超高强度钢大螺距内螺纹铣削工艺研究

2020-11-16朱晓琳

机电元件 2020年5期

关键词：丝锥攻丝内螺纹

朱晓琳

(内蒙古广播电视大学，内蒙古呼和浩特，010020)

1 螺纹加工发展现状

螺纹在机械加工领域应用非常广泛，其主要作用是紧固、传动和密封。螺纹的加工方法主要包括车削、铣削、攻丝、套丝、磨削和旋风切削等。其中，应用最为广泛的是车削、攻丝和铣削。

随着数控机床精度和刚性的不断提升以及刀具行业的空前发展，螺纹铣削加工技术在机械加工领域尤其是航空航天及模具制造领域愈发凸显出其优势，并得以越来越广泛的应用。

2 螺纹铣削的原理及优点

螺纹铣削是借助数控加工中心的三轴联动功能及G02或G03螺旋插补指令，完成螺纹铣削工作。刀具沿周向及轴向同时运动，刀具沿周向每运动一周，沿轴向运动一个导程。

相比其他几种螺纹加工方法，螺纹铣削具有以下诸多优势：

(1)螺纹铣削更适合难加工材料的螺纹加工。相比其他几种螺纹加工方法，螺纹铣削受材料及其硬度的影响相对较小。

(2)螺纹铣削更适合大直径大螺距螺纹的加工。螺纹铣削所产生的切削力更小，而且可以通过修改刀具半径补偿值来控制每一次的切削量，从而获得刀具能够承受的最为合理的切削力。

(3)螺纹铣削的精度更高。攻丝的精度完全取决于丝锥的精度，随着丝锥的磨损，螺纹孔的尺寸也会随之改变，精度就会相应降低；而螺纹铣削可以通过修改刀具半径补偿值来消除因螺纹铣刀磨损所带来的影响，从而得到较高精度的螺纹孔。

(4)螺纹铣削更安全。攻丝是在螺纹底孔的基础上用丝锥通过一次或几次挤压作用把螺纹加工到位，丝锥与螺纹底孔之间的空间很小，在切削条件较差、排屑不畅的情况下，很容易发生挤屑，甚至丝锥折断，造成产品报废。螺纹铣削是依靠螺纹铣刀对螺纹底孔的切削作用将螺纹加工到位，螺纹铣刀与螺纹底孔之间的空间较大，一般不会发生挤屑现象，即便在加工硬材料时切削力过大螺纹铣刀折断的情况下，也很容易将螺纹铣刀取出，不会对螺纹造成损伤。

(5)对于盲孔，螺纹铣削能够加工的螺纹有效深度比攻丝更大。丝锥的导引长度较长，通常是2～3个螺距，也就是说，对于盲孔，接近孔底的2～3个螺距的螺纹是无效螺纹。

图1 螺纹铣刀

螺纹铣刀则不然，如图1所示，无论是多刃的螺纹铣刀还是单刃的螺纹铣刀，在加工盲螺纹的时候都几乎可以加工至孔底，理论上，只有接近孔底的0.5个螺距的螺纹是无效螺纹。

3 超高强度钢大螺距螺纹铣削可行性研究

超高强度钢主要应用于航空、航天、兵器、核电和高铁等尖端领域，D406A(30Si2MnCrMoVE)作为应用最广泛的超高强度钢, 其淬火后硬度可以达到HRC55以上，抗拉强度大于1400MPa，是典型的难加工材料。对于直径和螺距较小的D406A材料内螺纹，攻丝难度相对较小；但是对于螺距较大的内螺纹，其常规加工难度主要体现在：第一，材料硬度高，攻丝时切削力也相对更大，对丝锥的强度要求更高。第二，螺纹螺距大，材料去除率高，攻丝时排屑更加困难，丝锥接触面积大，阻力也更大，很容易发生挤屑和丝锥折断。所以，采用攻丝的方式加工上述M24×3-6H内螺纹风险较大，可行性较低[1]。

本文以材料为D406A(淬火后)、尺寸为M24×3-6H、螺纹深度是28mm的内螺纹为例，进行螺纹铣削的可行性分析：

首先，螺纹铣削所产生的切削力更小，同时还可以根据实际加工情况通过调整刀具半径补偿值来获得更合理的切削力。

第二，螺纹铣削与攻丝不同，螺纹铣刀与螺纹孔之间的间隙更大，不会发生挤屑的情况。即便发生切削力过大螺纹铣刀折断的情况，螺纹铣刀也很容易取出，一般不会对螺纹造成损伤。更换新的螺纹铣刀后，很容易重新对螺纹进行铣削，不会出现“乱扣”的现象。

第三，加工过程中，可一边调整刀具半径补偿值，一边用“通止规”对内螺纹进行规检，直至螺纹规检合格，可以保证螺纹精度。

4 超高强度钢大螺距螺纹铣削工艺研究及实践

通过对上述超高强度钢大螺距螺纹铣削的可行性研究，以下将从刀具选用、切削参数选定、数控程序编制等方面对螺纹铣削过程进行详细说明[2]。

4.1 选择刀具

螺纹铣刀可以分为多刃和单刃两种。多刃螺纹铣刀是定螺距的螺纹铣刀。加工时，刀具上所有刀齿都参与切削，加工效率较高，但在实际加工时，刀具与工件的接触面积更大，所产生的切削力也更大。多刃螺纹铣刀每个刀齿之间的间距是固定的，因此只能加工与之对应螺距的螺纹。单刃螺纹铣刀的螺距不固定，可加工一定范围内任意螺距的螺纹。单刃螺纹铣刀每次加工时只有一个刃参与切削，因此效率相对较低，但实际加工时刀具与工件的接触面积相对更小，所产生的切削力也更小。

本文所研究的螺纹材料硬度较高(D406A淬火后硬度可达HRC55以上)，且螺距较大(p=3)。选用多刃螺纹铣刀固然效率更高，但接触面积大，阻抗就会更大，切削力也相应更大，对于硬材料大螺距的螺纹显然不适用。而单刃螺纹铣刀虽然效率偏低，但铣削加工时接触面积小，产生的切削力更小，更适合硬材料大螺距的螺纹铣削加工。

综上所述，最终选用Vargus公司生产的单刃螺纹铣刀，型号是CTM2SC16C21-80-2U。

4.2 制定切削参数

考虑到所要加工的材料硬度较高，每次的铣削去量不宜过大。同时，螺距越大，铣削加工时刀具与工件的接触面积越大，切削力也越大，如图2所示，两种不同螺距的螺纹铣削加工时，前者刀具与工件的接触面积明显大于后者。

图2 M24×3与M24×1.5螺纹铣刀接触面积对比图

为了有效地减小切削力，避免挤屑和丝锥折断现象的发生，将走刀次数分为4次，表1是每次加工对应的切削去量。批生产时，考虑到加工硬材料刀具磨损可能会对螺纹精度造成影响，笔者将螺纹铣削至理论值的95%。最后，一边调整刀具半径补偿值，一边用“通止规”对内螺纹进行规检，直至螺纹规检合格，这样就可以有效保证螺纹的精度要求。

表1 M24×3-6H内螺纹走刀次数及总切削去量参考表

4.3 编制数控程序

依据表1的走刀次数及切削去量进行编程[3]，数控程序如下，供参考。

第1次(50%)

%MPF50

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")

N1 G90 G00 G57 X0 Y0

N2 D1 Z0.203 M3 S231

N3 G91 G00 X0 Y0 Z0

N4 G01 G42 D1 X0.638 Y10.613 Z0 F2

N5 G91 G02 X10.613 Y-10.613 Z-0.203 CR=10.613 F2

N6 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N7 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N8 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N9 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N10 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N11 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N12 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N13 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.251 J0 F6

N14 G91 G02 X-10.613 Y-10.613 Z-0.203 CR=10.613

N15 G00 G40 X-0.638 Y10.613 Z0

N16 G00 Z50

N17 M30

第2次(75%)

%MPF75

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")

N1 G90 G00 G57 X0 Y0

N2 D1 Z0.247 M3 S231

N3 G91 G00 X0 Y0 Z0

N4 G01 G42 D1 X0.869 Y10.819 Z0 F2

N5 G91 G02 X10.819 Y-10.819 Z-0.247 CR=10.819 F2

N6 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N7 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

跨企业培训中心是德国双元制职业教育模式经过长期发展，在学校和企业之间，剥离出的一个过渡环节，是德国校企合作、产学研结合深层次发展的产物和载体[1]。本文所依托的跨企业培训中心由太仓市政府主导，针对支柱产业，引入国际高质量职业标准，精准配置教育资源，与德国工商会上海办事处(AHK-Shanghai)、健雄学院等职业院校、舍弗勒等德国企业合作建设的，强调在真实的工作场景中培养学徒，具备整合多方资源、对接课堂与车间、学生向员工身份转化、融合教育与职业属性、结合“教师+师傅”等多重功能特性。

N8 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N9 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N10 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N11 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N12 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N13 G91 G02 X0 Y0 Z-3.000 I-11.689 J0 F6

N14 G91 G02 X-10.819 Y-10.819 Z-0.247 CR=10.819

N16 G00 Z50

N17 M30

第3次(90%)

%MPF90

MSG ("Tool cutting diameter = 20.650 mm - Sinumeric 840D Controller.")