圆锥内螺纹的数控铣削

RC1/4圆锥内螺纹的数控铣削张永乐（西安理工大学高等技术学院西安710082）摘要：本文介绍了一种汽车排气管气密性测试仪的压力传感器基座RC1/4圆锥内螺纹的数控铣削工艺，及应用宏程序对RC1/4圆锥内螺纹的数控铣削过程。重点对螺纹底孔及内螺纹的编程和加工作了较深入的分析、研究、总结。关键词：RC1/4圆锥内螺纹底孔宏程序编程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、板牙手工攻丝及套丝。随着数控加工技术的发展，更先进的螺纹加工方式——螺纹的数控铣削得以实现和应用。笔者针对我院科研课题---汽车排气管气密性测试仪的压力传感器基座为案例，来详细介绍应用宏程序对RC1/4圆锥内螺纹数控铣削加工的过程。1RC1/4圆锥内螺纹的数控铣削。（1）加工对象：欲加工下图1所示工件，加工数量：2件，材料为：LY12。2）工艺分析：经分析，要保证4个在空间成90度分布的圆锥内螺纹的位置度为φ0.05，如果工艺安排在车床上采用四爪，划线找正加工，或专门制做车床夹具，均要多次装夹或分度，工序多，且难以保证位置公差；同时加工周期很长。而笔者经常在数控铣床上，应用宏程序加工内、外直螺纹，故尝试在数控铣床，用万能分度头FW125水平装夹工件完成四个RC1/4圆锥内螺纹的加工。这样，既装夹方便，可靠又能保证位置度要求。如图2所示。（3）加工工艺路线略。（4）RC1/4圆锥内螺纹底孔和内螺纹的编程、加工：RC1/4圆锥内螺纹有密封要求，根据测试仪工作状况，设计要求承受0.5MPa的空气压力，圆锥外螺纹的管接头与圆锥内螺纹孔形成锥/锥配合，所以先要分析和加工圆锥内螺纹底孔。RC1/4圆锥螺纹参数如下表1及图3。表1RC1/4圆锥螺纹的基本尺寸图3RC1/4圆锥螺纹牙型H—原始三角形高度。h—螺纹牙高。1）RC1/4圆锥内螺纹底孔编程与加工○1数学模型的建立：锥管内螺纹的基准面的位置在孔口端面以下0.5*P处，因其半径和孔口半径的差值很小，所以可近似用参照平面的孔口半径来表示及计算。由表1中基准平面内的小径尺寸及配合间隙可计算出底孔端面直径为5.842。由图3知，圆锥管螺纹的锥度为1:16，故其底孔半锥角为1.79°。底孔截面如图4所示。图4RC1/4圆锥内螺纹底孔截面图宏程序简而言之，就是用变量来控制刀具的位置及进给路线的编程方法。对本例以圆锥母线上任意一点A为研究对象，来建立一个数学模型，首先需确定一个合理、方便的变量，控制A点在AB直线上的位置，即确定A点的X，Y，Z工件坐标值，如图3所示，可过A点作OB的垂线AC，则A，B，C三点构成了一个直角三角形。由几何关系可表示出A点的工件坐标为：X=OB-BC=5.842-AC*TAN[1.79]Y=0（象限点）Z=AC显然以Z向工件坐标值为变量#1计算简单、编程简便：X=5.842-#1*TAN[1.79]Z=#1然后，确定刀具的进给路线。经分析有两种进给路线可供选择：路线一：Z向分层，两轴半加工。如图4所示底孔简图。刀具Z向每下降一层，进给一个整圆。如Z向进给层距太大，会留下台阶，影响后面螺纹加工质量；进给太小，切削时间很长。如图5所示。图5路线一示意图路线二：螺旋进给，三轴联动加工。如图6所示RC1/4圆锥内螺纹的螺纹结构简图，每一个360O锥面螺旋线进给过程中Z向下降一个螺距1.337毫米，由此分析Z向刀具可进给较大尺寸，如每旋转一圈下降0.5毫米，且铣刀侧刃接触较多，锥孔表面质量较好。另外很重要的是，按此方法铣底孔和铣螺纹的编程思路一致，内容相近，大大减轻编程工作量，提高编程效率和质量。本例按此编程方法作以介绍。图6路线二示意图○2刀具选择：φ8高速钢立铣刀.○3编制宏程序：首先，设定如下几个变量：#1——Z向下刀深度。#2——圆锥螺纹底孔端面半径，是一常量。#3——RC1/4圆锥管螺纹的1/2锥角，也是一常量。#4——圆锥螺纹底孔深度。按数控系统FANUC0i编程如下：O0001（φ8立铣刀）N10G54G90G00Z80G40M03S2000N20M08N30X0Y0N40Z10N50#1=0N60#2=5.842N70#3=1.79N80#4=10N90G42X#2Y0D1N100G01Z#1F300N110#5=#2-#1*TAN[#3](因为FANUC0i数控系统对每段程序长度有一定限制，故在N120之前设置一个变量#5)N120G02X#5Z-[#1]I-[#5]（螺旋线进给，铣削锥面）N130#1=#1+0.5（每旋转一圈刀具下降0.5毫米）N140IF[#1LE#4]GOTO110N150G02I-[#5]（去除立铣刀螺旋进给时所留的螺旋面）N160G01G40X0Y0N170G00Z80M09N180M05N190M02○4加工小结：1）如考虑到孔底表面质量，则精铣时应选用顺铣G41，但此孔为螺纹底孔，且此程序稍加改动即可作为铣螺纹程序，故选用G42。2）孔口端面与底孔最好用一把刀具加工，否则可能会因Z向对刀不准而影响底孔在Z向的位置。3）分粗、精铣两个阶段。（如粗铣半径补偿值为4.98，精铣为4.2。）4）经实际加工验证一个底孔仅需6～7分钟，且孔表面粗糙可达Ra1.6。2）RC1/4圆锥内螺纹编程与加工。○1数学模型的建立：由表1知螺纹牙型高度为0.856毫米，如图7所示。经分析，可继续使用底孔的数学模型——直角三角形△ACB。牙型角的角平分线垂直于螺纹轴线，螺纹牙型高0.856毫米可以通过刀具半径补偿值的修正来达到。这样大大的减小了铣螺纹的编程工作量、方便了实际操作。图7RC1/4圆锥内螺纹示意图○2刀具选择：55º单刃螺纹铣刀定购困难、周期长、费用高，而55º圆锥外螺纹和圆锥内螺纹配合用于密封时，锥/锥配合是在内、外螺纹相互旋紧的整个锥面上进行密封，因为受到内、外螺纹锥度、牙型角等多个因素一致性的制约，完成全锥面的密封是比较困难的，允许螺纹副内添加合适的密封介质，如胶带、密封胶等。笔者用φ6高速钢键槽铣刀在万能工具磨床上配合手工磨制了一把55º的单刃螺纹铣刀。如图8所示。图855º的单刃螺纹铣刀○3编制宏程序：首先，设定如下几个变量：#1——Z向下刀深度。#2——圆锥内螺纹底孔端面半径，是一常量。#3——RC1/4圆锥管螺纹的1/2锥角，也是一常量#4——圆锥内螺纹长度（跟与之相配的圆锥外螺纹的基准距离有关）。#6=1.337——RC1/4圆锥内螺纹的螺距。编程如下：O0001（φ6单刃螺纹铣刀）N10G54G90G00Z80G40M03S3000N20M08N30X0Y0N40Z10N50#1=0N60#2=5.842N70#3=1.79N80#4=10N90#6=1.337N91G42X#2Y0D1N100G01Z#1F200N110#5=#2-#1*TAN[#3]N120G02X#5Z-[#1]I-[#5]N130#1=#1+#6（每旋转一圈刀具下降一个螺距）N140IF[#1LE#4]GOTO110N160G01G40X0Y0N170G00Z80M09N180M05N190M02注：如果圆锥内螺纹的公称直径发生变化时，只需改变程序O0001和O0002中的#1、#2、#4、#6变量的初始值即可，这样，编制的宏程序就有一定的通用性、灵活性。○4加工小结：1）φ6单刃螺纹铣刀刚性较差，且为单刃切削，故选择主轴转速较高S3000转/分钟，进给较慢F150毫米/分钟，实际加工时通过修改刀具半径补偿，来控制每次吃刀深度不大于0.3毫米。2）铣刀刀尖尽可能与底孔上端面平齐，否则Z向螺纹位置误差过大，影响配合质量。3）铣削时要注意进刀路线和方向，以防止编程出错，搞反左、右旋向。4）快要铣到理论尺寸时，一定要用与之装配的管接头试配，再修正刀补，直至达到旋合要求为止。2结束语通过对上述工件的RC1/4圆锥内螺纹数控铣削加工分析，结合直、外螺纹的数控铣削，可以总结出螺纹铣削加工与传统螺纹加工方式相比：（1）在加工精度、效率方面具有极大优势；（2）加工时不受螺纹公称尺寸的限制，一把单刃螺纹铣刀可加工多种不同公称尺寸的内、外螺纹，（3）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；（4）加工时不受螺纹旋向的限制，螺纹铣刀可加工不同旋向的内、外螺纹；（5）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（6）其结构形式有足够的排屑空间，螺纹铣刀的耐用度是丝锥的十多倍甚至数十倍；（7）可以加工各种结构形式的直螺纹，锥管螺纹及非标螺纹。（8）螺纹铣削加工过程中刀具承受的抗力较小，在加工大型或贵重结构部件时，在所需的转矩较小的情况下加工较大规格的螺纹。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，在我国石油，汽车，军工等行业也有一定的应用。笔者对RC1/4圆锥内螺纹底孔及内螺纹的数学分析、宏程序编制、加工的详细介绍，具有一定的代表性，为各种内、外螺纹，尤其是圆锥内螺纹的数控铣削提供了一种编程思路和加工方法。参考文献【1】机械设计手册编委会.机械设计手册（新版）.北京：机械工业出版社，2004加工说明：右旋内锥螺纹，中心位置为（50，20），螺纹大端直径为ф60mm，螺距=4mm，螺纹深度为Z-32，单刃螺纹铣刀半径R=13.5mm，螺纹锥度角=10°&G*?:L0n;H6s7I#U5}假设螺纹底孔已预先加工，为简明扼要说明宏程序原理，这里使用一刀精加工，实际加工可合理分配余量分次加工！9a'q5FN8p%m4J&BO0101)Ld6?7J(c$GS2000M03G54G90G00X0Y0Z30.G65P8101A10.B0D60.Q4.R13.5X50.Y20.Z-32.F500M30/F(g4?3y7B%U6].a:b6r自变量赋值说明；5A:m:D4A$Z)B$J#1=A螺纹的锥度角（以单边计算）#2=B螺纹顶面Z坐标（非绝对值）!F7M5{6E'~*I4y$?#g#7=D螺纹起始点（大端）直径#9=F进给速度$x7E5m0P!d'R#17=Q螺距1E-A:q,d)A3N,X%h#18=R刀具半径（应使用单刃螺纹铣刀）#24=X螺纹中心X坐标值%_$t6g:D$Ox#25=Y螺纹中心Y坐标值2L#`1d3H8A/k!Y&t#26=Z螺纹深度（Z坐标，非绝对值）5I/C,a6GC;U%s-u*]'~:h1p4W1l宏程序O8101w8\7X;H(M%V(K^$m(H;gG52X#24Y#25在螺纹中心（X，Y）建立局部坐标系(Y1A0c%u1\(X?(d7G&z#3=#7/2-#18起始点刀心回转半径（初始值）.dZ*v,C$uj3U/z)R!J#4=TAN[#1]锥度角正切值#5=#17*#4一个螺距所对应的半径变化量#6=#3-#26*#4螺纹底部（小端）半径4A3w7`4O8r&CG00X#3Y0G00移动到起始点的上方Z[#2+1.]G00下降到Z#2面以上1.处.m9B8G;k&n8V9T'K)HG01Z#2F#9G01进给到Z#2面`-q5v0I1eWHILE[#3GT#6]DO1如果#3＞#6,循环1继续G91G02X-#5I-#3Z-#17F#9G02螺旋加工至下一层,实际轨迹为圆锥插补#3=#3-#5刀心回转半径依次递减#5END1循环一结束(此时#3=#6)G90G01X0Y0G01回到中心L3N0Q%R3_0pG00Z30.快速提刀到安全高度G52X0Y0恢复G54原点#N-y2`/f*R'T:k#Q%W,RM99宏程序结束返回1O2f0b8i1v-h;U