為滿足隱身、長壽命以及結構輕量化等方面的性能要求，鈦合金結構件在現代飛機設計中被大量應用（如圖1所示）。鈦合金飛機結構件主要包括框、梁、壁板等，主要有輪廓尺寸大、槽腔多、槽腔深、壁薄且通常具有變斜角理論曲面等結構特點，數控加工時材料去除率高達90%~95%，薄壁、深槽腔特征占80%以上，為典型的弱剛性結構，加工狀態極不穩定。由于鈦合金材料本身彈性模量低、彈性變形大、切削溫度高、導熱系數低、高溫時化學活性高，使得切削粘刀現象嚴重，容易加劇刀具磨損甚至破損，導致鈦合金切削加工性較差。

在鈦合金飛機整體框、梁及大型壁板制造過程中，由于零件結構形狀復雜，外形協調性要求高，零件裝配協調面、交點孔等數目多，零件制造精度要求高，加工過程中金屬去除量大、相對剛度較低、加工工藝性差，在切削力、切削振動、切削熱等多種因素的影響下，導致在加工中容易出現讓刀、變形、振動等問題，加工質量很難控制。而鈦合金本身作為一種典型的難加工材料，對機床、刀具、加工工藝等要求極高。因此，上述諸多因素導致傳統的鈦合金航空結構件加工只能在低切削用量水平上進行，生產周期長，加工成本較高，鈦合金航空結構件的加工已成為航空制造業中復雜的制造工藝難題。

關鍵技術及其發展趨勢

1鈦合金零件工裝裝夾技術

鈦合金零件裝夾原則是：（1）粗加工階段夾緊力要大，防止在大切削力加工過程中零件松動；精加工階段夾緊力要小，防止裝夾變形。（2）夾緊力作用在剛性好的地方，且施力點盡可能多。（3）對于剛性較差的薄壁結構零件應增加適當的輔助裝置，增加整個加工工藝系統的剛性[1]。

國外大量采用了自動化程度較高的專用夾具，如采用液壓可調整工裝，在加工零件外輪廓中當切削刀具接近壓緊點時壓板自動讓開，刀具切削后壓板立即返回原位壓緊零件。還有一些公司采用與被加工零件相同的材料制造夾具、壓板，裝夾時與零件形成一體，切削過程中不必考慮避讓夾具壓板，加工效率明顯提高[2]。

國內對鈦合金航空結構件數控加工中的工裝夾具缺少較為深入的研究和開發，更多的是采用簡單機械裝夾方式。簡單機械裝夾方式受人為因素影響，夾緊力不容易控制。還有一些平面型單面結構、厚度較小結構件的夾緊采用真空吸附方式，而真空吸附方式對于厚度較大、雙面結構的結構件吸附效果較差[2]。

對于剛性較低的工件，夾緊力是引起零件變形的一個重要因素。在加工中，夾緊力與切削力間的波動效應產生耦合作用，引起加工殘余應力和工件內部殘余應力的重新分布，影響工件的變形。特別是薄壁零件剛性差，加工時夾、壓的彈性變形將影響表面的尺寸精度和形狀、位置精度。因夾緊力與支承力的作用點選擇不當，也會引起附加應力[2]。對于此類零件的數控加工，在裝夾方面可采用基于加工過渡外形的柔性裝夾方法，即通過測量自由狀態下的過渡外形并調節凸臺高度和頂部斜率，使得裝夾系統的柔性凸臺外形與零件過渡外形在自由狀態下完全貼合，避免裝夾變形。柔性凸臺的分布可根據實際情況進行調整，使得裝夾力分布均勻（如圖2所示）。

中航工業成飛與清華大學合作，針對柔性工裝以及柔性支撐部件的設計制造進行了探索。但是，柔性工裝的制造成本和制造周期較長，在實際大型鈦合金結構件加工裝夾中，通常通過采用無應力裝夾方式，即在剛性凸臺上加墊片來避免裝夾變形，取得了較好的應用效果。

鈦合金結構件裝夾布局優化等方面的許多理論和實際應用問題有待進一步研究和解決，未來主要的研究和發展趨勢包括以下兩個方面：一是合理裝夾方案的設計，通過合理的裝夾方案設計有效地增加工藝系統的剛度，減少工件的變形，提高切削加工的穩定性；二是新的輔助支承裝夾方式的研究，對于薄壁復雜結構鈦合金零件而言，傳統采用輔助支承以增加結構剛性的工藝手段，難以滿足高精度的加工要求，且操作復雜、效率低，需突破一些新的輔助支承裝夾方法。

2鈦合金加工刀具技術

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隨著高速切削技術的發展，高速切削刀具材料和刀具制造技術都發生了巨大的變化，新材料、新涂層、新技術不斷涌現。然而，目前刀具技術仍是限制鈦合金等難加工材料加工效率提高的一個技術瓶頸。由于鈦合金彈性模量低、彈性變形大、切削溫度高、導熱系數低、高溫時化學活性高，使得切削粘刀現象嚴重，容易加劇刀具磨損甚至破損，導致鈦合金切削加工性較差。因此鈦合金加工刀具技術成為制約鈦合金高效加工的關鍵技術之一。

從提高金屬去除率的角度出發，目前鈦合金航空結構件高效粗加工刀具主要有玉米銑刀、插銑刀、大進給銑刀以及組合刀具等（如圖3所示）。其中，采用玉米、插銑刀以及組合刀具等對機床功率和扭矩有一定的要求，而大進給銑刀對機床功率和扭矩以及剛性無特殊要求。已有加工應用表明，采用大進給銑刀，切削效率可有效提高50%以上。

從控制零件的加工精度出發，鈦合金航空結構件高效精加工刀具主要為整體螺旋立銑刀，如圖4所示。采用密齒刀具（5~10齒）可以顯著改善加工表面粗糙度，而采用不等齒距立銑刀，可有效提升極限切深。

隨著新型刀具材料的出現和新型刀具的不斷發展，國內外針對鈦合金切削加工刀具方面，做了大量的研究工作。如T. Kitagawa等對硬質合金刀具加工鈦合金切削機理進行了研究，表明硬質合金刀具的晶粒大小以及Co元素含量的高低直接影響其切削鈦合金時的性能，并指出YG類硬質合金刀具更適合加工鈦合金[3]。J. Vigneau研究了涂層刀具切削鈦合金的切削性能，傳統的涂層多為TiC和TiCN涂層，在切削過程中Ti元素易與工件發生親和而加快刀具磨損速度[4]。CBN由于具有硬度高，耐熱性好而且有很高的穩定性，是高速切削鈦合金的良好刀具，這種刀具價格比較昂貴，國內有關機構還沒有進行深入的研究[5]。在刀具結構設計方面，G. D. Vasilyuk通過增大刀尖圓弧半徑來增加切削阻尼，從而消除顫振[6]；C.R.LIU在切削過程中通過在線控制刀具前角、后角、刃傾角來抑制顫振[7]；德國學者V. Sellmeiert對不等齒距立銑刀穩定性進行實驗和理論研究[8]等。

國內針對鈦合金切削加工刀具也進行了大量研究。在多項******基礎科研項目的支持下，成飛公司數控廠與多家國內高校合作，在鈦合金高速、高效切削刀具方面，研究了刀具與工件的組成成份之間的元素擴散、化學反應以及相互粘結和熔解，并建立了切削刀具與鈦合金材料力學、物理和化學性能的合理匹配關系模型和匹配設計理論；研究了高速切削條件下的刀具磨損與破損機理，以及不同冷卻方式對鈦合金加工切削性能及刀具壽命的影響，建立了鈦合金高速加工刀具壽命模型；基于刀具和工件剛度匹配關系的多自由度非線性動力學模型，以無顫振穩定切削下的高材料切除率和高加工表面質量為優化目標，建立刀具剛度與工件剛度的匹配關系模型[9]；通過對硬質合金立銑刀螺旋角及齒間角對高速加工振動的影響研究，發現采用非對稱結構的變齒間角及變槽深結構，可有效提高鈦合金切削穩定性，并自主設計了適合鈦合金高效加工的整體硬質合金刀具[10-13]。

綜合成飛公司數控廠在鈦合金高速、高效加工方面的技術積累與經驗總結，實現鈦合金高速、高效與高精度加工所需突破的關鍵技術包括以下幾個方面：鈦合金高速切削加工刀具，減小敏感方向切削力，保證切削加工過程中刀具足夠的剛度，滿足抑制切削顫振要求；鈦合金刀具材料、結構需降低鈦合金高速加工過程中的粘結、擴散磨損，提高刀具壽命；鈦合金高速加工刀具冷卻需充分，降低切削溫度以提高刀具壽命。

總之，鈦合金等難加工材料的高速、高效與高精度切削加工對刀具材料與結構提出了特殊的要求，發展新型刀具關系著切削生產率的進一步提高。發展新型鈦合金高速、高效切削刀具，在材料方面***主要的性能要求應是具有更高的強度、硬度、化學穩定性、耐熱性、耐磨性以及抗涂層破裂性能等；在結構設計方面應增強刀具的減振、抗振性能，通過刀具結構的優化與改進能保證更充分的冷卻，降低切削加工時的溫度，提高切削速度和刀具壽命。

3加工表面質量控制技術

鈦合金零件表面質量的優劣關系到其使用壽命和性能，是高速高效切削的重點關注領域。飛機零件由于設計結構的要求，常需要多種刀具進行切削加工，刀具之間的接痕使得零件加工表面質量不穩定，同時由于對切削參數缺少系統的研究也對零件表面加工質量產生較大影響。針對表面粗糙度、硬度和殘余應力的研究是表面質量研究的重要內容。

表面粗糙度研究方面：在切削過程中，不僅刀具工件相對運動、刀具幾何參數對粗糙度具有影響，振動、刀具磨損、切削變形、切削熱等因素也不可忽視。H. Parisn[14]考慮加工系統的動力學特點，建立了高速銑削表面粗糙度的預測模型。山東大學陳建嶺[15]等通過試驗研究了銑削參數對粗糙度、表層微觀組織的影響。綜合工件與刀具相對運動的幾何特征，建立了鈦合金銑削加工表面粗糙度的理論模型，揭示了其形成機理。

加工硬化研究方面：在切削加工中，由于材料塑性變形強化和熱軟化的綜合作用，使已加工表面產生加工硬化現象。加工硬化對材料疲勞強度和耐磨性具有影響。20世紀50年代，Oxley[16]等學者就開始了加工硬化研究，在直角切削模型中考慮了加工影響現象。C. R. Li[17]應用有限元方法研究了低速加工工件表層硬度分布，建立了以剪切面長度為已加工表面變形參數的模型。

殘余應力研究方面：切削加工引起的殘余應力對零部件變形、應力腐蝕和疲勞壽命具有重要影響。N. Fang[18]等研究了刀具幾何形狀對殘余應力的影響。日本學者米谷茂[19]對車削加工工件已加工表面殘余應力產生機理進行了研究。國內華南理工大學[20]在20世紀80~90年代較早地開始了切削加工殘余應力產生機理的理論和試驗研究。

此外，山東大學孫杰[21]建立了基于刀具和工件剛度匹配關系的多自由度非線性動力學模型，通過模態試驗等手段分析了不同條件下刀具和工件的剛度狀況，以及不同剛度條件下刀具和工件各自對銑削穩定性的影響，并繪制了銑削穩定性極限圖。基于多自由度動力學模型，分析了刀具和工件模態耦合對銑削穩定性的影響，獲得了典型鈦合金薄壁件高速切削過程不同切削加工工藝、不同工件剩余壁厚等多變量對切削穩定性的影響，以無顫振穩定切削下的高材料切除率和高加工表面質量為優化目標，建立刀具剛度與工件剛度的匹配關系模型。

總之，鈦合金結構件表面質量控制技術涉及機床、刀具、切削參數、走刀路徑、冷卻潤滑以及裝夾等諸多方面。目前，成飛在進行鈦合金結構件表面質量控制技術研究方面，主要通過采用高性能整體硬質合金刀具、控制精加工切削余量、采用物理仿真手段優化減小切削力等方法，以保證零件的表面粗糙度、加工硬化以及殘余應力等滿足設計要求。但是，針對鈦合金尤其是Ti6Al4V高速銑削切削加工的表面完整性研究，如在粗糙度、加工硬化和殘余應力的形成機理以及它們之間內在聯系方面，還需要深入研究。

4薄壁件加工及讓刀控制

弱剛性零件加工是復雜的制造工藝難題，而鈦合金弱剛性零件除了鈦合金材料本身所具有的難加工特性外，其薄壁的結構特點給加工帶來了更大困難，主要表現在：（1）加工尺寸精度難以控制。大量薄壁件的使用，特別是大尺寸薄壁件具有壁薄、腔深的特點，易產生加工變形，零件的尺寸精度難于保證；（2）表面質量難以保證。深腔薄壁的結構特點及鈦合金自身材料特點導致鈦合金整體結構件加工過程中極易產生振顫，使表面質量惡化；（3）加工效率難以提高。工件剛性弱，易產生顫振等特點導致傳統的鈦合金整體結構件加工只能在低切削用量水平上進行，生產周期長，成本高。

薄壁件加工過程中，由于切削力的作用，刀具和工件均會產生一定的彈性變形。CAD/CAM系統在規劃刀具軌跡和選取工藝參數時，基于零件的理想幾何形狀，不考慮諸如工件、刀具變形等因素，導致實際加工表面與理論值存在偏差。因此加工讓刀是薄壁類零件的加工中***為突出的工藝問題，國內外科研機構及有關企業均投入大量精力對薄壁件的讓刀進行預測與控制。

國外的研究主要集中在，以三維銑削力建模為基礎進行讓刀量的分析與預測，其中開展研究較早、影響較為廣泛的是Yusuf Altintas[22]，他在建立銑削三維切削力模型的基礎上，借助有限元分析計算方法，研究了整體銑刀加工薄壁件所產生的讓刀及其在工件表面的分布。法國的Plilippe Depince[23]利用刀具與工件的接觸點關系，對刀具在加工過程中所表現出的彈性變形特征對工件表面幾何加工精度的影響進行了研究，發現借助接觸點分析獲得的讓刀量比傳統的只考慮刀具讓刀所產生的讓刀量更符合實際情況。

國內近年來在薄壁件切削力建模、切削過程穩定性、工件表面幾何精度預測與控制、刀具彈性變形等方面，均開展了較為深入的研究。其中，中航工業成都飛機工業（集團）有限責任公司通過整合機床、工裝、刀具及加工工藝成為高性能的切削工藝系統，使鈦合金薄壁件的加工效率在近5年內提高了20%，是國內極少數具有大尺寸鈦合金薄壁類結構件生產能力的航空企業之一。由******863鈦合金薄壁類零件高速切削技術及應用項目資助，成飛公司與山東大學合作建立了基于石蠟基復合材料輔助加固鈦合金薄壁件高效加工的系統工藝方法，形成了包括石蠟基復合材料配方、石蠟基復合材料融化、填加、回收等在內的整套工藝，開發研制的新型鈦合金薄壁件石蠟輔助加固裝置，已申請******發明專利，能有效解決鈦合金結構件加工難題，實現加工成型，減小鈦合金薄壁件切削加工過程中的振動。試驗數據表明：采用石蠟基復合材料輔助加固鈦合金薄壁件加工振動加速度比不采取加固措施條件下的振動加速度減小86.4%，腹板讓刀變形減小58.6%，有效提高了超小尺寸薄壁結構的加工能力。

盡管國內外均針對薄壁件銑削加工的切削力、穩定性及讓刀等方面展開了較為深入的研究，但基于單因素的研究成果往往受到其它因素的制約而不能在工程應用上發揮其效能。缺乏綜合考慮工藝系統、加工參數、加工刀具、工裝夾具的鈦合金薄壁件高效加工系統理論來指導企業工程實際應用。因此，綜合考慮加工工藝系統的鈦合金薄壁件高效加工技術將是今后的主要研究方向。

5變形控制技術研究與應用

航空結構件加工變形可分為兩大類：結構局部變形和外形輪廓整體變形。結構局部變形主要出現在切削加工過程中，通常表現為讓刀、局部彎曲等，其尺度局限在刀具與工件的接觸區域附近。整體輪廓變形主要表現為切削加工完成后（如卸除工裝夾具后）的整體彎曲、扭曲以及零件放置過程中的伸長和縮短等，其變形量與結構件外形輪廓尺寸成正比。大尺寸整體結構件加工后往往表現為外形輪廓的整體變形，主要由材料大量去除后內應力再平衡分布引起，溫度變化導致的熱脹冷縮和放置過程中的自然時效也是引起整體輪廓變形的重要因素。

在美國、西歐和日本，對鈦合金結構件的加工變形控制已積累一定的經驗。法國巴黎航空工業學院與******宇航局針對飛行器整體結構件設計與制造問題，聯合建立了專門的強度實驗室，深入研究加工變形的工藝控制和安全校正等問題。日本的巖部洋育等針對切削力引起的薄壁零件的讓刀變形，提出平行雙主軸加工方案[24]。Nervi Sebastian建立了毛坯初始殘余應力引起加工變形的數學預測模型，指出零件的***終變形情況與毛坯初始應力的分布狀態，零件在毛坯中的位置和形狀密切相關[25]。

國內有關航空整體結構件的加工變形預測及控制方面的研究主要集中在南京航空航天大學、北京航空航天大學、西北工業大學、浙江大學和山東大學等院校。南京航空航天大學武凱、何寧等采用數值模擬技術研究了框體結構零件的腹板、側壁加工變形規律及其變形控制方案，提出了大切深法和分布環切法充分利用薄壁件自身剛性以減小加工變形，提高加工精度[26]。并且考慮到內應力的釋放導致變形，通過應力檢測系統實時監測加工過程中內應力的變化，據此制定優化的工藝路徑控制工件變形[27]。山東大學路冬等建立了基于系統剛度變化的工件變形控制模型，采用遺傳算法與有限元方法相結合的優化方法優化夾緊點數目及位置來控制加工過程中工件變形[28]。對加工后仍然存在變形的零件采用變形校正工藝。山東大學孫杰通過仿真和試驗手段系統地研究了航空結構件安全校正理論，提出了復雜變形的校正方法，通過機械方法對已變形零件進行校正[29]。

鑒于鈦合金整體結構件變形問題的復雜性，后續研究有以下問題需要注意：

（1）鈦合金航空整體結構件的變形是多因素綜合作用的結果，包括毛坯初始殘余應力、工件結構特點、材料特性、工藝過程等，對不同結構零件應進行系統分析，找出導致加工變形的關鍵因素，有針對性地采取控制措施。

（2）大多數薄壁件變形的研究都是在有限元的基礎上，得到了薄壁結構件加工變形的一些規律，從而提出相應的變形控制工藝措施，缺少系統的理論依據，并且在分析過程中往往只考慮引起變形的單因素，具有一定的片面性。

6冷卻潤滑技術研究與應用

在鈦合金結構件數控加工過程中，刀/工摩擦接觸區的高溫、高壓、高頻沖擊等對刀具性能提出了嚴峻考驗，刀具的急劇磨損往往是制約切削效率提高的關鍵因素。面對現代制造技術在高效、低能耗、環保等方面的高要求，如何選用合理有效的冷卻潤滑方式，以改善刀/工摩擦狀態和抑制刀具磨損，從而提高加工質量和加工效率，同時加工過程環境友好，是鈦合金航空結構件數控加工冷卻潤滑方式優化選擇時必須考慮的重要技術要素。

解決鈦合金材料的切削問題需要采用耐高溫的高性能刀具，并對切削過程中的刀具進行有效冷卻潤滑。在鈦合金常規速度切削加工中，一般采用濕式切削，如圖5所示，以達到降低切削區溫度，進而達到延長刀具使用壽命的目的。但切削液的制造、使用、處理及排放要消耗大量的能源和資源，且對環境造成污染。若采用乳化液等高速濕式切削鈦合金，由于熱疲勞破損等反而使刀具壽命極低。目前，在鈦合金高速加工中，主要采用常溫或低溫條件下的風冷和微量潤滑等冷卻潤滑方式，氣體介質主要有空氣、N2、CO2等。此外，采用液氮冷卻高速加工鈦合金，亦可有效延長刀具壽命，但對刀具冷卻裝置要求較高，不易推廣應用。

針對鈦合金等難加工材料冷卻潤滑方式的研究，國內外諸多刀具生產廠家和高等院校均開展了大量的試驗研究工作。在德國，特別是諸如達姆施塔特工業大學、亞琛工業大學、布倫瑞克工業大學以及多特蒙德工業大學等院校，在鈦合金切削機理、有限元模型分析、仿真、切削試驗和采用不同冷卻方式等方面均開展了一系列研究，其中，亞琛工業大學的機床實驗室（WZL）還與伊斯卡（Iscar）、肯納金屬（Kennametal）、山高刀具（Seco Tools）和山特維克（Sandvik）等刀具廠，密切合作開展了包括高壓冷卻等技術的研究。從Iscar公司提供的資料可以了解到在不同冷卻潤滑壓力下車削鈦合金時切屑成形的情況。在采用2MPa的壓力進行大流量外冷卻時，產生成長條纏繞形的切屑；當采用8MPa壓力的內冷卻時，切屑在高壓沖擊下被折斷成小的弧形切屑；如果采用30MPa超高壓進行內冷卻，這時就變成了針狀形切屑。從上述實例不難看出，通過高壓冷卻可以控制切屑的成形，提高切削過程的可靠性，并提高切削用量[30]。

我國近年來在鈦合金冷卻潤滑領域的理論研究以及應用上取得了長足進步。已有研究表明，在鈦合金高速切削過程中，采用普通切削液會加劇鈦合金材料在刀具表面粘結層的剝落頻率，加重刀具涂層的粘結剝離，因而普通切削液有加重復合涂層刀具磨損的趨勢[31-32]，而傳統切削液在鈦合金加工過程中，還會造成銑削刀具空行程驟冷，從而加劇刀具熱應力梯度，在刀具表面形成熱裂紋加劇刀具磨損破損，故而在使用金剛石刀具切削鈦合金零件時，可使用一種新型的以二氧化碳、水及植物油霧化后的霧狀混合物作為冷卻介質的加工技術，達到冷卻、潤滑及保護金剛石刀具的目的[33]。此外，采用低溫氮氣射流結合微量潤滑高速銑削鈦合金時能夠較為有效地降低銑削力、抑制刀具磨損，在低溫氮氣射流條件下，只要熱裂紋的形成與擴展未引起刀具的崩刃及刀面的剝落，進一步降低低溫氮氣的溫度將提高刀具的使用壽命[34]。

近年來，微量潤滑切削以其良好的冷卻、潤滑、排屑以及低污染等綜合性能而受到了工業界的普遍關注，是高速、高性能切削加工采用的主要冷卻潤滑方式之一。目前，國內工業企業和科研院所已采購了大量的可配備微量潤滑功能的高速切削機床，微量潤滑或低溫微量潤滑切削隨著現代高速切削機床的普遍使用而得到了一定程度的推廣應用。成飛公司的數據統計表明，相對于濕式切削，采用低溫微量潤滑高速切削鈦合金等難加工材料，刀具壽命提高30%以上。

目前，國內鈦合金高效切削專用冷卻介質的研究與應用還與國外存在較大差距，在生產中大規模應用的國產冷卻介質相對缺乏。在航空制造企業，鈦合金冷卻潤滑介質主要采用進口產品（如辛辛那提米拉克龍、嘉實多等），不僅增加了生產成本，而且對我國航空制造企業生產的穩定發展存在一定的隱患，急需在鈦合金高效切削專用冷卻潤滑介質領域進行深入系統的研究，充分利用高效、低污染、可持續發展的新型冷卻潤滑介質，加強產學研合作及科研成果的轉化，爭取早日實現優質冷卻潤滑介質的國產化。此外，切削加工現場環境質量安全與切削介質的環境污染問題一直是困擾機械制造業的難題之一。如何在推廣應用高性能冷卻潤滑技術的同時，有效監測和控制切削現場的空氣質量，使其對人體健康的影響降低至安全可靠的標準之下，同時又能有效地提高金屬切削加工質量與切削加工效率，則是我國工業界和機械制造技術領域所必須重點關注的問題。

結束語

我國航空制造企業近年來通過加強產學研合作，以及引進吸收國外******制造技術，對鈦合金結構件的加工工藝方法進行了系統研究，大幅度提高了鈦合金航空結構件的加工效率與加工質量。但我國大型飛機鈦合金結構件的數控加工仍處于起步階段，加工效率及質量都還明顯落后于發達******，已成為制約整個飛機研制和生產的瓶頸之一，急需通過更為深入的產學研合作提高科研水平與生產效率，加大科研成果轉化為實際生產力的力度。