随着现代飞机高速、高机动性能要求的不断提高，飞机上越来越多地采用整体结构件，如飞机的大梁、隔框、壁板等普遍采用了整体化结构设计。整体结构件在现代飞机、航天器上的应用是制造技术的一大进步。

　　整体结构件具有重量轻，在刚度、抗疲劳强度以及各种失稳临界值等方面均比铆接结构胜出一筹的显着优点。然而，在整体结构件的数控加工过程中，常因毛坯的初始应力、结构的不对称性及加工工艺的不尽完善等因素的影响导致工件产生弯曲、扭曲以及弯扭组合等加工变形，对于薄壁结构还会产生失稳现象，严重影响了航空整体结构零件的生产效率和最终产品精度。同时，随着材料科学和加工技术的发展，许多高强度轻质合金材料如钛合金、镍基合金、新型高强度钢等在航空整体结构零件中得到广泛应用。但是，由于这些新型材料特殊的物理力学性能，使其成为典型的难加工材料，严重制约着加工效率和产品质量的提高，对加工制造技术提出了更高的要求。航空整体结构零件的加工精度和加工效率是制约现有先进机型批量化生产和新机型研发进度的瓶颈，这一工艺难题更是大飞机研制必须重点突破的制造工艺难题。本文以航空整体结构零件为研究对象，在分析航空整体结构件加工各工艺环节如刀具、机床、装夹和校正等工艺环节发展现状和存在问题的基础上，提出相应的解决策略，为实现航空整体结构零件高效高精度加工提出可行的技术方法，以起到抛砖引玉的作用。

　　一、航空整体结构件高效高精密切削加工刀具

　　航空整体结构件加工普遍采用数控加工技术，数控加工所依赖的关键技术之一就是数控刀具技术。数控刀具的性能和质量直接影响到数控机床生产效率的高低和加工质量的好坏。目前，我国航空制造业中的高档数控刀具几乎全部依赖进口。国外用于铝合金加工的30 000r/min以上设备开始应用于实际生产；随着新战机的开发，对不断涌现的难加工材料（钛合金、镍基合金、新型高强度钢、复合材料等）提出了越来越高的要求。开发我国航空整体结构件高效、高精密切削刀具不仅可以大大降低我国航空制造业的制造成本，提高加工质量，而且可以从根本上提升我国航空航天工业的数控加工水平。

　　加工效率的提高主要来源于新型刀具材料的开发与应用。到目前为止，已经开发了许多新型高效刀具材料，主要包括：粉末冶金高速钢（PM HSS）、硬质合金（特别是超细颗粒硬质合金）、金属陶瓷、立方氮化硼（CBN）和聚晶立方氮化硼（PCBN）、聚晶金刚石（PCD）和单晶金刚石。再加上复合涂层技术（物理涂层PVD和化学涂层CVD），使现代刀具材料的综合性能得到了提高，促进了航空整体结构件加工效率和加工质量的提高。下面介绍几种材料的刀具。

　　1. 高速钢刀具

　　粉末冶金高速钢是高速钢制造技术的突破，拓展了普通高速钢的应用范围，其最大优点是解决了碳化物偏析问题，大大提高了钢材的强度与韧性，无需再进行锻造加工来改善组织；另外，合金元素含量可以提高，使材料具有良好的耐磨性。尽管目前硬质合金取代高速钢成为刀具材料的主流，但高速钢的高强度和刃口的锋利性是硬质合金无法比拟的，再加上涂层技术使高速钢在复杂形状的精密刀具中仍占据这不可替代的地位，即使在一些航空难加工材料如钛合金，AF1410新型超强度钢的加工中高速钢刀具也发挥着独特作用。

　　2. 硬质合金刀具

　　20世纪40年代，以碳化钨为主要材料的用粉末冶金工艺制成的硬质合金出现后，刀具材料出现了一次大的飞跃，切削速度提高了至少三倍以上，耐热性（以前称为红硬性）从600℃提高到900℃以上。在我国，由于通用机床仍占有主要地位，目前硬质合金刀具的使用还没有达到国外的水平，但是随着数控机床的推广，其发展速度也明显提高，在航空制造业的带动下，国内一些知名刀具厂家开发的数控刀具（如厦门金鹭特种合金公司）已接近或到达国外同类产品的水平。

　　超细晶粒硬质合金通常是指WC平均粒度介于0.2～0.5μm的硬质合金。由于组织微细、WC与粘结相的结合强度大，使该合金同时兼有高韧性、高强度、高硬度而被誉为“三高合金”。

　　随着超细晶粒硬质合金性能的提高，其应用范围在不断扩大，超细晶粒整体硬质合金刀具在航空铝合金、钛合金的高速加工中发挥重要作用。

　　3. 超硬刀具

　　金刚石和立方氮化硼属于典型的超硬刀具材料，金刚石具有极高的硬度（可达10 000 HV）、极好的导热性、好的化学稳定性（除与Fe等反应外）和低的线膨胀系数；立方氮化硼也有很高的硬度，仅次于金刚石，耐热性非常好，耐热温度可以达到1400～1500℃，而且具有比金刚石更好的化学稳定性。这些特性使得它们成为高速切削钛合金理想的刀具材料。国外已綷-开始了使用金刚石和立方氮化硼刀具高速切削钛合金的研究和应用。随着各种新型难加工材料应用的增多，必然将促进超硬刀具材料进一步的发展与应用。

　　4. 涂层刀具

　　刀具表面涂层是解决刀具性能两个关键指标—强度和韧性这一对矛盾的有效途径。在先进制造业中，硬质合金刀具及高性能高速钢刀具，80%以上都采用了表面涂层技术，CNC机床上所用的刀具90%以上是涂层刀具。为了更好地解决难加工材料加工问题，材料科学家开发了许多新的涂层牌号，包括添加Si到TiN中形成的TiSiN涂层，或在A1TiN涂层中增加Al含量，或用Cr代替Ti开发出A1CrN涂层，以及具有更高硬度、韧性和抗高温氧化性能的纳米结构涂层等。航空难加工材料的发展，促使涂层技术及其工程应用的发展，如新型钛合金材料Ti5553（Ti-5Al-5Mo-3Cr），属于β型钛合金，与常用的航空用钛合金Ti-6Al-4V相比，具有更好的淬硬性和抗疲劳强度，更适合制造关键零件，但比传统的钛合金更难加工，加工Ti5553的刀具寿命不及Ti-6Al-4V的1/5，美国Niagara刀具公司与航空公司合作，综合利用涂层技术、新型刀具结构及工艺参数优化成功解决这一难加工材料的加工问题。

　　刀具结构参数优化。刀具结构的创新是提高刀具切削性能的重要途径。通过采用先进的CAD/CAE/CAM等技术，针对加工对象的结构和材料特性，涌现出了越来越多的先进的刀具结构，如多功能面铣刀、模块式立铣刀、大进给铣刀等；与此同时，出现了各种新型可转位刀片结构，如多功能、多盘的机夹梅花刀，形状复杂的带前角铣刀刀片等。通过采用先进的刀具结构，可以更好地发挥刀具材料和刀具涂层的功用，提高刀具的整体切削性能。

　　航空整体结构件大都采用铣削加工，刀具材料、涂层、刀具结构是提高切削性能的关键因素，而结构形状影响着加工精度和切削稳定性。在进行刀具结构设计时必须加强刃口微观结构设计研究，包括减振韧带、刀具钝化等。刀具钝化可显着提高刀具的切削性能和使用寿命，国外学者对刀具钝化技术给予高度重视，Yung-Chang Yen等人采用有限元仿真方法研究了刀具刃口半径对于切削加工的影响，包括对切削力、切削温度等因素的影响，K.D.Bouzaki等人采用有限元仿真和试验相结合的方法分析了刀具刃口钝化半径对于涂层刀具寿命的影响；N. Fang等人分析了刀具刃口钝化对于铝合金加工的影响，J. Rech等人分析了刀具刃口半径对于高速钢铣刀片抗磨损性能的影响。国内对刀具刃口处理研究较晚，国内的桂育鹏研发了小型可转位刀片钝化机，用于刀片刃口钝化，山东大学进行了钝化刀具和非钝化刀具铣削钛合金的实验研究。在航空材料加工中，无论是铝合金还是钛合金等难加工材料的加工，刀具刃口部分的结构设计与优化是影响加工效率和刀具寿命的关键因素之一。