F35 復材蒙皮鉆孔技術
與PCD 工具的 275 孔壽命相比，這種 AMAMCO金剛石涂層鉆孔工具提供了 1200 孔的使用壽命。
這架F-35 在沃斯堡工廠內的洛克希德·馬丁航空公司裝配線上等待著碳纖維增強蒙皮，該蒙皮將包裹成品飛機的機身和機翼。
一個自動鉆孔系統鉆制了 1500 個孔中的一個，這些孔將容納 F-35 前機身前部的緊固件。
常規起飛和降落的F-35
CTOL DST 加工中心去工藝補償（sacrificial）材料，以幫助 F-35 蒙皮達到公差目標。
鉆頭特寫
AMAMCO 的新型金剛石涂層刨槽工具
F-35 的機翼蒙皮在離開 DST 加工中心后放置在其工具上。蒙皮上的一些孔是由加工中心使用 AMAMCO 的專用鉆孔工具鉆孔。
奧爾巴尼公司自動鋪放 F-35 機翼蒙皮
當奧巴馬政府早些時候宣布將從 2010 年美國國防部預算中削減 F-22 戰斗機項目時，洛克希德·馬丁航空公司位于德克薩斯州沃斯堡的工廠員工的情緒是又苦又甜。這個洞穴狀的工廠長 1 英里/1.6 公里，寬 0.25 英里/0.4 公里，不僅是 F-22 的組裝點，也是即將推出的 F-35 閃電 II 的組裝點。
從預算角度來看，國防部對 F-35 或聯合攻擊戰斗機（JSF-Joint Strike Fighter ）的偏好是可以理解的。與 F-22 的 1.43 億美元相比，其 8300 萬美元的飛行成本（取決于變種）相對便宜。洛克希德·馬丁公司計劃在 2036 年前交付 3000 多架 F-35，而與成本分攤伙伴國的共同開發確保了很長的訂單。
與空對空 F-22 不同，F-35 是一種多用途飛行器，專為美國飛行員未來更可能面臨的空對空和空對地作戰而設計。多用途設計使 F-35 具有很強的適應性。它有三種變體：用于常規起飛和降落（CTOL- conventional takeoff and landing）的 F-35A、用于短距起飛和垂直降落（STOVL-short takeoff and vertical landing ）的 F-35B 和用于艦載降落（CV- carrier-based landing）的 F-35C。多用途能力使其能夠取代美國的 F-16、A-10、AV-8B 和 F-18，以及英國的 Sea Harrier 和 GR.7。在美國，它將補充現有的 F-22 和 F-18E/F 機隊。從制造的角度來看，這些變體在超過 20%的機身結構上具有共同的設計，從而降低了項目成本。
十多年發展
洛克希德·馬丁公司是 F-35 的主要承包商，于 2001 年 10 月中標。諾斯羅普·格魯曼公司和 BAE 系統公司是該項目的主要合作伙伴。這三家公司已經完成了為期 12 年的系統開發和演示（SDD- System Development and Demonstration ）階段的一半以上，其中包括 19 架飛機的生產和測試。復合材料一直是制造業的主要組成部分。諾斯羅普·格魯曼公司在其位于加利福尼亞州帕姆代爾的工廠制造中心機身；BAE Systems 在其位于英國薩姆斯伯里的工廠生產后機身和尾翼，ATK（猶他州麥格納）生產機翼蒙皮；洛克希德·馬丁公司在沃斯堡制造前機身并總裝成品飛機。第一架 F-35 是一種 CTOL 變體，于 2006 年 12 月 15 日首次飛行。所有 SDD 飛機都在生產中或在飛行線上進行測試；首批 14 架生產型 F-35 已經開始總裝。
HPC 最近被邀請參觀沃斯堡的大型工廠，親眼目睹這種下一代戰斗機的復合材料是如何成型的。
預算緊張的大工程
制造一種在一定程度上以預算友好的方式銷售的戰斗機的挑戰之一是，必須特別注意對飛機的每個部件進行成本優化。對于 F-35 的碳纖維復合材料來說，這可能是最正確的，它約占戰斗機結構重量的 35%和大部分可見表面。由于機身部分、機翼和尾翼來自不同的供應商，洛克希德公司面臨的最大挑戰是管理飛機的復合材料蒙皮厚度。
洛克希德·馬丁航空公司 JSF 生產運營技術副總裁 Don Kinard 表示，該公司花費了大量時間評估飛機框架和蒙皮的各種材料類型—復合材料、鋁、鈦和鋼，以確定最具成本效益的成本效益比。
“我們能制造一架全復合材料的戰斗機嗎？”基納德問道。“當然，但我們不會因為可以就采取行動。一切都是成本效益分析。哪里是最有效地使用復合材料的最佳場所？”他指出，對 F-16、F-22 和 F-35 的復合材料結構進行了評估，但沒有提供證明成本合理所需的重量節約。他說：“我們需要為復合材料結構節省更多的重量，以使其有意義。”。他還指出，在復合材料的子結構中，“材料 Z 向特性是個問題。樹脂的強度必須得到顯著提高。還有很多需要克服的。”
因此，F-35 上的復合材料幾乎只用于蒙皮。Kinard指出，洛克希德公司在飛行服務溫度允許的情況下，使用 Cytec Engineered Materials（亞利桑那州坦佩市）的碳纖維/環氧樹脂，但飛機的大部分蒙皮需要更高的耐熱性，其中使用了 Cytec 的 CYCOM 5250-4 雙馬來酰亞胺（BMI）。盡管洛克希德公司正在評估新一批用 于特殊應用的熱壓罐外樹脂，但 Kinard 預計基質近期不會發生變化。
它的表皮全部由碳纖維增強塑料制成。大部分機身部分的基體為 CYCOM 977 環氧樹脂，機翼和一些較熱表面的基體為 CYCOM 5250 雙馬來酰亞胺樹脂。增強纖維為中等模量碳纖維，主要為 Hexcel IM7，抗拉強度為 550-700 ksi。雙馬來酰亞胺通常比鋁具有更好的耐熱性；根據所比較的特定合金和樹脂，環氧樹脂的耐熱性不如鋁或鋁。
在 F-35 的 SDD 階段，根據供應商、零件的復雜性和成本效益，蒙皮部分的生產有所不同。例如， ATK 使用自動纖維放置（AFP）技術生產許多機翼復合材料零件。洛克希德公司內部選擇使用手工鋪放生產前機身蒙皮。隨著 F-35 的投產，更多的國內和國際航空航天供應商將參與復合材料部件的生產，包括阿萊尼亞航空公司（意大利羅馬）、康斯伯格國防系統公司（挪威康斯伯格）Terma A/S 公司（丹麥格勒納）、TAI 公司（土耳其伊斯坦布爾）和其他公司。“我們正在利用全世界在復合材料制造方面的能力，”基納德認為。
基納德表示，他和洛克希德公司的 F-35 復合材料的大部分精力都集中在管理復合材料蒙皮的厚度上。在某些情況下，這是通過基于仔細計量的復合材料層的添加和減少來實現的，而在其他情況下，則是通過對零件進行機加工來實現的。
基納德表示，復合材料蒙皮厚度的一致性對于注重重量、性能和成本的 F-35 至關重要。洛克希德公司及其合作伙伴使用兩種方法來確保蒙皮達到厚度目 標：機械加工或模具后添加簾布層。在沃斯堡的洛克希德·馬丁公司，前機身蒙皮被手工鋪在因瓦模具 上，并在塔里科公司（加利福尼亞州長灘市）制造的三臺大型熱壓罐中的一臺中進行固化。隨后，將固化成層壓板的工藝補賞層進行機加工，以控制蒙皮的厚度。在 ATK，機翼的纖維蒙皮被固化，固化后，蒙皮厚度使用洛克希德·馬丁公司制造技術和生產工程人員開發的工藝進行精確測量。如果需要，在稱為固化層壓板補償（CLC-cured laminate compensation）的過程中，將額外的層壓板疊起來，并對整個結構進行第二次固化。“這里的圣杯（Holy Grail）是控制厚度，”他說，但他指出，成本決定了這樣做的策略。
大型加工中心
位于洛克希德公司龐大的沃斯堡工廠中心，是該戰略的關鍵組成部分：F-35 的機加工和鉆孔作業。在 Dörries Scharmann Technologie GmbH（DST）（德國門興格拉德巴赫 DST）建造的最大的加工中心中，位于其中心的 10 米乘 30 米（33 英尺乘 99 英尺）的加工中心對 F-35 的一些前機身蒙皮、機翼蒙皮和其他復合材料部件進行加工和鉆孔。基納德承認：“在這個項目中，修剪和機械加工對我們來說是一件大事。”。DST 系統自動化了歷史上手動執行的大多數工作。同樣，制造技術集團的工程師在將這些系統上線和開發可靠的加工工藝方面發揮了重要作用。
DST 系統使用帶自動換刀裝置的柔性高架龍門架（FOG-flexible overhead gantry）來處理修邊、鉆孔和壓縮路線。這里所做的大部分加工都是在機身前部蒙皮上進行的。（機翼蒙皮加工已移交給 ATK， ATK 與華盛頓州塞德羅·伍利的 Janicki Industries 簽訂了加工合同。）
機身前部蒙皮的加工大約需要八個小時，主要是因為每個蒙皮部分都需要幾個設置。該機器在結構的兩側工作，一個頭加工內模線（IML，以控制厚度），另一個頭鉆孔并修剪零件邊緣（EOP-edge of part）。機翼蒙皮由洛克希德公司加工時，通常需要較少的時間來加工，因為沒有 IML 加工來控制厚度——機翼零件使用 CLC 工藝來滿足厚度參數。
DST 加工中心的大部分工作由 AMAMCO Tool（南卡羅來納州鄧肯市；見左側邊欄）提供的金剛石涂層硬質合金工具處理。AMAMCO 專門為該應用程序設計了 DST 加工路線。
加工完成后，所有復合材料結構都從 DST 機器中推出，進入相鄰房間，該房間內裝有卡爾蔡司微成像股份有限公司（明尼蘇達州楓樹格羅夫）計量系統， “據我們所知，這是世界上最大的高公差測量系統，”基納德說。正是在這里，對蒙皮的尺寸、邊緣和孔進行了準確性檢查。MMZ-B Plus 龍門坐標測量機自 2008 年 6 月開始運行，其擴展測量范圍為 5 米乘 16 米乘 2.5 米（16 英尺乘 52 英尺乘 8 英尺），可容納 F-35 的機翼蒙皮，以及空氣動力學工具、風洞模型、1:1模塊和其他機身元件。
洛克希德·馬丁公司還使用其內部開發的無損激光超聲檢測系統（激光 UT）檢查其復合材料結構的空隙和其他內部缺陷。該系統的 400MHz 激光指向復合結構；從激光返回到傳感器的信號揭示了皮膚中的空隙、裂紋、分層和其他缺陷。Kinard 說，它的運行速度為 6 英尺 2/分鐘（0.56 平方米/分鐘），比傳統的噴射器檢查系統快 10 倍，是 F-35 制造過程中不可或缺的一部分。洛克希德·馬丁公司為該系統申請了專利，但將該技術授權給了 PaR Systems 股份有限公司（明尼蘇達州 Shoreview）。
鉆孔，鉆孔，鉆孔
一旦復合材料蒙皮成型、修剪和檢查，它們就可以連接到組成的機身結構上了。這是通過在預定位置鉆穿蒙皮并進入框架的緊固件來實現的。對重量敏感的 F-35 的鉆孔管理和優化已成為一項重大工作，SDD流程的一部分涉及對鉆頭、鉆具幾何形狀、工具效率、工具壽命、鉆孔時間、每個鉆孔的成本和其他變量的評估。
F-35 在鉆孔方面已經有了一個良好的開端：洛克希德·馬丁航空公司的制造工程高級職員、沃斯堡工廠的常駐鉆井孔大師之一 Glenn Born 表示，F-35 的整個飛行器的切割工具圖紙不到 50 張。相比之下，F-16有 9000。這種減少主要歸因于 F-22 和 F-35 計劃中集成的標準化工作，以解決常見的孔尺寸、緊固件減少和處理復合材料/金屬結構的常見裝配方法。這也有助于復合材料鉆孔技術的快速發展。
F-35 上有三種類型的鉆孔正在評估中：手動、動力進給和自動（數控），盡管洛克希德公司的大多數鉆孔都是自動化的。在大多數情況下，F-35 的鉆孔方法是“堆疊”的，這意味著將復合材料蒙皮放置在下部結構上，并使用一個一次性鉆孔、擴孔和锪窩的單一鉆具同時在蒙皮和下部結構上鉆孔。F-35 上最令人印象深刻的鉆孔操作之一涉及前機身，機身兩側各有 750 個孔，由自動龍門式機頭鉆入。（見圖，右起第三張）。
Born 說，底層結構為蒙皮提供了支撐，因此有助于防止分層。這種方法的缺點是產生一個孔所需的時間——大約 30 秒，這取決于蒙皮的厚度。Born 承認：“如果我們分別對蒙皮和下部結構進行鉆孔，這可能會加快裝配過程，但公差需要堆疊鉆孔。當零件在其他地方制造，然后在洛克希德·馬丁公司進行匹配時，這尤其具有挑戰性——在最大材料條件下，螺栓到孔的間隙會減少，干擾的機會太多了。”
機翼蒙皮由辛辛那提 Milicron 自動化龍門系統進行堆疊鉆孔。隨后，F-35 團隊使用 Virtek Vision International Inc.（加拿大安大略省滑鐵盧）激光投影系統，在緊固件安裝期間將緊固件零件號投影到翼蒙皮表面上，以消除參考復雜圖紙的需要。在無法進行自動鉆孔的情況下，手動鉆孔需要在皮膚上安裝一個模板，顯示鉆孔位置。Kinard 報告稱，投影系統的使用在減少勞動力和任務跨度方面具有巨大潛力。
跟蹤刀具更換閾值
考慮到使用疊層鉆孔的決定，洛克希德公司專注于開發測量鉆孔質量和工具壽命的參數，主要是評估工具磨損和隨后降低的鉆孔速度的成本與新的更快工具的成本。沃斯堡工廠使用的大多數鉆機電機采用空氣和液壓。然而，刀具的鋒利程度決定了鉆孔速度。隨著切削工具變鈍，這個過程需要更長的時間。Born說：“我們的供電系統最終會測量鉆孔的時間長度。當達到閾值時，指示燈會通知操作員更換工具。”。他說，最終，洛克希德公司正在尋找良好的直徑公差和特殊的工藝控制，使不合格的孔幾乎不存在。F-35孔質量的 Cpk（工藝能力的統計測量）目標為 1.3；Born 表示，目前 Cpk 大約為 1.0，并且正在改善。“我們的第一篇文章的質量比一些成熟的程序要好，”他認為。
正在評估所有這些修整和機加工系統以及鉆孔工藝的效率、成本、速度和其他變量，以確定整個 F-35復合材料生產過程的最佳實踐。洛克希德·馬丁公司在沃斯堡工廠建立了一個鉆孔/機械加工卓越中心，以繼續開發切削工具和技術。如果 F-35 的壽命是真的，那么洛克希德·馬丁公司及其所有供應商似乎也有幾十年的復合材料優化和管理工作要做。
驗證工具幾何結構和材料
當洛克希德·馬丁公司第一次開始在其 DST 加工中心（德國門興格拉德巴赫的 Dörries Scharmann Technologie GmbH）評估 F-35 生產的刨床和鉆具時，它使用了一種帶有紅燒金剛石鑲塊的聚晶金剛石（PCD- polycrystalline diamond）刨床機。它的特點是直槽，在復合材料結構上產生了太多的分層，迫使返工并增加了加工成本。此外，這些工具缺乏這種苛刻應用所需的耐用性——一個 0.375 英寸/9.5 毫米厚的機翼蒙皮部分通常需要 24 個工具才能布線（當時 F-35 有一個大的、連續的頂部蒙皮來覆蓋兩翼；目前的設計有三個頂部蒙皮）。
洛克希德公司向美國國家國防制造與加工中心（NCDMM，Latrobe，Pa）尋求幫助，這是一個由合作公司組成的研發聯盟，與國防承包商合作優化制造方法。洛克希德公司最終采用了 NCDMM 成員 AMAMCO Tool（南卡羅來納州鄧肯市）提供的金剛石涂層壓縮刨床，并在 DST 加工中心測試了該工具。
AMAMCO 的業務開發經理 Andrew Gilpin 表示，金剛石涂層復合材料工具的測試結果很有希望：加工整個機翼蒙皮所需的工具數量從 24 個減少到 2 個，單個工具在復合材料中的加工路徑從 9 線性英尺增加到 57 線性英尺（2.7 到 17.4 米），它使用兩個相對的凹槽（見上圖）將復合材料層夾在一起，而不是將它們全部拉向一個方向：“就像剪刀，而不是鏟子，”他 說。“它提供了一種很好的、干凈的剪切效果。”
AMAMCO 開發了幾何形狀并制造了工具。金剛石涂層厚度為 12µ，由 diamond Tool coating LLC（紐約州北托納旺達）提供。洛克希德·馬丁公司對 AMAMCO工具非常滿意，因此批準了其生產，并使其具有 F-35上使用免檢入庫 的狀態。
洛克希德公司目前正在 F-35 的其他鉆孔應用中使用其他 AMAMCO 金剛石涂層工具。Gilpin 說，在一個應用中，AMAMCO 金剛石涂層工具的使用壽命為 1200 個孔（底部照片），而競爭對手 PCD 工具的 275 個孔壽命是 AMAMCO 鉆石涂層工具的三分之一。盡管洛克希德公司報告稱，金剛石涂層刀具的轉速約為 8500 轉/分，而 PCD 刀具的轉速為 5000 轉/分。但 Gilpin 表示，總體而言，金剛石涂層工具的轉速比 PCD 刀具慢，但進給速度更快。洛克希德公司正在評估一系列 AMAMCO工具，直徑從 0.125 英寸到 0.4 英寸（3.2 毫米到 10.1 毫米）不等。
注：原文見《Skinning the F-35 fighter》
楊超凡 2024.2.26
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