鈦合金以其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、高比強(qiáng)度及良好的生物相容性，在航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械等高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。但該材料的獨特物理特性(如高硬度、低導(dǎo)熱性、化學(xué)活性強(qiáng))極易導(dǎo)致其切削加工性能較差，特別是在加工M4以下小孔徑內(nèi)螺紋時，加工效率低、刀具磨損快、螺紋精度差、生產(chǎn)成本高等問題顯得尤為突出。文章從鈦合金材料的切削特性出發(fā)，結(jié)合生產(chǎn)實踐案例，系統(tǒng)分析了鈦合金小孔徑攻絲困難的成因，并針對性地從絲錐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、螺紋底孔精密加工、多成分切削液協(xié)同作用三個方面展開研究，形成了一套兼具系統(tǒng)性、經(jīng)濟(jì)性的解決方案，為相關(guān)企業(yè)攻克鈦合金小孔徑攻絲技術(shù)瓶頸提供了理論依據(jù)與實踐參考。

鈦合金具有強(qiáng)度高、重量輕、比強(qiáng)度高及耐蝕性等特點，是航空航天等領(lǐng)域的重要金屬材料，被譽(yù)為“航空金屬”。在航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。鈦合金在現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)中占據(jù)核心地位，在國外的先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)中，鈦合金的占比已達(dá)到發(fā)動機(jī)總質(zhì)量的25%~40%[1]，同時，在航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)等重要部件上的應(yīng)用，減重效果可提升40%[2]。例如，通用電氣的GE90發(fā)動機(jī)就采用了Ti-6Al-4V合金葉片，與傳統(tǒng)材料相比，其疲勞壽命延長了50%。鈦合金還被廣泛用于制造起落架、大梁、隔框和緊固件等承力結(jié)構(gòu)。然而，鈦合金雖具備優(yōu)良性能，但加工性能欠佳，尤其在小孔攻絲這類精細(xì)加工中，效率偏低的問題尤為突出。在大批量生產(chǎn)場景中，絲錐常常因受力不均勻、摩擦扭矩過大及切削熱集中等問題，出現(xiàn)折斷或過快磨損等情況，這不僅導(dǎo)致企業(yè)刀具采購與更換成本增加，還嚴(yán)重制約了加工效率，進(jìn)而在較大程度上限制了鈦合金材料的工程化應(yīng)用。

1、鈦合金零件生產(chǎn)中存在的問題

1.1零件結(jié)構(gòu)及要求

以某綜合顯示頭盔零件為例，該頭盔零件對護(hù)目鏡片的下放和收回起到支撐作用。設(shè)計圖樣規(guī)定原材料為圓棒料，材料牌號及供應(yīng)狀態(tài)為TC4-R-軋，技術(shù)條件符合《鈦及鈦合金棒材》GB/T 2965-2023標(biāo)準(zhǔn)。零件端頭要求加工出M4-6H螺紋孔，螺紋有效長度為18mm，如圖1所示。

1.2存在的問題

在實際大批量生產(chǎn)過程中，一般先采用數(shù)控車床加工M4-6H的螺紋底孔至3.3mm，再采用普通車床，將直槽絲錐(M4-H2，材料為硬質(zhì)合金)裝夾在浮動刀柄上進(jìn)行攻絲，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速調(diào)至100r/min，攻絲前在絲錐上刷涂油酸。

在攻絲的過程中，出現(xiàn)較大的“吱吱”聲響，切削力矩較大，絲錐容易隨零件轉(zhuǎn)動，且排屑困難，絲錐要退出零件兩次才能完整地加工好螺紋;同時還發(fā)現(xiàn)切削熱量較大，絲錐發(fā)熱嚴(yán)重導(dǎo)致有煙霧產(chǎn)生，如圖2所示。絲錐磨損嚴(yán)重，每加工10~15個零件就需更換新的絲錐。

在以往生產(chǎn)中，每批零件(約為500件)往往需要數(shù)十個絲錐才能完成小孔徑攻絲任務(wù)，且加工出的螺紋容易出現(xiàn)中徑不穩(wěn)定、牙型不完整、螺紋表面粗糙、存在毛刺或微裂紋等情況，嚴(yán)重影響裝配質(zhì)量與連接可靠性。更突出的問題是，絲錐在攻絲過程中頻繁發(fā)生折斷，斷錐難以取出，常導(dǎo)致整件報廢或需進(jìn)行復(fù)雜返修，個別批次因斷錐導(dǎo)致的廢品率高達(dá)15%以上。這不僅造成原材料與人工的巨大浪費，還大幅延長了加工周期，致使生產(chǎn)節(jié)奏被打亂，交付節(jié)點難以保障。鈦合金小孔徑攻絲已經(jīng)成為制約產(chǎn)能提升和質(zhì)量穩(wěn)定的一個瓶頸，嚴(yán)重阻礙了企業(yè)向高端精密制造的轉(zhuǎn)型升級，亟需系統(tǒng)性優(yōu)化與技術(shù)突破。

2、鈦合金小孔徑攻絲影響因素分析

2.1排屑困難

鈦合金的切屑在氧和氮的作用下形成硬脆化合物，呈短碎片狀，使刀具與切屑的接觸長度變得短而疏松，同時由于攻絲是在半封閉的環(huán)境下進(jìn)行，冷卻潤滑效果不良，切屑容易堆積在絲錐的容屑槽中，常導(dǎo)致排屑困難。

2.2易發(fā)生黏結(jié)反應(yīng)

鈦合金與刀具材料(如WC、Co)的化學(xué)親和力強(qiáng)，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成黏結(jié)層，特別是在高溫高壓下，切屑與刀具的黏結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，使刀具的黏結(jié)和擴(kuò)散磨損嚴(yán)重。

2.3切削區(qū)域溫度高

鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)較小，僅為45#鋼的1/6~1/7，導(dǎo)熱性極差，而且密度低，比熱小。攻絲是在半封閉狀態(tài)下切削，切削液難以到達(dá)切削區(qū)，散熱和潤滑效果差，在攻絲加工過程中，攻絲時有大量切削齒同時參與切削，切削區(qū)形成高溫，造成鈦合金熱膨脹，加劇了絲錐與零件之間的摩擦。

2.4切削扭矩大

由于鈦合金TC4的彈性模量小，僅為鋼的50%，切削時工件易產(chǎn)生“彈性退讓”，導(dǎo)致刀具與工件表面反復(fù)摩擦，加劇表面硬化。鈦合金加工后回彈大，孔壁擠壓絲錐，絲錐刀齒的每個側(cè)面都同工件接觸，甚至將牙型面包住，絲錐摩擦扭矩很大，因此造成絲錐過快磨損，零件的加工精度也較差。

3、鈦合金小孔攻絲優(yōu)化措施

目前，在機(jī)械加工行業(yè)中，針對鈦合金零件小孔攻絲難題，普遍采取改進(jìn)絲錐材質(zhì)和優(yōu)化絲錐結(jié)構(gòu)的技術(shù)路徑。例如，采用粉末冶金高速鋼、含鈷合金鋼等高性能材料制造絲錐，并應(yīng)用TiCN、AlCrN等先進(jìn)涂層以增強(qiáng)耐磨性和抗粘結(jié)性;同時，通過設(shè)計跳牙絲錐、螺旋槽絲錐或變螺距絲錐，改善排屑性能，降低攻絲扭矩。然而，這些高端絲錐價格昂貴，單支成本可達(dá)普通絲錐的數(shù)倍甚至十倍以上，大幅增加生產(chǎn)投入。此外，部分特殊結(jié)構(gòu)絲錐需由具備專業(yè)磨修技能的技術(shù)工人進(jìn)行修磨與維護(hù)，對人員技術(shù)水平要求高，企業(yè)培訓(xùn)與人力成本隨之上升，難以在中小型企業(yè)中廣泛推廣。針對上述問題，文章在總結(jié)鈦合金零件小孔攻絲常見方法的基礎(chǔ)上，通過多種措施的組合運用，特別是多成分混合切削液的配比使用，能夠較好地解決鈦合金零件小孔攻絲的難題，為企業(yè)獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1絲錐的選擇及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鈦合金攻絲可采用專用絲錐，如錯齒絲錐等，也可對標(biāo)準(zhǔn)絲錐進(jìn)行修整，縮短切削刃的刃瓣，增大容屑空間，在保證強(qiáng)度的情況下，采取小前角大后角的辦法，例如，絲錐前角4°、絲錐后角10°、絲錐錐角6°[3]，使其具有鋒利的切削刃。由此可明顯降低應(yīng)力、溫度、扭矩以及軸向力，在一定程度上解決鈦合金的小孔徑攻絲的難題。

3.2螺紋底孔加工要點

合適的螺紋底孔對螺紋加工十分重要，尺寸合適的螺紋底孔能有效降低攻絲過程中產(chǎn)生的切削熱和切削力。

由于鈦合金材料強(qiáng)度高、彈性模量小，零件彈性恢復(fù)大，用鉆頭加工螺紋底孔時，其孔徑尺寸和鉆頭直徑尺寸基本相同。因此，鉆頭直徑要選用比一般鉆孔時大0.05~0.1mm，使螺紋底孔的直徑接近于螺紋內(nèi)徑的上限。該措施一般不影響螺紋連接的強(qiáng)度和使用，但卻可減少加工時切削扭矩。

在加工深孔螺紋時，孔徑要更大，允許在孔壁上只加工出螺紋全高的50%，這對特殊材料和難加工材料的小孔徑攻絲尤為重要。雖然孔壁上螺紋高度減少導(dǎo)致螺紋接觸率下降，但可以適當(dāng)增加螺紋長度，仍能保持螺紋可靠的連接。文中零件的螺紋均為M4-6H，螺距為0.7，螺紋底孔直徑為3.3-0.0581mm。因此，可考慮使用Φ3.4mm的硬質(zhì)合金鉆頭加工螺紋底孔。使螺紋底孔直徑尺寸控制在Φ3.3~3.42mm，即可大幅減小螺紋攻絲時絲錐的切削力和切削熱。

選用合理的鉆削參數(shù)，能夠得到較好的底孔表面質(zhì)量，而好的螺紋底孔表面質(zhì)量又有助于攻絲時螺紋質(zhì)量的提高，加工螺紋底孔時鉆削用量如表1所示[4]，結(jié)合零件實際情況，加工螺紋底孔可將主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定在500~700r/min，進(jìn)給量0.05~0.09mm/r。

表1鈦合金鉆削的切削用量

3.3加工參數(shù)的選擇

由于鈦合金具有較大的彈性和變形率，因此，需要采取較小的切削速度，但過小的切削速度又會導(dǎo)致零件的冷作硬化。綜合考慮，在鈦合金小孔徑攻絲時，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為125r/min[5]。

3.4切削液的選擇

隨著大量的鈦合金等難加工材料的應(yīng)用，給切削加工帶來了難題。為了解決此類問題，除了選擇性能較好的刀具材料、采取合理的加工參數(shù)及優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)之外，選擇合理選擇切削液也可以改善切削條件，有效減少切削過程中的摩擦，減小切削力，降低切削溫度，提高刀具耐用度、切削效率和已加工表面質(zhì)量，降低產(chǎn)品的加工成本。

為解決鈦合金小孔徑攻絲難題，文章針對常用的油酸、蓖麻油及煤油三種物質(zhì)進(jìn)行實驗，從而驗證得出最合適鈦合金零件小孔徑攻絲的切削液。

實驗方法:①采用普通數(shù)控車床，用  Φ3.3mm的硬質(zhì)合金鉆頭加工M4-6H的螺紋底孔。②將零件裝夾在普通機(jī)床的彈簧夾頭上，再將直槽絲錐(M4-H2，材料為硬質(zhì)合金)裝夾在浮動刀柄上進(jìn)行攻絲，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速調(diào)至125r/min，攻絲前在絲錐上分別刷涂油酸、蓖麻油及煤油三種切削液進(jìn)行攻絲。在同樣切削條件下，統(tǒng)計每只絲錐在不同切削液潤滑條件下加工零件的數(shù)量，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，無論采用哪種切削液效果都不太理想，加工完成一批500件的零件，往往需要數(shù)十只絲錐，加工成本較高。

表2不同切削液攻絲時加工零件數(shù)量

單一成分的切削液效果不理想，進(jìn)一步考慮將3種物質(zhì)按一定比例配比使用。在原生產(chǎn)條件不變的情況下，采用油酸、蓖麻油及煤油三種不同混合比例的切削液進(jìn)行攻絲實驗，結(jié)果如表3所示。

表3不同比例混合的切削液攻絲時加工零件數(shù)量

通過表3對比實驗可以發(fā)現(xiàn)，在同等生產(chǎn)條件下，采用油酸、蓖麻油及煤油按50%、30%、20%混合后的切削液，能夠大幅提高絲錐的壽命。

4、結(jié)論

綜上所述，文章通過生產(chǎn)中的實際案例，研究了鈦合金零件小孔徑攻絲的方法，主要結(jié)論如下:

①攻絲時采用專用絲錐，如錯齒絲錐等，也可對標(biāo)準(zhǔn)絲錐進(jìn)行修整，取小前角大后角，縮短切削刃的刃瓣，增大容屑空間。

②適當(dāng)?shù)卣{(diào)整攻絲前螺紋底孔直徑大小，減小切削力矩，提高絲錐壽命。

③在其他生產(chǎn)條件不變的情況下，通過采用油酸、蓖麻油及煤油按50%、30%、20%混合后的切削液，能夠大幅提高絲錐的壽命。

④企業(yè)在實際生產(chǎn)中，可根據(jù)自身特點，選擇相適應(yīng)的措施來解決鈦合金零件小孔徑攻絲難題，不但可以保障生產(chǎn)，還可以節(jié)約生產(chǎn)成本，取得很可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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（注，原文標(biāo)題：鈦合金零件小孔徑攻絲方法的研究_李國舉）

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