M4以下小内螺纹的加工方法分析

毛爽军

（深圳市飞亚达科技发展有限公司，广东 深圳 518107）

0 引言

随着数控加工技术的飞速发展，在航空零件、高精密激光器封装盒零件中，对小螺纹（M4以下螺纹）运用传统的钳工攻牙已无法满足生产效率和质量需求，特别在高精密激光器封装盒中，对螺纹加工工艺过程、尺寸精度、螺纹表面质量提出了更高的要求。在不锈钢、可伐合金、钛合金等硬度高的材料上，由于螺纹直径小、丝锥刚性差，导致丝锥容易折断；在加工高精密无氧铜电子零件中，容易出现螺纹牙尖毛刺和螺纹孔底堆积切屑两个难题。笔者结合实际生产经验，分别从挤压攻丝、切削攻丝和铣削螺纹三种加工方式出发，分析加工细节，总结出了一些经验。

1 丝锥加工螺纹

丝锥攻牙在实际生产运用中有两种方式：挤压攻丝和切削攻丝。钢和铜零件一般采用挤压攻丝，铝件加工通常采用切削攻丝。其运用方法如下。

1.1 挤压攻丝

优点：攻牙效率高、成本低、加工范围广（不锈钢零件、铜类零件、钛合金、可伐合金等），适合加工大批量零件。

缺点：1）螺纹牙尖易出现丝状毛刺；2）在攻牙前螺纹底孔内有切屑时，会将碎屑压死在螺纹孔底，且攻牙将切屑挤压后难以取出，如图1所示。

图1 小螺纹在20倍放大镜下的状态

1.1.1 攻丝前准备

攻丝前的准备工作是螺纹加工过程中比较重要的环节，具体做以下准备工作：

1）查询螺纹参数表格。确定螺纹大径、小径、螺距，确定螺纹底孔孔径尺寸范围，需要注意的是，挤压攻丝的螺纹底孔孔径不是螺纹小径，而是靠挤压丝攻的压迫使材料产生塑性变形后得到螺纹小径。

2）挤压丝锥的选用及攻牙条件。根据螺纹公差等级的要求，选取相应精度等级的丝锥。攻丝加工对机床主轴跳动、刀柄装夹丝锥的精度都要满足要求，丝锥装夹在机床上采用千分表进行回转跳动检测，跳动值应保证在0.015 mm以内，如丝锥跳动过大，将会导致螺纹尺寸超差，无法满足图样要求。

3）螺纹底孔加工的细节。获取螺纹底孔的方法有两种：钻削加工底孔和铣削加工底孔。钻削加工产生节状切屑，能将绝大部分底孔内的切屑排出，得到干净的底孔。铣削加工产生碎末状的切屑，由于底孔孔径小而且深，使用压缩空气也难以将切屑吹出，如有碎沫和碎块状切屑遗留在孔底，攻牙时又对其向下挤压，螺纹加工完后就更难将其取出，加工时应尽量使用钻削底孔。

1.1.2 加工流程及细节

1）中心钻打定位孔。2）钻螺纹底孔（或铣螺纹底孔）。加工完后用塞规检测底孔大小，确保尺寸符合攻牙条件。3）螺纹孔口倒角。4）吹螺纹底孔。加工程序暂停，用压缩空气吹出孔内切屑，给攻丝一个良好的环境，避免攻牙后出现牙尖毛刺和切屑挤压在孔底。5）攻牙。

1.1.3 挤压丝锥折断原因分析

1）底孔直径的影响。首先查询挤压攻丝底孔的参数表，最实用的就是依靠经验的积累，以在304不锈钢上加工M2内螺纹为例：查询挤压丝锥参数表，参考底孔直径是1.79～1.84 mm，实际生产中尽可能将底孔做大，一般加工到φ1.83 mm，底孔越大，对丝锥的磨损越小，但不能太大，如超过φ1.84 mm，会导致挤压余量不足，螺纹牙形不饱满，螺纹小径超差。如螺纹底孔小于φ1.79 mm，挤压余量过多，会导致丝锥卡住折断[1]。在试验中底孔与小径的对比如表1所示。

表1 M 2螺纹挤牙前底孔与挤牙后小径的尺寸对比

2）加工参数的影响。螺纹加工主轴转速越高、进给越快，由于小螺纹丝锥刚性差，易于折断，应采用低转速、低进给，如在304不锈钢上加工M2内螺纹为例，实际生产中转速采用200 r/min。

3）冷却润滑。挤压攻丝在冷却润滑上选择以润滑为主的切削油，避免因为润滑状况不好造成滞锥、断锥现象。而对于挤压攻丝冷却则不是必须的：一方面,良好的润滑不会产生过多的热量,即使产生少量的热量对于金属的塑性变形也是无害的；另一方面,不均匀的冷却使得被挤金属各处性能不一致,影响挤压成型的效果[2]。

1.2 切削攻丝

优点：攻牙效率高、成本低、排屑好、加工时冷却效果好，适合加工低硬度、黏性大的材料，以铝制零件、塑料零件为主。

缺点：刚性差，不适合加工不锈钢等硬度高的材料，螺纹牙尖毛刺大。

1.2.1 攻丝前准备

1）查询螺纹参数表格。确定螺纹大径、小径、螺距，确定螺纹底孔孔径尺寸范围，特别注意，切削丝锥的螺纹底孔孔径是螺纹小径。不能与挤压丝锥底孔大小搞混。

2）切削丝锥攻牙前的条件。切削丝锥同挤压丝锥一样用千分表对机床主轴跳动、刀柄装夹丝锥的精度进行检测，回转跳动值应保证在0.015 mm以内。

3）螺纹底孔的加工方法与挤压丝锥一样，采用钻削或铣削两种方式，优先选用钻削底孔。

1.2.2 加工流程

切削攻丝的加工流程与挤压攻丝流程一样，当产品螺纹要求高，牙尖毛刺太大，无法满足产品要求时，可增加一次螺纹底孔加工与攻牙加工，以达到去除毛刺的效果。

1.2.3 切削丝锥折断的原因分析

冷却润滑：材料塑性强，冷却润滑不足时，切屑堵住丝锥，造成滞锥引起丝锥折断。

产品材料：切削丝锥由于有排屑槽，刚性差，高硬度产品会引起丝锥折断。

挤压丝锥攻牙在出现牙尖毛刺和挤压孔底切屑时，不能对螺纹底孔二次加工，只能在攻牙前暂停程序，通过人工使用压缩空气对准螺纹底孔吹气，排出切屑，虽不能全部吹出，但能很大程度上将切屑排出，从而提高螺纹质量。而切削丝锥螺纹底孔等于螺纹小径，在攻牙结束后出现较大的牙尖毛刺和挤压孔底切屑时，可以对底孔和攻牙两步加工进行二次空走，能很好地去除牙尖毛刺和螺纹底部碎屑。

2 铣削螺纹

铣削螺纹在螺纹加工中应用最为广泛，能应对各种材料，适应性强[3]，在数控机床上可以根据图样要求任意设定螺纹螺距，不管英制螺纹还是公制螺纹，可通用加工。

铣削螺纹的优点：螺纹牙形表面光亮、粗糙度低，牙形饱满、牙尖无残留的毛刺，螺纹尺寸方便调整，加工过程中螺纹大径、小径可以通过刀具半径补偿的方式调整，加工灵活，适合小批量、样板类零件加工，螺纹孔底残留的碎屑没有挤压现象，能轻易用压缩空气吹出，对后工序产品的清洗提供了很大的便利，如图2所示。铣削螺纹的缺点：铣削小螺纹相比CNC机床用丝锥攻牙效率低，且螺纹牙刀定做价格高于普通丝锥价格。

图2 铣牙小螺纹在20倍放大镜下的状态

2.1 铣削螺纹的方法

1）查询螺纹参数表格。确定螺纹大径、小径、螺距、螺纹底孔大小。

2）选用合适的螺纹铣刀[4]。螺纹牙刀的耐用度远远高于挤牙丝锥，在加工中常见螺纹铣刀分为三类：

a.镶片式机夹螺纹铣刀。刚性强，适用于大型螺纹加工，加工效率高，刀片更换方便，成本低。

b.整体式多牙螺纹铣刀。适用于中小型螺纹加工，加工效率高，缺点是切削阻力大，定做价格高，只能加工固定螺距螺纹。

c.整体式单牙螺纹铣刀。适用于小直径的螺纹铣削，冷却好，排屑流畅，加工小螺纹时比丝锥耐用度高，可加工不同螺距的螺纹。

针对于小螺纹加工，选取整体式单牙螺纹铣刀为例，螺纹铣刀回转直径必须小于螺纹小径，回转直径为螺纹小径的0.8倍最为合适。根据图样对螺纹深度的要求，保证刀具避空长度大于螺纹牙深度，刀具装夹时伸长量不宜过大，略大于底孔深度5 mm最为合适，能很好地保证螺纹牙刀的刚性。

3）程序加工过程。运用CAD/CAM进行自动编程：a.加工出螺纹底孔（优先选用钻削）；b.底孔孔口倒角；c.采用顺铣加工螺纹,第一次运行完铣削螺纹程序段后，此时螺纹牙尖（小径）会粘有毛刺和切屑；d.二次运行底孔程序和螺纹程序，去除牙尖（小径）上毛刺，同时也是对螺纹牙面进行修光，降低表面粗糙度；e.用螺纹通止规检测螺纹尺寸，在螺纹尺寸不合格时采用刀具半径补偿功能来调整螺纹大小，达到图样的要求。

2.2 铣削螺纹常见的问题[5]

2.2.1 振动

螺纹铣削中常常出现振动的问题，在螺纹牙表面产生严重的振纹。其原因是在切削过程中，牙型两侧面同时参与切削，而小螺纹铣刀刚性差，当切削参数不合理、切削力过大，导致刀具共振，从而产生牙面振纹。从以下三个方面去解决：1）优化切削参数，减少每齿切削负荷；2）缩短刀具装夹悬伸，增加刀具直径，提高刀具刚性；3）检测刀具跳动，机床主轴跳动。

2.2.2 蹦刀、断刀

在螺纹铣削生产中，刀具蹦刀、断刀的大致原因有：切削参数过大，超过刀具每齿切削负荷；冷却不足，排屑不流畅。因此优化切削方式，将粗加工与精加工分开，选择合适的冷却方式，增加冷却油的压力，将多牙铣刀改为单牙铣刀。

2.2.3 螺纹带有锥度

内螺纹带有锥度通常表现为螺纹孔口直径较大，而内部直径较小，出现这种现象的主要原因有：刀具长径比大，造成刚性不足；工件和刀具的装夹刚性不足，在加工过程中刀具磨损不够锋利；加工程序不合理，顺铣、逆铣选择错误等。那么在直径允许的范围内，采用较大的刀具直径，提高刚性，同时运用锋利（新的铣刀）的螺纹刀，增加一次螺纹精铣，对螺纹进行修光，从而解决螺纹锥度问题。

2.2.4 螺纹通规拧不进或太紧

在铣削螺纹调试过程中，最常见的就是通规拧不进或太紧，发生这种情况有两种原因：1）底孔直径太小（螺纹小径小），导致螺纹通规进不去；2）编程中螺纹铣刀直径大于实际螺纹铣刀直径，导致加工出的螺纹大径太小。因此，在实际生产中，铣牙前首先用塞规检测螺纹底孔大小，如铣牙后螺纹通规不进，直接运用机床刀具半径补偿功能，对螺纹铣刀进行补偿，调整螺纹大小，解决通规不进问题。

3 结语

根据上述螺纹加工方法，结合实际生产经验，对大批量钢类、铜类零件优先选用挤压攻丝加工螺纹；对大批量铝制零件，优先选用切削攻丝加工螺纹；对于小批量零件、高硬度材料、特殊螺距、螺纹表面要求高的零件，采用铣削方式加工螺纹，螺纹表面质量与精度最高。在数控加工中，M4以下精密小螺纹加工具有一定的复杂性，目前我国数控加工还处在发展阶段，随着时代的步伐，数控加工技术将不断实践、创新、完善、成熟。