隨著材料技術(shù)、制造技術(shù)的發(fā)展以及飛機(jī)性能和結(jié)構(gòu)的需要，在國(guó)內(nèi)外先進(jìn)主力戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為滿足飛機(jī)輕量化、長(zhǎng)壽命、易維護(hù)等需求，機(jī)體零件結(jié)構(gòu)向整體化、薄壁化、結(jié)構(gòu)承載與功能綜合化等方向發(fā)展，因此越來(lái)越多地采用了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其典型的代表就是整體框結(jié)構(gòu)，將以前需要數(shù)個(gè)框段通過(guò)機(jī)械連接而成的框改為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的大框，這樣可以大幅減少零件數(shù)量，增加強(qiáng)度，減輕結(jié)構(gòu)重量。

　　鈦合金材料具有高韌性、高強(qiáng)度、低密度、組織纖維性和無(wú)磁性等突出優(yōu)點(diǎn)，可降低飛機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù), 延長(zhǎng)使用壽命, 是現(xiàn)代飛機(jī)承力構(gòu)件中最有應(yīng)用前景的材料之一，發(fā)達(dá)國(guó)家軍機(jī)結(jié)構(gòu)件中鈦合金用量不斷增加，美國(guó)F-22 鈦合金用量已達(dá)39%，F(xiàn)-22 后機(jī)身鈦合金隔框精密模鍛件投影面積達(dá) 5.53m2。鈦合金的綜合優(yōu)勢(shì)使得新型戰(zhàn)機(jī)的主承力框采用鈦合金整體結(jié)構(gòu)將是極佳的選擇。

　　目前，發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)備精良，工藝技術(shù)先進(jìn)，并針對(duì)飛機(jī)大型整體結(jié)構(gòu)零件的特點(diǎn)進(jìn)行了大量的工藝技術(shù)研究。另外，通過(guò)對(duì)難加工材料的加工工藝方法進(jìn)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(guó)大型飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工仍然處于起步階段，加工效率及質(zhì)量方面都還明顯落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，這已成為制約整個(gè)飛機(jī)研制和生產(chǎn)的“瓶頸”之一。

　　大型整體鈦合金框的生產(chǎn)方式

　　由于大型鈦合金結(jié)構(gòu)毛坯鍛造難度極大，需要超大型專(zhuān)用鍛造設(shè)備，目前我國(guó)還沒(méi)有此類(lèi)鍛造設(shè)備，暫時(shí)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(bǔ)充加工焊接接頭部位；分段粗加工—焊接—整體數(shù)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(chǎn)效率高，但對(duì)焊接精度要求高。第二種方式適合更大更復(fù)雜并且焊縫多、焊接變形情況復(fù)雜的框，整框最終精度由數(shù)控加工來(lái)保證，這種方式的弊端就是造成焊后數(shù)控加工只能在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行，加工周期長(zhǎng)，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大。

　　大型整體鈦合金框的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工工藝性

　　大型整體鈦合金框的投影面積可達(dá)4~5m2，通常為雙面加筋的加強(qiáng)框，外形為符合蒙皮走向的變斜角，每面有數(shù)十個(gè)槽腔結(jié)構(gòu)，腹板較薄，有復(fù)雜的加強(qiáng)筋。框的兩側(cè)通常具有與機(jī)翼連接的耳片結(jié)構(gòu)。框中間通常有2 個(gè)較大圓形開(kāi)口，其邊緣為變斜角，符合發(fā)動(dòng)機(jī)的外形。此類(lèi)框還具有飛機(jī)結(jié)構(gòu)件輕質(zhì)、薄壁、深槽、變斜角外形、高精度等通用特點(diǎn)。總之，此類(lèi)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(fù)雜，尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，切除率超過(guò)90%，這些特點(diǎn)決定了此類(lèi)框必須用大型五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工，數(shù)控加工難度和強(qiáng)度均很大。

　　焊前分段數(shù)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(zhǔn)，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(shù)控加工工藝需要關(guān)注以下方面：

　　（1）所有焊縫設(shè)計(jì)為直線，且焊縫兩端各往外延長(zhǎng)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(cè)面都留足夠余量，用來(lái)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(lái)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(shí)對(duì)接縫隙要足夠小。

　　（5）為提高切削加工效率，這一階段以大規(guī)格尺寸刀具為主，采用機(jī)夾式帶涂層可轉(zhuǎn)位刀具，以大切深、寬切削、快進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)高效切削。經(jīng)實(shí)踐證明，上述的焊前加工方案設(shè)計(jì)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(shù)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(hào)鋼的20%~40%。整體框的數(shù)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(guī)程設(shè)計(jì)需要采取以下工藝措施：

　　（1）焊接式整體框數(shù)控加工之前要對(duì)零件焊后變形進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確定加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

　　（2）由于焊接變形和各框段間有錯(cuò)位, 所以要安排定位基準(zhǔn)孔與基準(zhǔn)面的修復(fù)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(lèi)加工屬重型切削，必須選擇主軸、大扭矩和足夠功率的機(jī)床。

　　（5）壓板數(shù)量要足夠多，保證裝夾系統(tǒng)和工藝系統(tǒng)的剛度。

　　（6）選擇可以提高刀具表面硬度、耐高溫、抗磨損、高強(qiáng)度、減小摩擦系數(shù)、提高溫度和化學(xué)穩(wěn)定性的涂層。加工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控刀具的磨損與破損，及時(shí)更換磨損的刀具。

　　（7）應(yīng)保持切削液的充分、連續(xù)供給。

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

　　（9）嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)程中規(guī)定的每個(gè)程序的切削參數(shù)，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(cè)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(yīng)合并工序，減少翻面。

　　（13）外形精加工采用焊接式長(zhǎng)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(shù)控編程與模擬仿真技術(shù)

　　1　整體框的數(shù)控編程

　　在鈦合金整體框的數(shù)控編程中，應(yīng)將工藝規(guī)程所制定的加工方案充分體現(xiàn)在程序中, 包括切削部位、方式和參數(shù)，刀位軌跡規(guī)劃、刀具選擇、余量設(shè)置、加工軸數(shù)和程序名稱(chēng)，另外還需注意以下事項(xiàng)。

　　（1）最好料外下刀，沒(méi)有條件應(yīng)該先鉆下刀孔，不要螺旋下刀或斜線下刀。

　　（2）嚴(yán)格按工藝規(guī)程設(shè)置分層，不能某一刀的切除量突然很大。

　　（3）槽腔的加工側(cè)面和底面要分開(kāi)加工。

　　（4）NC 程序必須在計(jì)算機(jī)上進(jìn)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(xué)方面的仿真，物理學(xué)方面的問(wèn)題很難被發(fā)現(xiàn)，所以要注意仿真不能解決所有問(wèn)題，加工時(shí)還要認(rèn)真觀察。

　　（5）應(yīng)劃分粗精加工階段，雙面對(duì)稱(chēng)去余量，分層去余量，控制變形。

　　2　數(shù)控程序的模擬仿真驗(yàn)證

　　大型整體框的數(shù)控加工程序通常可達(dá)數(shù)百條，也無(wú)巨大的毛坯可提供試切。在無(wú)法試切的情況下，要確保一次加工合格，這對(duì)數(shù)控程序的要求非常高，所以，必須采取有效手段花大量時(shí)間在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬切削，檢驗(yàn)程序，確保程序正確。

　　（1）程序在CAM 環(huán)境中進(jìn)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(biāo)系，將所有CLS 刀位文件裝載進(jìn)來(lái)，進(jìn)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(shè)計(jì)模型調(diào)入加工仿真軟件，與加工后的模型與理論模型進(jìn)行比較檢查，見(jiàn)圖1 為比較后得到的未切除的殘留量的模型。

　　（5）進(jìn)行比較檢查后，得到切傷部位模型，見(jiàn)圖2，要仔細(xì)測(cè)量過(guò)切尺寸，檢查切傷是否在公差范圍內(nèi)。

　　（6）利用仿真軟件生成的檢查報(bào)告，認(rèn)真檢查每一個(gè)產(chǎn)生誤差的程序段。

　　（7）發(fā)現(xiàn)程序有問(wèn)題立即修改，修改后輸出刀位文件，重新再進(jìn)行仿真檢查，直到所有問(wèn)題解決。

　　（8）最好能進(jìn)行G 代碼程序仿真。

　　大型框的在線檢驗(yàn)技術(shù)

　　此類(lèi)大框焊后必須通過(guò)測(cè)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(zhǔn)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(xiàn)有測(cè)量機(jī)無(wú)法測(cè)量, 利用雷尼紹測(cè)頭在機(jī)床上進(jìn)行在線測(cè)量是一個(gè)很好的方案，測(cè)量后就可直接找正零件，并建立加工坐標(biāo)系，如圖3 所示。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　大型鈦合金整體框是先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的典型范例，是數(shù)控加工領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的難題之一，價(jià)格很貴，生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)1~3 個(gè)月，因而對(duì)加工中所涉及的機(jī)床、刀具、工裝、切削參數(shù)、編程方法、仿真技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、變形控制、切削效率等技術(shù)都提出了更高的要求，必須設(shè)計(jì)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に囈?guī)程才能保證大型鈦合金整體框數(shù)控加工的質(zhì)量。