隨著材料技術、制造技術的發展以及飛機性能和結構的需要，在國內外先進主力戰斗機的結構設計中，為滿足飛機輕量化、長壽命、易維護等需求，機體零件結構向整體化、薄壁化、結構承載與功能綜合化等方向發展，因此越來越多地采用了整體結構設計，其典型的代表就是整體框結構，將以前需要數個框段通過機械連接而成的框改為一個整體結構的大框，這樣可以大幅減少零件數量，增加強度，減輕結構重量。

　　鈦合金材料具有高韌性、高強度、低密度、組織纖維性和無磁性等突出優點，可降低飛機的結構質量系數, 延長使用壽命, 是現代飛機承力構件中最有應用前景的材料之一，發達國家軍機結構件中鈦合金用量不斷增加，美國F-22 鈦合金用量已達39%，F-22 后機身鈦合金隔框精密模鍛件投影面積達 5.53m2。鈦合金的綜合優勢使得新型戰機的主承力框采用鈦合金整體結構將是極佳的選擇。

　　目前，發達國家設備精良，工藝技術先進，并針對飛機大型整體結構零件的特點進行了大量的工藝技術研究。另外，通過對難加工材料的加工工藝方法進行研究，也大大提高了以鈦合金為代表的難加工材料的加工效率。但我國大型飛機整體結構件的數控加工仍然處于起步階段，加工效率及質量方面都還明顯落后于發達國家，這已成為制約整個飛機研制和生產的“瓶頸”之一。

　　大型整體鈦合金框的生產方式

　　由于大型鈦合金結構毛坯鍛造難度極大，需要超大型專用鍛造設備，目前我國還沒有此類鍛造設備，暫時不能滿足鈦合金框整體毛坯的鍛造，只能采用分段鍛件加工后焊接的方式。目前大型鈦合金框的研制大體有2 種方案可供選擇：分段精加工—焊接—補充加工焊接接頭部位；分段粗加工—焊接—整體數控精加工。俄羅斯Su-27 的42 框是鈦合金整體框，其基本工藝方法采用了第一種方案，這樣生產效率高，但對焊接精度要求高。第二種方式適合更大更復雜并且焊縫多、焊接變形情況復雜的框，整框最終精度由數控加工來保證，這種方式的弊端就是造成焊后數控加工只能在一臺機床上進行，加工周期長，質量風險大。

　　大型整體鈦合金框的結構特點及加工工藝性

　　大型整體鈦合金框的投影面積可達4~5m2，通常為雙面加筋的加強框，外形為符合蒙皮走向的變斜角，每面有數十個槽腔結構，腹板較薄，有復雜的加強筋。框的兩側通常具有與機翼連接的耳片結構。框中間通常有2 個較大圓形開口，其邊緣為變斜角，符合發動機的外形。此類框還具有飛機結構件輕質、薄壁、深槽、變斜角外形、高精度等通用特點。總之，此類框不但為難切削材料，而且焊縫多，焊接變形及焊縫收縮量復雜，尺寸大，結構復雜、精度要求高，切除率超過90%，這些特點決定了此類框必須用大型五坐標數控機床加工，數控加工難度和強度均很大。

　　焊前分段數控加工工藝

　　焊前分段加工的目的主要是為了保證焊接工序的需要，加工出焊接面、焊接基準，并為焊接變形留有足夠的余量。焊前分段加工的工藝直接影響焊接工藝，影響到焊后整框的變形及加工余量，焊前數控加工工藝需要關注以下方面：

　　（1）所有焊縫設計為直線，且焊縫兩端各往外延長一些，這樣可以使焊縫的頭端和末端的引弧位置處于零件以外。

　　（2）焊前加工外形、槽底面和側面都留足夠余量，用來抵消焊后整框的翹曲變形。

　　（3）焊前焊口面注意留合適的余量，用來抵消焊縫的收縮。

　　（4）焊口面的垂直度和表面粗糙度精度要高，保證焊接時對接縫隙要足夠小。

　　（5）為提高切削加工效率，這一階段以大規格尺寸刀具為主，采用機夾式帶涂層可轉位刀具，以大切深、寬切削、快進給，實現高效切削。經實踐證明，上述的焊前加工方案設計總體是成功的，能夠滿足整體框的焊接和加工要求。

　　焊后整框的數控加工工藝

　　鈦合金的切削加工瓶頸就是加工效率低，僅為45 號鋼的20%~40%。整體框的數控加工工藝主要考慮切削效率、零件尺寸精度控制、平面度控制和曲面形狀控制。焊后整框工藝規程設計需要采取以下工藝措施：

　　（1）焊接式整體框數控加工之前要對零件焊后變形進行測量，根據測量數據確定加工坐標系的原點。

　　（2）由于焊接變形和各框段間有錯位, 所以要安排定位基準孔與基準面的修復加工。

　　（3）加工前銑掉焊接引弧塊，以保證外形加工余量的均勻分布。

　　（4）此類加工屬重型切削，必須選擇主軸、大扭矩和足夠功率的機床。

　　（5）壓板數量要足夠多，保證裝夾系統和工藝系統的剛度。

　　（6）選擇可以提高刀具表面硬度、耐高溫、抗磨損、高強度、減小摩擦系數、提高溫度和化學穩定性的涂層。加工過程中應嚴格監控刀具的磨損與破損，及時更換磨損的刀具。

　　（7）應保持切削液的充分、連續供給。

　　（8）粗加工側面時，有硬的氧化皮，應采用逆銑，其余處則采用順銑方式較好。

　　（9）嚴格執行工藝規程中規定的每個程序的切削參數，不能盲目追求加工效率而提高切削速度，確保零件表面不被燒傷。

　　（10）槽腔的側面和底面要分別加工。

　　（11）先加工筋頂面，先三軸后五軸，先面后孔，這樣可以減少崩刃、讓刀，降低孔加工難度。

　　（12）大型整體框應合并工序，減少翻面。

　　（13）外形精加工采用焊接式長刃立銑刀，采用小切寬，大切深，一次加工完成，表面粗糙度小。

　　數控編程與模擬仿真技術

　　1　整體框的數控編程

　　在鈦合金整體框的數控編程中，應將工藝規程所制定的加工方案充分體現在程序中, 包括切削部位、方式和參數，刀位軌跡規劃、刀具選擇、余量設置、加工軸數和程序名稱，另外還需注意以下事項。

　　（1）最好料外下刀，沒有條件應該先鉆下刀孔，不要螺旋下刀或斜線下刀。

　　（2）嚴格按工藝規程設置分層，不能某一刀的切除量突然很大。

　　（3）槽腔的加工側面和底面要分開加工。

　　（4）NC 程序必須在計算機上進行模擬切削，必須首先確保刀具軌跡的正確。仿真只是幾何學方面的仿真，物理學方面的問題很難被發現，所以要注意仿真不能解決所有問題，加工時還要認真觀察。

　　（5）應劃分粗精加工階段，雙面對稱去余量，分層去余量，控制變形。

　　2　數控程序的模擬仿真驗證

　　大型整體框的數控加工程序通常可達數百條，也無巨大的毛坯可提供試切。在無法試切的情況下，要確保一次加工合格，這對數控程序的要求非常高，所以，必須采取有效手段花大量時間在計算機上進行模擬切削，檢驗程序，確保程序正確。

　　（1）程序在CAM 環境中進行單步回放檢查，檢查刀位軌跡的邊界、切削深度。

　　（2）在加工仿真軟件中建立毛坯模型，建立加工坐標系，將所有CLS 刀位文件裝載進來，進行模擬仿真加工。

　　（3）檢查加工模型的所有尺寸，如有超差，立即終止程序，修改后再查。

　　（4）將設計模型調入加工仿真軟件，與加工后的模型與理論模型進行比較檢查，見圖1 為比較后得到的未切除的殘留量的模型。

　　（5）進行比較檢查后，得到切傷部位模型，見圖2，要仔細測量過切尺寸，檢查切傷是否在公差范圍內。

　　（6）利用仿真軟件生成的檢查報告，認真檢查每一個產生誤差的程序段。

　　（7）發現程序有問題立即修改，修改后輸出刀位文件，重新再進行仿真檢查，直到所有問題解決。

　　（8）最好能進行G 代碼程序仿真。

　　大型框的在線檢驗技術

　　此類大框焊后必須通過測量，精確掌握焊接變形情況和余量分布情況，這樣才能為整框的加工確定基準和分配余量。由于此框焊后尺寸大，北京航空制造工程研究所現有測量機無法測量, 利用雷尼紹測頭在機床上進行在線測量是一個很好的方案，測量后就可直接找正零件，并建立加工坐標系，如圖3 所示。

　　結束語

　　大型鈦合金整體框是先進戰斗機大型復雜結構零件的典型范例，是數控加工領域內公認的難題之一，價格很貴，生產周期長達1~3 個月，因而對加工中所涉及的機床、刀具、工裝、切削參數、編程方法、仿真技術、測量技術、變形控制、切削效率等技術都提出了更高的要求，必須設計科學嚴謹的工藝規程才能保證大型鈦合金整體框數控加工的質量。