螺纹的数控加工工艺研究

在数控车床和加工中心正确和合理地确定螺纹的切削工艺对于使用者来说十分重要，本文对此作了探讨。

1. 螺纹车削和铣削工艺的选择

螺纹的切削工艺取决于所加工零件的结构和所采用的数控机床。一般来说，使用右刀刃加工右旋螺纹和使用左刀刃加工左旋螺纹，此做法优点是刀片的支撑最稳定，当然一般情况下，相反方式也能应用。

1.1螺纹切削时有关尺寸的确定

（1）螺纹牙型高度（螺纹总切深）

螺纹牙型高度是指在螺纹牙型上，牙顶到牙底之间垂直于螺纹轴线的距离。如图1所示，它是车削时车刀总切入深度。根据GB192~197—81普通螺纹国家标准规定，普通螺纹的牙型理论高度，实际加工时，由于螺纹车刀刀尖半径的影响，螺纹的实际切深有变化。根据GB197—81规定螺纹车刀可在牙底最小削平高度处削平或倒圆。则螺纹实际牙型高度可按下式计算：式中：为螺纹原始三角形高度，；为螺距。

（2）螺纹起点与螺纹终点径向尺寸的确定

螺纹加工中，径向起点（编程大径）的确定决定于螺纹大径。例如要加工

外螺纹，由GB197—81知：螺纹大径基本偏差为ES=—0.038mm；公差为Td=0.28mm；则螺纹大径尺寸为，所以编程大径应在此范围内选取。

径向终点（编程小径）的确定决定于螺纹小径。因为编程大径确定后，螺纹总切深在加工中是由编程小径（螺纹小径）来控制的。螺纹小径的确定应考虑满足螺纹中径公差要求。设牙底由单一圆弧形状构成（圆弧半径为），则编程小径可按下式计算：

式中：为螺纹公称直径（mm）；为牙底圆弧半径（mm），一般取

；为螺纹中径基本偏差（mm）；为螺纹中径公差（mm）。

（3）螺纹起点与螺纹终点轴向尺寸的确定

由于车螺纹起始时有一个加速过程，结束前有一个减速过程。在这段距离中，螺距不可能保持均匀。因此车螺纹时，两端必须设置足够的升速进刀段和减速退刀段，详见文献[2]。

（4）螺纹刀具刃倾角的选择

螺纹的螺旋升角γ必须和刀具的刃倾角λ一致，以便尽可能避免刀面一侧的过分磨损和刀具寿命的缩短。刀具刃倾角的计算公式为：tanλ=（P/d2）×π，式中：P为螺距，d2为中径，λ为刃倾角。

通常可转位螺纹车刀的刃倾角由刀垫来确定，标准刀垫为+。但对于直径为φ16m m和φ20mm的内螺纹刀具，由于空间较小而无刀垫，故刃倾角大于+时不可加工。

1.2 螺纹车削进刀方式的选择

螺纹车削的进刀方式是由切削机床、工件材料、刀片槽形及所加工螺纹的螺距来确定的，通常有以下四种进刀方式：

（1）径向进刀刀具径向直接进刀（图2）是最常用的切削方式，车刀左右两侧刃同时切削，所受轴向切削分力有所抵消，部分地克服了因轴向切削分力导致车刀偏歪的现象。两侧面均匀磨损，能保证螺纹牙形清晰，但存在排屑不畅，散热不好，集中受力等问题。适用于切削1.5mm以下螺距的螺纹。

（2）单侧面进刀刀具以和径向成角的方向进刀切削（图3）。切屑从刀刃上卷开，形成条状屑，散热较好。缺点是另一刃因不切削而发生摩擦，这会导致积屑瘤的产生、表面粗糙度值高和工件硬化。

（3）改良的侧面进刀刀具以和径向成~角的方向进刀切削（图4）。刀刃两面切削，形成卷状屑，排屑流畅，散热好，螺纹表面粗糙度值较低。一般来说，这是车削不锈钢、合金钢和碳素钢的最好方法，约90%的车螺纹材料皆用此法。在数控车床上螺纹加工最好采用此方法，一般可调用固定循环，编程简便。

（4）左右侧面交替进刀左右交替切削即每次径向进给时，横向向左或向右移动一定距离，使车刀只有一侧参加切削（图5）。此方法一般用于通用车床和螺距在3mm以上的螺纹加工，在数控车床上编程较复杂。

1.3 螺纹铣削进刀方式的选择

螺纹铣削加工主要用于加工中心等数控镗、铣床类机床。一般小直径内螺纹（≤20m m）可以用攻螺纹加工，但对于大直径内螺纹的加工以及外螺纹的加工，攻螺纹和套螺纹都存在很多问题，故螺纹铣削加工是最好的加工手段。

螺纹铣削加工有别于螺纹车削加工，这是因为螺纹数控铣削加工主要是通过机床的三轴联动和螺旋插补加工来实现的，即在二轴作圆弧铣削加工的同时，第三轴作直线进给运动，其轴向的移动距离正好是螺纹的螺距。采用可转位螺纹车刀进行螺纹铣削加工，是单刃铣削加工，故其进刀方式最好采用径向直接进刀切削方式，这样两切削刃同时切削，受力较均匀，能保证螺纹精度，并且数控编程较为简便。

2. 切削用量的选择

螺纹切削用量的选择（切削速度、背吃刀量、走刀次数）是由刀具和零件的材质确定的。螺纹车削的切削速度一般要比普通车削低25% ~ 50%。螺纹的背吃刀量及走刀次数选择也显得特别重要。a p值的正确与否，直接关系到螺纹是否合格，背吃刀量直接影响切削力的大小，螺纹背吃刀量需遵循递减原则，即后一刀背吃刀量需小于前一刀，最小背吃刀量值不小于0.05mm。下面两表提供了米制内、外螺纹背吃刀量a p值，此表同样适用于螺纹的铣削加工，供参考。

表1 ISO米制螺纹背吃刀量a p值（外螺纹）（mm）

表2 ISO米制螺纹背吃刀量a p值（内螺纹）（mm）

对于数控镗、铣类机床来说，虽然铣螺纹是采用三轴联动螺旋插补加工来实现的，有别于车削螺纹，但其切削用量的选择仍可参考车螺纹的有关切削参数。因铣螺纹是单刃切削而成，故其切削速度应选择车削的一半为宜，背吃刀量a p值仍可按车削选取。

3. 数控程序的编制

对于数控车床来说，通用标准的螺纹车削编程指令是G33（固定螺距切削）、G34（螺距递增的变距螺纹切削）、G35（螺距递减的变距螺纹切削）。螺距由I、J、K来指定，其中I、J、K分别对应X、Y、Z三轴。但一般CNC系统及机床生产厂都提供螺纹车削固定循球供用户使用，只需输入必须的参数即可。只有在加工比较特殊的螺纹时，才需采用G指令和自己计算坐标点的编程方法。

而对于数控镗、铣类机床（加工中心）来说，螺纹的铣削加工程序的编制与数控车削有所不同。主要采用G02、G03圆弧插补指令，即在二轴圆弧插补的同时加入第三轴直线插补，形成螺旋插补运动。下面是普通内螺纹M30×2、深14mm数控铣削加工程序，取背吃刀量为1.2mm，采用径向直接切削方式。

%MPF100

N100 G00 X0 Y0 Z1 S1500 M03 快速移动至孔中心点

N110 G01 G42 X15.2 Y0 F200 取刀补，径向进给至背吃刀量位置

N120 G02 X15.2 Y0 Z－2 I-15.2 J0 铣螺纹，作螺旋插补

N130 X15.2 Y0 Z－4 I15.2 J0 螺旋插补

N140 X15.2 Y0 Z－6 I15.2 J0 螺旋插补

……

N180 X15.2 Y0 Z－12 I15.2 J0 螺旋插补

N190 G00 G40 X0 Y0 径向退刀

N200 G00 Z100 轴向退刀