大直徑內螺紋的銑削加工研究

林法振 孫文

摘 要：為解決大直徑內螺紋在加工中遇到的絲錐采購成本高、對機床負荷要求高、加工表面光潔度低、切削速度低、生產效率低等問題，根據機械加工原理，本文介紹了一種數控銑削螺紋的加工工藝方法，包括螺紋結構分析、螺紋銑刀選用、加工工藝流程、切削用量、數控編程等。經實踐證明，數控銑削螺紋效率高、精度高，并可節省一定的成本。

關鍵詞：大直徑內螺紋；銑削；數控

中圖分類號：TH161 文獻標志碼：A

0 引言

內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螺紋加工，在車床上一般需要復雜裝夾和重力平衡，對裝夾工藝系統要求較高，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，對機床的功率和剛性也要求較高。為減小工藝難度、節省成本，可考慮在數控銑床上加工該螺紋，零件不動，螺紋銑刀旋轉，避免了復雜裝夾，同時也提高了生產效率。根據內螺紋數控銑削原理，在刀片加工深度允許的情況下，同一把刀具可加工多種規格的米制螺紋和美制統一螺紋，可為生產廠家節省一定的刀具成本。本文通過某機械設備用5.000-4 UN-2B內螺紋的銑削加工，總結了一套數控銑削內螺紋的制造方法。

1 螺紋介紹

本文所介紹的5.000-4 UN-2B內螺紋，螺紋深度為230mm，工件外形不規則，不利于車床裝夾。另該工件材質為合金結構鋼，螺紋的表面光潔度要求為Ra3.2μm。

5.000-4 UN-2B內螺紋為美制統一螺紋，執行標準為ASME B1.1-2003，經查詢標準，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 大直徑內螺紋的數控銑削加工原理

螺紋銑削是運用數控機床的三軸聯動功能及G02 或G03 數控螺旋插補指令，利用牙型為60°的螺紋銑刀進行螺旋插補銑削而完成的，即刀具在水平面上每作一周圓周運動， 在垂直面內則直線移動一個螺距。

對于大直徑內螺紋，其螺紋底孔一般也較大，由于大直徑的擴孔鉆較難采購，為提高效率、節省成本，其螺紋底孔一般也采用銑削的方式進行粗加工、并用鏜削的方式進行精加工。大直徑內螺紋的銑削加工具有以下優點：

2.1 刀具應用靈活，節省刀具成本

由于統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°，對于大直徑內螺紋，在刀具60°成型刀加工深度允許的前提下，利用數控插補程序，統一把螺紋銑刀可切削不同規格、不同螺距的統一螺紋或米制螺紋；

2.2 刀具結構簡單、強度高，降低切削風險

相對絲錐，螺紋銑刀在銑螺紋時，其螺距是靠數控插補程序保證的，所以螺紋銑刀結構相對簡單，同時強度也高，不易損壞。用絲錐加工螺紋，切削力大，有時會折斷，堵塞螺紋孔，不易取出，甚至使零件報廢。

2.3 降低了機床的負荷

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，解決了機床負荷太大，無法驅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，所選刀柄需與機床主軸聯接處相匹配。鑒于螺紋銑削主要由數控機床的螺旋插補運動而完成，在選用刀具時，螺紋大徑一般不為考慮的重點，只要保證螺紋銑刀可輕松的伸至螺紋底孔內即可。加工5.000-4 UN-2B內螺紋所選銑刀直徑D為Φ50，在選用刀桿和刀片時應注意以下原則：

3.1螺紋銑削的本質為成型刀銑削，經查詢標準，5.000-4 UN-2B內螺紋的牙型角為60°，所以所選螺紋刀片的成型切削刃角度也應為60°。

3.2所選刀片應為可轉位、硬質合金刀片，既適合于高速切削、高效率作業，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行更換。

3.3所選刀桿應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，在機床轉速一定的情況下，可提高螺紋的加工精度。

銑螺紋用的刀具也可自行設計，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構。

4 切削參數的計算

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

4.1 背吃刀量

計算銑螺紋時單面切削總深度如下：

根據工件材質、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 主軸轉速n、進給速度V

根據工件材質、及所選刀具情況，在背吃刀量為0.35mm時，選定螺紋銑刀的切削速度為85m/min、銑削進給量為0.1mm/齒，相關切削參數計算如下：

4.2.1 主軸轉速

4.2.2 銑刀切削刃處進給速度V1

根據銑削進給量、轉速及刀片數量，計算銑刀切削刃處進給速度V1如下：

V1=nfZ=541×0.1×3=162.3mm/min

4.2.3 銑刀中心的進給速度V

根據銑刀切削刃處進給速度V1、螺紋大徑、刀具直徑，計算銑刀中心的進給速度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，螺紋銑削的切削用量，在背吃刀量變化時，按上述方法計算即可。

5 銑螺紋編程的注意事項

5.1 數控程序應體現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、工件零點的確定、刀具在銑螺紋前/后的運動/加工軌跡、進刀/退刀路徑、銑螺紋程序段、程序各運行階段的主軸轉速和刀具進給速度、切削液的控制、主軸的開關、刀具數據的調用、刀具補償、程序的停止指令等。并保證整個的加工過程中，刀具不應與工夾具等干涉。

5.2 西門子840D系統的螺旋線插補編程指令可應用于銑螺紋程序段，該螺旋線插補編程程序段為：G02 X- Y- Z- I- J- K- TURN= 。其中X- Y- Z-為直角坐標的終點，I- J- K-為直角坐標的圓心。TURN=為附加圓弧運行次數。

結論

本文從螺紋銑刀選用、加工工藝流程、切削參數、數控編程等方面對內螺紋銑削工藝進行了分析， 總結出了一套合理的數控銑削內螺紋工藝方案， 最終在數控銑床上加工出了該螺紋。通過對螺紋的實際檢測， 其精度和表面光潔度在標準要求范圍內，滿足產品的技術要求。

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