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。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。
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。
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。
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。d为中径，则tand2=L／(d)=4(3.1476)=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。
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，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变化360时，M点沿螺旋线在Z方向移动1个螺距L。
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。
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 sin,式中R'为投影螺旋线极半径，其值随螺旋运动角参变量的变化而变化。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,时，则对应每变化1,投影螺旋线极半径值变化(R2-R1)/1。
由以上分析可以得出，圆锥螺旋线上任意点M在直角坐标系XYZ中，
分析本实例橡胶模具的铣削加工参数。
1)铣削整个内锥球螺纹的空间螺旋线运动轨迹，从顶面(圆柱内孔大端)开始铣至圆锥内孔大端，其螺旋线运动角参变量从0变化至1080共有牙型3个二（螺纹长12 mm/螺距4 mm);接着铣至圆锥内孔小端，角共变化2 520(共有牙型7个，28/4);最后铣至零件底面(圆柱内孔小端)，至此角共变化4 320(共有牙型12个，4x14)。
在整个铣削过程中每增加1，对应刀具沿Z向向下运动4/360=0.011 1 mm。
2)内锥球螺纹中部圆锥螺纹段共有牙型4个(螺纹长16 mm/螺距4 mm=4牙)，铣削该段螺纹螺旋运动轨迹从圆锥内孔大端起始至圆锥内孔小端，其螺旋运动角参变量从0变化至1 440(4 X360)0 8每增加10，对应投影螺旋线极半径值减小[(90/2)-(80/2)]/1440=0.003 5 mm0
4 数控编程
铣削前，螺纹底孔通常先在数控车床上加工至小径尺寸。即大端直孔孔径86 mm，长12 mm；小端直孔孔径加工至76 mm，长20 mm；中间锥孔长16 mm。
数控铣削左旋内锥球螺纹时，铣削方式采用顺铣，即刀具正转(M03)，刀具沿z轴自上而下移动，进行逆时针螺旋状运动。直接对螺纹成型铣刀刀心的空间螺旋状运动轨迹编程加工。内孔中心为G54原点，顶面为Z0面。
采用宏功能编程使得程序调整与控制较为灵活。球螺纹单边加工余量为2 mm，分10次加工(为减小切削阻力降低刀具磨损)，依次分配为0．25mm、0.25 mm．、0.25 mm、0.25 mm、0.25 mm、0.25mm、0.2 mm、0.15mm、0.1mm、0.05 mm。即C(#3)=43.25＼43.5＼43.75＼44＼44.25＼44.5＼44.7＼44.85＼44.95＼45。分粗、精铣确保牙型粗糙度要求。用G65非模态调用宏指令编程可以将粗、精加工编写在同一主程序中，避免了手动反复修改程序中螺纹顶径R值(即#3)，缩短了加工时间。
5 结语
文章分析了传统工艺加工内锥球螺纹存在的不足，提出了采用数控铣削加工内锥球螺纹的新工艺和方法，并详细分析了螺纹铣削参数求解、宏程序的编制方法。并将该工艺和编程方法成功应用于橡胶模具零件内锥球螺纹的生产中，帮助企业节约了生产成本、提高了经济效益，加工出符合设计要求的模具产品。
(审核编辑: 智汇张瑜)
