技术领域
[0001] 本
发明涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种内
螺纹铣削加工方法。
背景技术
[0002] 传统的螺纹加工方式有：
车削、攻丝等。但这些加工方式均存在螺纹加工
精度不高，螺纹表面光洁度差的缺点。另外，车削加工还存在不易断屑，切屑易缠绕刀具，或留于
螺纹孔内的问题，而这都会使螺纹孔的加工
质量大打折扣，同时也加剧了刀具的磨损，尤其是车削加工不适用于非对称类零件和大型零件的加工。而攻丝加工还存在丝锥易断裂、加工效率低、切削
力大等缺点，且不适用于加工难加工材料。目前针对螺纹牙型
角平分线垂直于锥体
母线型圆锥螺纹的加工仍以车削为主。此外，部分厂家采用五轴数控机床铣削加工
内螺纹，可以很好的克服传统加工方法的缺点，螺纹铣削加工具有加工精度高，螺纹表面光洁度好，不受螺纹旋向及尺寸限制，加工通用性好，切削力小，刀具寿命长等优点，但采用五轴数控机床铣削加工螺纹的成本非常高。
发明内容
[0003] 针对上述问题，本发明的
实施例提供一种内螺纹铣削加工方法，以提高内螺纹的加工质量，降低加工成本。
[0004] 具体地，本发明实施例提供一种内螺纹铣削加工方法，用于三轴数控机床加工内螺纹，所述内螺纹铣削加工方法包括：在所述三轴数控机床上安装转台；在所述三轴数控机床的
主轴上安装角度头，根据所述内螺纹的类型调整所述角度头的轴线与所述主轴的轴线成预设摆动角并
锁定所述角度头，其中，当所述内螺纹的类型为牙型角平分线垂直于锥体母线的圆锥内螺纹时所述预设摆动角θ与所述内螺纹的锥度半角 相等，当所述内螺纹的类型为牙型角平分线垂直于螺纹轴线的圆锥内螺纹或者为圆柱内螺纹时，所述预设摆动角θ为零；装夹待加工
工件并使得位于所述待加工工件上的底孔的轴线与所述转台的轴线重合；在所述角度头上安装螺纹
铣刀；控制所述转台匀速转动，并启动主轴；控制所述螺纹铣刀以预设进给速度按照预设进刀路径在所述底孔上加工出所述内螺纹。
[0005] 另一方面，本发明实施例还提供一种内螺纹铣削加工方法，用于
多轴机床加工内螺纹，所述多轴机床包括主轴且安装有转台，其特征在于，所述内螺纹铣削加工方法包括：在所述主轴上安装角度头，调整所述角度头的轴线与所述主轴的轴线成预设摆动角并锁定所述角度头；装夹待加工工件并使得位于所述待加工工件上的底孔的轴线与所述转台的轴线重合；在所述角度头上安装螺纹铣刀；控制所述转台匀速转动，并启动主轴；控制所述螺纹铣刀以预设进给速度按照预设进刀路径在所述底孔上加工出所述内螺纹。
[0006] 在本发明一个实施例中，所述内螺纹为圆锥内螺纹，所述预设进刀路径上的进刀点L的坐标满足：
[0007]
[0008] 其中，XL为所述进刀点L的X轴坐标，YL为所述进刀点L的Y轴坐标，ZL为所述进刀点L的Z轴坐标，D为所述内螺纹大端面的基
准直径，a为所述进刀点L到所述内螺纹的大端面距离，为所述内螺纹的锥度半角；
[0009] 所述预设进刀路径上的退刀点M的坐标满足：
[0010]
[0011] 其中，XM为所述退刀点M的X轴坐标，YM为所述退刀点M的Y轴坐标，ZM为所述退刀点M的Z轴坐标，H为所述内螺纹的螺纹深度。
[0012] 在本发明一个实施例中，所述内螺纹为牙型角平分线垂直于锥体母线的圆锥内螺纹，所述预设摆动角θ与所述内螺纹的锥度半角 相等。
[0013] 在本发明一个实施例中，所述内螺纹为牙型角平分线垂直于螺纹轴线的圆锥内螺纹，所述预设摆动角θ为零。
[0014] 在本发明一个实施例中，所述内螺纹为圆柱内螺纹，所述预设摆动角θ为零，所述预设进刀路径上的进刀点L的坐标满足：
[0015]
[0016] 其中，XL为所述进刀点L的X轴坐标，YL为所述进刀点L的Y轴坐标，ZL为所述进刀点L的Z轴坐标，D为所述内螺纹的公称直径，a为所述进刀点L到所述内螺纹的端面距离；
[0017] 所述预设进刀路径上的退刀点M的坐标满足：
[0018]
[0019] 其中，XM为所述退刀点M的X轴坐标，YM为所述退刀点M的Y轴坐标，ZM为所述退刀点M的Z轴坐标，H为所述内螺纹的螺纹深度。
[0020] 在本发明一个实施例中，所述转台的转动速度n与所述预设进给速度f满足：
[0021]
[0023] 在本发明一个实施例中，所述内螺纹铣削加工方法还包括：控制所述螺纹铣刀按照预设退刀路径退回所述多轴机床的机床零点，其中所述预设退刀路径包括从退刀点M沿径向方向退至所述内螺纹的轴线处、从所述内螺纹的轴线处沿轴线方向退至所述内螺纹的端面外侧，再退至所述多轴机床的机床零点。
[0024] 又一方面，本发明实施例还提供一种内螺纹铣削加工方法，应用于多轴数控机床，包括步骤：控制转台匀速转动并启动主轴，其中所述转台上装夹有待加工工件、且所述待加工工件上的底孔的轴线与所述转台的轴线重合，所述主轴上通过角度头安装有螺纹铣刀，所述角度头的轴线与所述主轴的轴线成预设摆动角θ、且所述预设摆动角θ由所述底孔上欲加工形成的内螺纹的类型确定；控制所述螺纹铣刀以预设进给速度按照预设进刀路径在所述底孔上加工出所述内螺纹，其中所述预设进刀路径包括从进刀点L至退刀点M的直线路径；以及控制所述螺纹铣刀按照预设退刀路径退回至所述多轴机床的机床零点，其中所述预设退刀路径包括从所述退刀点M沿径向方向退至所述内螺纹的轴线处、从所述内螺纹的轴线处沿轴线方向退至所述内螺纹的端面外侧，再退至所述多轴机床的机床零点。
[0025] 在本发明一个实施例中，所述响应用户操作、并控制所述螺纹铣刀以预设进给速度按照预设进刀路径在所述底孔上加工出所述内螺纹的步骤包括：获取所述内螺纹的螺纹直径D、螺距p、所述进刀点L至所述螺纹端面的距离a、螺纹深度H以及锥度半角 根据所述内螺纹的螺距p和所述转台的转速n计算所述预设进给速度f，其中所述预设进给速度f满足： 判断所述锥度半角 是否为零，当所述锥度半角 为非零时按照第一公式集计算所述进刀点L和所述退到点M的坐标以确定所述预设进刀路径，当所述锥度半角 为零时以第二方式计算所述进刀点L和所述退到点M的坐标以确定所述预设进刀路径；以及控制所述螺纹铣刀以预设进给速度按照预设进刀路径加工所述内螺纹。
[0026] 上述技术方案可以具有如下优点：本发明实施例通过在三轴或四轴数控机床上配置转台和角度头，然后根据待加工内螺纹的类型及相关参数设置相对应的角度头预设摆动角θ，并与转台配合按照预设进刀路径完成内螺纹的加工。本发明实施例提供的内螺纹铣削加工方法可提升内螺纹的加工精度、螺纹表面光洁度，降低内螺纹的加工成本，经济效益明显。
附图说明
[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028] 图1为本发明实施例提供的一种内螺纹铣削加工方法的流程示意图；
[0029] 图2为本发明实施例的一种多轴机床的结构示意图；
[0030] 图3为本发明实施例的一种转台的结构示意图；
[0031] 图4a和图4b分别为本发明实施例的一种角度头的主视图和角度头的轴测视图；
[0032] 图5a和图5b为本发明实施例的两种圆锥内螺纹的牙型示意图，其中图5a为牙型角平分线垂直于锥体母线的圆锥内螺纹，图5b为牙型角平分线垂直于轴线的圆锥内螺纹；
[0033] 图6a、图6b为本发明实施例的待加工工件上的底孔结构示意图，其中，图6a中的底孔为圆锥内螺纹的底孔，图6b中的底孔为圆柱内螺纹的底孔；
[0034] 图7a、图7b和图7c分别为本发明实施例的牙型角平分线垂直于锥体母线的圆锥内螺纹、牙型角平分线垂直于螺纹轴线的圆锥内螺纹、以及圆柱螺纹的加工示意图；
[0035] 图8为本发明实施例提供的另一种内螺纹铣削加工方法的流程示意图。
具体实施方式
[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明护的范围。
[0037] 参见图1、图2和图3，其中图1为本发明实施例提供的一种内螺纹铣削加工方法的流程示意图，图2为本发明实施例的一种多轴机床的结构示意图，以及图3为本发明实施例的一种转台的结构示意图。本发明实施例提供的内螺纹铣削加工方法适用于多轴机床加工内螺纹。此处的多轴机床1(参见图2)可例如为三轴(X-Y-Z)数控机床但需在多轴机床1的
工作台11上另外安装一个转台2(参见图3)，或者例如为自带转台2的四轴(X-Y-Z-C)机床。转台2可例如为数控转台。所述数控转台与多轴机床1连接并通过伺服系统(图中未示出)进行控制。转台2可与多轴机床1的三轴(X-Y-Z)联动。转台2上可装夹待加工工件3。待加工工件3可为对称回转类零件和小型零件，也可以为非对称类零件和大型零件。在加工螺纹前，待加工工件3上已提前加工好底孔31(参见图6a)。本发明实施例提供的内螺纹铣削加工方法即是在底孔31内壁上加工内螺纹。此外，多轴机床1上设置有主轴12。
[0038] 具体地，请参阅图1至图7，本发明实施例提供的内螺纹铣削加工方法包括：
[0039] 步骤S11，在主轴12上安装角度头13，调整角度头13的轴线与主轴12的轴线成预设摆动角θ后，锁定角度头13(参见图4a和图4b)。具体而言，主轴12的轴线与转台2的轴线平行。预设摆动角θ的取值根据所述内螺纹的参数例如所述内螺纹的螺纹类型确定。所述内螺纹包括圆锥内螺纹和圆柱内螺纹。圆锥内螺纹包括牙型角平分线垂直于锥体母线的圆锥内螺纹(参见图5a)和牙型角平分线垂直于轴线的圆锥内螺纹(参见图5b)。
[0040] 如图5a所示，当所述内螺纹为牙型角平分线垂直于锥体母线的圆锥内螺纹时，角度头13的预设摆动角θ满足：
[0041]
[0042] 其中，锥度半角 为所述内螺纹的锥体母线与所述内螺纹孔的轴线之间的夹角。
[0043] 如图5b所示，当所述内螺纹为牙型角平分线垂直于螺纹轴线的圆锥内螺纹时，角度头13的预设摆动角θ为零，即角度头13的轴线与主轴12的轴线重合。
[0044] 当所述内螺纹为圆柱螺纹时，其牙型角平分线也垂直于所述内螺纹的轴线，因此，角度头13的预设摆动角θ为零，即角度头13的轴线与主轴12的轴线重合。
[0045] 步骤S13，装夹待加工工件3并使得位于待加工工件3上的底孔31的轴线与转台2的轴线重合。具体而言，将待加工工件3装夹至转台2上，并调整待加工工件3的
位置以使待加工工件3上的底孔31的轴线与转台2的轴线重合。如图6a所示，当所述内螺纹为圆锥螺纹例如螺纹牙型角平分线垂直于锥体母线型的圆锥螺纹时，底孔31为圆锥孔。如图6b所示，当所述内螺纹为圆柱螺纹时，底孔31为圆孔。
[0046] 步骤S15，在角度头13上安装螺纹铣刀14。当然，在安装好螺纹铣刀14后，需要完成对刀工作。
[0047] 步骤S17，匀速转动转台2，启动主轴12。
[0048] 步骤S19，控制螺纹铣刀14以预设进给速度f、按照预设进刀路径在底孔31上加工出所述内螺纹。此处的控制螺纹铣刀14运动，可以理解为控制待加工工件3相对于螺纹铣刀14做相对运动。预设进给速度f满足：
[0049]
[0050] 其中，p为所述内螺纹的螺距，n为转台2的转动速度。
[0051] 所述预设进刀路径可例如包括从机床零点至进刀点L的路径和从进刀点L至退刀点M的路径。
[0052] 机床零点为由机床制造商规定的机床原点，是机床
坐标系的原点。机床零点不仅是在机床上建立工件坐标系的基准点，而且还是机床调试和零件加工的基准点。
[0053] 从机床零点至进刀点L的路径可例如为直线路径，当然也可以是曲线路径等其它形式路径。
[0054] 从进刀点L至退刀点M的路径典型地为直线路径。进刀点L和退刀点M的坐标因待加工的所述内螺纹的类型和参数的不同而不同。通常以底孔31上端面的中心O为编程坐标原点(参见图7a、图7b、图7c)。当然，也可以采用其他点作为编程坐标原点，本发明不以此为限。
[0055] 如图7a所示，当所述内螺纹为牙型角平分线垂直于锥体母线的圆锥内螺纹时，角度头13的预设摆动角θ与锥度半角 相等，因此，螺纹铣刀14的轴线与所述内螺纹的轴线(也即Z轴)之间的夹角等于 从进刀点L至退刀点M的路径与螺纹铣刀14的轴线方向平行(如图7a所示)，也与XOZ平面内所述内螺纹的锥体母线平行。
[0056] 进刀点L的坐标满足：
[0057]
[0058] 其中，XL为所述进刀点L的X轴坐标，YL为所述进刀点L的Y轴坐标，ZL为所述进刀点L的Z轴坐标，D为所述内螺纹的基准直径(所述内螺纹的大端面的基本大径)，a为进刀点L到所述内螺纹的大端面(也称基准平面)距离。
[0059] 退刀点M的坐标满足：
[0060]
[0061] 其中，XM为所述退刀点M的X轴坐标，YM为所述退刀点M的Y轴坐标，ZM为所述退刀点M的Z轴坐标，H为所述内螺纹的螺纹深度。
[0062] 如图7b所示，当所述内螺纹为牙型角平分线垂直于螺纹轴线的圆锥内螺纹时，角度头13的预设摆动角θ为零，因此螺纹铣刀14的轴线与所述内螺纹的轴线(也即Z轴)平行。从进刀点L至退刀点M的路径与XOZ平面内所述内螺纹的锥体母线平行。进刀点L的坐标满足公式(3)，退刀点M的坐标满足公式(4)。
[0063] 如图7c所示，当所述内螺纹为圆柱内螺纹时，角度头13的预设摆动角θ为零，因此螺纹铣刀14的轴线与所述内螺纹的轴线(也即Z轴)平行。从进刀点L至退刀点M的路径与螺纹铣刀14的轴线方向平行。
[0064] 进刀点L的坐标满足：
[0065]
[0066] 其中，D为所述内螺纹的公称直径，a为进刀点L到所述内螺纹的端面距离。
[0067] 退刀点M的坐标满足：
[0068]
[0069] 其中，H为所述内螺纹的螺纹深度。
[0070] 首先控制螺纹铣刀14从所述机床零点移动至进刀点L，然后控制螺纹铣刀14以预设进给速度f按照从进刀点L至退刀点M的路径在底孔31上加工出所述内螺纹。
[0071] 当然，本实施例提供的一种内螺纹铣削加工方法还包括退刀步骤。具体地，所述退刀步骤包括控制螺纹铣刀14按照预设退刀路径退回所述机床零点。所述预设退刀路径可例如包括从退刀点M沿径向方向退至所述内螺纹的轴线处、从所述内螺纹的轴线处沿轴线方向(图7a、图7b、图7c中的Z轴正方向)退至所述内螺纹的端面外侧以及退至所述机床零点。此处，从退刀点M沿径向方向退至所述内螺纹的轴线处可以理解为螺纹铣刀不动，而是待加工工件相对螺纹铣刀运动；从所述内螺纹的轴线处沿轴线方向退至所述内螺纹的端面外侧可以理解为螺纹铣刀随着主轴沿所述内螺纹的轴线方向运动，而待加工工件不动；退至所述多轴机床的机床零点也可以理解为螺纹铣刀不动，而是待加工工件相对螺纹铣刀运动。
当然，也可以为能实现相同功能的其他控制方式。
[0072] 此处值得一提的是，所述预设进刀路径和所述预设退刀路径可以通过人工规划得到，也可以通过CAD/CAM
软件规划得到。另外，多轴机床典型地为多轴联动的数控机床，所有的加工动作均通过数控加工程序控制完成。此外，所述预设进刀路径和所述预设退刀路径的规划需考虑螺纹铣刀14的刀具半径和所述内螺纹的牙型高度。再者，所述预设进刀路径和所述预设退刀路径可以为单次加工路径，也可以为多次加工路径，这可根据具体的螺纹参数和加工条件确定。
[0073] 为便于更好地理解本发明实施例，下面通过加工一个螺纹深度H为40mm的PZ39的右旋圆锥螺纹举例详细说明本发明实施例提供的内螺纹铣削加工方法。
[0074] PZ39螺纹为牙型角平分线垂直于锥体母线的圆锥内螺纹，其基准平面上的螺纹大径D＝39mm，中经为37.643mm，小径为36.286mm，螺距P＝2mm，锥度半角 PZ39螺纹的铣削加工方法包括：
[0075] 1)在三轴数控机床的工作台上安装固定好转台。
[0076] 2)在主轴上安装角度头，调整角度头的轴线与主轴的轴线成预设摆动角的夹角后，锁定角度头。
[0077] 3)装夹待加工工件并使得位于待加工工件上的底孔的轴线与转台的轴线重合。
[0078] 4)在角度头上安装螺纹铣刀。
[0079] 5)匀速转动数控转台，启动主轴。数控转台以n＝60r/min的转速逆
时针转动。主轴转速为600～700r/min。
[0080] 6)螺纹铣刀的进给速度f为：
[0081]
[0082] 7)取进刀点L到所述内螺纹的基准平面的距离a＝5mm。进刀点L坐标值为：
[0083]
[0084] 即进刀点L的坐标为(19.800，0，5)。
[0085] 退刀点M坐标值为：
[0086]
[0087] YM＝0
[0088] ZM＝-H＝-40
[0089] 即退刀点M的坐标为(17.103，0，-40)。
[0090] 控制螺纹铣刀以进给速度f＝2.5mm/s、按照预设进刀路径从机床零点走刀至进刀点L(19.800，0，5)，再从进刀点L(19.800，0，5)直线走刀至退刀点M(17.103，0，-40)在底孔上加工出PZ39内螺纹。
[0091] 8)控制螺纹铣刀按照预设退刀路径从退刀点M(17.103，0，-40)沿径向方向退刀至PZ39内螺纹轴线处的点(0，0，-40)，再从点(0，0，-40)沿PZ39内螺纹轴线方向(Z正向)退刀至PZ39内螺纹的端面外侧的点(0，0，100)，最后再退回至机床零点以完成PZ39内螺纹的铣削加工过程。
[0092] 综上所述，本发明实施例通过在多轴数控机床上配置转台和角度头，然后根据待加工内螺纹的类型及相关参数设置相对应的角度头预设摆动角θ，并与转台配合按照预设进刀路径完成内螺纹的加工。本发明实施例提供的内螺纹铣削加工方法还可提升内螺纹的加工质量例如加工精度、螺纹表面光洁度等。另外，与采用五轴机床铣削加工内螺纹的方法相比，本发明实施例提供的内螺纹铣削加工方法极大地降低了内螺纹的加工成本，经济效益明显。再者，本发明实施例提供的内螺纹铣削加工方法不但能加工对称类零件和小型零件上的圆柱内螺纹和圆锥内螺纹，而且能加工非对称类零件和大型零件上的圆柱内螺纹和圆锥内螺纹，加工范围广。
[0093] 另外，本发明实施例还提供另一种内螺纹铣削加工方法。所述内螺纹铣削加工方法适用于多轴机床。所述多轴机床设置有
控制器以及安装有与所述控制器相对应的数控系统。所述多轴机床可根据用户操作以及根据用户输入的相关参数计算预设进给速度和预设进刀路径等，并根据所述预设进给速度和所述预设进刀路径完成内螺纹铣削加工。这样一来可在提升内螺纹加工质量的同时，简化内螺纹加工操作，提升加工效率。如图8所示，所述内螺纹铣削加工方法的步骤包括：
[0094] 1)控制转台匀速转动并启动主轴。所述多轴机床例如通过响应用户操作如触发操作按钮控制转台匀速转动并启动主轴。其中，所述多轴机床上的转台上装夹有待加工工件、且所述待加工工件上的底孔的轴线与所述转台的轴线重合，所述主轴上通过角度头安装有螺纹铣刀，所述角度头的轴线与所述主轴的轴线成预设摆动角θ、且所述预设摆动角θ由所述底孔上欲加工形成的内螺纹的类型确定。
[0095] 2)控制所述螺纹铣刀以预设进给速度按照预设进刀路径在所述底孔上加工出所述内螺纹。所述预设进刀路径包括从进刀点L至退刀点M的直线路径。具体地，首先所述多轴机床例如通过响应用户输入操作获取相关参数例如所述内螺纹的螺纹直径D、螺距p、进刀点L至内螺纹端面的距离a、螺纹深度H以及锥度半角 等。然后，根据所述内螺纹的螺距p和所述转台的转速n按照公式(2)计算预设进给速度f。再者，判断锥度半角 是否为零，当锥度半角 为非零时，表示所述内螺纹为圆锥内螺纹，螺纹直径D为所述内螺纹大端面的基准直径，进刀点L至内螺纹端面的距离a为进刀点L到所述内螺纹的大端面的距离，则以第一方式例如按照公式(3)和公式(4)计算进刀点L和退到点M的坐标以确定所述预设进刀路径；当锥度半角 为零，表示所述内螺纹为圆柱内螺纹，螺纹直径D为所述内螺纹的公称直径，进刀点L至内螺纹端面的距离a为进刀点L到所述内螺纹的端面的距离，则以第二方式例如按照公式(5)和公式(6)计算进刀点L和退到点M的坐标以确定所述预设进刀路径。最后，控制所述螺纹铣刀以预设进给速度按照预设进刀路径加工出所述内螺纹。
[0096] 3)控制螺纹铣刀按照预设退刀路径退回至所述多轴机床的机床零点，其中所述预设退刀路径包括从退刀点M沿径向方向退至所述内螺纹的轴线处、从所述内螺纹的轴线处沿轴线方向退至所述内螺纹的端面外侧，再退至所述多轴机床的机床零点。
[0097] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
