外螺纹铣削参数化程序研究及应用

辛道银，魏法明，郭湘宇

（江苏信息职业技术学院 智能工程学院，江苏 无锡 214153）

0 引言

螺纹类零件在部件和设备中主要起连接或传动的作用，广泛应用于汽车、机床、航空航天、石油化工等机械工业。一辆普通的汽车上有上千个螺纹连接件，起到固定、传力、连接、定位、密封、调整等作用，在汽车上得到了广泛的应用[1]。螺纹的切削加工方法主要有车削、铣削、旋风切削、攻螺纹、套螺纹、拉削、磨削等。车削是最常用的螺纹加工方法，但是车削要求工件必须是回转体，而且对于大直径内、外螺纹的加工，还必须要解决工件的装夹问题和动平衡问题。对于外螺纹，可以使用板牙手工套螺纹或在车床上套螺纹，但一般用在公称直径不大于M16或螺距小于2 mm的场合。相比于车螺纹或套螺纹，螺纹铣削不受工件结构形状和尺寸大小的限制，而且可以显著减少刀具种类，可用少量的刀具加工各种规格的螺纹。在实际生产中，各机械加工企业大都采用自动编程加工螺纹，但是自动编程生成的加工程序太长，可读性差，当螺纹尺寸参数发生变化时，需要重新编程，程序的通用性和灵活性差，因此研究螺纹铣削的参数化编程很有必要。

本文借助于数控系统的宏程序功能，以变量的形式设定外螺纹相关尺寸数据和加工数据，通过变量间的四则运算和算术逻辑运算，以期达到参数化编程的目的。首先对外螺纹铣削参数化编程关键点进行分析和研究；然后在此基础上，通过一个实例编制其参数化加工程序；最后对该程序进行VERICUT仿真和实际加工验证。研究发现，该程序加工的螺纹完全符合加工质量要求，且程序结构简单，可读性强，当外螺纹相关尺寸参数发生变化时，只需更改程序中变量的值即可，不需要重新编程，解决了自动编程加工程序通用性、灵活性差的问题，该项研究可供企业编程人员和加工人员参考。

1 螺纹数控铣削加工工艺

1.1 螺纹铣削原理

螺纹铣削是螺纹铣刀按照螺旋插补指令完成螺纹加工的一种方法。螺旋插补运动由XY平面上的圆弧移动和垂直于工作平面的同步直线移动组成[2]，螺旋插补运动如图1所示。对于立式数控铣床或加工中心，螺旋插补指令格式为：G17G02/G03X_Y_I_J_（R_）Z_F_。螺纹铣削实际上是螺旋插补指令运用的一个特例，即螺纹铣刀自转的同时，沿轮廓圆弧插补运动1周，刀具Z轴同步移动1个螺距P。

图1 螺旋插补运动

1.2 整体式螺纹铣刀

整体式螺纹铣刀如图2所示，该类型螺纹铣刀一般采用整体式硬质合金材料制造，表面带涂层的适合加工不锈钢、合金钢等各种钢材；表面不带涂层的适合加工铝合金、铜合金等相对较软的材料。图2（a）为单齿螺纹铣刀，常用于较小直径的螺纹加工，切削力较小、刚度高，同一把刀具可以进行不同螺距、导程规格的螺纹加工，但加工效率低[3-4]；图2（b）、图2（c）分别为三牙螺纹铣刀和全牙螺纹铣刀，三牙螺纹铣刀和全牙螺纹铣刀的优点是加工效率高，缺点是只能加工出与铣刀齿形相同的螺距，所以又称为定螺距螺纹铣刀[5]，切削力也较单齿螺纹铣刀大。整体式螺纹铣刀因结构紧凑、刚度高，抗冲击能力强，工作时切削平稳，在高速加工中心上得到了广泛的应用。

图2 整体式硬质合金螺纹铣刀

1.3 外螺纹铣削方式

在加工外螺纹时，编程一般采用刀具半径补偿指令。当采用顺铣方式时，切屑厚度由厚到薄、刀具不易形成积屑瘤、切削热主要由切屑传出、工件表面质量好，故应优先选择顺铣方式。外螺纹铣削方式如表1所示。

表1 外螺纹铣削方式

2 外螺纹参数化编程关键点分析

本文以批量生产中常用的三牙螺纹铣刀为研究对象，对外螺纹参数化编程拟解决的关键问题进行分析，为参数化程序编制提供依据。

2.1 外螺纹铣削走刀路线的设计

因圆弧切入、切出平稳，不易产生振动，表面不留刀痕，表面质量好，故采用圆弧切入、切出方式设计外螺纹铣削走刀路线。

如图3所示，S为起刀点，刀具从S点至A点这段直线，程序建立刀具半径补偿，刀具中心轨迹的终点不在A点，而是在法线方向上偏移一个刀具半径r的距离。在该段程序中，动作指令只能用G00或G01。刀具从E点返回到S点这段直线，程序取消刀具半径补偿。在中间的程序段AB→BC→CC→CD→DE（②→③→④→⑤→⑥）为偏移方式的运动轨迹。SA这段直线距离要求比刀具半径r大，一般大于或等于2/3刀具直径值，即SA≥4r/3，编程时取SA=2r；直线AB为引线，编程时取AB=P（P为螺距）；BC为切入圆弧，为避免过切，要求切入圆弧的半径R切>刀具半径r（条件允许时R切可以设置得更大一些），编程时，取R切=8r/5；d槽为牙槽圆的直径，d槽=d-a（d为螺纹的公称直径，a为背吃刀量）。根据上述分析，得各基点坐标：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）。

图3 走刀路线设计

2.2 螺纹铣削的轴向分层

由于三牙螺纹铣刀的刃长3P小于螺纹的有效长度L效，故轴向需要分层铣削加工。轴向分层的层数即螺旋插补铣螺纹的总次数为FUP (L效/3P）, 其中FUP为FANUC系统的下取整函数，如果L效/3P结果是小数，那么函数FUP（L效/3P）将自动舍去小数位，向远离0的方向进1。

2.3 螺纹铣刀的轴向定位

采用顺铣方式加工右旋外螺纹，刀具Z轴移动方向为自上而上。和车螺纹相似，需要确定螺纹加工前刀具起刀点和加工完成后刀具的轴向位置，以保证加工后螺纹有效长度L效符合图样要求。

2.4 螺纹铣削的径向分层

图4 刀具的轴向定位

当螺纹牙型较深时，为减小刀具切削负荷，提高螺纹加工质量，径向要分多次进行切削，每次进给的背吃刀量依递减规律分配，最小背吃刀量值不小于0.05 mm[6]。径向总切深取公称直径与小径之差，约为1.08P。

3 程序编制及应用

3.1 实例分析

加工图5所示的外螺纹零件，该螺纹为公称直径为30 mm、螺距为2 mm的细牙螺纹，中径和顶径公差带均为6g，中等旋合长度，右旋，螺纹有效长度为23 mm，零件材质为6061铝合金。

图5 加工零件

3.1.1 数控系统及使用刀具

使用FANUC Oi数控系统；刀具选用整体式硬质合金3牙4刃螺纹铣刀，不带涂层，螺距为2 mm，刃径为11.5 mm，有效长度（刀杆避空长度）为27 mm，柄径为12 mm，总长为75 mm。

3.1.2 切削用量计算

1）切削速度vc，主轴转速n。

根据文献[7],加工铝合金材质工件，取vc=200 m/min,于是得：

2）背吃刀量ap。

对于螺距为2 mm的外螺纹，径向分5次进给，背吃刀量依递减规律分配，设为0.900、0.600、0.300、0.200、0.165。

3）铣刀刀心的进给速度F′。

当铣削外螺纹时，由于螺纹铣刀刀心的运动轨迹比刀刃处轨迹多了一个刀具半径，因此刀心处的进给速度F′大于刀刃处的进给速度F，而程序中的进给速度为刀心处的进给速度。当径向第一刀背吃刀量为0.9 mm时，其刀心进给速度F′计算如下：

式中，f为每齿进给量，一般由刀具厂家或经验给出，通常为0.1～0.2 mm/z。

上述计算供编程时参考，实际加工时,切削用量的选取还要综合考虑刀具厂家提供的切削参数及条件、刀具刚度、工件结构、材质、冷却、机床主轴跳动等因素。

3.2 程序编制

根据上述分析，编制的参数化加工程序如下：

4 程序验证

4.1 仿真加工

如图6（a）所示，搭建与真实加工环境一致的VERICUT仿真加工环境。利用软件的单步仿真功能和数控程序预览功能，生成径向和轴向刀具轨迹，如图6（b）所示，据此可以判断该轨迹与设计的刀具轨迹是完全吻合的。图6（c）为毛坯仿真后的模型。程序经过多次的仿真优化，节省了上机调试程序的时间，保证了加工程序的安全。

图6 VERICUT仿真环境

4.2 实际加工

零件加工在FANUC Series Oi-MC 立式数控铣床上进行，在螺纹加工前，首先加工螺纹轴外圆和轴端倒角，外圆一般加工至比公称直径小0.1P，本例加工至29.8 mm，预加工照片如图7（a）所示。在螺纹铣刀对刀后、螺纹加工前，应将刀具半径补偿值输入到刀具偏置表中，该值设置比刀具半径大0.2 mm，以防止因螺纹加工后中径尺寸偏小而导致螺纹不合格；程序执行后，用螺纹环规检测，发现通规完全旋不进，此情况说明螺纹中径尺寸偏大，径向需要继续进刀，此时将刀补值减小0.1 mm，重新执行加工程序，程序执行后继续用环规检测，将此过程重复了4次，经环规检测，通规能完全旋进，止规能旋进一牙，再将通规旋进螺纹轴至旋不动停止，然后测量工件顶面至通规下端面的距离（即螺纹的有效长度），同样也是符合图样要求的。螺纹有效长度检测照片和加工后零件实物照片如图7（b）和图7（c）所示。

图7 零件加工

5 结语

对外螺纹参数化编程关键点进行了分析和研究，在此基础上通过一个实例，采用对变量直接赋值的方法开发出用于外螺纹铣削的参数化程序，该程序只有51个程序段，结构简单，且具有循环加工的特点，对外螺纹铣削编程具有适用性和灵活性；通过VERICUT仿真，优化了程序，同时保证了程序的安全。程序中使用了刀具半径补偿指令，通过修改刀具补偿值的方法，可以有效控制螺纹的加工精度。