隨著復(fù)合材料、鈦合金以及由兩種材料構(gòu)成的疊層材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用日益增多，飛機(jī)機(jī)身制造業(yè)正在發(fā)生巨大的變化，同時(shí)也對(duì)需要使用高硬度、高韌性刀具材料的切削加工提出了具有挑戰(zhàn)性的要求。
　　　　
　　機(jī)身制造技術(shù)的變化
　　　　
　　為了提高飛機(jī)的飛行效率，降低其生命周期成本，飛機(jī)制造商正在越來(lái)越多地使用復(fù)合材料和鈦合金。例如，波音787和空客A350的機(jī)身大部分將用復(fù)合材料制成（按重量計(jì)）。在商務(wù)客機(jī)市場(chǎng)上，豪客比奇（HawkerBeechcraft）公司的PremierIA型和Hawker4000型客機(jī)的機(jī)身將全部采用復(fù)合材料制造；Eviation公司的EV-20Vantage型飛機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身也將采用全復(fù)合材料。
　　　　
　　復(fù)合材料的使用推動(dòng)了零件的合并和連接，減少了所需緊固件的數(shù)量。但是，大多數(shù)被取消的緊固件都屬于“面積緊固件”——即可用自動(dòng)化工序加工的大量小直徑緊固件。因此，保留下來(lái)的大部分緊固件的安裝孔直徑和厚度都較大，并由多種材料疊合而成，加工難度也更大。由于石墨復(fù)合材料與鋁之間的接觸可能會(huì)引起化學(xué)電流腐蝕，而安裝在石墨復(fù)合材料上的結(jié)構(gòu)件通常都是鋁制件。這兩種材料的鉆削加工都很困難，而將它們組合為疊層后進(jìn)行鉆削加工難度就變得更大。因此，除了鉆削參數(shù)與加工傳統(tǒng)工件材料不同以外，還需要采用不同的刀具材料。
　　　　
　　碳纖維的加工難點(diǎn)
　　　　
　　碳纖維復(fù)合材料的加工難點(diǎn)包括：
　　　　
　　（1）材料具有很高的磨蝕性，使刀具的磨損率很高；
　　　　
　?。?）材料具有各向異性（由較軟的基底與按不同方向排列的硬質(zhì)纖維組合而產(chǎn)生），意味著刀具必須承受不同的切削抗力；
　　　　
　?。?）塑性基底限制了切削溫度；
　　　　
　?。?）加工增強(qiáng)纖維時(shí)，為了獲得干凈整齊的孔口，需要采用鋒利的切削刃、高剪切刀刃幾何形狀和高轉(zhuǎn)速；
　　　　
　　（5）如切削力過(guò)大（如強(qiáng)力鉆削時(shí)），工件的疊層結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)各層分離現(xiàn)象；
　　　　
　?。?）加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生粉塵（而不是切屑），需要采用真空吸塵或加注冷卻液加以控制。
　　　
　　鈦合金的加工難點(diǎn)
　　　　
　　鈦合金材料所特有的加工難點(diǎn)包括：
　　　　
　?。?）鈦的彈性模量低，由于切削加工時(shí)材料被刀具推開(kāi)，然后又回彈，因此刀具需要采用較大的后角；
　　　　
　?。?）鈦的導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致切削溫度很高（80％的切削熱被傳入刀具，而切削鋼時(shí)僅為50％）；
　　　　
　?。?）鈦在高溫下化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng)，容易與刀具發(fā)生融焊現(xiàn)象，造成刀具崩刃和失效；
　　　　
　?。?）容易產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象（尤其在低進(jìn)給率加工時(shí)）；
　　　　
　　（5）溫度升高時(shí)仍能保持高強(qiáng)度；
　　　　
　　（6）產(chǎn)生分段切屑，使刀具循環(huán)受力，易發(fā)生金屬疲勞；
　　　　
　?。?）在加工時(shí)，材料表面損壞的可能性較大，從而會(huì)略微降低工件的疲勞壽命。
　　　　
　　除了鉆削加工這些由不同材料復(fù)合在一起的新型材料的挑戰(zhàn)外，目前的飛機(jī)機(jī)身裝配對(duì)鉆削加工的性能和質(zhì)量也提出了新的挑戰(zhàn)：
　　　　
　?。?）需要在厚度更大的疊層復(fù)合材料上鉆削直徑更大的孔；
　　　　
　　（2）為了縮短機(jī)身裝配時(shí)間，對(duì)“一次過(guò)”鉆削、干式或近干式鉆削以及高效裝配的需求日益增加；
　　　　
　?。?）盡管大規(guī)模和小規(guī)模的自動(dòng)化加工的應(yīng)用日益增多，但在最終裝配工序仍然主要使用氣動(dòng)鉆機(jī)；
　　　　
　?。?）精益加工原則的應(yīng)用越來(lái)越多。
　　　　
　　上述這些因素都會(huì)大幅縮短刀具的使用壽命。因此，為了降低每孔加工成本、提高生產(chǎn)率，就需要采用新的刀具材料。此外，為了縮短最終裝配工序的流程時(shí)間，也必須提高刀具的使用壽命。例如，波音787最終裝配工序的目標(biāo)流程時(shí)間僅為3天；洛克希德馬丁公司F-35閃電II的最終裝配工序目標(biāo)流程時(shí)間則是每天裝配出一架飛機(jī)。與此對(duì)照，波音737目前該流程時(shí)間為10天（2000年時(shí)為22天，今后的目標(biāo)為8天）；波音777的流程時(shí)間則為25天。波音787的流程時(shí)間可以縮短到3天，部分原因是將某些加工操作轉(zhuǎn)移到了上游工序，到達(dá)裝配工序的各個(gè)部件都預(yù)裝好了飛機(jī)的各種系統(tǒng)。但是，正如前面所指出的，鉆孔是最終裝配工序中最具挑戰(zhàn)性的加工。
　　　　
　　理想的刀具材料
　　　　
　　一般來(lái)說(shuō)，我們所希望的刀具材料特性包括：
　　　　
　?。?）晶粒尺寸較小，從而能制造出更鋒利的切削刃；
　　　　
　?。?）具有高硬度（包括高的熱硬性），從而能提供優(yōu)異的耐磨性能；
　　　　
　?。?）具有良好的韌性（高的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性），從而能在動(dòng)態(tài)變化的切削力作用下，保持鋒利的切削刃不發(fā)生崩刃或變形；
　　　　
　?。?）具有良好的熱傳導(dǎo)性，從而能使切削區(qū)迅速散熱；
　　　　
　?。?）具有良好的熱穩(wěn)定性，從而能使刀具在切削高溫下保持完整性；
　　　　
　?。?）與工件材料之間具有較低的化學(xué)親合力或反應(yīng)活性。
　　　　
　　刀具材料所需要的每一種特性的優(yōu)劣程度都取決于工件材料。要求同一種刀具材料具有以上所有特性非常困難，因此，通常需要在硬度與韌性之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。但是，這兩種特性對(duì)于碳纖維增強(qiáng)聚合物和鋁基復(fù)合材料的加工都必不可少。
　　　　
　　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（如CFRP）的鉆削加工與鉆削木料比較類(lèi)似。加工的關(guān)鍵是干凈整齊地切削碳纖維（尤其是在孔的出口處），刀具需要有高剪切力的幾何形狀和很高的切削速度。CFRP還具有高磨蝕性，因此要求刀具材料具有極高的硬度（最好像金剛石那樣）。
　　　　
　　切削鈦合金也需要很高的剪切力，但在加工復(fù)合材料所需的高切削速度下會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，疊層材料中的鈦可能發(fā)生的加工硬化會(huì)降低飛機(jī)零部件的疲勞壽命。此外，鈦與大部分刀具材料都具有化學(xué)親合性。因此，對(duì)于大多數(shù)鈦合金工件的加工，鈷高速鋼和硬質(zhì)合金都是主要使用的刀具材料。但是，在加工復(fù)合材料時(shí)，這些刀具材料并不具有為延長(zhǎng)刀具壽命所需要的耐磨性。當(dāng)被復(fù)合材料磨蝕變鈍的刀具切削刃再去切削鈦時(shí)，就會(huì)發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，刀具也會(huì)隨之失效。用PCD刀具加工鈦合金雖然也能獲得不錯(cuò)的結(jié)果，但為了防止崩刃，需要刀具有更好的韌性。在制造飛機(jī)機(jī)身的疊層材料中，除了采用復(fù)合材料和鈦合金以外，也可能采用鋁合金或不銹鋼，這些材料都具有各自不同的切削要求。
　　
　　刀具材料的改進(jìn)領(lǐng)域
　　　　
　　隨著時(shí)代的進(jìn)步，加工技術(shù)不斷完善，粗加工和精加工鈦合金的材料去除率也在不斷提高?？梢钥闯觯伜辖鸺庸さ母倪M(jìn)曲線已變得平緩，說(shuō)明其改進(jìn)空間已有限。為使加工效率能夠進(jìn)一步提高，就需要采用新的加工技術(shù)?？紤]到鈦合金和復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中所占的比例越來(lái)越大，提高這些材料的加工效率至關(guān)重要。
　　　　
　　以下是鉆削加工復(fù)合材料/金屬疊層的刀具材料有可能實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)領(lǐng)域：
　　　　
　　（1）硬度更高、韌性更好的材料牌號(hào)；
　　　　
　?。?）梯度功能材料（在刀具的不同部位定制出不同的切削性能）；
　　　　
　?。?）納米技術(shù)（納米結(jié)構(gòu)）；
　　　　
　?。?）不同的成分組合（如非鈷類(lèi)結(jié)合劑）；
　　　　
　?。?）自潤(rùn)滑能力（可用于干式或近干式切削）；
　　　　
　?。?）較低的刀具材料成本；
　　　　
　　（7）較低的刀具制造和重磨成本；
　　　　
　?。?）改進(jìn)的涂層結(jié)合方法。
　　　　
　　刀具材料的開(kāi)發(fā)步驟
　　　　
　　一旦確定了某種具有適用特性的材料，為了將其開(kāi)發(fā)為可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的刀具材料，可以遵循以下基本步驟：
　　　　
　?。?）概念開(kāi)發(fā)
　　　　
　?、偎A(yù)想材料的理論綜合；②材料特性的驗(yàn)證。
　　　　
　?。?）試用：選擇用該材料制成的刀具并進(jìn)行切削試驗(yàn)
　　　　
　?、俚镀?；②圓形刀具。
　　　　
　?。?）確定材料的實(shí)用性
　　　　
　　①刀具類(lèi)型；②工件材料；③切削速度和進(jìn)給量范圍。
　　　　
　?。?）商品化
　　　　
　?、僖跃哂谐杀拘б娴姆绞竭M(jìn)行批量生產(chǎn)；②為推廣產(chǎn)品培訓(xùn)銷(xiāo)售隊(duì)伍。
　　　　
　　這種開(kāi)發(fā)流程的時(shí)間周期可能會(huì)相當(dāng)長(zhǎng)（尤其是當(dāng)有些技術(shù)問(wèn)題難以解決時(shí)）。從超硬刀具涂層的開(kāi)發(fā)年表可以看出，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能遇到了許多障礙。因此，將供應(yīng)商與刀具材料的正確應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)是刀具材料成功商品化的關(guān)鍵。下一個(gè)問(wèn)題是：這些刀具材料有足夠大的市場(chǎng)規(guī)模值得去開(kāi)發(fā)嗎？
　　　　
　　市場(chǎng)規(guī)模
　　　　
　　對(duì)未來(lái)10年的市場(chǎng)預(yù)測(cè)是：飛機(jī)的生產(chǎn)將會(huì)有一般性增長(zhǎng)。以下所列為根據(jù)最近的訂單統(tǒng)計(jì)的未來(lái)幾年需要制造的飛機(jī)數(shù)量：
　　　　
　　商用飛機(jī)：
　　　　
　　（1）2007年交付使用：波音飛機(jī)：441架（價(jià)值295億美元）；空客飛機(jī)：453架（價(jià)值239億美元）；
　　　　
　?。?）2007年接受訂單：波音飛機(jī)：1413架；空客飛機(jī)：1341架；
　　　　
　?。?）積壓的訂單（截至2007年12月）：波音飛機(jī)：3427架；空客飛機(jī)：3421架；這兩類(lèi)飛機(jī)各型號(hào)的具體數(shù)量如下：
　　　　
　?、俨ㄒ?87Dreamliner：截至2008年2月的訂單量為857架，最高生產(chǎn)率為每月至少10架；②空客A350：截至2008年2月的訂單量為370架，最高生產(chǎn)率為每月13架。
　　　　
　?。?）近期市場(chǎng)展望（2007～2026年）：22700～28600架商用飛機(jī)，價(jià)值2.6～2.8萬(wàn)億美元。這兩類(lèi)飛機(jī)各型號(hào)的具體數(shù)量如下：
　　　　
　　 ①貨機(jī)：近期需求為1980架，2007～2026年期間的總需求預(yù)計(jì)為4000架，其中大約870架為新貨機(jī)，其余為用客機(jī)改裝；②支線客機(jī)：近期需求為2886架，2007～2026年期間的總需求預(yù)計(jì)為3700架。
　　　　
　　軍用飛機(jī)：
　　　　
　?。?）F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)斗攻擊機(jī)：至2012年，美國(guó)空軍的計(jì)劃需求量為581架，每架價(jià)值5700萬(wàn)美元，最高生產(chǎn)率為每年48架。
　　　　
　?。?）F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)：至2010年，僅美國(guó)的訂單量即達(dá)到183架，每架價(jià)值1.5億美元，最高生產(chǎn)率為每年32架。
　　　　
　?。?）EurofighterTyphoon“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)：至2016年的計(jì)劃需求量超過(guò)700架，每架價(jià)值約5100萬(wàn)～5800萬(wàn)美元，最高生產(chǎn)率為每年52架。
　　　　
　?。?）F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)：至2035年的全球計(jì)劃需求量為3173架，每架價(jià)值約5000萬(wàn)美元，最高生產(chǎn)率為每年48架。
　　　　
　　刀具的性能改進(jìn)
　　　　
　　以下為用于航空制造業(yè)切削加工的刀具性能改進(jìn)的幾個(gè)近期加工實(shí)例：
　　　　
　?。?）加工實(shí)例1：一家商用飛機(jī)零部件供應(yīng)商在加工一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件時(shí)，用一種整體硬質(zhì)合金錐鉆在厚度為0.200″（約5mm）的材料上鉆孔，每支鉆頭僅能鉆削150～200個(gè)孔，就會(huì)因出現(xiàn)不合格的纖維撕裂而不得不更換刀具。該供應(yīng)商改用一種新型CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭后，鉆孔數(shù)大幅提高到2200個(gè)孔。盡管新型鉆頭的成本是老式鉆頭的15倍，但由于鉆頭壽命延長(zhǎng)、換刀次數(shù)減少、加工時(shí)間增加，因此仍使每孔加工成本降低了80％。
　　　　
　?。?）加工實(shí)例2：洛克希德公司在對(duì)F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮進(jìn)行接縫修整加工時(shí)，切削刀具的壽命和切削刃質(zhì)量難以令人滿(mǎn)意。為此，開(kāi)發(fā)了一種新型CVD金剛石涂層刀具，其刀具壽命（以加工的直線長(zhǎng)度計(jì)）從9英尺（僅切削材料厚度的1/3）提高到57英尺（切削材料全厚度），從而可用2把裝有24mm刀片的刀具來(lái)加工一個(gè)機(jī)翼蒙皮。由此，每架飛機(jī)可獲得8萬(wàn)美元的成本效益，對(duì)于計(jì)劃為美國(guó)市場(chǎng)制造的2783架F-35戰(zhàn)機(jī)來(lái)說(shuō)，預(yù)計(jì)可節(jié)省資金（降低成本）達(dá)2.226億美元。
　　　　
　?。?）加工實(shí)例3：空客A380的上層艙地板桁梁由CFRP復(fù)合材料制成，需將其安裝到機(jī)身的鋁合金框架上。原先用于加工這種CFRP與鋁合金疊層的未涂層整體硬質(zhì)合金鉆頭只能加工90個(gè)孔。換用一種金剛石涂層的硬質(zhì)合金鉆頭后，每支鉆頭的加工壽命提高到500個(gè)孔以上。
　　　　
　　作為一個(gè)假設(shè)的例子，假定需要在復(fù)合材料/鋁合金疊層上加工90個(gè)特定尺寸的孔，如果每支鉆頭的成本為150美元，但只能加工20～30個(gè)孔，那么在加工中將需要花費(fèi)3～5倍的額外時(shí)間用于更換鉆頭，此外，為了盡可能減少生產(chǎn)中斷，可能還需要額外的其上已安裝好鉆頭的鉆機(jī)。如果每支鉆頭的使用壽命可達(dá)到100個(gè)孔，即使鉆頭成本比以前增加一倍或更多，仍然可以降低每孔加工成本，并能縮短加工流程的時(shí)間。
　　　　
　　考慮到對(duì)飛機(jī)的市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)，而新型飛機(jī)上復(fù)合材料和鋁合金的使用越來(lái)越多，并且要求裝配流程時(shí)間更短，改進(jìn)切削刀具的機(jī)遇巨大，刀具制造商為航空工業(yè)開(kāi)發(fā)并提供加工性能更優(yōu)異的刀具產(chǎn)品正當(dāng)其時(shí)。