了解螺纹铣削

发表时间:2015-8-13 浏览:6126

标签:螺纹铣削 所属专题:切削加工

    虽然螺纹铣削已是一种相当成熟的工艺,但一些机加工车间由于担心其过于复杂,仍然不愿去尝试。提供整体硬质合金和可转位刀片式螺纹铣刀的J.M. Sales美国公司销售经理Joe Mazzenga说,“其实螺纹铣削并不神秘。但有些加工车间对采用该工艺犹豫不决。实际上,我们可以相当容易地帮助用户成功实施螺纹铣削——只要他们有合适的加工设备。”
    螺纹铣削需要一台能实现螺旋插补的加工中心。该加工中心必须能三轴联动,其中两个轴作圆周插补运动,另一个轴垂直于圆周面移动。在过去10-15年中生产的大部分CNC数控机床都具备这种功能。生产单刃和多刃刀片式螺纹铣刀和整体硬质合金螺纹铣刀的Advent刀具制造公司副总裁Jim Hartford指出,“几乎所有机加工车间都可以满足这种加工条件。”
    整体式与刀片式螺纹铣刀
    具有多个刀刃的刀片式螺纹铣刀通常用于铣削加工直径大于20mm的螺孔,因为这种铣刀需要有足够的空间来容纳刀体和刀片。因此,直径较小的刀片式螺纹铣刀通常只安装1枚或2枚刀片。Hartford指出,“在很多情况下,当加工直径小于20mm的螺孔时,你仍然可以采用4刃或6刃的整体式螺纹铣刀。如果采用刀片式螺纹铣刀,这种小孔可能只能容纳1枚刀片,从而会延长加工周期。例如,在316不锈钢上加工一个螺孔,用单刃螺纹铣刀需要40-45秒。而用4刃整体硬质合金螺纹铣刀只需6-8秒。”
    在加工直径较大的螺孔时,与刀片式螺纹铣刀相比,整体硬质合金螺纹铣刀通常更适合大批量生产,因为它能缩短加工周期。KOMET美国公司工程副总裁Wolfgang Ruff指出,“虽然整体式和刀片式螺纹铣刀都适合加工大直径螺孔,但选用直径较小的整体硬质合金铣刀可能更为有利,因为它们通常可以采用更高的进给率。例如,如果需要加工M80×1.5的螺纹,既可以使用直径50mm的5刃刀片式螺纹铣刀,也可以选用直径20mm的5刃整体硬质合金螺纹铣刀,而后者的进给率可比前者提高一倍,从而可有效地将每孔加工时间缩短一半。这对于大批量生产至关紧要。”
    刀片式螺纹铣刀可能更适合生产批量不大的小型加工车间。由于一个刀体可以使用多枚具有不同牙型的可换式刀片,因此具有更好的通用性和更低的加工总成本。Hartford说,“两种铣刀的加工方式差不多,但加工成本不同。刀片式螺纹铣刀的刀体价格约为300-450美元,但更换一枚刀片的价格仅为30美元左右。更换一把整体硬质合金螺纹铣刀则要花费200-300美元。此外,与更换整个刀具并重新对刀相比,更换一枚刀片要容易得多。”
    KOMET的Ruff指出,刀片必须精确定位于刀座之中。如果定位不准,不同刀片之间就难以保持一致性,也就无法加工出正确的螺纹。KOMET提供整体硬质合金标准螺纹铣刀和刀片式专用螺纹铣刀。
    整体式和刀片式螺纹铣刀均可采用螺旋刃和直刃设计。螺旋刃铣刀可使切削压力沿螺旋刃分布,从而减小切削压力。
    J.M. Sales的Mazzenga表示,“我们几乎完全采用螺旋刃设计。由于螺旋刃铣刀与工件的接触范围更大,因此其切削更顺畅,噪音也更小。而直刃铣刀某一刀刃上的所有刀齿同时切入工件,会产生更大的径向压力,容易引起颤振和刀具变形。”
    不过,由于直刃铣刀的前角保持不变,因此比较适合加工HRC55-64的硬材料。
    多齿与单齿螺纹铣削
    大多数螺纹铣刀——无论是整体式还是刀片式——都是多齿刀具。螺纹铣刀的刀齿为平行排列(而不是像丝锥那样呈螺旋形排列)。多齿螺纹铣刀绕螺孔旋转一周即可切出螺纹的整个牙型深度。
    一把多齿螺纹铣刀可在一定直径范围内铣削加工具有相同螺距的螺纹,这是因为螺纹直径由CNC刀具路径确定,而不是像攻丝加工那样取决于丝锥直径。生产单齿和多齿整体硬质合金螺纹铣刀的Harvey刀具公司生产经理Stephan Francescone说,“固定螺距的多齿铣刀可以铣削任意一种20螺距的螺纹,无论其规格是1/4-20、3/4-20还是2″-20,只要铣刀能进入螺孔,就可以加工。”
    Harvey刀具公司副总裁Jeff Davis说,“多齿螺纹铣刀加工速度更快,因为所有刀齿都在同时切制螺纹。这种铣刀的缺点是,由于同一把刀具上有不止一种三角螺纹刀齿,因此只能限定一种螺距。即加工每种螺距的螺纹都需要使用一种铣刀。”
    除了能切制任一直径的螺纹以外,单齿螺纹铣刀的优势是可以切制任一螺距(或某一螺距范围)的螺纹。但是,单齿螺纹铣刀一次走刀只能切制出一个螺纹,如果需要加工多线螺纹,就必须围绕螺孔多次走刀。
    Davis指出,“规模较大的生产车间倾向于采用多齿螺纹铣刀,尽管它们必须为加工不同螺距的螺纹而购买不同的铣刀。因此,它们通常都配备了规格齐全的各型铣刀。而单齿螺纹铣刀更适合对刀具灵活性要求较高的小型加工车间。”
    J.M. Sales的Mazzenga表示,该公司并不完全赞同螺纹铣刀可用于加工任意直径的螺纹(只要螺距相同)的观点。他说,“这种说法有一定道理,但并不是一种严格定义。螺纹铣刀用于在小径以及牙侧和牙顶处切制螺纹。我们的大部分螺纹铣刀都是为加工特定的螺距和直径而制造的。我们的螺纹铣刀并不只局限于加工夹角为60°的标准螺纹牙型。实际上,如果为了加工某一特定螺纹而采用尽可能大的螺纹铣刀,而且不对刀具牙型进行修形补偿,则螺纹的加工误差就会增大。为此,可能需要在机床上调整螺纹中径,从而造成小径尺寸偏大。考虑到这一点,我们对铣刀的螺纹牙型进行了修形。”
    KOMET公司提供两种类型的螺纹铣刀:“修正牙型”的铣刀(M16及以下规格)和未修形铣刀。当用未修形铣刀加工直径较大的螺孔时,遵循“2/3法则”至关重要,即为了保持被加工螺纹螺距的正确性,螺纹铣刀的直径必须小于螺孔直径的2/3。
    深孔螺纹铣削
    由于螺纹铣削的切削力不均衡,因此螺纹铣刀可加工的螺孔深度通常被限制在大约3倍孔径以内。
    Mazzenga表示,“我们确实不希望用螺纹铣刀加工长度超过3倍直径的螺纹,因为螺纹越长,铣刀承受的径向压力就越大,从而会导致其挠曲变形,一次走刀加工出合格螺纹的可能性也大大降低。如果需要加工较深的螺孔,应采取多次走刀方式,如从螺纹顶部一次走刀向下铣削至螺孔的1/2处,然后将铣刀下降至螺孔更深处,再走一次刀。CNC数控系统可将两次走刀切出的螺纹连接起来。”
    不过,也有一些制造商对加工深螺孔的必要性表示质疑。Ruff认为,“当螺孔深度达到2.5倍孔径时,该螺纹即已达到最大联接强度。设计更长的螺纹毫无益处。没有必要对零件进行过度设计,这样只会增大加工成本。”
    螺纹铣削编程
    由于螺纹铣刀采用圆周插补加工方式,因此其切削刃处的实际进给率与基于刀具中心的编程进给率存在差异。Harvey刀具公司的Francescone指出,“由于螺纹铣刀总是在作圆周运动,因此刀具中心线的运动速度与刀具外径处的运动速度并不相同。因此需要对进给率进行补偿。加工内螺纹时,应相应降低直线进给率;而在加工外螺纹时,则应提高直线进给率。”
    许多螺纹铣削程序一开始就垂直于孔壁进刀,这样会导致刀具发生振动,并在加工出的螺纹上形成刀痕。一旦刀具开始振动,在整个切削期间将不会停止。为了消除振动,KOMET的Ruff建议,开始进刀时采用圆周运动方式逐渐切入孔壁,然后再以全切深进行铣削。在KOMET网站上可以下载这种螺纹铣削程序。通过苹果和安卓的应用程序库也能获得该加工程序。
    螺纹铣削的优势
    用螺纹铣削替代其他螺纹加工方法(尤其是攻丝)具有各种优势。
    如前所述,一把螺纹铣刀可以加工不同孔径尺寸的螺纹。而一把丝锥只能加工一种孔径。对于大直径螺纹,采用螺纹铣刀加工可能更为经济。大直径丝锥可能价格更昂贵。
    Advent公司的Hartford举了一个例子,“假如你需要加工一个直径150mm、螺距12的螺纹,然后再加工一个直径125mm、螺距10的螺纹。如果采用刀片式螺纹铣刀,只需将螺距12的刀片换成螺距10的刀片即可,每个刀片的价格仅为30美元。而一把这种直径尺寸的丝锥可能价值2,500美元,而且你需要购买两把不同直径和螺距的丝锥。”
    螺纹铣刀既可以加工内螺纹,也可以加工外螺纹。而丝锥无法用于加工外螺纹。
    如果螺纹铣刀在加工过程中折断,可以很容易地从孔中取出刀具碎片,然后换上新的刀具继续加工。而丝锥在加工时与工件的接触面积很大,会产生很大的切削力,一旦丝锥折断并卡在孔中,将很难取出,有可能造成整个工件报废。
    螺纹铣刀只需在加工编程中更换一次刀片,就能加工出左旋或右旋螺纹。而丝锥的螺纹旋向在磨制时即已确定,因此用户必须分别购买两把不同旋向的丝锥。
    加工盲孔时,螺纹铣刀可在接近孔底处铣削出完整的螺纹牙型。而由于丝锥上有锥形的锥尖,因此无法在盲孔底部附近加工出完整的牙型。Hartford说,“攻丝时,螺纹牙型最多只能延伸到距离孔底不到半扣处。”
    与用丝锥攻丝相比,螺纹铣削可以获得更精细的表面光洁度。
    螺纹铣刀可通过一次或多次走刀完成螺纹加工。Harvey刀具公司的Davis说,“如果工件材料较软(如铝合金),可能一次走刀就能完成螺纹铣削。但如果工件材料较硬,为了防止打刀,可能需要多次走刀。用全牙型丝锥攻丝时,也可以一次攻至螺纹最终尺寸。”
    螺纹铣刀既可以从孔口开始铣削至孔底,也可以从孔底开始铣削至孔口。而丝锥则只能从孔口攻丝至孔底。Davis说,“很多时候,人们希望从孔底开始向上加工,因为这样可使切屑在重力作用下向下落,从而避免二次切削。”
    最后,与丝锥不同,螺纹铣刀可将多种加工功能集于一身。例如,有的螺纹铣刀可在同一工步中完成钻孔、倒角和螺纹铣削加工。

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