超高強度鋼大螺距內螺紋銑削工藝研究

朱曉琳

(內蒙古廣播電視大學，內蒙古呼和浩特，010020)

1 螺紋加工發展現狀

螺紋在機械加工領域應用非常廣泛，其主要作用是緊固、傳動和密封。螺紋的加工方法主要包括車削、銑削、攻絲、套絲、磨削和旋風切削等。其中，應用最為廣泛的是車削、攻絲和銑削。

隨著數控機床精度和剛性的不斷提升以及刀具行業的空前發展，螺紋銑削加工技術在機械加工領域尤其是航空航天及模具制造領域愈發凸顯出其優勢，并得以越來越廣泛的應用。

2 螺紋銑削的原理及優點

螺紋銑削是借助數控加工中心的三軸聯動功能及G02或G03螺旋插補指令，完成螺紋銑削工作。刀具沿周向及軸向同時運動，刀具沿周向每運動一周，沿軸向運動一個導程。

相比其他幾種螺紋加工方法，螺紋銑削具有以下諸多優勢：

(1)螺紋銑削更適合難加工材料的螺紋加工。相比其他幾種螺紋加工方法，螺紋銑削受材料及其硬度的影響相對較小。

(2)螺紋銑削更適合大直徑大螺距螺紋的加工。螺紋銑削所產生的切削力更小，而且可以通過修改刀具半徑補償值來控制每一次的切削量，從而獲得刀具能夠承受的最為合理的切削力。

(3)螺紋銑削的精度更高。攻絲的精度完全取決于絲錐的精度，隨著絲錐的磨損，螺紋孔的尺寸也會隨之改變，精度就會相應降低；而螺紋銑削可以通過修改刀具半徑補償值來消除因螺紋銑刀磨損所帶來的影響，從而得到較高精度的螺紋孔。

(4)螺紋銑削更安全。攻絲是在螺紋底孔的基礎上用絲錐通過一次或幾次擠壓作用把螺紋加工到位，絲錐與螺紋底孔之間的空間很小，在切削條件較差、排屑不暢的情況下，很容易發生擠屑，甚至絲錐折斷，造成產品報廢。螺紋銑削是依靠螺紋銑刀對螺紋底孔的切削作用將螺紋加工到位，螺紋銑刀與螺紋底孔之間的空間較大，一般不會發生擠屑現象，即便在加工硬材料時切削力過大螺紋銑刀折斷的情況下，也很容易將螺紋銑刀取出，不會對螺紋造成損傷。

(5)對于盲孔，螺紋銑削能夠加工的螺紋有效深度比攻絲更大。絲錐的導引長度較長，通常是2～3個螺距，也就是說，對于盲孔，接近孔底的2～3個螺距的螺紋是無效螺紋。

圖1 螺紋銑刀

螺紋銑刀則不然，如圖1所示，無論是多刃的螺紋銑刀還是單刃的螺紋銑刀，在加工盲螺紋的時候都幾乎可以加工至孔底，理論上，只有接近孔底的0.5個螺距的螺紋是無效螺紋。

3 超高強度鋼大螺距螺紋銑削可行性研究

超高強度鋼主要應用于航空、航天、兵器、核電和高鐵等尖端領域，D406A(30Si2MnCrMoVE)作為應用最廣泛的超高強度鋼, 其淬火后硬度可以達到HRC55以上，抗拉強度大于1400MPa，是典型的難加工材料。對于直徑和螺距較小的D406A材料內螺紋，攻絲難度相對較小；但是對于螺距較大的內螺紋，其常規加工難度主要體現在：第一，材料硬度高，攻絲時切削力也相對更大，對絲錐的強度要求更高。第二，螺紋螺距大，材料去除率高，攻絲時排屑更加困難，絲錐接觸面積大，阻力也更大，很容易發生擠屑和絲錐折斷。所以，采用攻絲的方式加工上述M24×3-6H內螺紋風險較大，可行性較低[1]。

本文以材料為D406A(淬火后)、尺寸為M24×3-6H、螺紋深度是28mm的內螺紋為例，進行螺紋銑削的可行性分析：

首先，螺紋銑削所產生的切削力更小，同時還可以根據實際加工情況通過調整刀具半徑補償值來獲得更合理的切削力。

第二，螺紋銑削與攻絲不同，螺紋銑刀與螺紋孔之間的間隙更大，不會發生擠屑的情況。即便發生切削力過大螺紋銑刀折斷的情況，螺紋銑刀也很容易取出，一般不會對螺紋造成損傷。更換新的螺紋銑刀后，很容易重新對螺紋進行銑削，不會出現“亂扣”的現象。

第三，加工過程中，可一邊調整刀具半徑補償值，一邊用“通止規”對內螺紋進行規檢，直至螺紋規檢合格，可以保證螺紋精度。

4 超高強度鋼大螺距螺紋銑削工藝研究及實踐

通過對上述超高強度鋼大螺距螺紋銑削的可行性研究，以下將從刀具選用、切削參數選定、數控程序編制等方面對螺紋銑削過程進行詳細說明[2]。

4.1 選擇刀具

螺紋銑刀可以分為多刃和單刃兩種。多刃螺紋銑刀是定螺距的螺紋銑刀。加工時，刀具上所有刀齒都參與切削，加工效率較高，但在實際加工時，刀具與工件的接觸面積更大，所產生的切削力也更大。多刃螺紋銑刀每個刀齒之間的間距是固定的，因此只能加工與之對應螺距的螺紋。單刃螺紋銑刀的螺距不固定，可加工一定范圍內任意螺距的螺紋。單刃螺紋銑刀每次加工時只有一個刃參與切削，因此效率相對較低，但實際加工時刀具與工件的接觸面積相對更小，所產生的切削力也更小。

本文所研究的螺紋材料硬度較高(D406A淬火后硬度可達HRC55以上)，且螺距較大(p=3)。選用多刃螺紋銑刀固然效率更高，但接觸面積大，阻抗就會更大，切削力也相應更大，對于硬材料大螺距的螺紋顯然不適用。而單刃螺紋銑刀雖然效率偏低，但銑削加工時接觸面積小，產生的切削力更小，更適合硬材料大螺距的螺紋銑削加工。

綜上所述，最終選用Vargus公司生產的單刃螺紋銑刀，型號是CTM2SC16C21-80-2U。

4.2 制定切削參數

考慮到所要加工的材料硬度較高，每次的銑削去量不宜過大。同時，螺距越大，銑削加工時刀具與工件的接觸面積越大，切削力也越大，如圖2所示，兩種不同螺距的螺紋銑削加工時，前者刀具與工件的接觸面積明顯大于后者。

圖2 M24×3與M24×1.5螺紋銑刀接觸面積對比圖

為了有效地減小切削力，避免擠屑和絲錐折斷現象的發生，將走刀次數分為4次，表1是每次加工對應的切削去量。批生產時，考慮到加工硬材料刀具磨損可能會對螺紋精度造成影響，筆者將螺紋銑削至理論值的95%。最后，一邊調整刀具半徑補償值，一邊用“通止規”對內螺紋進行規檢，直至螺紋規檢合格，這樣就可以有效保證螺紋的精度要求。

表1 M24×3-6H內螺紋走刀次數及總切削去量參考表

4.3 編制數控程序

依據表1的走刀次數及切削去量進行編程[3]，數控程序如下，供參考。

第1次(50%)

%MPF50

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")

N1 G90 G00 G57 X0 Y0

N2 D1 Z0.203 M3 S231

N3 G91 G00 X0 Y0 Z0

N4 G01 G42 D1 X0.638 Y10.613 Z0 F2

N5 G91 G02 X10.613 Y-10.613 Z-0.203 CR=10.613 F2

N6 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N7 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N8 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N9 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N10 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N11 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N12 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N13 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N14 G91 G02 X-10.613 Y-10.613 Z-0.203 CR=10.613

N15 G00 G40 X-0.638 Y10.613 Z0

N16 G00 Z50

N17 M30

第2次(75%)

%MPF75

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")

N1 G90 G00 G57 X0 Y0

N2 D1 Z0.247 M3 S231

N3 G91 G00 X0 Y0 Z0

N4 G01 G42 D1 X0.869 Y10.819 Z0 F2

N5 G91 G02 X10.819 Y-10.819 Z-0.247 CR=10.819 F2

N6 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N7 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

跨企業培訓中心是德國雙元制職業教育模式經過長期發展，在學校和企業之間，剝離出的一個過渡環節，是德國校企合作、產學研結合深層次發展的產物和載體[1]。本文所依托的跨企業培訓中心由太倉市政府主導，針對支柱產業，引入國際高質量職業標準，精準配置教育資源，與德國工商會上海辦事處(AHK-Shanghai)、健雄學院等職業院校、舍弗勒等德國企業合作建設的，強調在真實的工作場景中培養學徒，具備整合多方資源、對接課堂與車間、學生向員工身份轉化、融合教育與職業屬性、結合“教師+師傅”等多重功能特性。

N8 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N9 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N10 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N11 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N12 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N13 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N14 G91 G02 X-10.819 Y-10.819 Z-0.247 CR=10.819

N16 G00 Z50

N17 M30

第3次(90%)

%MPF90

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")

N1 G90 G00 G57 X0 Y0

N2 D1 Z0.365 M3 S231

N3 G91 G00 X0 Y0 Z0

N4 G01 G42 D1 X0.829 Y11.122 Z0 F2

N5 G91 G02 X11.122 Y-11.122 Z-0.365 CR=11.122 F2

N6 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N7 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N8 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N9 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N10 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N11 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N12 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N13 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.951 J0 F6

N14 G91 G02 X-11.122 Y-11.122 Z-0.365 CR=11.122

N15 G00 G40 X-0.829 Y11.122 Z0

N16 G00 Z50

N17 M30

第4次(95%)

%MPF95

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")

N1 G90 G00 G57 X0 Y0

N2 D1 Z0.256 M3 S231

N3 G91 G00 X0 Y0 Z0

N4 G01 G42 D1 X1.074 Y10.964 Z0 F2

N5 G91 G02 X10.964 Y-10.964 Z-0.256 CR=10.964 F2

N6 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N7 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N8 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N9 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N10 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N11 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N12 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N13 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-12.039 J0 F6

N14 G91 G02 X-10.964 Y-10.964 Z-0.256 CR=10.964

N15 G00 G40 X-1.074 Y10.964 Z0

N16 G00 Z50

N17 M30

5 結語

工件的螺紋加工通常在加工的最后工序，以往采用車削及攻絲的加工方式，極易發生刀具斷裂而影響產品質量。通過采用螺紋銑削加工方案對D406材料進行大螺距螺紋加工，不僅可以降低刀具成本，提高加工效率，而且能夠避免因材料硬度過高而引起的絲錐折斷現象，進而提高產品質量的穩定性。