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結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用日益增多，飛機機身制造業(yè)正在發(fā)生巨大的變化，同時也對需要使用高硬度、高韌性刀具材料的切削加工提出了具有挑戰(zhàn)性的要求。
　　機身制造技術(shù)的變化
　　為了提高飛機的飛行效率，降低其生命周期成本，飛機制造商正在越來越多地使用復(fù)合材料和鈦合金。例如，波音787和空客A350的機身大部分將用復(fù)合材料制成（按重量計）。在商務(wù)客機市場上，豪客比奇（Hawker Beechcraft）公司的Premier IA型和Hawker 4000型客機的機身將全部采用復(fù)合材料制造；Eviation公司的EV-20 Vantage型飛機的機翼和機身也將采用全復(fù)合材料。
　　復(fù)合材料的使用推動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”——即可用自動化工序加工的大量小直徑緊固件。因此，保留下來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
　　碳纖維復(fù)合材料的加工難點包括：
　?。?）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；
　?。?）加工增強纖維時，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；
　?。?）如切削力過大（如強力鉆削時），工件的疊層結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)各層分離現(xiàn)象；
　?。?）加工時會產(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
　　鈦合金材料所特有的加工難點包括：
　?。?）鈦的彈性模量低，由于切削加工時材料被刀具推開，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，而切削鋼時僅為50％）；
　?。?）鈦在高溫下化學(xué)反應(yīng)性強，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（尤其在低進給率加工時）；
　?。?）溫度升高時仍能保持高強度；
　?。?）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，材料表面損壞的可能性較大，從而會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，目前的飛機機身裝配對鉆削加工的性能和質(zhì)量也提出了新的挑戰(zhàn)：
　　（1）需要在厚度更大的疊層復(fù)合材料上鉆削直徑更大的孔；
　?。?）為了縮短機身裝配時間，對“一次過”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鉆機；
　?。?）精益加工原則的應(yīng)用越來越多。
　　上述這些因素都會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)流程時間則是每天裝配出一架飛機。與此對照，波音737目前該流程時間為10天（2000年時為22天，今后的目標(biāo)為8天）；波音777的流程時間則為25天。波音787的流程時間可以縮短到3天，部分原因是將某些加工操作轉(zhuǎn)移到了上游工序，到達裝配工序的各個部件都預(yù)裝好了飛機的各種系統(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
　　一般來說，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；
　　（2）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（高的抗拉強度和斷裂韌性），從而能在動態(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行權(quán)衡取舍。但是，這兩種特性對于碳纖維增強聚合物和鋁基復(fù)合材料的加工都必不可少。
　　碳纖維增強復(fù)合材料（如CFRP）的鉆削加工與鉆削木料比較類似。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)生的加工硬化會降低飛機零部件的疲勞壽命。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，這些刀具材料并不具有為延長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，就會發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，刀具也會隨之失效。用PCD刀具加工鈦合金雖然也能獲得不錯的結(jié)果，但為了防止崩刃，需要刀具有更好的韌性。在制造飛機機身的疊層材料中，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。
　　刀具材料的改進領(lǐng)域
　　隨著時代的進步，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?，鈦合金加工的改進曲線已變得平緩，說明其改進空間已有限。為使加工效率能夠進一步提高，就需要采用新的加工技術(shù)?？紤]到鈦合金和復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)材料中所占的比例越來越大，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現(xiàn)的改進領(lǐng)域：
　?。?）硬度更高、韌性更好的材料牌號；
　　（2）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)）；
　　（4）不同的成分組合（如非鈷類結(jié)合劑）；
　?。?）自潤滑能力（可用于干式或近干式切削）；
　　（6）較低的刀具材料成本；
　?。?）較低的刀具制造和重磨成本；
　?。?）改進的涂層結(jié)合方法。
　　刀具材料的開發(fā)步驟
　　一旦確定了某種具有適用特性的材料，為了將其開發(fā)為可應(yīng)用于實際生產(chǎn)的刀具材料，可以遵循以下基本步驟：
　?。?）概念開發(fā)
　?、偎A(yù)想材料的理論綜合；②材料特性的驗證。
　　（2）試用：選擇用該材料制成的刀具并進行切削試驗
　?、俚镀?；②圓形刀具。
　?。?）確定材料的實用性
　　①刀具類型；②工件材料；③切削速度和進給量范圍。
　?。?）商品化
　?、僖跃哂谐杀拘б娴姆绞竭M行批量生產(chǎn)；②為推廣產(chǎn)品培訓(xùn)銷售隊伍。
　　這種開發(fā)流程的時間周期可能會相當(dāng)長（尤其是當(dāng)有些技術(shù)問題難以解決時）。從超硬刀具涂層的開發(fā)年表可以看出，在開發(fā)過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)系起來是刀具材料成功商品化的關(guān)鍵。下一個問題是：這些刀具材料有足夠大的市場規(guī)模值得去開發(fā)嗎？
　　市場規(guī)模
　　對未來10年的市場預(yù)測是：飛機的生產(chǎn)將會有一般性增長。以下所列為根據(jù)最近的訂單統(tǒng)計的未來幾年需要制造的飛機數(shù)量：
　　商用飛機：
　?。?）2007年交付使用：波音飛機：441架（價值295億美元）；空客飛機：453架（價值239億美元）；
　?。?）2007年接受訂單：波音飛機：1413架；空客飛機：1341架；
　　（3）積壓的訂單（截至2007年12月）：波音飛機：3427架；空客飛機：3421架；這兩類飛機各型號的具體數(shù)量如下：
　?、俨ㄒ?87 Dreamliner：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。
　　（4）近期市場展望（2007～2026年）：22700～28600架商用飛機，價值2.6～2.8萬億美元。這兩類飛機各型號的具體數(shù)量如下：
　?、儇洐C：近期需求為1980架，2007～2026年期間的總需求預(yù)計為4000架，其中大約870架為新貨機，其余為用客機改裝；②支線客機：近期需求為2886架，2007～2026年期間的總需求預(yù)計為3700架。
　　軍用飛機：
　?。?）F/A-18E/F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗攻擊機：至2012年，美國空軍的計劃需求量為581架，每架價值5700萬美元，最高生產(chǎn)率為每年48架。
　?。?）F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機：至2010年，僅美國的訂單量即達到183架，每架價值1.5億美元，最高生產(chǎn)率為每年32架。
　?。?）Eurofighter Typhoon“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機：至2016年的計劃需求量超過700架，每架價值約5100萬～5800萬美元，最高生產(chǎn)率為每年52架。
　　（4）F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機：至2035年的全球計劃需求量為3173架，每架價值約5000萬美元，最高生產(chǎn)率為每年48架。
　　刀具的性能改進
　　以下為用于航空制造業(yè)切削加工的刀具性能改進的幾個近期加工實例：
　?。?）加工實例1：一家商用飛機零部件供應(yīng)商在加工一種纖維增強復(fù)合材料工件時，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個孔，就會因出現(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、換刀次數(shù)減少、加工時間增加，因此仍使每孔加工成本降低了80％。
　　（2）加工實例2：洛克希德公司在對F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機的復(fù)合材料機翼蒙皮進行接縫修整加工時，切削刀具的壽命和切削刃質(zhì)量難以令人滿意。為此，開發(fā)了一種新型CVD金剛石涂層刀具，其刀具壽命（以加工的直線長度計）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刀片的刀具來加工一個機翼蒙皮。由此，每架飛機可獲得8萬美元的成本效益，對于計劃為美國市場制造的2783架F-35戰(zhàn)機來說，預(yù)計可節(jié)省資金（降低成本）達2.226億美元。
　?。?）加工實例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個孔以上。
　　作為一個假設(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個孔，那么在加工中將需要花費3～5倍的額外時間用于更換鉆頭，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。如果每支鉆頭的使用壽命可達到100個孔，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間。
　　考慮到對飛機的市場需求不斷增長，而新型飛機上復(fù)合材料和鋁合金的使用越來越多，并且要求裝配流程時間更短，改進切削刀具的機遇巨大，刀具制造商為航空工業(yè)開發(fā)并提供加工性能更優(yōu)異的刀具產(chǎn)品正當(dāng)其時。