當今航空工業迅速發展，對飛機性能的要求越來越高，高機動性、大載彈量、長續航、抗復雜工況是提升飛機戰斗能力的重要指標要求，這對飛機的重量、結構形式提出了更大挑戰。大型整體薄壁結構件成為飛機主要骨架的重要結構形式，是降低飛機結構重量、實現結構強度性能指標的有效方式。受限于鈦合金的鍛造和加工工藝，以往的大型鈦合金結構件多采用分段鍛造、分段加工、焊接再加工的方式實現，為了提升飛機的服役壽命，大型整體鍛造鈦合金需加以應用，但是由于其整體性所帶來的結構形式、加工工況均相當復雜，制造難度較大。

飛機 TA15 鈦合金大型整體大深寬比零件作為飛機機翼的重要零件，是區別于由多個零件加工 – 焊接 – 再加工的重大工藝改進，其整體成扁深開口盒子狀，結構剛性差、裝配孔位精度高、半封閉復雜結構多，加工工藝可達性極差，使其成為超難加工的飛機零部件。許多學者對薄壁結構零件的加工進行研究，主要分為 3 種方式：

第 1 種是控制變形和切削穩定性，提高形面精度。在薄壁零件的側銑加工中，過大的靜態變形通常會破壞輪廓公差。在刀具包絡面上壓印預測的刀具 / 工件變形來構造加工表面可以有效地減小薄壁零件銑削加工的表面誤差[1–3]。Wan 等[4] 提出了一種在工件上附加適當質量來提高顫振穩定性的有效方法，并通過薄壁零件的銑削驗證其有效性和可靠性。Wang 等[5] 通過優化切削順序來降低銑削變形提高加工質量，根據有限元仿真工件變形情況及時修正切削參數，以減少工件變形提升形面精度。第 2 種是進行刀具矢量及切削路徑規劃，提高加工效率和精度。刀軸矢量的大幅度變化不僅會導致較大的加工誤差，而且加工效率較低。基于運動學特征的五軸數控加工刀軸矢量規劃能夠保證旋轉軸的平滑運動，使復雜曲面的加工過程更加穩定可靠[6]。黃濤等[7] 對比分析了不同傾角加工的切削力和加工變形，對刀具路徑軌跡和刀軸傾角進行了優化，最后通過葉片加工進行了驗證。Zhou 等[8] 提出了基于最優刀具軌跡的銑削變形控制方法，提高了工件的銑削剛度，從而提升了加工效率。第 3 種是針對特定結構，優化裝夾方案。

合理的裝夾能夠控制加工變形與振動，有效提升薄壁零件的加工穩定性[9]。Xing 等[10] 采用一種效率更高的分步優化法，首先將基于工程經驗篩選后的所有可行裝夾節點按區域分組，通過初步優化獲得最優裝夾位置，可以顯著降低薄壁零件的定位誤差和加工變形。Zeng 等[11]則通過輔助支撐的技術提高加工精度，依次在最大振動位置處增加輔助支撐，逐步優化支撐數目和位置。另外還有采用智能夾具方式，結合傳感技術、信號識別處理算法和控制論，使智能夾具與機床的交互成為可能，但是目前主要應用于簡單零件，針對復雜薄壁結構件的智能夾具還未開展相關研究[12]。

上述研究在工藝方案優化、刀矢及切削路徑規劃和裝夾工藝設計等方面已經取得了一定的成果，但是在復雜零件的工程化加工應用方面還有待提升。本文針對復雜的、具有大量半封閉深腔的大型鈦合金整體鍛件，從工藝路線制定、裝夾方案、切削方案等多方面，系統性地給出了解決方案。

1、 工藝分析

鈦合金整體大型大深寬比零件構型復雜，如圖 1 所示。目前，需采用整體鍛造工藝 + 整體機加來實現，主要的工藝難點如下：

（1）零件整體呈大深寬比結構，工藝可達性差，主軸頭無法達到深腔內部，常規五軸聯動機床無法加工出設計所需尺寸；

（2）零件剛性較弱，最小壁厚 2.8mm，材料去除量約 89%，加工中易出現變形，尺寸和形狀精度不易保證；

（3）切削工藝性差，型腔深度 170mm，刀具懸深過大且磨損更加嚴重，銑削顫振極易發生；

（4）零件存在大量的閉角 + 曲面結構形式，加工效率低，且尺寸精度不易保證。

2、 工藝路線制定

對于復雜的鍛造鈦合金結構件，材料去除量通常較大，且由于鍛造工藝不穩定使得加工中易發生變形，因此，在制定總體的工藝路線時，就要綜合考慮設備、裝夾、工藝方法、工具、加工難點、不易控制因素以及加工效率和成本。

首先確定的總體路線是三軸機床 + 五軸機床混合的加工方式。主要原因有： （1）粗精加工機床分開，利用三軸機床結構簡單、剛性好的優勢，提高切削加工效率； （2）在工序轉移時，增加零件自然失效時間，讓零件充分變形，釋放殘余應力。具體的工藝路線如圖 2 所示，即三軸粗加工（粗銑上面→粗銑下面→粗銑深腔→粗銑耳片→粗銑二墻腹板槽）→五軸耳片精加工→五軸深腔精加工（銑深腔內壁上段→銑翼面→銑深腔內壁中段→銑翼面→銑深腔內壁下段→銑翼面）→去耳片工位工藝凸臺→去深腔工位工藝凸臺→鉗→檢驗。

3、 工藝方案設計

3.1 裝夾規劃

為了實現零件的高效裝夾，在飛機整體結構件的基礎上設計了典型工藝凸臺和輔助工藝凸臺，通過數控機床一次銑平，保證相互位置精度，其工藝凸臺分布情況如圖 3 所示。在零件上端采用等間距、對稱式工藝凸臺排布，共 10 處，在零件加工時起主要支撐和定位作用。

在切削過程中，零件剛度不斷發生變化，極易發生微小失穩，可能造成整體零件的尺寸差、部分側壁厚度減薄現象，導致無法滿足飛機的設計要求。為了更好地保證零件夾持穩定性，在零件下端近耳片位置對稱分布了10 個輔助工藝凸臺，起到了輔助支撐作用。

3.2 定夾角曲面高效銑削

傳統的曲面銑削方式為球頭刀或圓鼻銑刀的圓角切削刃行切，加工效率極低（圖 4（a））。針對翼面減重槽等曲率較小的曲面，提出了定夾角刀具底刃大步距曲面高效加工方法。根據翼面減重槽小曲率近平面的特性，在滿足刀具刀柄與其他曲面和夾具不干涉的情況下，采用圓鼻銑刀底刃切削，保持刀軸始終垂直于曲面，增大了切削步距，提高了加工效率（圖 4（b））；另外，依據減重槽待銑削面積的大小，采用不同直徑的刀具進行加工。

3.3 恒穩態深腔分段加工

深腔的不同位置剛度差異較大，且不同位置的加工方式及刀具軌跡是不同的，因此綜合考慮加工時間及加工精度，提出了恒穩態深腔分段加工方法，將深腔內壁的銑削分為 3 段加工，如圖 5 所示。在深腔剛度好的時候銑削上部，此時刀具加工的懸伸量較小，可以有效地減少薄壁零件加工中常遇到的顫振現象[13–14]，并且在此部分的加工中可以選擇高的進給速度和大的切削量，以提高加工效率；深腔中部的加工主要考慮人字形加強筋的加工，避免刀具和工件的干涉現象；深腔下部加工時刀具的懸伸量較大，刀具剛性弱，出現干涉的可能性增大，此時采用較小的切削用量和進給速度，用于保證尺寸精度。

3.4 拓角度減重精準加工

在整體翼盒內壁加工時，存在五軸聯動機床難以加工到的區域，為了實現零件的加工尺寸精度要求，選用拓角度加工方案，如圖 6 所示。即在五軸聯動機床上，增加一個角度頭裝置，拓展機床的擺角范圍。由于整體翼肋深度方向過大且寬度不夠，人字形加強筋的下部加工難度極大。通過數控加工程序多輪次模擬仿真，破解了機床主軸、擺角頭、刀柄、刀具與零件的干涉難題，動態調整擺角角度，實現了閉角無余量的精準加工。

4、結論

通過對大深寬比鈦合金整體結構件的高效加工研究，實現了該類零件的成功研制，得出如下結論。

（1）合理的工藝路線、裝夾方案對于保障大型鈦合金復雜結構零件的高效精準加工至關重要。提出了三軸 + 五軸混合加工總體技術方案，粗精加工階段分開，并保證零件時效工藝，綜合考慮了設備、裝夾、工藝方法、工具、零件特征，實現了零件高效加工。

（2）針對減重槽小曲率近平面特征，提出了定夾角刀具底刃大步距曲面高效加工方法，增加了刀具有效切削接觸面積，極大地提高了小曲率曲面的加工效率。

（3）針對深腔局部特征多樣化、結構剛性差異性大的問題，提出了恒穩態分層加工方案，劃分為上、中、下3 部分進行切削，依據刀具剛性，制定出不同的加工工藝參數，提高了零件的加工表面質量和效率。

（4）針對五軸聯動機床加工可達性不足的現象，提出了拓角度加工策略，開展機床主軸 – 擺角頭 – 刀柄刀具 – 零件的聯動仿真，動態調整擺角角度，實現了零件難加工區域的減重精準制造。

參 考 文 獻

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通訊作者：牟建偉，研究員級高級工程師，研究方向為飛機制造工藝。

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