鈦合金以其優異的力學性能、耐腐蝕性能、高比強度及良好的生物相容性，在航空航天、汽車制造、醫療器械等高新技術領域的應用日益廣泛。但該材料的獨特物理特性(如高硬度、低導熱性、化學活性強)極易導致其切削加工性能較差，特別是在加工M4以下小孔徑內螺紋時，加工效率低、刀具磨損快、螺紋精度差、生產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，結合生產實踐案例，系統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構優化、螺紋底孔精密加工、多成分切削液協同作用三個方面展開研究，形成了一套兼具系統性、經濟性的解決方案，為相關企業攻克鈦合金小孔徑攻絲技術瓶頸提供了理論依據與實踐參考。
鈦合金具有強度高、重量輕、比強度高及耐蝕性等特點，是航空航天等領域的重要金屬材料，被譽為“航空金屬”。在航空航天領域獲得了廣泛的應用。鈦合金在現代航空發動機中占據核心地位，在國外的先進航空發動機中，鈦合金的占比已達到發動機總質量的25%~40%[1]，同時，在航空發動機壓氣機等重要部件上的應用，減重效果可提升40%[2]。例如，通用電氣的GE90發動機就采用了Ti-6Al-4V合金葉片，與傳統材料相比，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構。然而，鈦合金雖具備優良性能，但加工性能欠佳，尤其在小孔攻絲這類精細加工中，效率偏低的問題尤為突出。在大批量生產場景中，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，出現折斷或過快磨損等情況，這不僅導致企業刀具采購與更換成本增加，還嚴重制約了加工效率，進而在較大程度上限制了鈦合金材料的工程化應用。
1、鈦合金零件生產中存在的問題
1.1零件結構及要求
以某綜合顯示頭盔零件為例，該頭盔零件對護目鏡片的下放和收回起到支撐作用。設計圖樣規定原材料為圓棒料，材料牌號及供應狀態為TC4-R-軋，技術條件符合《鈦及鈦合金棒材》GB/T 2965-2023標準。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
在實際大批量生產過程中，一般先采用數控車床加工M4-6H的螺紋底孔至3.3mm，再采用普通車床，將直槽絲錐(M4-H2，材料為硬質合金)裝夾在浮動刀柄上進行攻絲，機床主軸轉速調至100r/min，攻絲前在絲錐上刷涂油酸。
在攻絲的過程中，出現較大的“吱吱”聲響，切削力矩較大，絲錐容易隨零件轉動，且排屑困難，絲錐要退出零件兩次才能完整地加工好螺紋;同時還發現切削熱量較大，絲錐發熱嚴重導致有煙霧產生，如圖2所示。絲錐磨損嚴重，每加工10~15個零件就需更換新的絲錐。
在以往生產中，每批零件(約為500件)往往需要數十個絲錐才能完成小孔徑攻絲任務，且加工出的螺紋容易出現中徑不穩定、牙型不完整、螺紋表面粗糙、存在毛刺或微裂紋等情況，嚴重影響裝配質量與連接可靠性。更突出的問題是，絲錐在攻絲過程中頻繁發生折斷，斷錐難以取出，常導致整件報廢或需進行復雜返修，個別批次因斷錐導致的廢品率高達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，致使生產節奏被打亂，交付節點難以保障。鈦合金小孔徑攻絲已經成為制約產能提升和質量穩定的一個瓶頸，嚴重阻礙了企業向高端精密制造的轉型升級，亟需系統性優化與技術突破。
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境下進行，冷卻潤滑效果不良，切屑容易堆積在絲錐的容屑槽中，常導致排屑困難。
2.2易發生黏結反應
鈦合金與刀具材料(如WC、Co)的化學親和力強，易發生化學反應，形成黏結層，特別是在高溫高壓下，切屑與刀具的黏結現象嚴重，使刀具的黏結和擴散磨損嚴重。
2.3切削區域溫度高
鈦合金導熱系數較小，僅為45#鋼的1/6~1/7，導熱性極差，而且密度低，比熱小。攻絲是在半封閉狀態下切削，切削液難以到達切削區，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%，切削時工件易產生“彈性退讓”，導致刀具與工件表面反復摩擦，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、鈦合金小孔攻絲優化措施
目前，在機械加工行業中，針對鈦合金零件小孔攻絲難題，普遍采取改進絲錐材質和優化絲錐結構的技術路徑。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，并應用TiCN、AlCrN等先進涂層以增強耐磨性和抗粘結性;同時，通過設計跳牙絲錐、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，單支成本可達普通絲錐的數倍甚至十倍以上，大幅增加生產投入。此外，部分特殊結構絲錐需由具備專業磨修技能的技術工人進行修磨與維護，對人員技術水平要求高，企業培訓與人力成本隨之上升，難以在中小型企業中廣泛推廣。針對上述問題，文章在總結鈦合金零件小孔攻絲常見方法的基礎上，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，為企業獲得更好的經濟效益。
3.1絲錐的選擇及結構優化
鈦合金攻絲可采用專用絲錐，如錯齒絲錐等，也可對標準絲錐進行修整，縮短切削刃的刃瓣，增大容屑空間，在保證強度的情況下，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生的切削熱和切削力。
由于鈦合金材料強度高、彈性模量小，零件彈性恢復大，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徑的上限。該措施一般不影響螺紋連接的強度和使用，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致螺紋接觸率下降，但可以適當增加螺紋長度，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，能夠得到較好的底孔表面質量，而好的螺紋底孔表面質量又有助于攻絲時螺紋質量的提高，加工螺紋底孔時鉆削用量如表1所示[4]，結合零件實際情況，加工螺紋底孔可將主軸轉速設定在500~700r/min，進給量0.05~0.09mm/r。
表1鈦合金鉆削的切削用量
| 鉆頭直徑/mm | 主軸轉速/r/min | 進給量/mm/r |
| ≤3 | 1000~600 | 手動進給 |
| 3~6 | 700~500 | 0.05~0.09 |
| 6~10 | 550~350 | 0.07~0.12 |
| 10~15 | 400~200 | 0.07~0.15 |
| 15~20 | 300~150 | 0.09~0.15 |
| 20~25 | 200~100 | 0.09~0.20 |
| 25~30 | 150~60 | 0.09~0.20 |
3.3加工參數的選擇
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致零件的冷作硬化。綜合考慮，在鈦合金小孔徑攻絲時，機床主軸轉速設定為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及優化刀具結構之外，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量，降低產品的加工成本。
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進行實驗，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采用普通數控車床，用 Φ3.3mm的硬質合金鉆頭加工M4-6H的螺紋底孔。②將零件裝夾在普通機床的彈簧夾頭上，再將直槽絲錐(M4-H2，材料為硬質合金)裝夾在浮動刀柄上進行攻絲，機床主軸轉速調至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行攻絲。在同樣切削條件下，統計每只絲錐在不同切削液潤滑條件下加工零件的數量，結果如表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量
| 切削液 類型 | 加工零件 數量/個 | 加工過程描述 |
| 油酸 | 10~15 | 切削力大，絲錐磨損快 |
| 蓖麻油 | 8~12 | 切削力很大，發熱明顯，絲錐磨損很快 |
| 煤油 | 8~10 | 切削力很大，發熱量大，絲錐磨損很快 |
單一成分的切削液效果不理想，進一步考慮將3種物質按一定比例配比使用。在原生產條件不變的情況下，采用油酸、蓖麻油及煤油三種不同混合比例的切削液進行攻絲實驗，結果如表3所示。
表3不同比例混合的切削液攻絲時加工零件數量
| 切削液類型(油酸、 蓖麻油、煤油)含量/% | 加工零件 數量/個 | 加工過程描述 |
| 33、33、33 | 60~70 | 攻絲過程穩定，零件質量好 |
| 50、20、30 | 70~80 | 攻絲過程穩定，零件質量較好 |
| 50、30、20 | 80~90 | 攻絲過程穩定，零件質量較好 |
通過表3對比實驗可以發現，在同等生產條件下，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、結論
綜上所述，文章通過生產中的實際案例，研究了鈦合金零件小孔徑攻絲的方法，主要結論如下:
①攻絲時采用專用絲錐，如錯齒絲錐等，也可對標準絲錐進行修整，取小前角大后角，縮短切削刃的刃瓣，增大容屑空間。
②適當地調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企業在實際生產中，可根據自身特點，選擇相適應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，還可以節約生產成本，取得很可觀的經濟效益。
參考文獻
[1]弭光寶，孫圓治，吳明宇，等.機器學習在航空發動機鈦合金研究中的應用進展[J].航空制造技術，2024，67(Z1):66-78.
[2]弭光寶，歐陽佩旋，陳航，等.航空發動機高溫鈦合金非等溫氧化行為研究進展[J].航空制造技術，2019，62(15):88-92.
[3]郭宏，趙勝榮，閆獻國，等.用于鈦合金攻絲的直槽絲錐參數優化設計[J].機械設計與制造，2021(11):100-103+108.
[4]李帥孝，武虹竹，宋昌旭，等.機械加工工藝中零件加工精度影響因素分析[J].中國機械，2024(27):37-40.
[5]郭宏，趙勝榮，閆獻國，等.用于鈦合金攻絲的直槽絲錐參數優化設計[J].機械設計與制造，2021(11):100-103+108.
（注，原文標題：鈦合金零件小孔徑攻絲方法的研究_李國舉）
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