隨著復合材料、鈦合金以及由兩種材料構成的疊層材料在飛機結構件中的應用日益增多，飛機機身制造業正在發生巨大的變化，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性的要求。
    機身制造技術的變化
    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合材料制成（按重量計）。在商務客機市場上，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合材料。
    復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量。但是，大多數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。由于石墨復合材料與鋁之間的接觸可能會引起化學電流腐蝕，而安裝在石墨復合材料上的結構件通常都是鋁制件。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，除了鉆削參數與加工傳統工件材料不同以外，還需要采用不同的刀具材料。
    碳纖維的加工難點
    碳纖維復合材料的加工難點包括：
    （1）材料具有很高的磨蝕性，使刀具的磨損率很高；
    （2）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纖維組合而產生），意味著刀具必須承受不同的切削抗力；
    （3）塑性基底限制了切削溫度；
    （4）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速；
    （5）如切削力過大（如強力鉆削時），工件的疊層結構可能出現各層分離現象；
    （6）加工時會產生粉塵（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：
    （1）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；
    （2）鈦的導熱性差，導致切削溫度很高（80％的切削熱被傳入刀具，而切削鋼時僅為50％）；
    （3）鈦在高溫下化學反應性強，容易與刀具發生融焊現象，造成刀具崩刃和失效；
    （4）容易產生加工硬化現象（尤其在低進給率加工時）；
    （5）溫度升高時仍能保持高強度；
    （6）產生分段切屑，使刀具循環受力，易發生金屬疲勞；
    （7）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合在一起的新型材料的挑戰外，目前的飛機機身裝配對鉆削加工的性能和質量也提出了新的挑戰：
    （1）需要在厚度更大的疊層復合材料上鉆削直徑更大的孔；
    （2）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；
    （3）盡管大規模和小規模的自動化加工的應用日益增多，但在最終裝配工序仍然主要使用氣動鉆機；
    （4）精益加工原則的應用越來越多。
    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移到了上游工序，到達裝配工序的各個部件都預裝好了飛機的各種系統。但是，正如前面所指出的，鉆孔是最終裝配工序中最具挑戰性的加工。
    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：
    （1）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），從而能提供優異的耐磨性能；
    （3）具有良好的韌性（高的抗拉強度和斷裂韌性），從而能在動態變化的切削力作用下，保持鋒利的切削刃不發生崩刃或變形；
    （4）具有良好的熱傳導性，從而能使切削區迅速散熱；
    （5）具有良好的熱穩定性，從而能使刀具在切削高溫下保持完整性；
    （6）與工件材料之間具有較低的化學親合力或反應活性。
    刀具材料所需要的每一種特性的優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衡取舍。但是，這兩種特性對于碳纖維增強聚合物和鋁基復合材料的加工都必不可少。
    碳纖維增強復合材料（如CFRP）的鉆削加工與鉆削木料比較類似。加工的關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，但在加工復合材料所需的高切削速度下會產生大量切削熱，疊層材料中的鈦可能發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親合性。因此，對于大多數鈦合金工件的加工，鈷高速鋼和硬質合金都是主要使用的刀具材料。但是，在加工復合材料時，這些刀具材料并不具有為延長刀具壽命所需要的耐磨性。當被復合材料磨蝕變鈍的刀具切削刃再去切削鈦時，就會發生加工硬化現象，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。
    刀具材料的改進領域
    隨著時代的進步，加工技術不斷完善，粗加工和精加工鈦合金的材料去除率也在不斷提高。可以看出，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。考慮到鈦合金和復合材料在飛機結構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重要。
    以下是鉆削加工復合材料/金屬疊層的刀具材料有可能實現的改進領域：
    （1）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）；
    （3）納米技術（納米結構）；
    （4）不同的成分組合（如非鈷類結合劑）；
    （5）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；
    （7）較低的刀具制造和重磨成本；
    （8）改進的涂層結合方法。
    刀具材料的開發步驟
    一旦確定了某種具有適用特性的材料，為了將其開發為可應用于實際生產的刀具材料，可以遵循以下基本步驟：
    （1）概念開發
    ①所預想材料的理論綜合；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
    ①刀片；②圓形刀具。
    （3）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。
    （4）商品化
    ①以具有成本效益的方式進行批量生產；②為推廣產品培訓銷售隊伍。
    這種開發流程的時間周期可能會相當長（尤其是當有些技術問題難以解決時）。從超硬刀具涂層的開發年表可以看出，在開發過程中可能遇到了許多障礙。因此，將供應商與刀具材料的正確應用聯系起來是刀具材料成功商品化的關鍵。下一個問題是：這些刀具材料有足夠大的市場規模值得去開發嗎？
    市場規模
    對未來10年的市場預測是：飛機的生產將會有一般性增長。以下所列為根據最近的訂單統計的未來幾年需要制造的飛機數量：
    商用飛機：
    （1）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）；
    （2）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量如下：
    ①波音787 Dreamliner：截至2008年2月的訂單量為857架，最高生產率為每月至少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量如下：
    ①貨機：近期需求為1980架，2007～2026年期間的總需求預計為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年期間的總需求預計為3700架。
    軍用飛機：
    （1）F/A-18E/F“超級大黃蜂”戰斗攻擊機：至2012年，美國空軍的計劃需求量為581架，每架價值5700萬美元，最高生產率為每年48架。
    （2）F-22“猛禽”戰斗機：至2010年，僅美國的訂單量即達到183架，每架價值1.5億美元，最高生產率為每年32架。
    （3）Eurofighter Typhoon“臺風”戰斗機：至2016年的計劃需求量超過700架，每架價值約5100萬～5800萬美元，最高生產率為每年52架。
    （4）F-35聯合攻擊戰斗機：至2035年的全球計劃需求量為3173架，每架價值約5000萬美元，最高生產率為每年48架。
    刀具的性能改進
    以下為用于航空制造業切削加工的刀具性能改進的幾個近期加工實例：
    （1）加工實例1：一家商用飛機零部件供應商在加工一種纖維增強復合材料工件時，用一種整體硬質合金錐鉆在厚度為0.200″（約5mm）的材料上鉆孔，每支鉆頭僅能鉆削150～200個孔，就會因出現不合格的纖維撕裂而不得不更換刀具。該供應商改用一種新型CVD金剛石涂層硬質合金鉆頭后，鉆孔數大幅提高到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聯合攻擊戰斗機的復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量難以令人滿意。為此，開發了一種新型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戰機來說，預計可節省資金（降低成本）達2.226億美元。
    （3）加工實例3：空客A380的上層艙地板桁梁由CFRP復合材料制成，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合金鉆頭只能加工90個孔。換用一種金剛石涂層的硬質合金鉆頭后，每支鉆頭的加工壽命提高到500個孔以上。
    作為一個假設的例子，假定需要在復合材料/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開發并提供加工性能更優異的刀具產品正當其時。

　　來源：《工具展望》