为满足隐身、长寿命以及结构轻量化等方面的性能要求，钛合金结构件在现代飞机设计中被大量应用（如图1所示）。钛合金飞机结构件主要包括框、梁、壁板等，主要有轮廓尺寸大、槽腔多、槽腔深、壁薄且通常具有变斜角理论曲面等结构特点，数控加工时材料去除率高达90%~95%，薄壁、深槽腔特征占80%以上，为典型的弱刚性结构，加工状态极不稳定。由于钛合金材料本身弹性模量低、弹性变形大、切削温度高、导热系数低、高温时化学活性高，使得切削粘刀现象严重，容易加剧刀具磨损甚至破损，导致钛合金切削加工性较差。
在钛合金飞机整体框、梁及大型壁板制造过程中，由于零件结构形状复杂，外形协调性要求高，零件装配协调面、交点孔等数目多，零件制造精度要求高，加工过程中金属去除量大、相对刚度较低、加工工艺性差，在切削力、切削振动、切削热等多种因素的影响下，导致在加工中容易出现让刀、变形、振动等问题，加工质量很难控制。而钛合金本身作为一种典型的难加工材料，对机床、刀具、加工工艺等要求极高。因此，上述诸多因素导致传统的钛合金航空结构件加工只能在低切削用量水平上进行，生产周期长，加工成本较高，钛合金航空结构件的加工已成为航空制造业中复杂的制造工艺难题。
关键技术及其发展趋势
1 钛合金零件工装装夹技术
钛合金零件装夹原则是：（1）粗加工阶段夹紧力要大，防止在大切削力加工过程中零件松动；精加工阶段夹紧力要小，防止装夹变形。（2）夹紧力作用在刚性好的地方，且施力点尽可能多。（3）对于刚性较差的薄壁结构零件应增加适当的辅助装置，增加整个加工工艺系统的刚性[1]。
国外大量采用了自动化程度较高的专用夹具，如采用液压可调整工装，在加工零件外轮廓中当切削刀具接近压紧点时压板自动让开，刀具切削后压板立即返回原位压紧零件。还有一些公司采用与被加工零件相同的材料制造夹具、压板，装夹时与零件形成一体，切削过程中不必考虑避让夹具压板，加工效率明显提高[2]。
国内对钛合金航空结构件数控加工中的工装夹具缺少较为深入的研究和开发，更多的是采用简单机械装夹方式。简单机械装夹方式受人为因素影响，夹紧力不容易控制。还有一些平面型单面结构、厚度较小结构件的夹紧采用真空吸附方式，而真空吸附方式对于厚度较大、双面结构的结构件吸附效果较差[2]。
对于刚性较低的工件，夹紧力是引起零件变形的一个重要因素。在加工中，夹紧力与切削力间的波动效应产生耦合作用，引起加工残余应力和工件内部残余应力的重新分布，影响工件的变形。特别是薄壁零件刚性差，加工时夹、压的弹性变形将影响表面的尺寸精度和形状、位置精度。因夹紧力与支承力的作用点选择不当，也会引起附加应力[2]。对于此类零件的数控加工，在装夹方面可采用“基于加工过渡外形的柔性装夹”方法，即通过测量自由状态下的过渡外形并调节凸台高度和顶部斜率，使得装夹系统的柔性凸台外形与零件过渡外形在自由状态下完全贴合，避免装夹变形。柔性凸台的分布可根据实际情况进行调整，使得装夹力分布均匀（如图2所示）。
中航工业成飞与清华大学合作，针对柔性工装以及柔性支撑部件的设计制造进行了探索。但是，柔性工装的制造成本和制造周期较长，在实际大型钛合金结构件加工装夹中，通常通过采用“无应力装夹”方式，即在刚性凸台上加垫片来避免装夹变形，取得了较好的应用效果。
钛合金结构件装夹布局优化等方面的许多理论和实际应用问题有待进一步研究和解决，未来主要的研究和发展趋势包括以下两个方面：一是合理装夹方案的设计，通过合理的装夹方案设计有效地增加工艺系统的刚度，减少工件的变形，提高切削加工的稳定性；二是新的辅助支承装夹方式的研究，对于薄壁复杂结构钛合金零件而言，传统采用辅助支承以增加结构刚性的工艺手段，难以满足高精度的加工要求，且操作复杂、效率低，需突破一些新的辅助支承装夹方法。
2 钛合金加工刀具技术
随着高速切削技术的发展，高速切削刀具材料和刀具制造技术都发生了巨大的变化，新材料、新涂层、新技术不断涌现。然而，目前刀具技术仍是限制钛合金等难加工材料加工效率提高的一个技术瓶颈。由于钛合金弹性模量低、弹性变形大、切削温度高、导热系数低、高温时化学活性高，使得切削粘刀现象严重，容易加剧刀具磨损甚至破损，导致钛合金切削加工性较差。因此钛合金加工刀具技术成为制约钛合金高效加工的关键技术之一。
从提高金属去除率的角度出发，目前钛合金航空结构件高效粗加工刀具主要有玉米铣刀、插铣刀、大进给铣刀以及组合刀具等（如图3所示）。其中，采用玉米、插铣刀以及组合刀具等对机床功率和扭矩有一定的要求，而大进给铣刀对机床功率和扭矩以及刚性无特殊要求。已有加工应用表明，采用大进给铣刀，切削效率可有效提高50%以上。
从控制零件的加工精度出发，钛合金航空结构件高效精加工刀具主要为整体螺旋立铣刀，如图4所示。采用密齿刀具（5~10齿）可以显著改善加工表面粗糙度，而采用不等齿距立铣刀，可有效提升极限切深。
随着新型刀具材料的出现和新型刀具的不断发展，国内外针对钛合金切削加工刀具方面，做了大量的研究工作。如T.Kitagawa等对硬质合金刀具加工钛合金切削机理进行了研究，表明硬质合金刀具的晶粒大小以及Co元素含量的高低直接影响其切削钛合金时的性能，并指出YG类硬质合金刀具更适合加工钛合金[3]。J.Vigneau研究了涂层刀具切削钛合金的切削性能，传统的涂层多为TiC和TiCN涂层，在切削过程中Ti元素易与工件发生亲和而加快刀具磨损速度[4]。CBN由于具有硬度高，耐热性好而且有很高的稳定性，是高速切削钛合金的良好刀具，这种刀具价格比较昂贵，国内有关机构还没有进行深入的研究[5]。在刀具结构设计方面，G.D.Vasilyuk通过增大刀尖圆弧半径来增加切削阻尼，从而消除颤振[6]；C.R.LIU在切削过程中通过在线控制刀具前角、后角、刃倾角来抑制颤振[7]；德国学者V.Sellmeiert对不等齿距立铣刀稳定性进行实验和理论研究[8]等。
国内针对钛合金切削加工刀具也进行了大量研究。在多项国家基础科研项目的支持下，成飞公司数控厂与多家国内高校合作，在钛合金高速、高效切削刀具方面，研究了刀具与工件的组成成份之间的元素扩散、化学反应以及相互粘结和熔解，并建立了切削刀具与钛合金材料力学、物理和化学性能的合理匹配关系模型和匹配设计理论；研究了高速切削条件下的刀具磨损与破损机理，以及不同冷却方式对钛合金加工切削性能及刀具寿命的影响，建立了钛合金高速加工刀具寿命模型；基于刀具和工件刚度匹配关系的多自由度非线性动力学模型，以无颤振稳定切削下的高材料切除率和高加工表面质量为优化目标，建立刀具刚度与工件刚度的匹配关系模型[9]；通过对硬质合金立铣刀螺旋角及齿间角对高速加工振动的影响研究，发现采用非对称结构的变齿间角及变槽深结构，可有效提高钛合金切削稳定性，并自主设计了适合钛合金高效加工的整体硬质合金刀具[10-13]。
综合成飞公司数控厂在钛合金高速、高效加工方面的技术积累与经验总结，实现钛合金高速、高效与高精度加工所需突破的关键技术包括以下几个方面：钛合金高速切削加工刀具，减小敏感方向切削力，保证切削加工过程中刀具足够的刚度，满足抑制切削颤振要求；钛合金刀具材料、结构需降低钛合金高速加工过程中的粘结、扩散磨损，提高刀具寿命；钛合金高速加工刀具冷却需充分，降低切削温度以提高刀具寿命。
总之，钛合金等难加工材料的高速、高效与高精度切削加工对刀具材料与结构提出了特殊的要求，发展新型刀具关系着切削生产率的进一步提高。发展新型钛合金高速、高效切削刀具，在材料方面最主要的性能要求应是具有更高的强度、硬度、化学稳定性、耐热性、耐磨性以及抗涂层破裂性能等；在结构设计方面应增强刀具的减振、抗振性能，通过刀具结构的优化与改进能保证更充分的冷却，降低切削加工时的温度，提高切削速度和刀具寿命。
3 加工表面质量控制技术
钛合金零件表面质量的优劣关系到其使用寿命和性能，是高速高效切削的重点