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    06年度参评论文]内螺纹的数控铣削加工及宏程序应用

      发布时间:2018-03-24 03:14

      传统的螺纹加工方法主要为采用螺纹车刀车削螺纹或采用丝锥、板牙手工攻丝及套扣。随着数控加工技术的发展,尤其是三轴联动数控加工系统的出现,使更先进的螺纹加工方式——螺纹的数控铣削得以实现。本文结合相关刀具的应用,来介绍内螺纹的数控铣削加工的具体应用及特点。

      螺纹铣削加工与传统螺纹加工方式相比,在加工精度、加工效率方面具有极大优势,且加工时不受螺纹结构和螺纹旋向的限制,如一把螺纹铣刀可加工多种不同旋向的内、外螺纹。对于不允许有过渡扣或退刀槽结构的螺纹,采用传统的车削方法或丝锥、板牙很难加工,但采用数控铣削却十分容易实现。此外,螺纹铣刀的耐用度是丝锥的十多倍甚至数十倍,而且在数控铣削螺纹过程中,对螺纹直径尺寸的调整极为方便,这是采用丝锥、板牙难以做到的。由于螺纹铣削加工的诸多优势,目前发达国家的大批量螺纹生产已较广泛地采用了铣削工艺。

      在螺纹铣削加工中,三轴联动数控机床和螺纹铣削刀具是必备的两要素。以下介绍两种常见的螺纹铣刀类型:

      圆柱螺纹铣刀的外形很像是圆柱立铣刀与螺纹丝锥的结合体(见图1-1上,图1-1下则为锥管螺纹铣刀),通常为整体式,但它的螺纹切削刃与丝锥有很大不同,刀具上并无螺旋升程,加工中的螺旋升程完全靠机床的X、Y、Z三轴的联动来实现,刀具上相邻的齿尖之间的距离即为该圆柱螺纹铣刀所能加工的螺纹的螺距。由于结构上的这种特殊性,这种螺纹铣刀既可以加工右旋螺纹,也可以加工左旋螺纹,但不适用于较大螺距螺纹的加工(如同在车床上车削较大螺距螺纹一样容易发生干涉),此外这类螺纹铣刀的切削刃长度通常应该大于被加工螺纹长度。

      常用的圆柱螺纹铣刀可分为粗牙螺纹和细牙螺纹两种。出于对加工效率和耐用度的考虑,螺纹铣刀大都采用硬质合金材料制造,并可涂覆各种涂层(如TiCN、TiAlCN、WC等)以提高刀具的使用寿命,并更好地适应特殊材料的加工需要。圆柱螺纹铣刀适用于钢、铸铁和有色金属材料的中小直径螺纹铣削,切削平稳,耐用度高。缺点是刀具制造成本较高,结构复杂,价格昂贵。

      机夹螺纹铣刀适用于较大直径(如D25mm)的螺纹加工,其特点是刀片易于制造,价格较低,在正常使用的情况下只有刀片的损耗,刀杆拥有较长的使用寿命,具有良好的经济性。少数螺纹刀片也可双面切削(M03&M04),但由于结构上的限制其抗冲击性能较整体螺纹铣刀稍差,因此,这种可用于双面切削(M03&M04)的螺纹刀片常推荐用于加工铝合金材料。

      一般而言,机夹螺纹铣刀的刀片从齿形结构上可分为两种:一种是单齿结构,与车床上使用的螺纹车刀基本相同,加工轨迹与车削螺纹本质上也较相似,其配用的刀片为单齿结构,在2004年全国第一届数控技能大赛全国决赛加工中心组别的实赛中,大赛刀具赞助商就曾经提供了一把这种类型的机夹单刃(单齿)螺纹铣刀;另一种是梳状多齿结构,齿形结构上与上述的圆柱螺纹铣刀加工轨迹较为独特。

      图1-2所示为两种机夹螺纹铣刀及刀片,图1-2a为机夹单刃螺纹铣刀及三角双面(梳状多齿)刀片,图1-2b为机夹双刃螺纹铣刀及矩形双面(梳状多齿)刀片。

      如前所述,螺纹铣刀有单面切削(M03)与双面切削(M03&M04)之分,它们在加工内螺纹时有着不同的要求和特点,以下表1-3和表1-4对此进行了简要的说明。

      2机夹螺纹铣刀适用于较大直径(如D25mm)的螺纹加工,由于结构上的限制多数属于此类。

      2由于可双向切削,选择加工方向(Z轴)受到的限制更少,多数情况下都可以采用自上而下的方式,其好处是在控制螺纹加工深度时更加方便,加工安全性也较高。

      由表1-3和表1-4可以看出,实际上螺纹的铣削加工情况是相当复杂的,可供选择的加工方式呈多样化,影响的因素也较多,在应用时一定要具体问题具体分析,结合机床、刀具和螺纹特性综合考虑,才能寻求到合理、可行的加工解决方案。

      无论内螺纹的铣削加工如何复杂和多样,还是存在一些普遍适用的共性和规律。如图1-3所描述的正是各种内螺纹的铣削加工轨迹的平面投影,至于不同的具体加工方式不过是在这个基础上进行不同的变化(自上而下/自下而上、G02/G03)。

      此外,在以下所有的螺纹加工编程实例中还有一条非常重要的基本原则:在编程时完全不使用刀具半径补偿G41/G42,取而代之的是基于纯数学的处理,即直接对螺纹铣刀的刀心进行编程,虽然相应的数学表达略为复杂些,但由此带来的好处不言而喻。

      本文将以如图1-1上所示的硬质合金整体式圆柱螺纹铣刀为例,介绍螺纹铣削刀具加工(右旋)内螺纹的应用实例。需要说明的是,本例已经在我校的一台Fanuc0i系统的加工中心上实际运行、验证,采用的刀具是一支世界著名品牌三特维克(SANDVIK)硬质合金整体式圆柱螺纹铣刀,其主要规格为:直径16mm,螺距2.5mm,刃长42mm,五刃(齿),单向切削(M03)。

      这种铣刀只需旋转360°即可走出一个螺距所对应的完整螺旋线轨迹(当然还要考虑铣刀的进/退刀动作),从而完成螺纹加工,而且螺纹已经加工部分不会被刀具重复加工,螺纹表面加工质量也可以得到充分的保证。

      与一般内轮廓的铣削加工一样,为了取得更好的加工效果,在不发生干涉的前提下,内螺纹铣削开始进刀时也应尽量采用类似1/4圆弧切入,退刀时亦然,参见图1-3所示。

      上述右旋内螺纹的铣削加工,加工轨迹(投影)参见图1-3,假设Z0面为螺纹顶面,螺纹底孔已预先加工好,其中心即为G54原点,Z轴走刀方向为自下而上,进行G03逆时针螺旋插补,确保铣削方式为顺铣,参见以下程序O0100。

      由于螺纹加工的运动轨迹虽然并不复杂,但是各种相关的工艺参数计算较为烦琐,因此程序中虽然没有复杂的条件判断等语句,但是其中的宏程序语句依然发挥了巨大的作用。

      (1)如果螺纹底孔直径D1为已知,则直接将其赋值给#3,程序中“#3=#1-1.1*#2”可作为计算公式对螺纹底孔直径D1进行必要的验算;

      (2)一般情况下螺纹加工在径向上不宜一刀到底直接精加工到位,而需要分若干次切削(通常分3次较为适合)。总的(单边)余量是一定的([#1-#3]/2),至于每次切削的余量分配,如果要求很高则要进行必要的计算使余量从大到小合理分配,主要保证最后一刀精加工时的余量控制在较小的合理数值范围(如0.1~0.15mm之间),一般情况下操作者可以凭经验酌情给出。具体做法是对程序中的#1(螺纹标称直径D0)或#4(螺纹铣刀直径D2)进行分次赋值,数学上二者无甚差别,不过最好固定针对一个变量(如#1)进行赋值,以利于思路清晰、避免犯错;

      (3)这里刀具开始加工时下降至螺纹深度(Z-14处)后还允许下降一段深度用于螺旋进刀的Z向位移#15,即相当于进刀行程。如果螺纹结构上对深度有更严格的要求,即不允许有进刀行程,则进刀方式无法满足切向进刀,只能以法向进刀,这样在进/退刀处(图1-3中的B点)将产生明显的接刀痕(贯穿整个螺纹长度),影响螺纹表面质量,但是在螺纹加工结束后还是有必要、也有条件以螺旋方式切向退刀。程序需要稍作修改,如下所示(反灰部分保持不变)。

      以下介绍程序O100的近似简化版本O0101,是在程序O0100的基础上进行了一定程度的数学近似和走刀简化,加工轨迹不完全符合理论要求,但接近程度很高,一般情况下足以满足实际加工的要求。程序中的主轴转速S、进给速度F等由人工凭经验直接给出。由于程序短小精悍,特别适合于在数控竞赛等场合应用。

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