錐螺紋數(shù)控銑削加工

李 旭 羅 霞 胡麗萍 王卓南

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

錐螺紋數(shù)控銑削加工

李 旭 羅 霞 胡麗萍 王卓南

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章通過對錐螺紋數(shù)學模型分析，并通過實際加工實踐，采用先進的銑削工具及加工方法代替了傳統(tǒng)的攻絲方式。在保證加工質(zhì)量的同時，有效地解決了錐螺紋加工的刀具成本高及大規(guī)格螺紋攻絲困難的難題。

錐螺紋；銑削

0 引言

在Siemens 編程系統(tǒng)中， 只有針對普通螺紋的銑削固定循環(huán)指令即CYCLE90， 而在實際加工中，會碰到很多帶錐度螺紋的加工， 如： R/RC螺紋、NPT螺紋等。 常用的加工方法是用專用錐度鉸刀、螺紋絲錐配合加工出螺紋，即一種規(guī)格螺紋必須配備一套鉸刀及絲錐，公司產(chǎn)品的復雜及多樣性決定了要采購大量的不同規(guī)格的絲錐及鉸刀，無形中增加了制造成本。能否找到一種簡單、有效、經(jīng)濟的方法來解決這種少量、非標的螺紋加工就成了工程技術(shù)人員急需解決的難題。

1 螺紋加工簡介

傳統(tǒng)的螺紋加工方法主要采用螺紋車刀車削螺紋或采用絲錐、板牙手工攻絲及套扣。隨著數(shù)控機床的普及，螺紋銑削加工技術(shù)在機械制造業(yè)的應用越來越多。螺紋銑削是通過數(shù)控機床的三軸聯(lián)動，利用螺紋銑刀進行螺旋插補銑削而形成螺紋，刀具在水平面上每做一周圓周運動，在垂直面內(nèi)則直線移動一個螺距。螺紋銑削具有加工效率高、螺紋質(zhì)量高、刀具通用性好、加工安全性好等諸多優(yōu)點。

螺紋銑削加工與傳統(tǒng)螺紋加工方式相比，在加工精度、加工效率方面具有極大優(yōu)勢，且加工時不受螺紋結(jié)構(gòu)和螺紋旋向的限制，如一把螺紋銑刀可加工多種不同旋向的內(nèi)、外螺紋。對于不允許有過渡扣或退刀槽結(jié)構(gòu)的螺紋，采用傳統(tǒng)的車削方法或絲錐、板牙很難加工，但采用數(shù)控銑削卻很容易實現(xiàn)。此外，螺紋銑刀的耐用度是絲錐的十多倍甚至數(shù)十倍，而且在數(shù)控銑削螺紋過程中，對螺紋直徑尺寸的調(diào)整極為方便，這是采用絲錐、板牙難以做到的。由于螺紋銑削加工的諸多優(yōu)勢，目前世界上的大批量螺紋生產(chǎn)已廣泛地采用了銑削工藝。

螺紋銑刀的主要類型有：

（1）圓柱螺紋銑刀

圓柱螺紋銑刀的外形很像是圓柱立銑刀與螺紋絲錐的結(jié)合體，但它的螺紋切削刃與絲錐不同，刀具上無螺旋升程，加工中的螺旋升程靠機床運動實現(xiàn)。由于這種特殊結(jié)構(gòu)，使該刀具既可加工右旋螺紋，也可加工左旋螺紋，但不適用于較大螺距螺紋的加工。

（2）機夾螺紋銑刀及刀片

機夾螺紋銑刀適用于較大直徑 （如D＞25mm）的螺紋加工。其特點是刀片易于制造，價格較低，有的螺紋刀片可雙面切削，但抗沖擊性能較整體螺紋銑刀稍差。

（3）組合式多工位專用螺紋鏜銑刀

組合式多工位專用螺紋鏜銑刀的特點是一刀多刃，一次完成包括螺紋底孔、孔口倒角、螺紋銑削等多工位加工，可節(jié)省換刀等輔助時間，顯著提高生產(chǎn)率。主要適用于大批量同規(guī)格螺紋加工。

2 錐螺紋加工

2.1 錐螺紋

錐螺紋一般也叫錐管螺紋，主要用于管路等流體密封場合的一種螺紋，因為其螺紋帶有錐度，所以越擰越緊，從而實現(xiàn)密封。

錐螺紋的規(guī)格主要包括： 用于密封的55°管螺紋 （R、 Rc、 Rp）； 非密封用的55°管螺紋 （G）；60°圓錐管螺紋 （NPT）； 米制錐螺紋 （ZM）。 其中比較常見的是R/Rc及NPT類型的螺紋。 NPT螺紋示意圖見圖1。

圖1 NPT螺紋示意圖

2.2 錐螺紋加工方式

2.2.1 攻絲方式及刀具選擇

傳統(tǒng)的錐管螺紋加工流程是：鉆孔—擴孔—鉸錐孔—攻絲。對于大規(guī)格的螺紋或不常用的螺紋，按傳統(tǒng)的加工方式必須采購專用配套絲錐，無論從準備時間還是加工成本上都存在很大的困難； 并且對于3" 以上的大規(guī)格螺紋， 絲錐攻絲很困難。

2.2.2 車削方式及刀具選擇

螺紋車削是利用工件回轉(zhuǎn)運動，刀具沿著螺紋軸向進給運動形成螺紋，即工件沿著軸線每轉(zhuǎn)動一周，刀具則沿著軸線方向進給一個螺紋導程。按螺紋形式分為內(nèi)螺紋車削 （見圖2）和外螺紋車削 （見圖3）。 按螺紋刀具形式可分為螺紋梳刀（見圖4）、 螺紋車刀 （見圖5）。

圖2 內(nèi)螺紋車削

圖3 外螺紋車削

圖4 螺紋梳刀

圖5 螺紋車刀

2.2.3 銑削方式及刀具選擇

螺紋銑削是采用工件靜止不動，刀具在沿著螺紋軸線做回轉(zhuǎn)運動的同時沿著軸線進給，即刀具每轉(zhuǎn)動一周，刀具同時沿著軸向進給一個螺紋導程。 按螺紋形式分為外螺紋銑削 （見圖6）和內(nèi)螺紋銑削 （見圖7）。 按螺紋刀具形式可分為螺紋旋風銑刀 （見圖8）、 螺紋旋風梳齒刀 （見圖9）。

圖6 外螺紋銑削

圖7 內(nèi)螺紋銑削

圖8 螺紋旋風銑刀

圖9 螺紋旋風梳齒刀

目前常用的錐螺紋銑削方法如下：

（1）采用加工錐螺紋的專用刀桿與刀片， 這種刀片上帶有多個螺紋切削齒，刀具沿螺旋線加工一周即可一次加工出多個螺紋齒，如用一把有5個2mm螺紋切削齒的銑刀， 沿螺旋線加工一周就可加工出5個螺紋深度10mm的螺紋齒。 為了進一步提高加工效率，可選用多刃機夾式螺紋銑刀。通過增加切削刃數(shù)量，可顯著提高進給率，但分布于圓周上的每個刀片之間的徑向和軸向定位誤差會影響螺紋加工精度。在選用機夾式螺紋銑刀時，應根據(jù)被加工螺紋的直徑、深度和工件材料等因素， 盡量選用直徑較大的刀桿 （以提高刀具剛性）和適當?shù)牡镀馁|(zhì)。機夾式螺紋銑刀的螺紋加工深度由刀桿的有效切削深度決定。由于刀片長度小于刀桿的有效切削深度，因此當被加工螺紋深度大于刀片長度時需要分層進行加工。

（2）采用整體式螺紋銑刀加工錐螺紋。 此類刀具剛性較好，特別是帶螺旋槽的整體式螺紋銑刀，在加工高硬度材料時可有效降低切削負荷，提高加工效率。整體式螺紋銑刀的切削刃上布滿螺紋加工齒，沿螺旋線加工一周即可完成整個螺紋加工，無需像機夾式刀具那樣分層加工，因此加工效率較高，但價格也相對較貴。

3 錐螺紋銑削

通過對比錐螺紋銑削方式，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有銑削方式從加工刀具本質(zhì)上都是一致的，即都是采用多齒加工方式，螺紋一次成型，它們的加工效率都非常高，但相應的刀具成本也高。這種加工方式適用于大批量、同種類螺紋的加工。由于工廠沒有購置這種類型的螺紋銑削刀具，重新采購存在制造成本增高和制造周期來不及的問題。怎樣利用工廠現(xiàn)有加工刀具來解決非標規(guī)格錐螺紋的加工？為此，想到了采用單齒螺紋銑刀銑削加工的方式來解決少量、非標螺紋的加工難題。

3.1 原理分析

根據(jù)現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，攻絲已經(jīng)不是螺紋加工的唯一選擇，螺紋銑削的優(yōu)勢也更加明顯，例如：用同樣一把螺紋銑刀，可以解決相同牙型，不同螺距、不同大小徑的多種規(guī)格螺紋加工，可以解決攻絲排屑難的問題，可以讓完整螺紋更加接近盲孔的底部， 可以加工硬度達到HRC60的材料，可以輕松地加工大規(guī)格螺紋，可以在非標螺紋加工中一顯身手等。

根據(jù)錐度螺紋的數(shù)學模型 （見圖10）， 將螺紋在笛卡爾坐標系中分解，實際上就是一個動點繞著一根定線即螺紋軸線的運動，該運動可以分解成兩個 運動 。 在X Y平 面內(nèi)是 圓周 運動 ， 在Y Z平面內(nèi)是一個直線運動，即螺紋半徑隨著螺紋升角的增加而加大。而普通公制螺紋半徑是恒定的，不隨角度變化 （見圖11）。 所以只要找出螺紋動點當前角度和螺紋動點當前半徑的數(shù)學關系，銑削錐度螺紋就能夠?qū)崿F(xiàn)。 從圖12中可以看出， 整個螺紋的圓周半徑變化值=大端半徑-小端半徑， 螺紋升角每增加1°半徑變化值=動點瞬時半徑值=小端半徑+牙型高度+角度每變化1°半徑變化值×動點當前角度，其中的變化值其實就是動點當前角度。

通過以上分析可以看出，錐螺紋銑削對機床的要求不外乎就是三軸能夠聯(lián)動，重要的是各可控軸系統(tǒng)的增溢要匹配，即在聯(lián)動的時候不會出現(xiàn)臺階狀或橢圓狀，影響螺紋質(zhì)量。由于銑削螺紋時，去除金屬量小，對機床的功率要求不是很高，即小功率的加工中心一樣能夠加工大規(guī)格的螺紋，但為了提高加工效率，減少吃刀量的同時并提高轉(zhuǎn)速，這就對數(shù)控機床的性能提出了更高的要求。

圖10 錐螺紋數(shù)學模型

圖11 普通螺紋數(shù)學模型

圖12 錐螺紋

3.2 RC 3 1/2" 螺紋銑削加工實例

公司引進的三菱燃氣輪機進氣缸軸承座上有少量的RC 3 1/2" 螺紋， 材料為FCD450 （球墨鑄鐵）， 該螺紋就是不推薦使用的僅僅用于蒸汽機的螺紋規(guī)格，按照傳統(tǒng)的加工方式就必須要采購專用配套絲錐，無論從準備時間還是加工成本上都存在很大的困難； 并且對于3" 以上大規(guī)格螺紋，絲錐攻絲很困難，也無法采用車削方式解決。

要解決這些問題，并利用現(xiàn)有的刀具及設備，就只有改變加工方式，利用螺紋銑削加工。此前也有人提出用PRO/E三維建模做一個錐度螺紋模型，再用專業(yè)軟件進行后置處理生成程序，從原理上看這也是可行的，但是大家要知道，螺紋的造型是非常復雜的，特別是螺尾的生成。最終還是選擇了手工編制專用參數(shù)化程序進行螺紋銑削加工。由于螺紋銑削的時候作用在刀具的切削力是不平衡的， 當加工長徑比大于3倍的深孔時， 刀桿會發(fā)生彎曲，甚至折斷。在本例中，孔的深度沒有超過該限制。為此，制定了新的工藝流程，將該RC內(nèi)螺紋的加工封閉在數(shù)控鏜床上。

3.2.1 前期準備

（1）設計專用刀具、 量具。①錐管鉸刀 （見圖13）。②底孔塞規(guī) （見圖14）。

圖13 錐管鉸刀 Rc 3 1/2"

圖14 圓錐管螺紋底孔塞規(guī)Rc 3 1/2"

（2）設計錐螺紋銑削參數(shù)化數(shù)控程序。

M06 T1 D1； 螺紋銑刀

DEFREALR1， R2， R3……， R10； 定義參數(shù)

R1=22 ； 136.5/6.35 取整 （銑削圈數(shù)）

R2=3.743 ； 牙型高度

R3=6.35 ； 螺距

R4=171.235 ； 大端直徑

R5=136.5 ； 螺紋深度

R6=(R4-R7)/2 ； 小端半徑

R7=R5*0.25

R8=R3/360/8 ； 半徑在角度每變化1°時候的變化值

R9=0.5 ； 角度

R10=R6+R2+R8*R9 ； 半徑

G00 G54 G90 G17 S F Z50

G00 X0 Y0

Z5

TRANSZ=-R5

G01 Z0 F ； 到有效螺紋深度處

G01 G41 X= （R6+R2）/2 Y= （R6+R2）/2 F

G03 X0 Y=R6+R2 CR= （R6+R2）/2 F

WHILER9＜=R1*360

G01 X=-R10*SIN （R9）Y=R10*COS （R9）

Z=R3/360×R9

R9=R9+0.5

R10=R6+R2+R8*R9

ENDWHILE

G00 G40 X0 Y0

M05

TRANS

G00 Z50

M06 T0 D0

M30

（3）試驗件準備。

規(guī)格為500×500mm的方箱，材料為ZGQ235-B。

（4）刀具準備見表1。

（5）量具準備見表2。

3.2.2 工藝流程設計及切削參數(shù)制定

工藝流程設計及切削參數(shù)見表3。

表1 試驗所用的刀具

表2 試驗所用的量具

表3 工藝流程設計及切削參數(shù)

圖15 螺紋效果圖

圖16 塞規(guī)檢驗螺紋

3.2.3 結(jié)論

銑削加工的Rc 3 1/2" 錐管螺紋通過專用螺紋塞規(guī)檢查，合格。有效地解決了目前錐管螺紋加工僅依靠攻絲加工的單一手段，極大地減少了對專用絲錐的依賴，避免了攻絲加工中可能出現(xiàn)的爛牙問題，保證能夠一次有效地加工出合格螺紋。

采用單齒螺紋銑刀并結(jié)合參數(shù)化的數(shù)控銑削程序完全能夠?qū)崿F(xiàn)錐管螺紋的加工。但由于加工方式的限制，相比攻絲方式和螺紋梳齒銑削方式，加工時間增加，該方式不適合大批量生產(chǎn)，僅適合單件或小批量產(chǎn)品的加工。

4 應用前景

利用該參數(shù)化數(shù)控錐度螺紋銑削程序，可以使用常見的螺紋旋風銑刀加工出各種非標或大規(guī)格錐管螺紋，節(jié)約大量的專用絲錐的采購費用，極大地降低制造成本。該方法可以作為以后非標規(guī)格或大規(guī)格錐管螺紋加工的優(yōu)選方案。

[1]SINUMERIK 840D FUNDAMENTALS PROGRAMM ING GU IDE.西門子說明書,2004

[2]SINUMERIK 840D ADVANCED PROGRAMM ING GU IDE.西門子說明書,2004

[3] 北京第一通用機械廠. 機械工人切削手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2005

NC M illing Design of Taper Pipe Threads

Li Xu， Luo Xia， Hu Liping， Wang Zhuonan
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper analyzed themodel of taper thread and used the advanced milling tools and techniques instead of the traditional tapping through the actual machining。 It solved the machining problem and reduced the cost of manufacture， ensured the requestof design and quality。

taper thread,milling

李旭 (1977-)， 男， 本科， 主要從事蒸汽輪機和燃氣輪機靜子部件制造技術(shù)研究。