基于数控技术内锥球螺纹加工研究

　　内锥球形螺纹是一种特殊的螺纹，较为少见，通常用在橡胶工业中，作为橡胶产品的模具，以满足橡胶产品的成型需要。例如，图1所示橡胶模具的凹模，该类零件通常都是单件小批生产，在以往的加工中，通常利用专用设备进行车削加工，不仅生产周期长、制造成本高，牙型质量也不稳定。笔者通过对传统工艺的剖析，找出其中的不足，并深入研究，提出了采用数控铣削加工内锥球螺纹的新工艺、新方法。

　　以图1所示橡胶模具的内锥球螺纹加工为例。工件材料为45调质钢。内腔是特殊的螺纹结构，牙型为半球形，螺距L=4mm，由大径为90 mm长度12 mm的圆柱直螺纹，大端大径90 mm、小端大径80 mm长度16 mm的圆锥螺纹和大径为80mm长度20 1Tim的圆柱直螺纹组合而成。加工难度突出表现在：圆柱直螺纹与圆锥螺纹连接处的顺滑过渡，半球状牙型型面的精度保证。以此，分析加工该零件的工艺思路。

1 传统的加工工艺

　　传统工艺加工该类零件，通常采用车削的方法。方案1选择普通车床，利用靠模，采用图2b所示的成型车刀进行加工。这种工艺制作靠模的成本较高。成型车刀刀尖强度差，车削时受力较大，磨损严重，需要频繁更换刀具，同时刀具对刀调整困难，牙型型面质量难以保证，因此，经济效益差、劳动强度高，加工质量不稳定，尤其不适应单件小批量生产。

图2成型车刀

　　方案2选择数控车床，利用螺纹车削指令编程，采用图2a或图2b所示的成型车刀进行数控车削加工。与方案1比较，圆柱直螺纹与圆锥螺纹连接处的过渡顺滑。但刀具磨损仍然严重，成本较高，因此方案2经济效益差。

2 采用铣削加工新工艺

　　综合以上分析，笔者通过深入研究，改进传统工艺，采用铣削加工该球螺纹内腔的新工艺。选择三轴联动的立式数控铣床或加工中心，采用图3所示的锯片式多刃专用成型铣刀，用宏程序对螺旋插补运动轨迹编程加工，牙型槽余量分层去除。编程轨迹采用完整的空间螺旋线，较好地保证了圆柱直螺纹与圆锥螺纹连接处的顺滑过渡，半球状牙型由专用成型铣刀保证。铣削时由于铣刀高速旋转且多刃(通常6～8刃)参与切削，因此强度高，较之车削，刀具刀尖不易磨损，大大降低了刀具成本，且对刀调整方便。

图3成型铣刀 

　　在立式铣床或加工中心上铣削螺纹时，由于成型铣刀上并无螺旋升角，而且铣削时铣刀底面始终处于水平状态，因此加工中的螺旋升程完全靠机床的X、y、Z三轴联动实现，因而用成型铣刀加工螺纹存在螺旋升角上的误差。

　　现以底径为76 mm的小端直螺纹为例分析该误差的影响。图4所示为左旋螺旋线。图4中L为螺距，d为中径，则tand2=L／(πd)=4／(3.14×76)=0.016 8，由此可知小端直螺纹螺旋升角妒=arc(tan0.016 8)≈0.96°(该螺纹特殊，中径难以确定，用小径参与计算)，由计算可知螺旋升角非常小，而且直径尺寸越大，螺旋升角越小，而该类螺纹为非配合螺纹，主要保证形状正确，因此铣削内锥球螺纹产生的螺旋升角的加工误差可以忽略不计。

图4左旋螺旋线 

　　综合以上分析，内锥球螺纹采用新工艺进行数控铣削加工，可大大提高经济效益，降低劳动强度，稳定加工质量。

3 螺纹铣削参数求解

　　螺纹铣削是利用螺纹铣刀的旋转运动，再利用数控机床的三轴联动功能，螺纹铣刀向内进刀到芯孔中的编程螺纹深度为止。为确保螺纹中的圆柱与圆锥段能顺滑过渡，刀具铣削运动轨迹按完整的空间螺旋线进行。下面分析空间螺旋线上任意一点直角坐标的求解思路，图5和图6分别为圆柱与圆锥螺旋线模型。对于等螺距螺旋线上一点M在直角坐标系XYZ中，当螺旋运动角参变量θ变化360°时，M点沿螺旋线在Z方向移动1个螺距L。

　　由图5可知，圆柱螺旋线在XOY平面的投影为半径R的圆，那么对应圆柱螺旋线上任意点M在直角坐标系XYZ中，有:

　　由图6可知，圆锥螺旋线在XOY平面的投影为一平面螺旋线，对应圆锥螺旋线上任意点M在直角坐标系X YZ中，有X=R' X cosB,Y=R' X sinθ,式中R'为投影螺旋线极半径，其值随螺旋运动角参变量θ的变化而变化。设圆锥小端半径R₁，大端半径R₂，螺旋线从圆锥大端起始至小端结束，螺旋运动角参变量从0°变化至θ,时，则对应θ每变化1°,投影螺旋线极半径值变化(R₂-R₁)/θ₁。