外螺紋銑削參數化程序研究及應用

辛道銀，魏法明，郭湘宇

（江蘇信息職業技術學院 智能工程學院，江蘇 無錫 214153）

0 引言

螺紋類零件在部件和設備中主要起連接或傳動的作用，廣泛應用于汽車、機床、航空航天、石油化工等機械工業。一輛普通的汽車上有上千個螺紋連接件，起到固定、傳力、連接、定位、密封、調整等作用，在汽車上得到了廣泛的應用[1]。螺紋的切削加工方法主要有車削、銑削、旋風切削、攻螺紋、套螺紋、拉削、磨削等。車削是最常用的螺紋加工方法，但是車削要求工件必須是回轉體，而且對于大直徑內、外螺紋的加工，還必須要解決工件的裝夾問題和動平衡問題。對于外螺紋，可以使用板牙手工套螺紋或在車床上套螺紋，但一般用在公稱直徑不大于M16或螺距小于2 mm的場合。相比于車螺紋或套螺紋，螺紋銑削不受工件結構形狀和尺寸大小的限制，而且可以顯著減少刀具種類，可用少量的刀具加工各種規格的螺紋。在實際生產中，各機械加工企業大都采用自動編程加工螺紋，但是自動編程生成的加工程序太長，可讀性差，當螺紋尺寸參數發生變化時，需要重新編程，程序的通用性和靈活性差，因此研究螺紋銑削的參數化編程很有必要。

本文借助于數控系統的宏程序功能，以變量的形式設定外螺紋相關尺寸數據和加工數據，通過變量間的四則運算和算術邏輯運算，以期達到參數化編程的目的。首先對外螺紋銑削參數化編程關鍵點進行分析和研究；然后在此基礎上，通過一個實例編制其參數化加工程序；最后對該程序進行VERICUT仿真和實際加工驗證。研究發現，該程序加工的螺紋完全符合加工質量要求，且程序結構簡單，可讀性強，當外螺紋相關尺寸參數發生變化時，只需更改程序中變量的值即可，不需要重新編程，解決了自動編程加工程序通用性、靈活性差的問題，該項研究可供企業編程人員和加工人員參考。

1 螺紋數控銑削加工工藝

1.1 螺紋銑削原理

螺紋銑削是螺紋銑刀按照螺旋插補指令完成螺紋加工的一種方法。螺旋插補運動由XY平面上的圓弧移動和垂直于工作平面的同步直線移動組成[2]，螺旋插補運動如圖1所示。對于立式數控銑床或加工中心，螺旋插補指令格式為：G17G02/G03X_Y_I_J_（R_）Z_F_。螺紋銑削實際上是螺旋插補指令運用的一個特例，即螺紋銑刀自轉的同時，沿輪廓圓弧插補運動1周，刀具Z軸同步移動1個螺距P。

圖1 螺旋插補運動

1.2 整體式螺紋銑刀

整體式螺紋銑刀如圖2所示，該類型螺紋銑刀一般采用整體式硬質合金材料制造，表面帶涂層的適合加工不銹鋼、合金鋼等各種鋼材；表面不帶涂層的適合加工鋁合金、銅合金等相對較軟的材料。圖2（a）為單齒螺紋銑刀，常用于較小直徑的螺紋加工，切削力較小、剛度高，同一把刀具可以進行不同螺距、導程規格的螺紋加工，但加工效率低[3-4]；圖2（b）、圖2（c）分別為三牙螺紋銑刀和全牙螺紋銑刀，三牙螺紋銑刀和全牙螺紋銑刀的優點是加工效率高，缺點是只能加工出與銑刀齒形相同的螺距，所以又稱為定螺距螺紋銑刀[5]，切削力也較單齒螺紋銑刀大。整體式螺紋銑刀因結構緊湊、剛度高，抗沖擊能力強，工作時切削平穩，在高速加工中心上得到了廣泛的應用。

圖2 整體式硬質合金螺紋銑刀

1.3 外螺紋銑削方式

在加工外螺紋時，編程一般采用刀具半徑補償指令。當采用順銑方式時，切屑厚度由厚到薄、刀具不易形成積屑瘤、切削熱主要由切屑傳出、工件表面質量好，故應優先選擇順銑方式。外螺紋銑削方式如表1所示。

表1 外螺紋銑削方式

2 外螺紋參數化編程關鍵點分析

本文以批量生產中常用的三牙螺紋銑刀為研究對象，對外螺紋參數化編程擬解決的關鍵問題進行分析，為參數化程序編制提供依據。

2.1 外螺紋銑削走刀路線的設計

因圓弧切入、切出平穩，不易產生振動，表面不留刀痕，表面質量好，故采用圓弧切入、切出方式設計外螺紋銑削走刀路線。

如圖3所示，S為起刀點，刀具從S點至A點這段直線，程序建立刀具半徑補償，刀具中心軌跡的終點不在A點，而是在法線方向上偏移一個刀具半徑r的距離。在該段程序中，動作指令只能用G00或G01。刀具從E點返回到S點這段直線，程序取消刀具半徑補償。在中間的程序段AB→BC→CC→CD→DE（②→③→④→⑤→⑥）為偏移方式的運動軌跡。SA這段直線距離要求比刀具半徑r大，一般大于或等于2/3刀具直徑值，即SA≥4r/3，編程時取SA=2r；直線AB為引線，編程時取AB=P（P為螺距）；BC為切入圓弧，為避免過切，要求切入圓弧的半徑R切>刀具半徑r（條件允許時R切可以設置得更大一些），編程時，取R切=8r/5；d槽為牙槽圓的直徑，d槽=d-a（d為螺紋的公稱直徑，a為背吃刀量）。根據上述分析，得各基點坐標：S（（d槽/2+8r/5+P+6r/5），0）、A（（d槽/2+8r/5+P），8r/5）、B（（d槽/2+8r/5），8r/5）、C（d槽/2，0）、D（（d槽/2+8r/5），-8r/5）、E（（d槽/2+8r/5+P），-8r/5）。

圖3 走刀路線設計

2.2 螺紋銑削的軸向分層

由于三牙螺紋銑刀的刃長3P小于螺紋的有效長度L效，故軸向需要分層銑削加工。軸向分層的層數即螺旋插補銑螺紋的總次數為FUP (L效/3P）, 其中FUP為FANUC系統的下取整函數，如果L效/3P結果是小數，那么函數FUP（L效/3P）將自動舍去小數位，向遠離0的方向進1。

2.3 螺紋銑刀的軸向定位

采用順銑方式加工右旋外螺紋，刀具Z軸移動方向為自上而上。和車螺紋相似，需要確定螺紋加工前刀具起刀點和加工完成后刀具的軸向位置，以保證加工后螺紋有效長度L效符合圖樣要求。

2.4 螺紋銑削的徑向分層

圖4 刀具的軸向定位

當螺紋牙型較深時，為減小刀具切削負荷，提高螺紋加工質量，徑向要分多次進行切削，每次進給的背吃刀量依遞減規律分配，最小背吃刀量值不小于0.05 mm[6]。徑向總切深取公稱直徑與小徑之差，約為1.08P。

3 程序編制及應用

3.1 實例分析

加工圖5所示的外螺紋零件，該螺紋為公稱直徑為30 mm、螺距為2 mm的細牙螺紋，中徑和頂徑公差帶均為6g，中等旋合長度，右旋，螺紋有效長度為23 mm，零件材質為6061鋁合金。

圖5 加工零件

3.1.1 數控系統及使用刀具

使用FANUC Oi數控系統；刀具選用整體式硬質合金3牙4刃螺紋銑刀，不帶涂層，螺距為2 mm，刃徑為11.5 mm，有效長度（刀桿避空長度）為27 mm，柄徑為12 mm，總長為75 mm。

3.1.2 切削用量計算

1）切削速度vc，主軸轉速n。

根據文獻[7],加工鋁合金材質工件，取vc=200 m/min,于是得：

2）背吃刀量ap。

對于螺距為2 mm的外螺紋，徑向分5次進給，背吃刀量依遞減規律分配，設為0.900、0.600、0.300、0.200、0.165。

3）銑刀刀心的進給速度F′。

當銑削外螺紋時，由于螺紋銑刀刀心的運動軌跡比刀刃處軌跡多了一個刀具半徑，因此刀心處的進給速度F′大于刀刃處的進給速度F，而程序中的進給速度為刀心處的進給速度。當徑向第一刀背吃刀量為0.9 mm時，其刀心進給速度F′計算如下：

式中，f為每齒進給量，一般由刀具廠家或經驗給出，通常為0.1～0.2 mm/z。

上述計算供編程時參考，實際加工時,切削用量的選取還要綜合考慮刀具廠家提供的切削參數及條件、刀具剛度、工件結構、材質、冷卻、機床主軸跳動等因素。

3.2 程序編制

根據上述分析，編制的參數化加工程序如下：

4 程序驗證

4.1 仿真加工

如圖6（a）所示，搭建與真實加工環境一致的VERICUT仿真加工環境。利用軟件的單步仿真功能和數控程序預覽功能，生成徑向和軸向刀具軌跡，如圖6（b）所示，據此可以判斷該軌跡與設計的刀具軌跡是完全吻合的。圖6（c）為毛坯仿真后的模型。程序經過多次的仿真優化，節省了上機調試程序的時間，保證了加工程序的安全。

圖6 VERICUT仿真環境

4.2 實際加工

零件加工在FANUC Series Oi-MC 立式數控銑床上進行，在螺紋加工前，首先加工螺紋軸外圓和軸端倒角，外圓一般加工至比公稱直徑小0.1P，本例加工至29.8 mm，預加工照片如圖7（a）所示。在螺紋銑刀對刀后、螺紋加工前，應將刀具半徑補償值輸入到刀具偏置表中，該值設置比刀具半徑大0.2 mm，以防止因螺紋加工后中徑尺寸偏小而導致螺紋不合格；程序執行后，用螺紋環規檢測，發現通規完全旋不進，此情況說明螺紋中徑尺寸偏大，徑向需要繼續進刀，此時將刀補值減小0.1 mm，重新執行加工程序，程序執行后繼續用環規檢測，將此過程重復了4次，經環規檢測，通規能完全旋進，止規能旋進一牙，再將通規旋進螺紋軸至旋不動停止，然后測量工件頂面至通規下端面的距離（即螺紋的有效長度），同樣也是符合圖樣要求的。螺紋有效長度檢測照片和加工后零件實物照片如圖7（b）和圖7（c）所示。

圖7 零件加工

5 結語

對外螺紋參數化編程關鍵點進行了分析和研究，在此基礎上通過一個實例，采用對變量直接賦值的方法開發出用于外螺紋銑削的參數化程序，該程序只有51個程序段，結構簡單，且具有循環加工的特點，對外螺紋銑削編程具有適用性和靈活性；通過VERICUT仿真，優化了程序，同時保證了程序的安全。程序中使用了刀具半徑補償指令，通過修改刀具補償值的方法，可以有效控制螺紋的加工精度。