圆锥内螺纹的数控铣削修改稿

R C1/4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R C1/4圆锥内螺纹的数控铣削工艺，及应用宏程序对R C1/4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：R C1/4圆锥内螺纹底孔宏程序编程
Numerical Control Milling of R C1/4 Tapered Internal Screw
Zhang yong le
（School of High Technical，Xi'an University of Technology，Xi'an 710082，China）Abstract：One technics of Numerical control milling of R C1/4 tapered Internal screw of pressure transducer foundation of airtightness test instrument of automobile trachea and process of Numerical control milling on R C1/4 tapered Internal screw by applying macrogram is introduced. Programming and processing on screw underport and Internal screw are discussed thoroughly.
Key words：R C1/4 tapered Internal screw；underport；macrogram；programme
0 引言
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R C1/4圆锥内螺纹数控铣削加工的过程。

1 R C1/4圆锥内螺纹的数控铣削。

（1）加工对象：
欲加工右图1所示工件，加工数量：2件，材料为：L Y12。

图1 压力传感器基座
（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R C1/4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。

图2 装夹方案
（3）加工工艺路线略。

（4）R C1/4圆锥内螺纹底孔和内螺纹的编程、加工：
R C1/4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。

R C1/4圆锥螺纹参数如下表1及图3。

表1 R C1/4圆锥螺纹的基本尺寸
尺寸每25.4㎜螺距牙高圆弧半基准平面内的基本直径基准外螺纹的代号内的牙数P h 径R≈大径中径小径距离有效长度
1/4 19 1.337 0.856 0.184 13.157 12.301 11.445 6 9.7
H —原始三角形高度。

h —螺纹牙高。

图3 R C1/4圆锥螺纹牙型
1）R C1/4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4 R C1/4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R C1/4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——R C1/4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FANUC 0i 编程如下：
O0001 （φ8立铣刀）
N10 G54 G90 G00 Z80 G40 M03 S2000
N20 M08
N30 X0 Y0
N40 Z10
N50 #1=0
N60 #2=5.842
N70 #3=1.79
N80 #4=10
N90 G42 X#2 Y0 D1
N100 G01 Z#1 F300
N110 #5=#2-#1* TAN[#3] (因为FANUC 0i 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) N120 G02 X#5 Z-[#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）
N140 IF [#1 LE #4] GOTO110
N150 G02 I-[#5] （去除立铣刀螺旋进给时所留的螺旋面）
N160 G01 G40 X0 Y0
N170 G00 Z80 M09
N180 M05
N190 M02
○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。

）
1.6。

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R
a
2）R C1/4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7 R C1/4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8 55º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——R C1/4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——R C1/4圆锥内螺纹的螺距。

编程如下：
O0001 （φ6单刃螺纹铣刀）
N10 G54 G90 G00 Z80 G40 M03 S3000
N20 M08
N30 X0 Y0
N40 Z10
N50 #1=0
N60 #2=5.842
N70 #3=1.79
N80 #4=10
N90 #6=1.337
N90 G42 X#2 Y0 D1
N100 G01 Z#1 F200
N110 #5=#2-#1* TAN[#3]
N120 G02 X#5 Z-[#1] I-[#5]
N130 #1=#1+#6 （每旋转一圈刀具下降一个螺距）
N140 IF [#1 LE #4] GOTO110
N160 G01 G40 X0 Y0
N170 G00 Z80 M09
N180 M05
N190 M02
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R C1/4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R C1/4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。