F-35用于碳纖維/BMI蒙皮的鉆頭特寫。
早在2006-2008年，在我擔任《CW-Composite World》編輯領導的早期，我們很難說服復合材料制造商和原始設備制造商讓我們參觀他們的工作。這種抵制大多圍繞著對知識產權保護的擔憂—擔心我們會報告我們所看到的一切。我們最終克服了他們的擔心，行業開始明白，我們的編輯人員可以被信任來保護被視為競爭優勢的信息和技術。
因此，我懷著極大的興奮在2009年進行了我的第一次工廠之旅。《CW-Composite World》受邀參觀了位于德克薩斯州沃斯堡的大型F-35總裝線。當時，F-35戰斗機正處于低速生產和飛行測試的早期階段。
因為沃斯堡的設施包含FAL，所以我所追求的故事與其說是復合材料的制造，不如說是將碳纖維/BMI蒙皮連接到戰斗機框架上所需的機加工、修整和鉆孔。這個故事是關于用一個鉆孔工具鉆穿復合材料蒙皮并進入鈦框架的挑戰。它還涉及到修剪不合格蒙皮以滿足厚度和尺寸公差的挑戰。
將翼/身融合蒙皮層壓板連接到F-35閃電II戰斗機的機身上需要精確鉆出數百個緊固件孔。
這個故事，“剝F-35戰斗機的皮”，今天仍然引起共鳴，并有一些很好的基本信息和指導，關于如何為尺寸要求很高的國防應用選擇和優化鉆孔和修整操作。我還應該注意到，這個故事在很大程度上是時代的產物，并沒有解決F-35隨后面臨的—現在仍然面臨的—一些生產和技術挑戰。
幾年后，高級技術編輯金吉·加德納（Ginger Gardiner）在2012年的文章《優化、定制復合材料鉆孔》中重新審視了復合材料鉆孔的主題，該文章總結并擴展了我的F-35故事中介紹的許多想法和概念。同樣，這是關于復合材料鉆基礎知識和支持它的技術的好的基本信息。
這些故事提醒我們復合材料制造的兩個重要元素，值得提醒。首先，復合材料不像金屬那樣切割、修剪、布線或鉆孔，因此需要專門為這項工作設計的專用工具。其次，無論你使用什么復合材料，無論你如何加工，通過某種數控加工進行的后處理都是每一種復合材料制造操作的基本組成部分。再說一遍，普通工具不行。
將翼/身融合蒙皮層壓板連接到F-35閃電II戰斗機的機身上需要精確鉆出數百個緊固件孔。
60年來，“物超所值”一直是復合材料產品制造商和供應商的營銷口號，他們認為，盡管復合材料的初始成本歷史上很高，但就整個生命周期成本而言，復合材料是優越的產品。隨著復合材料制造商越來越多地面臨在復合材料部件上鉆孔的需求，特別是在緊固件密集的航空航天環境中，鞋子就另當別論了。
機械加工的時間和費用已成為滿足交貨時間表和零件成本預期的焦點。作為回應，鉆具制造商建議復合材料行業自食其力：在該計劃的使用壽命內定制并實現節約。盡管這需要大量的初始時間和金錢來研究整個加工過程并優化每個加工功能，但鉆具制造商聲稱取得了有價值的成果，從提高公差和減少操作步驟到大幅增加工作流程，以及每年節省六位數的成本。
問題：歷史滯后
盡管切削工具技術的發展與復合材料技術的發展同步，但機床營銷人員告訴CW，80%的復合材料零件加工仍然使用標準的現成工具進行，這些工具沒有針對材料、零件或加工設置進行優化。
Cajero有限公司（英國肯特郡謝佩島）首席運營官亞歷克斯·哈丁(Alex Harding)表示：“公司正在購買高級自動化技術，以應對不斷增長的需求，但通常不會重新考慮他們的切割工具。”。“這意味著他們可能會錯過重大改進，損失巨額資金，并消耗足夠的能源為噴氣式飛機提供動力。”
F-35項目需要自動化鉆孔技術和適用于堆疊但不同材料的“一次組裝”的大型夾具。
機床專家AMAMCO tool（Duncan，S.C.）的工廠經理兼工具大師彼得·迪亞曼提斯(Peter Diamantis)對此表示贊同：“在自動化加工中心，使用錯誤的工具幾乎是家常便飯。你會驚訝于有多少人在使用舊技術。”在許多情況下，他們的工具選擇曾經是最先進的技術。他指出：“它們都是由一家定制工具制造商在某個時候開發的，并成為標準。”但他表示，它們的設計是基于幾年前的研究。迪亞曼提斯解釋說：“這些研究現在已經過時了。”。“這些人非常聰明，但他們經常使用舊數據來選擇工具。”他補充道，同樣重要的是，這些研究并沒有解決當今的現實問題。“他們使用的材料已經過時。即使在過去幾年里，復合材料也發生了重大變化。”
事實上，復合材料已經變得越來越難以加工。
埃莉諾·默森(Eleanor Merson)負責英國謝菲爾德Sandvik Coromant（荷蘭阿姆斯特丹）研發中心的復合材料加工研究，她發現，在過去幾年中，標準氣粒復合材料上使用的典型無涂層工具的工具壽命縮短了近50%。為什么？默森解釋道：“我們現在正在對此進行研究，試圖了解切削工具材料和復合材料之間的相互作用。總的來說，我們看到了一個普遍的趨勢，即新型復合材料更難。”他指出，“我們開始看到樹脂有更大的作用，這實際上是可以理解的，因為正是樹脂將纖維固定在一起。”樹脂配方的進化發展現在產生了更硬、更硬的基質。“樹脂如何分解決定了切割時的質量。”因此，樹脂的進化改進似乎縮短了工具的壽命。
總是一個棘手的問題
無論改變與否，復合材料總是很難加工。哈丁解釋說，與金屬加工行業不同的是，復合材料制造商處理的是非均質材料。在金屬加工行業，可以購買由均質材料制成的符合已知標準的坯料。每個成型機都會定制樹脂、纖維/纖維形式和層壓簾布層序列的精選組合，這些組合針對每個結構和應用進行了優化。樹脂體系、纖維含量、層壓板順序、固化方法、固化溫度和層壓板完整性都會影響零件的可加工性。迪亞曼提斯說，更復雜的是，“沒有兩個商店的一切都完全一樣。每個商店都有不同的設置，這可能會對性能產生不利影響。”
如今，一個更為嚴重的因素是鉆孔堆疊材料的勞動和省時趨勢，即在定位夾具或夾具中預組裝復合材料和金屬部件，然后一次穿過所有層鉆出緊固件孔。這項技術通常被稱為“一體組裝”，因為部件是從外部組裝、鉆孔、檢查和清潔的，但不會再次拆開——這是一種防止孔位置不準確的保護措施，可以節省無數小時。但這對那些設計鉆具的人來說是一個巨大的挑戰。默森說：“很常見的情況是，按照碳纖維增強聚合物（CFRP）、鋁、CFRP和鈦的順序加工一堆材料。”。“針對兩種或三種不同材料優化鉆頭是極其困難的。”
盡管有更好的選擇，但機床制造商表示，大多數復合材料的鉆孔仍然是用“標準”工具完成的，這些工具曾經是最先進的，但現在——因為它們沒有針對材料、零件和加工設置進行優化——是不合格的。結果是鉆頭性能迅速惡化，孔質量也隨之惡化。以下是一個惡化的例子：碎裂。
解決方案：了解最新情況并進行溝通
當CW聯系這些和機床行業領先企業的其他代表時，他們提出了兩個大標題下的一些解決問題的策略：
優化和定制。
復合材料專業人士對前者并不陌生。優化是當今復合材料界的一個流行詞。最大的收獲來自于觀察整個過程。鉆具制造商認為，機械加工也是如此。在零件開發過程中，必須在一開始就考慮材料、夾具、碎屑清除、通道和工人工效學，而不是在做出重大決策后的后期階段。
迪亞曼提斯說：“這一切都是為了了解整個加工過程。”他指出，這也需要一個合作的客戶。“工程師們愿意進行測試以改進流程嗎？有時他們依賴幾年前完成的研究，而不想重新審視它。其他人則愿意不惜一切代價來節省成本。”哈丁強調，那些愿意的人會獲得巨大的回報。“我們通過挑戰傳統智慧的協作生產力合作計劃，幫助公司取得了巨大收益。”
然而，如果合作伙伴要取得成功，機床制造商必須詳細了解零件和工藝。在這里，沒有任何數據是微不足道的。Sandvik Coromant的默森表示：“客戶在向我們解釋他們在加工什么時并不總是足夠詳細。”。“我們需要盡可能多的細節。我們必須了解材料、固化、纖維含量、結構和制造步驟。”
圖為鉆頭劣化的另一個影響：分層。
這些知識允許工具定制，這是制造業紀律的必要解藥，而制造業紀律本身就是關于定制解決方案的。簡而言之，信息是將現成的工具留在機框上。迪亞曼提斯說：“許多商店都想使用現成的切割工具，這沒關系，但加工過程需要更長的時間，使用更多的工具。”明智的復合材料制造商會為特定應用設計零件。因此，鉆具應針對零件和應用進行設計。
經驗無可替代
為此，復合材料制造商需要能夠進行此類評估的工具制造商的協助。默森觀察到，金屬切削工具制造商現在看到了向復合材料領域多元化的機會。“但他們傳統上為延長切削金屬的工具壽命所做的事情——例如，降低進給率和切削速度——對切削復合材料的工具卻產生了相反的影響。”對于這一應用和許多其他應用，山特維克可樂滿與其最近收購的合作伙伴Precorp（美國猶他州西班牙?？耸校┟芮泻献?，Precorp是一家長期從事復合材料鉆具的專家，提供最先進的聯動鉆頭和銑刀。
信息？適用于金屬的東西不適用于復合材料。迪亞曼提斯說：“金屬鉆頭和復合材料鉆頭完全不同。”。
碳纖維的研磨性使其不同于切削工具遇到的任何其他材料，因此工具壽命的重要性至關重要，并受到許多為復合材料行業提供鉆具的人的高度重視。
這是一個用未損壞的鉆具鉆孔的特寫鏡頭。
利用新的幾何形狀
20年前，刀具優化基本上包括開發能夠更有效地加工每種纖維的幾何形狀。如今，刀具供應商提供針對芳綸、玻璃和碳纖維優化的特定幾何形狀的刀具已成為標準。但今天，優化遠遠超出了對光纖的關注。迪亞曼提斯說：“為了設計合適的刀具幾何形狀，我們必須了解整個過程。設置是什么樣的？你能使用冷卻劑嗎？鉆頭類型、鉆頭電機、電源是什么？鉆孔是機器人還是手動？你是一次還是兩次鉆孔？”
哈丁總結了Cajero的一些研發發現：“漸進的——逐漸發展的——并降低中心壓力的幾何形狀與復合材料配合得很好，因為它們減少了切割推力，這有助于避免分層和穿透時的損壞。這些幾何形狀還必須保持正剪切角——這使切割力保持在較低水平，從而以最小的壓力去除材料r將碎屑排出孔。”哈丁列出了不同類型復合材料的許多工具幾何形狀：
多面鉆頭點具有雙角度點，也就是說，引導角不同于第二角度，它們逐漸進入然后離開材料，最大限度地減少了中心的壓力，并降低了脫層和在出口孔中爆裂的風險。將這些與大開口凹槽相結合，有助于在鉆孔堆疊的層壓板時清除碎屑。
雙刃鉆頭具有二次刃口—在一次刃口后面研磨—在加工過程中鉸孔，從而消除了額外鉸孔操作的需要。
Trepanning鉆頭在外邊緣切割，從而消除中心的壓力，對于低厚度或低樹脂含量的復合材料零件表現良好，而直槽、多孔鉆頭有助于補償支撐或固定不良的零件。
迪亞曼提斯補充道：“我們還簡單地探索了可用性的改進—對切割數據、刀具幾何形狀和刀具材料的微小調整—這些都導致了一夜之間的生產力激增。”他強調，“刀具設計的微小變化會產生很大的影響。”
這種定制工具的選擇結合了涂層和幾何形狀，有助于克服隨著材料越來越硬和結構越來越定制而增加的復合材料加工難度。
開發新材料
盡管它們很好，但硬質合金鉆頭不再適用于時間和成本敏感的機械加工操作。默森說：“這是一款舊的備用手機，因為它有更好的邊緣清晰度。”。“然而，這并不是工具壽命的最佳選擇。”
為此，有鉆石。天然金剛石是已知的最硬的物質，但聚晶金剛石（PCD）是一種合成材料，在過去幾年中越來越受歡迎，因為它提供的工具壽命是未涂層碳化物的10到20倍。
切削刀具中使用的PCD有兩種基本類型。PCD尖端或插入件可釬焊（最高1200°F/649°C）到硬質合金坯料或工具主體上切割的凹槽中。或者，可以將金剛石粉末和粘結劑倒入硬質合金工具槽中并燒結到位。兩者都能提供硬質切削刃，但價格昂貴，是普通硬質合金刀具的6到10倍。哈丁評論道：“就刀具形狀和幾何形狀而言，PCD的柔性不如碳化物，但你可以重新打磨和更換PCD，有效地延長了刀具壽命。”。“然而，PCD本身就很脆，需要小心處理。如果掉落，刀具的PCD刀刃可能會碎裂，從而導致快速退化。”
PCD確實具有一定的靈活性，至少以尖端和插入物的形式存在。有不同的等級可以針對特定應用進行優化，并且可以調整刀片的角度以提高切削力和碎屑去除率。然而，默森指出，由于PCD比碳化物更難研磨，通過研磨PCD生產工具的公司通常無法實現相同的公差。
將刀具與材料和應用相匹配，可以將刀具壽命提高10到20倍，并將切削時間縮短90%。
她解釋說：“電子束加工可以用來提高公差，但會增加更多的成本。”。“這對于實現更低的總體項目成本來說可能是非常值得的，因為切削工具通常只占總加工成本的3%到5%，其余部分由耗材、切削時間、更換切削工具的時間等組成。”
最近，化學氣相沉積（CVD）已經開始在某些應用中取代PCD。這項技術通常被稱為金剛石涂層或金剛石涂層碳化物（DCC），它從經過預處理的碳化物坯料開始，使金剛石能夠直接在其表面“生長”，厚度為0.2至0.3密耳（6至8µm）。哈丁評論道：“因此，您仍然可以保持切削刃，硬質合金基底允許特定材料的刃口和幾何形狀。CVD提供了硬質合金的靈活性和PCD的工具壽命，并且更適合車間使用。”
Sandvik Coromant已經發現PCD更適合鉆孔，CVD最適合修整。但默森警告說，“這只是關于工具壽命，不包括成本。但人們的意見會因背景而異。如果他們來自鉆井，他們喜歡PCD，而如果他們來自修整，他們更喜歡CVD。”
哈丁總結道：“使用PCD或CVD鉆頭，再加上某些幾何形狀，幾乎總是可以延長刀具壽命，有時還會顯著降低刀具更換頻率。”。“即使更換切割工具只需五分鐘，中斷操作也要花錢。PCD和CVD工具最初的成本更高，但操作中斷的時間更少。”他還指出，PCD工具可以重新表面處理和打磨，以延長其使用壽命。“因此，您可以降低整個程序的成本并提高其生產效率。”
洛克希德·馬丁公司的一名技術人員通過手動緊固測試由AMAMCO定制的復合鉆具加工的孔。
然而，迪亞曼提斯認為金剛石涂層是最好的選擇，因為它的優勢在于成本更低。PCD工具的成本是競爭性CVD工具的三到五倍。他補充道：“在復合材料中，所有工具都需要涂層。”。“現在有很多涂層正在開發中，以提高工具的使用壽命。即使是對于堆疊材料，也有一些涂層可以幫助工具使用更長的時間，并在工具撞擊金屬時吸收沖擊而不會碎裂。”
例如，CVD Diamond Corp.（加拿大安大略省倫敦市）專注于使用該公司純金剛石薄膜的切削工具，該公司指出，最近的碳纖維復合材料銑削應用需要端銑刀。使用競爭對手的工具，客戶在工具出現故障之前只能銑削10個零件。改用CVD金剛石工具可將故障前的零件吞吐量提高到30到40之間，并將所用的每種工具的切割工具成本降低500美元。CVD Diamond表示，在航空航天領域，它已經致力于戰斗機的應用，開發了一種球頭立銑刀，可以在碳纖維復合材料結構上鉆27萬個孔。一種工具鉆28000個孔，擊敗了競爭對手使用另一種金剛石涂層工具鉆10000個孔的最佳情況。
LMT onsrud LP（伊利諾伊州沃基根）特別指出，就工具磨損和工件損壞而言，使用金屬切削工具切削或鉆削復合材料可能成本高昂。LMT Onsrud提供各種各樣的碳化物、PCD涂層和納米晶體金剛石涂層工具，具有相同的工具幾何形狀，旨在最大限度地減少熱量，防止樹脂燃燒，并提供清潔的纖維切割。這種要求是復合材料獨有的，因此成本可能很高：一個專用工具幾乎要800美元。然而，涂層可以使刀具壽命延長10到20倍，新的幾何形狀可以將加工時間縮短90%。因此，所需要的是仔細評估，以將工具與應用程序相匹配，從而最大限度地提高吞吐量、工具壽命和價值。
堆疊的一次性解決方案
盡管工具制造商對哪種涂層和幾何形狀最好存在分歧，但沒有證據表明它們對單組分組件的高效鉆孔至關重要。“碳纖維增強塑料需要很高的切割速度和進給率，”哈丁解釋道。“鈦的情況正好相反，它對溫度非常敏感，而且在加工過程中產生的熱量會使其硬化。”
這種鉆頭尖端很小，直徑逐漸增大，并涂有CVD金剛石涂層，是專門為鉆削CFRP而設計的。它是制造者。AMAMCO表示，CVD涂層已經開始取代PCD，因為
前者獲得了與后者相同的使用壽命，但以更低的成本提供了碳化物的幾何靈活性。
因此，每種解決方案的差異再大不過了。迪亞曼提斯說：“碳纖維增強塑料需要一個長點和快速度，而鈦需要一個短而短的點和慢速度，否則會燒壞鉆頭。”
在航空航天領域，即使是全CFRP零件也可能不是全CFRP。哈丁指出，“通常，碳纖維增強塑料在表面或表面附近有額外的銅網層用于雷擊保護，這對機床來說可能是一個挑戰。銅很軟，而碳纖維增強材料需要更高的加工速度，并且會磨損切削工具。這會弄臟銅，從而使切削工具失效，并大大削弱有效加工碳纖維增強金屬的能力。”（在這里，舊的備用碳化物就可以了。“我們仍然建議在某些區域使用，”默森說。“例如，有雷擊保護，需要非常鋒利的邊緣，或者整個零件磨損和脫落。”）
因此，毫不奇怪，對于堆疊但不同材料的鉆孔，一個常見的解決方案是為每個孔使用多個鉆具。Merson說：“如今，三階段鉆井工藝仍然普遍使用，需要進行預鉆、鉆孔和擴孔操作，以達到所需的表面和尺寸質量。”。
這讓迪亞曼提斯很惱火，他認為復合材料制造商應該與能夠設計“一次性”鉆孔解決方案的機床供應商打交道。“我們為波音公司提供了很多不同的操作，所有這些操作都為一個孔提供一個鉆具。我們只是看不到為每個孔使用兩個和三個單獨的鉆具和/或操作的效率。”他繼續說道，“我們和客戶的期望都是一種能夠解決所有材料的工具。”他承認，這聽起來可能不可能，“但我們只是例行公事。”
AMAMCO提供一次性鉆孔解決方案，但更喜歡CVD而不是PCD。迪亞曼提斯認為，“我看到很多商店拒絕更換他們的PCD工具，盡管它們需要兩次操作。也就是說，直到他們嘗試我們的CVD一次性工具，并親眼看到它比他們以前使用的兩種PCD工具更耐用。”
但默森認為，山特維克可樂滿已經開發出了避免這種情況的解決方案。“我們最新的一款使用了動力進給機和螺旋槽鉆頭，該鉆頭基于紋理PCD點，具有針對鈦/CFRP/鋁堆疊材料優化的特定幾何形狀。”
關鍵是要逐層控制疊層加工。哈丁解釋道：“你可以通過調整每種材料的切割參數來實現這一點。”。迪亞曼提斯說，一種策略是一種名為微檢查的鉆井技術。“在鉆復合材料/鈦堆疊時，你要避免的是鈦的長切屑在它們離開時在復合材料的內孔留下疤痕。”鉆頭電機的設計目的是在撞擊鈦時減速，然后施加力，然后每秒縮回多次。這錘擊鈦片，在切割時將其打碎。較小的碎片被帶出鉆頭凹槽中的孔，因此不會對復合材料造成疤痕。
優化今天和明天
與機床制造商合作可大幅降低成本、廢品率和工藝流程時間。Cajero的哈丁說：“最新的切割工具提供了卓越的生產力，縮短了加工時間，降低了整體生產成本。”。“這種工具壽命的提高和其他生產力的提高……使制造商能夠在不必購買額外機器或建造更大工廠的情況下做更多的事情。”
此外，今天的工具制造商服務可以擴展到工具和流程的測試和驗證。例如，Cajero通過預先驗證切割工具和操作，幫助公司消除新項目的不確定性。哈丁說：“客戶發送待加工材料的樣品以及他們的規格。”。“然后，我們對材料進行加工，并發回一份關于推薦工具和選項的報告，以及一盤測試加工操作的錄像帶，價值超過千字。”
Cajero還在自己的專用數控加工中心提供預驗證試驗。哈丁解釋道：“當大規模切割工具試驗可能會使原始設備制造商花費超過10萬美元時，至關重要的是要確保他們的關鍵收入流得到維持，不要將產能轉移到干擾生產流的測試活動上。”
默森指出，“定制”趨勢可能會導致刀具制造方式的根本性變化。例如，機床制造商正在試驗3D打印，這是一種流行的增材制造形式她說，所有的刀具制造商都對此感興趣，但她指出，“他們正在以不同的方式處理這一問題。”
未來？哈丁將汽車視為自動復合材料加工的下一個前沿領域，也是一個具有挑戰性的領域。“汽車行業對復合材料和更低成本的自動化要求更高，同時保持可重復性。這里的機器人更為常見，但所用的樹脂與航空航天大不相同。我們一直是幾款豪華和超級跑車品牌的單一來源供應商，但這些都是小批量制造商。通用汽車、福特和大眾想要的大不一樣。我們必須優化尺寸加工工具設計，以實現更大的體積和更自動化的操作。”
與此同時，鉆具制造商的目標是通過應用他們不斷增長的知識，繼續降低加工成本，從而提高客戶的底線。
在F-35閃電II上緊固所有復合材料蒙皮需要經過成本效益優化的機械加工和鉆孔技術。
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。
當奧巴馬政府今年早些時候宣布將從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?；{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。
洛克希德·馬丁公司為F-35精確加工復合材料蒙皮部分，這也是該飛機為美國納稅人省錢的部分原因。這種機加工使飛機引人注目，導致其他國家承擔了部分成本。以下是聯合攻擊戰斗機的高價值、高度工程化加工工藝。
緊密貼合的蒙皮部分提供了F-35的非常低的可觀察性(VLO-very low observability)。
為修切復合材料蒙皮而開發的擠壓銑刀-compression router通過在機加工過程中將材料層推到一起來抑制分層。
洛克希德·馬丁公司的里克·丹尼討論了擠壓銑刀工具。
蒙皮零件分兩個階段進行機加工。內模線（此處）加工完成后，零件將翻轉到鏡像夾具上，用于修切和外模線操作。
為了進行檢查，托盤從FOG- flexible overhead gantry機器移到此處所示的大型CMM。
PINC-pressure induced normal-vectored countersink工具是應用于該過程的更重要的成本節約創新之一開發出一種精確、自動的埋頭窩放置方法，消除了過去進行埋頭窩控制的大量手動操作。
洛克希德·馬丁公司的杰米·史密斯是參與開發PINC工具的工程師之一。
FOG機器使用在平衡機中測量的液壓刀架（下一張照片）。
精密公差FOG機器對F-35復合材料蒙皮截面進行精密銑削和鉆孔。
美國武裝部隊的不同部門歷來堅持使用不同的飛機?？哲?、海軍陸戰隊、海軍—他們有不同的任務，面臨不同的需求。一架一刀切的戰斗機顯然生產和維護成本較低，但人們一直認為，為了給每個服務部門提供最適合其角色的設備，成本效率相當低是有道理的。其結果是軍用飛機成倍增加，不同型號的飛機可以重復使用。
喬爾·馬龍（Joel Malone）說，在國際力量加強合作的時代，乘法運算變得更加復雜。馬龍是國防航空公司洛克希德·馬丁公司F-35項目的高級經理。他說，在20世紀90年代的波斯尼亞沖突中，他看到了這種多樣性的影響。一個聯盟機場展示了來自美國和其他國家的不同飛機的全景。各種飛機需要不同的供應鏈和不同的維護程序，以便在戰場上為它們提供支持。
現在，與飛機開發和設計相關的技術進步使設計一個能夠適應多種需求的單一飛機平臺成為可能。同一架飛機，在不同的型號配置中，可以為海軍陸戰隊提供短距離起飛和垂直降落的能力，海軍航母降落所需的彈性，或者空軍所珍視的速度和機動性。
洛克希德·馬丁公司生產的F-35閃電II（也稱為聯合攻擊戰斗機）是一種多用途飛機。
事實上，這種飛機的可能變體也使其有可能為美國的各種軍事盟友量身定制。
然而，馬龍說，僅憑經濟因素不足以讓美國及其盟國支持一個共同的飛機項目。由于設計受制于另一項服務的需求，所以不要將飛機和其他服務放在同一架飛機上，這一警告太過強烈。必須要有一根胡蘿卜--一種使這架飛機與眾不同的誘惑。在F-35上，胡蘿卜是“VLO-very low observability”，或者說“非常低的可觀察性”。通過雷達和其他傳感手段，這架飛機很難被探測到。
但胡蘿卜實際上比這更好。F-35具有“可支持的-supportable”VLO。也就是說，這架飛機上的VLO的維護成本非常低。
過去的隱形飛機不能做出這樣的聲明。由于雷達可以檢測到尖銳的邊緣，即使是過去VLO飛機外部部件之間的微小失配也可以使用環氧樹脂進行平滑處理。環氧樹脂會在現場干燥、硬化和分離，這意味著必須經常檢查和更換。
相比之下，F-35的相鄰部件匹配得如此流暢和精確，以至于不需要環氧樹脂。以前的隱形飛機的問題已經消失了。
這一好處，加上多用途的經濟性，有助于贏得許多軍事部門的聯合支持。它們不僅包括美國的軍事部門，還包括其他八個伙伴國家的軍事部門。每個分支機構的影響力與其貢獻成正比，因此非美國國家已承諾為飛機的開發投入40多億美元。這是美國納稅人不必花的錢。
而回報幾乎直接歸功于數控加工。同樣，根據馬龍先生的說法，可支持的VLO是外國支持的一個重要原因。允許支持VLO的是部件之間的緊密匹配。
為什么允許勢均力敵的比賽？我在最近參觀洛克希德·馬丁公司位于德克薩斯州沃斯堡的制造園區時看到了答案。
答案當然是數控加工。復合材料蒙皮經過研磨和鉆孔，公差非常接近，飛機的組裝表面避免了雷達所能看到的失配。
簡言之，這家公司的數控加工集團所獲得的精度幫助實現了一種如此有效、能力如此強大的飛機，以至于其他國家都想幫助我們支付費用。
競爭的FOG
一臺精密的五軸銑床提供了這種復合材料蒙皮的精確銑削和鉆孔。國防供應商喜歡縮寫詞；洛克希德·馬丁公司稱這種機器為“FOG-flexible overhead gantry”，意思是柔性高架龍門架。
事實上，FOG上使用的一個更有趣的項目是一個縮寫為PINC-pressure induced normal-vectored countersink的設備。也許不可避免地，PINC被染成了粉紅色。（有關此設備的詳細信息，請參閱下文。）
FOG由機床制造商DS Technology提供，該公司的美國總部位于俄亥俄州辛辛那提。這臺五軸銑床的X軸托盤長度為15米。提供位置精度的玻璃秤和用于體積補償的專有DS技術系統有助于在整個機器的大工作范圍內保持嚴格的精度。F-35全球生產技術運營副總裁唐·基納德(Don Kinard)博士表示，他認為這臺機器是“就其尺寸而言，世界上最準確的機床”。
這里加工由碳纖維增強塑料（CFRP）制成的復雜輪廓零件，在加工過程中固定零件的同樣復雜的鋁制真空夾具也是如此。大約有56個復合材料零件號在機器中進行銑削、修剪和鉆孔，但隨著零件號的整合以實現全面生產，這一數字可能會下降。對于典型的CFRP零件編號，該過程包括在零件固定在一個真空夾具上時加工復合材料零件的IML（內模線或內表面），然后在零件翻轉到相鄰的鏡像真空夾具上后加工OML（外模線）的剩余特征。
在我自己的訪問中，洛克希德·馬丁公司不愿透露的最重要的細節是F-35機加工過程能夠保持的精確公差。相反，我了解了這個過程的要素。
因此，以下是實現這些未指定公差的一些原因：
01
擠壓銑刀-compression router
分層是復合材料零件加工精度的最嚴重障礙。修切邊緣時尤其如此。材料是分層的，機械加工的力會導致層分離。
里克·丹尼（Rick Denny）是聯合攻擊戰斗機加工系統的技術負責人。他說，以前用于修切復合材料的切割工具——一種具有PCD邊緣的工具——只能使用21英尺。僅僅在這個距離之后，工具磨損引起的力的變化將導致分層開始。
他說，解決方案是使用硬質合金工具。具體而言，該解決方案是由刀具供應商AMAMCO（美國制造和營銷公司）與美國國防制造和加工中心合作開發的“壓縮路由器”。該工具的特殊幾何形狀（見圖）以一種在切割零件時將零件層壓縮在一起的方式引導切割力。他說，這種工具的價格是以前工具的三分之一，但在磨損成為問題之前，它通?？梢允褂?00英尺。
02
銑削厚度
CFRP零件是使用自動鋪絲過程精確制造的，但即使這樣也不能足夠精確地控制厚度。厚度必須通過數控銑削進一步控制。PCD球頭立銑刀在一組平行的小臺階刀具路徑中加工零件（IML）的內表面。
銑削操作大約需要6個小時?；{德博士認為這是這個過程中可能會變得更高效的許多方面之一。加工小組正在研究是否可以在五軸路徑中使用平底銑刀來獲得必要的精度，該工具每次通過都可以去除更寬的材料帶。
03
混凝土補償
潛在變化的一個原因是車間地板的沉降。為了保持穩定性，機器位于30英尺深的地基上。然而，即使是這種基礎也會隨著時間的推移而發生微妙的變化。為了確保任何沉降都不會影響機器的精度，FOG機器具有陶瓷測量球體，這些球體位于機器X-Y行程的四個角的保護殼中。機器每天對這些球體進行探測，以監測地基運動。
04
CMM檢查
對于如此大的工件和夾具，機上檢查似乎是最實用的驗證手段。也就是說，只需將零件留在原位，然后在機器上進行測量?；{德博士指出了這種方法的問題：與FOG機器的成本和價值相比，即使是大型CMM也會是低成本的。
因此，FOG更有效的用途是使其免于檢查，即使這意味著移動零件。通過一個巨大的三托盤交付系統，每個零件都可以從蔡司（Zeiss）運送到一個房間大小的CMM。為了確保將零件固定在夾具上的真空在轉移過程中不會被破壞，一系列獨立的真空罐在每個托盤上移動。
05
特種作業人員
了解這種精細精密工藝的各個方面需要進行特殊培訓，這導致沃斯堡工廠對機械加工技術人員進行了新的分類。在FOG上工作的某些操作員被歸類為“STEM”，用于配備特殊技術的機器。
06
刀架注意事項
當然，刀架也是影響加工精度的重要因素。任何一家達到精密加工中心精度的商店都可以欣賞這一點。刀具夾具的同心度、夾緊性或穩定性不足可能會破壞其余過程。
FOG使用液壓支架，每個工具和工具支架組件使用Haimer的工具平衡測量機進行平衡。對于長距離的工具夾持（考慮到輪廓更大的零件的可訪問性挑戰，這是一種常見的要求），該過程在液壓工具中使用Tribos擴展。“Tribos”是Schunk的一種系統，它使用刀柄金屬的彈性變形作為熱激活收縮配合的替代方案。
07
埋頭孔控制
加工埋頭孔曾經是該工藝中成本較高的挑戰之一。由于即使是埋頭孔也需要F-35蒙皮零件的精度，技術人員過去常常使用手動埋頭孔規測量孔，并手動更新機器偏移量。該過程耗時且容易出錯。現在，使用洛克希德·馬丁公司內部開發的設備，手工工作已經被取消。該設備是PINC，用于壓力引起的法向矢量加工埋頭窩。
技術研究員里克·盧普克（Rick Luepke）和應用工程師杰米·史密斯（Jamie Smith）（如圖）領導了該工具的開發。該工具安裝在FOG的主軸上，包含切削工具（組合鉆頭/埋頭工具），并具有一個可精確調節的鼻狀件，該鼻狀件在切割之前與零件表面接觸。通過包括鼻形件和整體線性補償在內的純機械方式，該設備可以使機器偏離零件表面，從而可以準確自動地放置埋頭孔。因為它不需要對機器進行電子反饋，所以可以在現有機器上使用，而無需改造。
史密斯女士說，這種設備可以在市場上買到。洛克希德·馬丁公司授權密歇根州特洛伊市的杰伊·恩恩公司出售。洛克希德·馬丁公司自己的PINC版本本身是部分粉紅色的（見圖），但許可協議沒有規定顏色。
08
第二臺機器
不過，說真的：基納德博士說，PINC對F-35機加工成本的影響已經很明顯了。該設備展示了看似狹窄的制造改進可以達到的程度。自動锪窩加工已經轉化為更大的機器可用性，因為機器不再等待手動孔測量，也不再因锪窩放置錯誤而浪費時間。由于這些節省，每個零件的生產成本更低，沃斯堡工廠可以用更少的FOG機器來滿足其需求。
他說，又有一只狐貍來了。下一個30英尺深的地基的坑已經挖好了。在锪窩系統的其他省時、省電的創新的最終幫助下，該公司希望僅這兩臺機器就足以滿足F-35全面生產的所有復合材料龍門加工需求。
你能解決這個鉆孔挑戰嗎？
洛克希德·馬丁公司裝配區的這一部分（如左圖所示）說明了飛機某些部件通常需要的孔的數量。
如何降低精密加工的成本？這個問題—以這樣或那樣的形式—占據了洛克希德·馬丁公司眾多工程師的大部分注意力。如果F-35蒙皮部件中使用的相同類型的精密五軸銑削能夠在整個飛機上經濟高效地應用，結果將是組裝成本低得多的高性能飛機。該公司期待著機床技術發展到今天的那一天。
與此同時，洛克希德·馬丁公司負責F-35全球生產的技術運營副總裁唐·基納德博士描述了一種不同的制造解決方案，如果能找到的話，這種解決方案可能會產生類似的全面影響。他說，在組裝過程中，零件要經過大量的鉆孔。這張照片顯示了僅一個組件中可能涉及的孔數。有些工作是在數控鉆床上完成的，有些是用工程手動工具完成的。在任何一種情況下，都必須檢查許多或大部分鉆孔。
但是，如果有一種方法可以一次鉆孔并檢查一遍呢？
唐·基納德博士說，具體來說，孔徑和埋頭窩深度是否都可以被確認為產生這些特征的同一道工序的一部分？
他不知道這樣的系統是如何工作的。也許是通過使用電場進行感應？無論是什么機制，找到解決這一挑戰的方法都將降低在每個都有數千個關鍵孔的飛機上鉆孔的成本。
原文見：
1.《From the CW archives: Drilling is not for the faint of heart 》2024.2.21
2.《Optimizing, customizing composites hole drilling》2024.2.21 (初發布日期：2012.4.9 )
3.《Skinning the F-35 fighter》 2009.10.19
4.《Composites Machining for the F-35》 2010.8.3
楊超凡 2024.2.26
