增大,容易产生振动,刀具在铣切到螺纹底径后退回时有停顿,螺纹表面会有痕迹,影响加工螺纹的精度和表面粗糙度。

(2) 圆弧进刀法。铣刀刀齿圆滑平稳切入切出,不会引起切削振动,不留刀痕,加工的螺纹质量好,只是螺纹铣削编程复杂一些,适合内外螺纹铣削。铣削内螺纹时,切入切出圆弧半径小于1/2螺纹大径。铣削外螺纹时,切入切出圆弧半径大于1/2螺纹小径。

(3) 切向进刀法。比较简单,切入比较平稳,不易引起切削振动,但只适合铣削外螺纹。

5 螺纹铣刀铣削螺纹特点

5.1 单齿螺纹铣刀铣削螺纹特点

单齿螺纹铣刀铣削螺纹是建立在螺旋式下刀方法基础上的加工方式,铣削螺纹原理为:螺纹铣刀每铣削一周,刀具在Z轴方向上移动一个导程,单线时为一个螺距。同一把螺纹铣刀既可以铣削左旋螺纹,又可以铣削右旋螺纹;既可以铣削内螺纹,又可以铣削外螺纹;与此同时,不受螺距和螺纹规格的影响。

单齿螺纹铣刀铣削程序编写的实质是将一个导程的螺旋线编写为一个子程序,通过反复调用螺旋线子程序进行加工,即可完成整个螺纹的铣削加工。利用这一方法加工螺纹,不受铣刀螺距和螺纹规格等参数的影响,所以在数控铣床和加工中心上应用广泛。

5.2 多齿螺纹铣刀铣削螺纹特点

采用多齿螺纹铣刀铣削时,一般的加工深度可以一次加工完成,如果要求分多次铣削,那么只要修改螺纹铣刀半径补偿值就可以完成。同一把螺纹铣刀既可以铣削左旋螺纹,又可以铣削右旋螺纹,同时可以铣削内外螺纹。

多齿螺纹铣刀铣削加工时效率非常高,程序编写也非常简单,编程的原理为:螺纹铣刀在XOY平面导入或导出1/4 周,正式加工螺纹一周;在Z轴方向导入或导出1/4周,刀具运行1/4螺距;正式加工螺纹一周时,刀具在Z轴方向上移动一个螺距。通过保证多齿螺纹铣刀上的每个有效刀齿同时参与铣削,完成整个螺纹的铣削加工。

多齿螺纹铣刀加工螺纹的特点体现在选择铣刀的螺距上,当要求加工指定螺距的螺纹时,必须选择相对应的螺纹铣刀。同时,这一方法受铣刀螺距和螺纹规格等因素的影响。由于加工效率高,这一方法在数控铣床和加工中心上应用广泛。

6 通用螺纹铣削程序开发

为了简化螺纹铣削程序的编制,方便修改刀具补偿参数,避免出错,提高加工螺纹的合格率和加工效率,笔者开发了西门子系统和发那科系统通用螺纹铣削程序。

6.1 西门子系统程序

笔者开发的西门子系统通用螺纹铣削程序如下,程序中R1、R2、R3、R8、R10依次为公称直径、螺距、螺纹深度、进给速度、退刀距离。

G0 X0 Y0

G0 Z=R2

R9=0

R11=TRUNC(R3/R2)//螺纹圈数

R12=R3+R2-R2*R11//剩余深度

R13=1-R12/R2

R14=360*R13//剩余角度

G1 G42 X=R1/2 F=R8

TL1:

G2 X=R1/2 Y0 Z=-R9 I=-R1/2 J0

IF R9>=R3-R2 GOTOF LU2

R9=R9+R2

GOTOB LU1

TL2:

G2 X=(R1/2)*COS(R14) Y=(R1/2)*SIN(R14) Z=-R3 I=-R1/2 J0

G1 G40 X0 Y0

G0 Z=R10

在实际使用时,将以上开发的程序做成子程序存入西门子系统,方便铣削通用螺纹时调用。

6.2 发那科系统程序

笔者开发的发那科系统通用螺纹铣削程序如下,程序中#1、#2、#3、#8、#10依次为公称直径、螺距、螺纹深度、进给速度、退刀距离。

G0 X0 Y0

G0 Z#2

#9=0

#11=FIX[#3/#2]//螺纹圈数

#12=#3+#2-#2*#11//剩余深度

#13=1-#12/#2

#14=360*#13//剩余角度

G1 G42 X#1/2 F#8

WHILE[#9LT#3-#2]DO1//如果#9<#3-#2,那么循环1继续

G2 X#1/2 Y0 Z-#9 I-#1/2 J0

#9=#9+#2

END1//循环结束

G2X[#1/2*COS[#14]]Y[#1/2*SIN[#14]] Z-#3 I-#1/2 J0

G1 G40 X0 Y0

G0 Z#10

在实际使用时,将以上开发的程序做成子程序存入发那科系统,方便铣削通用螺纹时调用。

7 锥螺纹铣削程序开发

锥螺纹铣削程序的编写较为麻烦,编程容易出错。为了简化锥螺纹铣削程序的编写,提高加工效率,笔者开发了西门子系统与发那科系统锥螺纹铣削程序。

7.1 西门子系统程序

笔者开发的西门子系统锥螺纹铣削程序如下,程序中R1、R2、R7、R9、R10、R17、R18、R26依次为螺纹锥度角、螺纹顶面Z轴方向坐标、螺纹起始点大端直径、进给速度、退刀距离、螺距、刀具半径、螺纹深度Z轴方向坐标。

G0 X0 Y0

G0 Z#2

R3=R7/2-R18//起始点刀心回转半径初始值

R4=TAN(R1)//锥度角正切值,以单边计算

R5=R17*R4//一个螺距所对应的半径变化量

R6=R3+R26*R4//螺纹底部小端半径

G00 X=R3 Y0//移动到起始点上方

Z=(R2+1)//下降到Z#2面以上1 mm处

G01 Z=R2 F=R9//进给到Z#2面

ZL1:

G91G02X=-R5I=-R3Z=-R17F=R9//G02螺旋加工至下一层,实际轨迹为圆锥插补

R3=R3-R5//刀心回转半径依次递减#5

IF R3<=R6 GOTOF LU2//如果#3≤#6,那么循环继续

GOTOB LU1

ZL2:

G90G01 X0Y0//回到中心

G0 Z#10//退刀到安全高度

在实际使用时,将以上开发的程序做成子程序存入西门子系统,方便铣削锥螺纹时调用。

7.2 发那科系统程序

笔者开发的发那科系统锥螺纹铣削程序如下,程序中#1、#2、#7、#9、#10、#17、#18、#26依次为螺纹锥度角、螺纹顶面Z轴方向坐标、螺纹起始点大端直径、进给速度、退刀距离、螺距、刀具半径、螺纹深度Z轴方向坐标。

G0 X0 Y0

G0 Z#2

#3=#7/2-#18//起始点刀心回转半径初始值

#4=TAN[#1]//锥度角正切值,以单边计算

#5=#17*#4//一个螺距所对应的半径变化量

#6=#3+#26*#4//螺纹底部小端半径

G00 X#3 Y0//移动到起始点上方

Z[#2+1]//下降到Z#2面以上1 mm处

G01 Z#2 F#9//进给到Z#2面

WHILE[#3GT#6]DO1//如果#3>#6,那么循环1继续

G91G02X-#5I-#3Z-#17F#9//G02螺旋加工至下一层,实际轨迹为圆锥插补

#3=#3-#5//刀心回转半径依次递减#5

END1//循环结束

G90G01 X0Y0//回到中心

G0 Z#10//退刀到安全高度

在实际使用时,将以上开发的程序做成子程序存入发那科系统,方便铣削锥螺纹时调用。

8 结束语

在数控铣床或加工中心上采用三轴联动机床进行螺纹铣削加工,可以解决小直径螺纹和特殊螺纹加工效率低、加工质量不稳定等问题。笔者总结了螺纹铣削的工艺和编程方法,开发了螺纹铣削程序。螺纹铣削改变了传统的螺纹加工方法,提高了产品质量和加工效率,为螺纹加工提供了新的加工思路。