隨著材料技術、制造技術的發(fā)展以及飛機性能和結(jié)構(gòu)的需要，在國內(nèi)外先進主力戰(zhàn)斗機的結(jié)構(gòu)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(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，因此越來越多地采用了整體結(jié)構(gòu)設計，其典型的代表就是整體框結(jié)構(gòu)，將以前需要數(shù)個框段通過機械連接而成的框改為一個整體結(jié)構(gòu)的大框，這樣可以大幅減少零件數(shù)量，增加強度，減輕結(jié)構(gòu)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(yōu)點，可降低飛機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù), 延長使用壽命, 是現(xiàn)代飛機承力構(gòu)件中最有應用前景的材料之一，發(fā)達國家軍機結(jié)構(gòu)件中鈦合金用量不斷增加，美國F-22 鈦合金用量已達39%，F(xiàn)-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(yōu)勢使得新型戰(zhàn)機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)達國家設備精良，工藝技術先進，并針對飛機大型整體結(jié)構(gòu)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(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)達國家，這已成為制約整個飛機研制和生產(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(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(shù)控加工來保證，這種方式的弊端就是造成焊后數(shù)控加工只能在一臺機床上進行，加工周期長，質(zhì)量風險大。
大型整體鈦合金框的結(jié)構(gòu)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(shù)十個槽腔結(jié)構(gòu)，腹板較薄，有復雜的加強筋。框的兩側(cè)通常具有與機翼連接的耳片結(jié)構(gòu)。框中間通常有2 個較大圓形開口，其邊緣為變斜角，符合發(fā)動機的外形。此類框還具有飛機結(jié)構(gòu)件輕質(zhì)、薄壁、深槽、變斜角外形、高精度等通用特點。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(jié)構(gòu)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(shù)控機床加工，數(shù)控加工難度和強度均很大。
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，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(cè)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(guī)格尺寸刀具為主，采用機夾式帶涂層可轉(zhuǎn)位刀具，以大切深、寬切削、快進給，實現(xiàn)高效切削。經(jīng)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(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)程設計需要采取以下工藝措施：
（1）焊接式整體框數(shù)控加工之前要對零件焊后變形進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)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(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、高強度、減小摩擦系數(shù)、提高溫度和化學穩(wěn)定性的涂層。加工過程中應嚴格監(jiān)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(xù)供給。
（8）粗加工側(cè)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(zhí)行工藝規(guī)程中規(guī)定的每個程序的切削參數(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(shù)控編程與模擬仿真技術
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、余量設置、加工軸數(shù)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(guī)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(cè)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(fā)現(xiàn)，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(shù)控程序的模擬仿真驗證
大型整體框的數(shù)控加工程序通常可達數(shù)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(shù)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(huán)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(diào)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(nèi)。
（6）利用仿真軟件生成的檢查報告，認真檢查每一個產(chǎn)生誤差的程序段。
（7）發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(jié)束語
大型鈦合金整體框是先進戰(zhàn)斗機大型復雜結(jié)構(gòu)零件的典型范例，是數(shù)控加工領域內(nèi)公認的難題之一，價格很貴，生產(chǎn)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(shù)、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?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。
