旋风铣螺纹：高效加工各种螺纹的方法

旋风铣螺纹是一种高效加工各种螺纹的方法，如滚珠丝杠、梯形螺纹、矩形螺纹、普通螺纹、挤出螺杆、输送器螺杆以及一些特种螺杆等（图5-1）。由于数控技术的快速发展，对于硬度大于60HRC的滚珠丝杠，采用高速旋风铣削代替螺纹磨加工，是实现干切、高效、精密与节能为一体的先进制造技术。

图5-1 常见的旋风铣削螺纹零件

1.旋风铣螺纹的优点

1）加工效率高。旋风铣削采用高速多刀齿硬质合金铣刀切削，对于一般精度的中小螺距的螺纹，2～3次进给即可加工完成。与车削相比，加工效率提高5～6倍，加工成本低，可以获得很高的经济效益。

2）高速车螺纹进给非常快，要求退刀操作快速灵敏，工人劳动强度大。采用旋风铣螺纹时，铣刀高速旋转，但进给比较慢，因此退刀容易，极大地减轻了工人的劳动强度。

3）旋风铣螺纹是一种车铣方法，铣刀高速间断切削，切屑是片状短屑，不会产生带状切屑，不会产生缠绕工件现象，因此便于工人操作，刀具有较长的空行程，冷却效果好，刀具寿命高。

4）切削温度低，热应力小。高速切削时，85%～90%的切削热被切屑快速带走，来不及传到工件上，工件基本保持冷态，特别适合加工容易产生变形的工件。

5）工作稳定，振动小。高速切削时，机床的激振频率高，远离机床—刀具—工件工艺系统的固有频率范围，因此加工出来的螺纹表面质量好，一般可以达到Ra0.8～1.6μm。

2.旋风铣螺纹原理

旋风铣螺纹是在旋转刀盘上安装多把成形刀具，刀盘旋转中心与工件中心偏移一定距离e，调节刀盘偏心距离e，控制吃刀量，同时，刀盘倾斜一个Q角，Q等于被加工螺纹升角ϕ。加工时工件低速转动，刀盘高速旋转，工件转一圈，刀盘沿工件轴线方向（Z轴）进给一个螺距P（多线螺纹为一个导程P_h），即在工件外圆上铣出螺纹槽来，如图5-2所示。由于刀盘与工件是偏心时，各刀齿是依次切入切出，所以旋风铣削是断续切削。

图5-2 旋风铣螺纹原理图

3.旋风车铣床

（1）旋风车铣床 图5-3为采用卧式车床改装的旋风车铣床。将小刀架、滑板取下，装旋风铣头（图5-4），即可进行旋风铣螺纹，适合加工普通机床，如车床、铣床、钻床、刨床、插床及输送机、挤出机上的各种齿形的丝杠、螺杆等。

图5-3 旋风车铣床

图5-4 旋风铣头

旋风铣螺纹铣刀高速旋转，而工件是慢速转动和慢速进行轴向进给。卧式车床主轴最低转速较高，使得进给太快，不适合旋风铣削。为此，采用一个行星减速带轮，将主轴箱内1#传动轴上的带轮拆下，装上一个外径与原带轮直径相同的“行星减速带轮”，利用行星减速原理，将主轴转速降低。

此种行星减速机构可将原车床最低的转速降低1/12。对于CA6140车床，最低可以降到0.96r/min，CA6350车床可以降到1.1r/min，完全可以满足旋风铣削螺纹的要求。这种行星减速机构结构简单，使用方便，不影响原机床的使用功能。

（2）专用旋风铣床 图5-5为山西凤源机械制造公司生产的专用旋风铣床，基本结构与卧式车床一样，进给丝杠采用高精度的滚珠丝杠，在横进给滑板上面设有一个平面，用四个螺钉将专用旋风铣头固定在其上面，用横向进给丝杠调节旋风铣刀中心与工件的偏心距离，调节铣刀铣切螺纹的深度。加工滚珠丝杠螺距精度可达到P6级，表面粗糙度值达到Ra0.6μm。

4.旋风铣刀

（1）铣刀盘结构

1）图5-6为可转位刀片刀盘，采用三角形可转位刀片，刀片、刀体精度高，适合用在数控旋风铣床上精铣梯形螺纹或滚珠丝杠等。

图5-5 专用旋风铣床

图5-6 可转位刀片刀盘

2）图5-7为焊接刀头刀盘。此种铣刀盘用于加工梯形螺纹和矩形螺纹，刀杆采用圆柱形（或方刀杆），装在圆刀盘上的八个径向等分孔中，圆刀杆与孔选择H7/h6配合，刀杆定位准确，容易加工。用圆锥销（或斜面）将刀杆固定在刀盘中，结构简单，装卸方便。多齿铣刀切削时平稳，加工效率高，而且可以提高旋铣刀的寿命。

图5-7 焊接刀头刀盘

旋风铣螺纹的刀盘，一般加工普通螺纹时，采用2～4个刀齿；加工梯形螺纹和矩形螺纹时，根据刀盘直径大小，可采用4、8、10、12个刀齿。

为了保证齿形正确，铣刀的前面必须在中心平面上，为了保证多齿刀尖能在同一个旋转半径上，在对刀座中的“对刀样板”可以转动（图5-8），用透光法对刀，将刀尖对准在同一个旋转半径上，误差可控制在0.02～0.03mm。

（2）刀盘倾角Q 旋风铣刀盘的旋转中心要与工件旋转中心等高，由于螺纹有螺纹升角ϕ，为了防止刀齿对齿形面产生干涉过切现象，旋风铣刀盘应有一个倾角Q（图5-9）。其目的是使铣刀齿沿螺纹螺旋槽方向切入切出，这样切出来的齿形在法向方向是对称的，刀具对齿形不产生干涉，因此，加工右旋螺纹时，铣刀盘逆时针方向转动；加工左旋螺纹时，铣刀盘顺时针方向转动（图5-10）。

图5-8 对刀装置

图5-9 铣外螺纹刀盘倾角

式中 ϕ——螺纹升角（°）（图5-11）；

P——螺距（mm）；

d_m——螺纹中径（mm）。

图5-10 铣内螺纹刀盘倾角

（3）刀齿齿数与排列方法 若刀盘中的刀具齿数多，可分层切削，减小切削力，减轻振动，提高切削效率。刀盘一般情况下为4齿，对于较大直径的螺杆应采用6～18齿旋风铣刀盘。刀具径向圆跳动应小于0.03mm，轴向圆跳动小于0.02mm。刀盘要进行静平衡校正，提高刀盘运动稳定性，减小切削时的振动。刀头伸出长度可按L=（1.2～1.5）H计算（H为刀体厚度）。

刀齿的排列可根据加工螺纹螺距的大小来决定。铣削普通螺纹（图5-12），由于螺距小，螺纹深度浅，因此采用几个相同齿形的刀齿直接切出齿形。而加工矩形螺纹和梯形螺纹时（图5-13、图5-14），由于螺距较大，螺纹深度较深，加工时切削刃接触面积大，切削力大，如果采用全齿形切削，容易产生振动。将刀齿分成几种齿形，进行分层切削，减小切削力，减小切削时的振动。

图5-11 螺纹升角

图5-12 铣普通螺纹(www.xing528.com)

图5-13 铣矩形螺纹

图5-14 铣梯形螺纹

例如，铣梯形螺纹若采用单一全齿形切削，则产生U形切屑，如图5-15a所示。U形切屑变形困难，排屑不通畅，致使切削热高，切削力大，消耗功率大，刀具寿命低。若采用多刀齿分层错齿切削，每个刀齿切削量较小，切屑为单一切屑，如图5-15b所示，排屑流畅，改善了切削状态，消除切削振动，加工的螺纹表面质量好，刀具寿命高。

图5-15 切屑形状

（4）旋风铣刀直径d₀ 旋风铣刀旋转直径d₀是根据被加工螺纹直径来决定的。旋风铣刀直径d₀与被加工螺纹大径d之比叫作旋径比，用i表示，i=d₀/d。旋风铣螺纹的旋径比是旋风铣刀结构尺寸的主要参数，它反映旋风铣螺纹时断续切削的程度，对切削过程的切削热、刀具冷却、切削用量、加工表面质量以及切削功率消耗等都有比较明显的影响。

1）当旋径比大时，铣刀与工件接触弧短，从而使切削路程缩短，切削热和切削功率消耗减少，铣刀的临界切削速度提高，相对刀盘转速快。由于工件的转速不变，使实际切削量加大，因此使螺纹表面粗糙度值减小。

2）当旋径比小时，铣刀与工件接触弧长，刀齿切削的路程加长，因此切削热增加，刀具磨损加快，切削功率消耗增大。同时使切削过程中产生的干涉现象加重，从而加大了螺纹齿形的误差。因此，旋径比不宜过大或过小。根据经验，其数据可参考表5-1。

表5-1 旋径比推荐值

（5）刀具材料 选择旋风铣刀的材料主要考虑加工工件的材料硬度、强度、塑性等，另外还要考虑旋风铣削的特点：①高速断续切削；②刀盘安装支架上，刀盘稳定性较差；③加工的工件大多为细长轴，刚性差，切削时容易产生振动。

1）加工工件材料大多为45钢、40Cr调质处理（28～32HRC），化工设备上多用防腐蚀性好的1Cr13、2Cr13，以及强度较高，抗冲击性能较好的YW1、YW2。

2）数控机床中的滚珠丝杠，多用高硬度耐磨性能好的材料如：9Mn2V（60HRC）、GCr15（61～64HRC）、100Cr6、30CrNi3MoV（48～52HRC），刀具的材料采用立方氮化硼PCBN，PCBN硬度高耐磨，耐热性能和化学稳定性好，与钢的摩擦系数小（0.1～0.3），可减小切削力，适合高速干切。

（6）几何角度

1）前角的选择。如图5-16～图5-18所示，为了保证加工出来的牙型角准确，取前角γ_o=0°，粗铣时为了减小切削力，前角取正值γ_o=+（5°～6°）。对于螺纹升角小的普通螺纹、普通精度的铣刀，为了减小切削力、使切削轻快、切出来的切屑呈C形，选择前角γ_o=+（5°～6°），前面加负倒棱0.1mm×20°。

图5-16 三角形螺纹铣刀

图5-17 梯形螺纹铣刀

图5-18 倒棱铣刀

2）后角的选择。旋风铣刀的后角分侧刃后角和顶刃后角。侧刃后角又分左侧刃后角α_oL和右侧刃后角α_oR，一般顶后角α_o=5°～6°，顶刃后角大，容易打刀尖；侧刃后角大，切削刃强度降低，刀具寿命下降，侧刃后角小，增加后面的摩擦，加快后面的磨损。由于进给运动使左侧刃后角（进给方向）减小，对于螺距较大的螺纹（P＞10mm），应增加一个螺纹升角，即α_oL+ϕ，而右侧刃后角应减小一个螺纹升角α_oR-ϕ，（一般α_oL=3°～4°）

5.铣削方式

（1）逆铣法 如图5-19a所示为逆铣法。铣刀与工件转动方向相反，铣刀从a点切入从b点切出，吃刀量从零开始缓慢地逐渐加大到最大值，然后快速减为零。由于铣刀切削刃存在刃口钝圆半径，在切削层很薄的情况下，初切时切削刃滑动一段距离后才能进入切削层。因此刀具容易产生较严重的磨损，刀具寿命较低。

图5-19 逆铣与顺铣

（2）顺铣法 图5-19b所示为顺铣法。铣刀与工件转动方向相同，铣刀从a点切入从c点切出，吃刀量从零很快增加到最大，然后逐渐减为零。这样切削可以减小刀齿初切入时的滑移距离，从而提高刀具的寿命。

顺铣时，铣刀从工件毛坯面切入，逆铣时，铣刀从已加工表面切入，逆铣容易将切屑带入已加工好的螺纹沟槽中，挤压和擦伤加工好的螺纹表面。但顺铣法要求机床精度高，工艺系统刚性要好，否则切削时容易产生振动，螺纹表面容易产生波纹，对于机床精度不高的机床，应采用逆铣法。

6.切削用量的选择

（1）切削速度 切削速度的选择主要依据被加工工件材料的硬度和强度，提高切削速度可以减小切削力，降低切削功率（图5-20），提高切削效率，但提高切削速度对刀具的磨损有较大的影响，因此要兼顾效率与刀具寿命两个方面。旋风铣螺纹刀具最大磨损发生在刀尖附近，前面磨损较轻，后面磨损较重，如图5-21a所示。切削速度超出合理值时，由于切削热量增大，刀具受到热冲击加大，容易在切削刃处产生龟裂并逐渐扩展成一道沟纹，如图5-21b所示。当切削速度低于合理值时，靠近切削刃的前面上产生积屑瘤，在切削冲击力的作用而脱落，使刀具产生贝纹状磨损，如图5-21c所示。

图5-20 切削速度对切削功率的影响

图5-21 切削速度对刀具磨损的影响

为了提高刀具的抗冲击性能和耐磨损性能，在顶刃和两侧刃都要加负倒棱0.1mm×20°。为了保证螺纹齿形精度和表面粗糙度，要控制刀具的磨损值，加工螺纹精度在7级以上的，侧后面磨损极限VB≤0.4mm，低于7级精度的螺纹，铣刀侧刃磨损极限VB≤0.7mm。

丝杠材料为45钢、40Cr调质（28～32HRC）时，使用YW2硬质合金铣刀；加工淬硬的滚珠丝杠（60～64HRC），使用PCBN刀具，选择切削速度v_c=180～210m/min。

（2）每齿进给量的选择 旋风铣螺纹每齿进给量f_z是指旋风铣刀每转过一个刀齿，铣刀相对工件在圆周方向切削长度。从图5-22可见：刀齿从a点开始切入，从b点切出，a、b两点间的距离即为旋风铣削螺纹的每齿进给量f_z

f_z=πd_工n_工/n_刀zcosϕ

式中 d_工——工件外径（mm）；

n_工——工件转速（r/min）；

n_刀——刀具转速（r/min）；

z——铣刀齿数；

ϕ——螺纹大径升角（°）。

图5-22 每齿进给量

旋风铣螺纹的螺距一般较很小，因此螺纹升角很小，所以cosϕ≈1。为了计算方便取f_z=πd_工n_工/n_刀z。

一般每齿进给量选择f_z=0.4～1.2mm/z，工件刚性差，材料强度和硬度较高，螺纹表面粗糙度要求高的取小值，但不宜过小，否则容易产生振动，使刀具寿命下降。

（3）背吃刀量的选择 旋风铣螺纹时，对于螺距小于5mm的，最好一次进给切到螺纹的全齿深，多次进给会降低加工精度和表面粗糙度，并增加切削时间。对于螺距大于5mm的，可采用分两次或三次进给，但第二刀加工余量不宜过小，否则铣刀侧刃吃刀量太小，刀齿与已加工表面产生的滑移较大，摩擦加大，容易产生振动；切削温度升高，工件受热变形，增大加工螺距和齿形的误差。