螺纹铣削加工工艺及数控程序研究

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[摘要]本文从工程角度出发，对螺纹铣削工艺及程序编制要点进行分析，提出一种优化的螺纹铣削轨迹方案，并通过开发软件实现了参数化编程。

[关键词]螺纹铣削；工艺；软件开发；参数化编程

在飞机制造企业中，主要承力结构件通常为钢件，工艺过程复杂，加工周期长，制造成本高。而该类零件中通常都具有螺纹特征，而螺纹加工往往处于生产链的末端，一旦发生质量问题可能造成整个零件报废[1]，因此，螺纹加工对工艺过程的安全性提出了更高的要求。由于零件结构的限制，部分螺纹无法通过车削加工，需要利用螺纹铣削加工螺纹。当前的主流数控编程软件UG，CATIA等都可以自动生成螺纹铣削程序[2]，通常生成的程序为直线插补轨迹，程序可读性差，造成现场操作存在盲目性，使用不方便。本文从螺纹形成机理进行分析，提出了一种优化的螺纹铣削轨迹方案，并通过开发工具实现了圆弧插补螺纹程序的自动生成，程序简洁、可读性好，由于后台固化了相关参数，用户仅仅需要输入相应螺纹尺寸及铣刀直径就能完成程序的编制，程序的一致性更好，有效的保证了螺纹加工的质量。

1螺纹铣削加工

1.1螺纹加工方式。常规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，但随着数控机床的普及，螺纹铣削已经成为非常重要的螺纹加工手段[3,4]。螺纹铣削具有广泛的适用性，在结构限制无法利用车削加工的螺纹都可以采用螺纹铣削加工。螺纹铣削分为单刃螺纹铣刀加工和多刃螺纹铣刀加工，由于多刃螺纹铣刀加工效率更高，因此本文基于多刃螺纹铣刀铣削螺纹进行阐述和讲解。1.2螺纹铣削加工特点。多刃口螺纹铣刀铣削螺纹，可以利用一把刀具，加工直径和旋向不同的螺纹，但不能用同一把刀具同时加工内螺纹和外螺纹，内、外螺纹铣刀牙型有区别。相比传统螺纹加工，螺纹铣削加工具有精度高、质量好、适用性广等优点，且可以加工无过渡扣和退刀槽结构的螺纹。

2轨迹设计及要点

2.1内外螺纹加工的区别。用螺纹铣刀可以铣削内螺纹和外螺纹，但是为了保证螺纹表面质量和提高刀具寿命，加工时候应该选择顺铣[6]，而顺逆铣是由主轴转向和加工时的轨迹旋向综合决定的，由于主轴常用旋向为正转，因此默认主轴为正转，仅通过加工轨迹的旋向来确定顺逆铣，加工内螺纹轨迹为逆时针，加工外螺纹轨迹为顺时针。螺纹铣削加工轨迹示意图如图1所示。2.2螺纹旋向与加工方向的关系。螺纹铣削可以从上往下加工，也可以从下往上加工，在保持顺铣的状态下，加工方向改变螺纹的旋向，此处和车削加工螺纹时车刀轴向移动方向影响螺纹旋向道理一样。螺纹铣刀都为右旋，加工内螺纹时，从下往上加工为右旋，从上往下加工为左旋，加工外螺纹时候，从上往下加工为右旋，从下往上加工为左旋。2.3加工轨迹的设计。当用刀刃长度大于螺纹要求长度螺纹铣刀铣螺纹时，传统方法是铣刀旋转1.2~1.5圈加工螺纹[7]，但是这种情况下刀具点位计算麻烦，程序可读性差，如果能够只旋转1圈的话，刀具轨迹点位可设计为对称状，点位也为对称值，直观性更好，但是在刚好旋转一周的情况下如何有效保证螺纹质量，是需要解决的问题。要提高数控加工的效率，提高刀具使用寿命，不仅要选择合理的切削参数，同时切削的平稳性也至关重要[8]，在螺纹铣削时进刀轨迹显著影响切削的平稳性，合理的进刀轨迹显得尤为重要。因此，沿圆弧切向进刀是比较好的方式，进刀轨迹的半径与实际切削半径差值越小切削越平稳，从切削安全性和平稳性综合考虑，该差值为两倍螺距。螺纹切削轨迹在XY平面投影视图如图2所示。如上图所示，各参数说明如下：加工内螺纹时候，刀具在孔圆心处下刀和抬刀，下刀点和进刀点之间为直线段，该段带刀补（G41），然后圆逆时针圆弧进刀，旋转一周，再圆弧切向退刀，退刀点和抬刀点为直线，该段取消刀补（G40），刀具抬安全平面加工结束。加工外螺纹时候，刀具在轴外侧下刀和抬刀，下刀点和进刀点之间为直线段，该段带刀补（G41），然后圆顺时针圆弧进刀，旋转一周，再圆弧切向退刀，退刀点和抬刀点为直线，该段取消刀补（G40），刀具抬安全平面加工结束。加工内、外螺纹时刀具进退刀均为1/4圆弧，且刀具轨迹在XY平面对称布置。由于铣螺纹时是在刀具确定的情况下进行，那么螺纹形状仅由加工轨迹确定，由于进刀圆弧半径和实际切削半径值不等，因此，必须保证进刀曲线和螺纹切削的螺旋线保持斜率一致。以右旋内螺纹加工为例，将切削轨迹在XZ平面上展开图如图3所示。如上图所示，各参数说明如下：由图3可知，螺纹切削时旋转一周，刀具在Z上移动距离为螺距P，在进刀圆弧曲率和螺纹切削轨迹曲率相等的情况下可得到以下计算公式：因此，在计算外螺纹铣削进退刀是Z值的变化与此类似，不再赘述。综上所述，螺纹类型与铣削轨迹的关系如表1所示，螺纹铣削轨迹图如图4所示。2.5轨迹设计的优点。螺纹进退刀为圆弧切入切出，切削平稳，且进退刀半径与正式切削轨迹半径差2P，在切削轨迹旋转一圈的情况下能够有效的保证加工质量，避免了常规直进直出时需要旋转1.2~1.5圈的情况。轨迹是基于刀具正转，顺铣而设计的，符合常规加工习惯，且保证了不管加工内螺纹还是外螺纹，刀具补偿均为左补偿（G41），加工时均由正向负带刀补，极大减少出错概率。加工螺纹时候仅通过加工方向控制螺纹的旋向，而不是刀具和加工轨迹旋转方向综合确定，简单明确。轨迹所有尺寸均与参数相关、图形为轴对称布置，且内外螺纹加工轨迹从结构上保持了一致性，便于利用宏程序快速实现不同螺纹程序的编制。

3程序的自动生成

3.1快速生成程序的方法。要快速的生成程序，可以通过宏程序和开发自动编程软件两种方式。宏程序可以通过用户修改参数实现螺纹程序的快速生成，但是程序直观性差，对工人的技能水平要求较高。通过开发自动编程软件将所有的中间计算过程，以及轨迹规划等全部集成在软件中，通过用户输入参数，直接输出程序，效率会更高，程序可读性更好。3.2程序流程。为了实现快速编制螺纹程序，首先通过用户输入螺纹类型、刀具直径、螺距、螺纹有效长度等参数，然后程序自动将基本参数转换为螺纹切削轨迹的相关节点数据，最后以Output方式打开文件流，用以保存程序数据，文件打开后通过调用Print#函数向文件中逐行输出程序，至此整个流程结束。在后处理螺纹程序时候，程序原点选在需要制螺纹的孔或轴顶面圆心处。该方式下编制螺纹铣削程序仅需要用户输入相关参数即可，其余全部由程序自动完成，有效的保证了程序质量。程序流程图如图5所示。利用该工具使用D10×1.5螺纹铣刀，生成M22×1.5-L14的右旋内螺纹铣削程序，其余三种类型的螺纹加工程序与此类似。3.3窗体设计与调用。Excel提供了VBA编辑器，通过按快捷键“Alt+F11”调出编辑器，用户可以自定义窗体，通过窗体实现参数的输入。窗体设计如图6所示。在程序输出时候，需要选择程序的存放地址，推荐采用Application.FileDialog（fileDialogType）方式，该方式为Excel的自带属性，不需要添加其它控件，如利用comdialog控件，可能发生程序移植其它电脑由于控件缺乏无法运行的情况，文件夹地址获取函数如下：PublicFunctionLFolderPicker()AsStringOnErrorResumeNextWithApplication.FileDialog(msoFileDialogFolderPicker).Title=“选择文件夹”'设置窗体名称.Show'显示窗体LchUseFileDialogFolderPicker=.SelectedItems(1)'获取文件夹地址EndWithEndFunction在完成开发后，需要将文件另存为.xla的加载宏格式，放入系统的AddIns文件夹下，然后执行菜单命令“工具—加载项”勾选需要加载的.xla文件。这样在每一次启动Excel的时候程序后台都会运行加载宏文件[10]。通过系统宏调用自定义窗体，宏函数的设置如下：SubMyTool（）Myform1.show'显示自定义窗体Endsub为提高宏调用的效率，可以通过执行菜单命令“工具—自定义”，在自定义对话框中将对应的宏命令加入工具栏中以方便随时调用。

4结论

本文基于螺纹铣削原理进行分析，结合加工工艺性，提出了一种优化的螺纹轨迹铣削方案，并通过利用带刀补的螺旋线插补铣进行螺纹加工，具有程序可读性好，螺纹尺寸易于调节的特点，解决了UG，CATIA等编程软件生成螺纹加工程序多为直线插补轨迹，存在可视性差，操作不便等问题。最后通过Excel二次开发螺纹程序自动生成工具，将相应工艺方法集成在软件中，实现了参数式编程，具有操作方便、编程效率高的特点。

作者:韦煜萍 李成华 吴奉明 陈伟 莫建勇 单位:航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司