摘要：车床车削加工是中小批量梯形内螺纹加工的通用工艺方案。当加工螺距较大的梯形内螺纹时，普通刀杆由于刚性因素限制，通常只能加工悬伸比小于4倍径深度的螺纹。本文重点介绍一种刀具设计方法，通过最大限度地增加刀杆横截面积增强刀杆强度，同时配合数控宏程序，完成相当于普通刀具悬伸比达1∶9的深孔螺纹加工。

1. 问题描述

图1所示为某军品关键零件，其加工要素为Tr24×8梯形内螺纹，螺纹深度为90mm，螺纹小径为16.5mm，采用普通圆刀杆加工，刀具悬伸比超过1∶9，大大超出钢质刀具1∶4的悬伸比，加工难度极大。在前期工艺试制过程中，该螺纹加工成为工艺难题。经过对其进行工艺分析，发现应着重从增加刀具刚性和减小切削抗力两方面进行改进，创新加工工艺。增加刀具刚性最有效的办法是改变刀具材质，如硬质合金刀杆，但由于加工该梯形螺纹的刀具属于非标刀具，定制周期长且费用高，不能保证生产进度。因此，从改进刀杆横截面形状的角度出发，设计出一种新型刀杆，通过增加刀杆横截面积，使刀杆刚性提升；同时，采取数控宏编程的方法，减小切削抗力，改善加工质量，提高加工效率。

2. 刀杆设计

刀杆横截面基本为圆形，加工通用性好，可加工范围大，但是刀具的刚性差。因此，设计专用刀具，需通过科学的方法，增加刀具的横截面积，进而增加强度，提高悬伸比。具体设计方法是：以螺纹小径为基准，保证刀具不与工件干涉，选取比螺纹小径小1mm的圆为设计的基圆，再对圆弧进行齿高偏置，使刀杆横截面由圆形变为类似椭圆形。例如，本例中螺纹小径为16.5mm，所以基圆为φ 15.5mm，根据螺纹齿高，将上半圆弧进行偏置，上、下两半圆弧相交后，形成近似椭圆的图形，就是最佳的刀具横截面。这样就可保证刀具在加工的两个极限位置不与工件干涉，有效提高刀具强度。如图2所示，与普通圆刀杆相比，面积增加近30%（图中小圆为普通刀杆横截面），增加了强度。此方法灵活高效，对刀具材质无苛刻要求，一般合金钢经过调质处理即可使用，取材方便；刀具的加工工艺好，刀具制作方便，利用车床偏心加工的方式即可完成制作，避免了高昂的非标刀具设计成本。刀具实物如图3所示。

3. 数控宏程序

数控系统（FANUC系统）所提的螺纹切削指令，无论是直进方式的G92指令，还是斜进式的G76指令，均属于满吃刀加工，切削抗力较大，造成振动，加工表面质量差。针对这种情况，我们尝试采用宏程序嵌套编程的方式，进行分层逐点加工，降低切削抗力。实际加工中，使用G76指令主轴负荷在10%以上，使用改进后的指令主轴负荷仅2%左右，切削抗力明显降低，顺利完成工件加工。加工程序如下：

T0101；

S400M3；

G0X16Z20；

M8；

#1=0；(螺纹深度)

WHILE[#1 LE 8 ] DO 1；（分层循

环）

#3=20-TAN[15]*#1/2；（计算每层

螺纹相对起点）

G0 Z#3；

#2=0；(层宽计数)

#4=5.056-1.8-TAN[15]*#1；(当前

层进刀宽度，1.8是刀具宽度)

WHILE[#2 LE #4] DO 2；（层宽

循环）

G0 Z[#3-#2]；（层过程加工起刀

点）

G92 X[16.5+#1] Z-95 F8；

#2=#2+1；（层宽递进1mm）

END2；

G0 Z[#3-#4]；(层终点)

G92 X[16.5+#1] Z-95 F8；

#1=#1+0.1；（深度递进0.1mm）

END 1；

G0 Z100；

X200；

M30；

-End-

?金属加工原创，作者：河北太行机械工业有限公司靳小海，发表于《金属加工（冷加工）》2017年20期49页。