螺纹数控铣削的编程与加工技巧优化

如图9－16和图9－17所示，分析零件的加工工艺，编制其孔和螺纹的加工程序，并在数控机床上加工。

图9－16　攻螺纹

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图9－17　螺纹铣削

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1.技术要求分析

零件图有哪些技术要求？

2.加工方案

1）装夹方案

加工零件应采用何种装夹方案？以什么位置为定位基准？

2）位置点选择

（1）工件零点设置在什么位置最好？

（2）孔和螺纹的加工顺序应如何设置？

3.确定工艺路线

零件的加工工艺路线应怎样安排？

（一）螺纹的基础知识及螺纹的加工工艺

1.螺纹的加工方法

数控铣床上螺纹的加工方法大体有两种，分别为攻螺纹法和螺纹镗刀铣削法。如图9－18所示为攻螺纹法，图9－19所示为铣削法。

2.切削用量的选择

1）切削速度

（1）攻螺纹法：攻螺纹法切削速度要配合主轴转速而定，主轴每转一圈丝锥前进一个导程。

图9－18　攻螺纹法

图9－19　铣削法

（2）铣削法：由于目前的高速铣削刀具应用非常普遍，切削速度得到了很大的提高。铣削法铣削螺纹的主轴转速n＞3 000 r／min，进给速度f＞2 000 mm／min。没有具体要求，可根据刀具材料及工件材料酌定。

2）背吃刀量

铣削时应遵循后一刀的背吃刀量不能超过前一刀背吃刀量的原则，即递减的背吃刀量分配方式，否则会因切削面积的增加、切削力过大而损坏刀具。但为了改善螺纹的表面粗糙度，用硬质合金螺纹镗刀时，最后一刀的背吃刀量不能小于0.1 mm。

3）进给速度

（1）攻螺纹法的进给速度要配合主轴转速而定，主轴每转一圈则刀具要进给一个螺距（导程），所以攻螺纹时f＝P×n。

（2）铣削螺纹由于是断续切削，刀具的转矩很小，而且目前的合金涂层刀具适用于高速切削，一般选择f＞1 800 r／min为宜。

（二）螺纹加工的编程方法

1.攻螺纹法

1）丝锥的选用

攻螺纹加工的螺纹多为三角螺纹，为零件间连接结构，常用攻螺纹加工的螺纹有：牙型角为60°的普通螺纹；牙型角为55°的英制螺纹；用于管道连接的英制管螺纹和圆锥管螺纹。本节主要涉及的攻螺纹加工的是普通内螺纹。

丝锥是加工内螺纹的一种常用刀具，其基本结构是一个轴向开槽的外螺纹，如图9－20和图9－21所示。螺纹部分可分为切削锥部分和校准部分。切削锥磨出锥角，以便逐渐切去全部余量；校准部分有完整齿形，起修光、校准和导向作用。工具尾部通过夹头和标准锥柄与机床主轴锥孔连接。

攻螺纹加工的实质是用丝锥进行成形加工，丝锥的牙型、螺距、螺旋槽形状、倒角类型、丝锥的材料、切削的材料和刀套等因素，影响内螺纹孔加工的质量。

图9－20　常见丝锥

图9－21　丝锥结构

根据丝锥倒角长度的不同，丝锥可分为平底丝锥、插丝丝锥、锥形丝锥。丝锥倒角长度影响数控机床加工中的编程深度数据。

丝锥的倒角长度可以用螺纹线数表示，锥形丝锥的常见线数为8～10，插丝丝锥为3～5，平底丝锥为1～1.5。各种丝锥的倒角角度也不一样，通常锥形丝锥为4°～5°，插丝丝锥为8°～13°，平底丝锥为25°～35°。

盲孔加工通常需要使用平底丝锥，通孔加工大多数情况下选用插丝丝锥，极少数情况下也使用锥形丝锥。总的来说，倒角越长，钻孔留下的深度间隙就越大。

与不同的丝锥刀套连接，丝锥分两种类型：刚性丝锥和浮动丝锥（张力补偿型丝锥），如图9－22和图9－23所示。

图9－22　刚性丝锥

浮动丝锥刀套的设计给丝锥一个和手动攻螺纹所需的类似的“感觉”，这种类型的刀套允许丝锥在一定的范围缩进或伸出，而且，浮动刀套的可调转矩可以改变丝锥张紧力。

使用刚性丝锥则要求数控机床控制器具有同步运行功能，攻丝时，必须保持丝锥导程和主轴转速之间的同步关系：进给速度＝导程×转速。

图9－23　浮动丝锥

除非数控机床具有同步运行功能，支持刚性攻螺纹，否则应选用浮动丝锥，但浮动丝锥较为昂贵。

浮动丝锥攻螺纹时，将进给率适当下调5%，将有更好的攻螺纹效果，当给定的Z向进给速度略小于螺旋运动的轴向速度时，丝锥切入孔中几牙后，丝锥将被螺旋运动向下引拉到攻螺纹深度，有利于保护浮动丝锥，一般地，攻螺纹刀套的拉伸要比刀套的压缩更为灵活。

数控机床有时还使用一种叫成组丝锥的刀具，其工作部分相当于2～3把丝锥串联起来，依次承担着粗、精加工。这种结构适用于高强度、高硬度材料或大尺寸、高精度的螺纹加工。

2）数控机床攻丝工艺与编程要点

（1）攻螺纹动作过程，如图9－24所示。

图9－24　加工右旋螺纹G84循环和加工左旋螺纹G74循环

攻螺纹是CNC铣床和CNC加工中心上常见的孔加工内容，首先把选定的丝锥安装在专用攻螺纹刀套上，最好是具有拉伸和压缩特征的浮动刀套。攻螺纹步骤如下：

第1步：X、Y定位。

第2步：选择主轴转速和旋转方向。

第3步：快速移动至R点。

第4步：进给运动至指定深度。

第5步：主轴停止。

第6步：主轴反向旋转。

第7步：进给运动返回。

第8步：主轴停止。

第9步：快速返回初始位置。

第10步：重新开始主轴正常旋转。

如图9－24所示，G74循环用于加工左旋螺纹，执行该循环时，主轴反转，在XY平面快速定位后快速移动到R点，执行攻螺纹到达孔底后，主轴正转退回到R点，主轴恢复反转，完成攻螺纹动作。

G84动作与G74基本类似，只是G84用于加工右旋螺纹。执行该循环时，主轴正转，在G17平面快速定位后快速移动到R点，执行攻螺纹到达孔底后，主轴反转退回到R点，主轴恢复正转，完成攻螺纹动作。

攻螺纹时进给率根据不同的进给模式指定。当采用G94模式时，进给速度＝导程×转速。当采用G95模式时，进给量＝导程。在G74与G84攻螺纹期间，进给倍率、进给保持均被忽略。

（2）攻螺纹循环（G84／G74）

攻左旋螺纹：G74 X__Y__Z__R__P__F__；

攻右旋螺纹：G84 X__Y__Z__R__P__F__；

其中：G74／G84——左、右旋攻螺纹指令；

X，Y——所需攻螺纹孔坐标；

Z——攻螺纹深度；

R——R平面位置；

P——孔底暂停时间；

F——进给速度（进给速度尤其需要注意，必须与主轴速度配合设定）。

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视频9－2－1：攻丝循环指令

练一练

【例9－3】　试用攻螺纹循环编写如图9－25中两螺纹孔的加工程序。

图9－25　例9－3零件图

用攻螺纹循环编写的螺纹孔的加工程序如表9－9所示。

表9－9　例9－3零件加工参考程序

2.铣削法

1）铣削螺纹基础

螺纹的铣削法一般是在螺纹大径比较大，攻螺纹法无法实现的情况下采用，对于数控铣床攻螺纹不同于气动式攻螺纹机，数控铣床属于刚性攻螺纹，如果丝锥直径过大，产生比较大的转矩，丝锥就会折断。这时只能采用铣削螺纹的方法来实现。

螺纹铣削时的圆周运动产生螺纹直径，同时垂直方向的移动产生螺距，如图9－26所示。

铣削方式如图9－27～图9－30所示。

图9－26　螺纹铣制

图9－27　右手内螺纹

图9－28　左手内螺纹

图9－29　右手外螺纹

图9－30　左手外螺纹

图9－27为铣削右手内螺纹，铣削时刀杆逆时针旋转，同时沿Z轴向上运动；

图9－28为铣削左手内螺纹，铣削时刀杆逆时针旋转，同时沿Z轴向下运动；

图9－29为铣削右手外螺纹，铣削时刀杆顺时针旋转，同时沿Z轴向下运动；

图9－30为铣削左手外螺纹，铣削时刀杆顺时针旋转，同时沿Z轴向上运动。

2）螺纹铣削的优缺点

优点：可采用高速切削和快速进给，节省加工时间；同一把刀具可以完成左右手螺纹的加工；同一个刀杆适用于内外螺纹的加工；同一个刀杆适用于不同螺距规格的刀片；可以获得良好的表面粗糙度；铣削方式比攻螺纹方式刀具的转矩小；同一把刀具可以加工螺距相同直径不同的螺纹。

缺点：采用螺纹铣削加工的螺纹不能太深，因为螺纹铣刀单边受力，如果太深会引起刀具变形，那么铣削出的螺纹会有一定的锥度。用丝锥可以有效地加工深螺纹。

3）编程方法

采用螺纹铣削加工的先决条件是机床具备螺旋插补功能，当然目前的全功能型机床都可加工。加工路线如图9－31所示。

在数控机床系统中该功能有两种方法实现：G02沿顺时针螺旋插补；G03沿逆时针螺旋插补。

编程指令：G02／G03 X__Y__I__J__Z__F__；

图9－31　螺纹铣削加工路线

其中：G02／G03——顺／逆圆弧插补，视螺纹左右旋而定；

X，Y——圆弧的终点坐标，由于切削螺纹时均为整圆走刀，故可以省略；

I，J——圆弧圆心相对于圆弧起点的增量（参照圆弧插补一章）；

Z——切削圆弧时Z向的进给量，等于螺距；

F——进给速度。

4）进退刀路线

如图9－32和图9－33所示，加工内螺纹时进刀应以圆弧切入为准，加工外螺纹时应以切线切入为准，主要是为了保证进退刀面的加工质量。

图9－32　加工内螺纹

图9－33　加工外螺纹

练一练

【例9－4】　对图9－34中的螺纹进行螺纹铣削编程。

根据图9－34所示，所要铣削的螺纹为M27。查表得螺距为3 mm。根据前面学习的计算公式，螺纹小径为D1＝D－1.3×P＝（27－1.3×3）mm＝23.1 mm，一般由于螺纹加工时牙顶会因为挤压胀大，所以小径实际为D1实＝D1＋0.1P＝（23.1＋0.1×3）＝23.4 mm。那么我们在加工之前要首先加工一个φ23.4 mm的孔，孔的加工方法上个任务学习过，就不介绍了。本例的参考程序如表9－10所示。

图9－34　例9－4零件图

表9－10　例9－4零件加工参考程序

以上为铣削螺纹最后一刀的程序，没有分层铣削，实际加工中要采用分层铣削的形式。

1.图样分析

图9－16为加工4个M10 mm螺纹，查表得螺距为P＝1.5 mm，根据公式计算小径为D1＝D－1.3P＝（10－1.3×1.5）mm＝8.05 mm，由于螺纹加工时牙顶因为挤压会抬高，所以根据公式D1实＝D1＋0.1P＝（8.05＋0.1×1.5）mm＝8.2 mm。孔定位标注在左上孔上，所以对刀完成以后首先加工左上孔，然后根据以前消除反向间隙的方法加工其余孔。由于螺纹为M10螺纹，适合用攻螺纹的方法进行加工。

图9－17为加工一个M30螺纹，查表得螺距为P＝3.5 mm，根据公式计算小径为D1＝D－1.3P＝（30－1.3×3.5）mm＝25.45 mm，由于螺纹加工时牙顶因为挤压会抬高，所以根据公式D1实＝D1＋0.1P＝（25.45＋0.1×3.5）mm＝25.8 mm。由于螺纹为M30螺纹，适用铣削法加工。

2.加工方案

1）装夹方案

图9－16和图9－17均可采用台虎钳装夹，定位基准以靠近台虎钳固定钳口定位。工件上表面露出钳口5 mm左右用于对刀，工件下用等高垫铁垫平砸实。

2）位置点

（1）工件零点。设置在矩形工件的中心。

（2）起刀点。起刀点一般选择在工件零点的上方50 mm处，主要的作用一是刀具靠近工件，减小快速进刀路线长度；二是可以通过定位点位置检验对刀的正确性。

3.工艺路线确定

（1）使用盘形铣刀铣削工件上表面。

（2）图9－16直接换麻花钻钻削孔到合适尺寸，然后使用丝锥攻螺纹；图9－17使用麻花钻钻底孔，然后使用扩孔钻加工到合适孔径，再使用螺纹镗刀铣削螺纹。

（3）对于图9－17，换φ10 mm立铣刀精加工孔。

4.制定工艺卡片

刀具的选择见表9－11刀具卡。

表9－11　刀具卡

切削用量的选择见表9－12和表9－13所示工序卡。

表9－12　图9－16工序卡

表9－13　图9－17工序卡

5.编制程序

图9－16和图9－17所示零件的参考程序如表9－14和表9－15所示。

表9－14　图9－16所示零件的参考程序

表9－15　图9－17所示零件的参考程序

6.零件加工

教师与学生评价表参见附表，包括程序与工艺评分表、安全文明生产评分表、工件质量评分表和教师与学生评价表。表9－16所示为本工件的质量评分表。

表9－16　评分表