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(nèi)的洛克希德·馬丁航空公司裝配線上等待著碳纖維增強(qiáng)蒙皮，該蒙皮將包裹成品飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼。

 

一個(gè)自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)鉆制了 1500 個(gè)孔中的一個(gè)，這些孔將容納 F-35 前機(jī)身前部的緊固件。

 

常規(guī)起飛和降落的F-35

 

CTOL DST 加工中心去工藝補(bǔ)償（sacrificial）材料，以幫助 F-35 蒙皮達(dá)到公差目標(biāo)。

 

鉆頭特寫

 

AMAMCO 的新型金剛石涂層刨槽工具

 

F-35 的機(jī)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(dòng)鋪放 F-35 機(jī)翼蒙皮

當(dāng)奧巴馬政府早些時(shí)候宣布將從 2010 年美國(guó)國(guó)防部預(yù)算中削減 F-22 戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目時(shí)，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(gè)洞穴狀的工廠長(zhǎng) 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(diǎn)，也是即將推出的 F-35 閃電 II 的組裝點(diǎn)。

從預(yù)算角度來看，國(guó)防部對(duì) F-35 或聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（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(duì)便宜。洛克希德·馬丁公司計(jì)劃在 2036 年前交付 3000 多架 F-35，而與成本分?jǐn)偦锇閲?guó)的共同開發(fā)確保了很長(zhǎng)的訂單。

與空對(duì)空 F-22 不同，F(xiàn)-35 是一種多用途飛行器，專為美國(guó)飛行員未來更可能面臨的空對(duì)空和空對(duì)地作戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。多用途設(shè)計(jì)使 F-35 具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。它有三種變體：用于常規(guī)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(guó)的 F-16、A-10、AV-8B 和 F-18，以及英國(guó)的 Sea Harrier 和 GR.7。在美國(guó)，它將補(bǔ)充現(xiàn)有的 F-22 和 F-18E/F 機(jī)隊(duì)。從制造的角度來看，這些變體在超過 20%的機(jī)身結(jié)構(gòu)上具有共同的設(shè)計(jì)，從而降低了項(xiàng)目成本。

十多年發(fā)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(biāo)。諾斯羅普·格魯曼公司和 BAE 系統(tǒng)公司是該項(xiàng)目的主要合作伙伴。這三家公司已經(jīng)完成了為期 12 年的系統(tǒng)開發(fā)和演示（SDD- System Development and Demonstration ）階段的一半以上，其中包括 19 架飛機(jī)的生產(chǎn)和測(cè)試。復(fù)合材料一直是制造業(yè)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(jī)身；BAE Systems 在其位于英國(guó)薩姆斯伯里的工廠生產(chǎn)后機(jī)身和尾翼，ATK（猶他州麥格納）生產(chǎn)機(jī)翼蒙皮；洛克希德·馬丁公司在沃斯堡制造前機(jī)身并總裝成品飛機(jī)。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(jī)都在生產(chǎn)中或在飛行線上進(jìn)行測(cè)試；首批 14 架生產(chǎn)型 F-35 已經(jīng)開始總裝。

HPC 最近被邀請(qǐng)參觀沃斯堡的大型工廠，親眼目睹這種下一代戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料是如何成型的。

預(yù)算緊張的大工程

制造一種在一定程度上以預(yù)算友好的方式銷售的戰(zhàn)斗機(jī)的挑戰(zhàn)之一是，必須特別注意對(duì)飛機(jī)的每個(gè)部件進(jìn)行成本優(yōu)化。對(duì)于 F-35 的碳纖維復(fù)合材料來說，這可能是最正確的，它約占戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)重量的 35%和大部分可見表面。由于機(jī)身部分、機(jī)翼和尾翼來自不同的供應(yīng)商，洛克希德公司面臨的最大挑戰(zhàn)是管理飛機(jī)的復(fù)合材料蒙皮厚度。

洛克希德·馬丁航空公司 JSF 生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)技術(shù)副總裁 Don Kinard 表示，該公司花費(fèi)了大量時(shí)間評(píng)估飛機(jī)框架和蒙皮的各種材料類型—復(fù)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(fù)合材料的戰(zhàn)斗機(jī)嗎？”基納德問道。“當(dāng)然，但我們不會(huì)因?yàn)榭梢跃筒扇⌒袆?dòng)。一切都是成本效益分析。哪里是最有效地使用復(fù)合材料的最佳場(chǎng)所？”他指出，對(duì) F-16、F-22 和 F-35 的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評(píng)估，但沒有提供證明成本合理所需的重量節(jié)約。他說：“我們需要為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)節(jié)省更多的重量，以使其有意義。”。他還指出，在復(fù)合材料的子結(jié)構(gòu)中，“材料 Z 向特性是個(gè)問題。樹脂的強(qiáng)度必須得到顯著提高。還有很多需要克服的。”

因此，F(xiàn)-35 上的復(fù)合材料幾乎只用于蒙皮。Kinard指出，洛克希德公司在飛行服務(wù)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(huán)氧樹脂，但飛機(jī)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(píng)估新一批用 于特殊應(yīng)用的熱壓罐外樹脂，但 Kinard 預(yù)計(jì)基質(zhì)近期不會(huì)發(fā)生變化。

它的表皮全部由碳纖維增強(qiáng)塑料制成。大部分機(jī)身部分的基體為 CYCOM 977 環(huán)氧樹脂，機(jī)翼和一些較熱表面的基體為 CYCOM 5250 雙馬來酰亞胺樹脂。增強(qiáng)纖維為中等模量碳纖維，主要為 Hexcel IM7，抗拉強(qiáng)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(jù)所比較的特定合金和樹脂，環(huán)氧樹脂的耐熱性不如鋁或鋁。

在 F-35 的 SDD 階段，根據(jù)供應(yīng)商、零件的復(fù)雜性和成本效益，蒙皮部分的生產(chǎn)有所不同。例如， ATK 使用自動(dòng)纖維放置（AFP）技術(shù)生產(chǎn)許多機(jī)翼復(fù)合材料零件。洛克希德公司內(nèi)部選擇使用手工鋪放生產(chǎn)前機(jī)身蒙皮。隨著 F-35 的投產(chǎn)，更多的國(guó)內(nèi)和國(guó)際航空航天供應(yīng)商將參與復(fù)合材料部件的生產(chǎn)，包括阿萊尼亞航空公司（意大利羅馬）、康斯伯格國(guó)防系統(tǒng)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(fù)合材料制造方面的能力，”基納德認(rèn)為。

基納德表示，他和洛克希德公司的 F-35 復(fù)合材料的大部分精力都集中在管理復(fù)合材料蒙皮的厚度上。在某些情況下，這是通過基于仔細(xì)計(jì)量的復(fù)合材料層的添加和減少來實(shí)現(xiàn)的，而在其他情況下，則是通過對(duì)零件進(jìn)行機(jī)加工來實(shí)現(xiàn)的。

基納德表示，復(fù)合材料蒙皮厚度的一致性對(duì)于注重重量、性能和成本的 F-35 至關(guān)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(dá)到厚度目 標(biāo)：機(jī)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(jī)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(zhǎng)灘市）制造的三臺(tái)大型熱壓罐中的一臺(tái)中進(jìn)行固化。隨后，將固化成層壓板的工藝補(bǔ)賞層進(jìn)行機(jī)加工，以控制蒙皮的厚度。在 ATK，機(jī)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(shù)和生產(chǎn)工程人員開發(fā)的工藝進(jìn)行精確測(cè)量。如果需要，在稱為固化層壓板補(bǔ)償（CLC-cured laminate compensation）的過程中，將額外的層壓板疊起來，并對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分：F-35 的機(jī)加工和鉆孔作業(yè)。在 Dörries Scharmann Technologie GmbH（DST）（德國(guó)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(duì) F-35 的一些前機(jī)身蒙皮、機(jī)翼蒙皮和其他復(fù)合材料部件進(jìn)行加工和鉆孔。基納德承認(rèn)：“在這個(gè)項(xiàng)目中，修剪和機(jī)械加工對(duì)我們來說是一件大事。”。DST 系統(tǒng)自動(dòng)化了歷史上手動(dòng)執(zhí)行的大多數(shù)工作。同樣，制造技術(shù)集團(tuán)的工程師在將這些系統(tǒng)上線和開發(fā)可靠的加工工藝方面發(fā)揮了重要作用。

DST 系統(tǒng)使用帶自動(dòng)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(jī)身前部蒙皮上進(jìn)行的。（機(jī)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(jī)身前部蒙皮的加工大約需要八個(gè)小時(shí)，主要是因?yàn)槊總€(gè)蒙皮部分都需要幾個(gè)設(shè)置。該機(jī)器在結(jié)構(gòu)的兩側(cè)工作，一個(gè)頭加工內(nèi)模線（IML，以控制厚度），另一個(gè)頭鉆孔并修剪零件邊緣（EOP-edge of part）。機(jī)翼蒙皮由洛克希德公司加工時(shí)，通常需要較少的時(shí)間來加工，因?yàn)闆]有 IML 加工來控制厚度——機(jī)翼零件使用 CLC 工藝來滿足厚度參數(shù)。

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(cè)邊欄）提供的金剛石涂層硬質(zhì)合金工具處理。AMAMCO 專門為該應(yīng)用程序設(shè)計(jì)了 DST 加工路線。

加工完成后，所有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)都從 DST 機(jī)器中推出，進(jìn)入相鄰房間，該房間內(nèi)裝有卡爾蔡司微成像股份有限公司（明尼蘇達(dá)州楓樹格羅夫）計(jì)量系統(tǒng)， “據(jù)我們所知，這是世界上最大的高公差測(cè)量系統(tǒng)，”基納德說。正是在這里，對(duì)蒙皮的尺寸、邊緣和孔進(jìn)行了準(zhǔn)確性檢查。MMZ-B Plus 龍門坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自 2008 年 6 月開始運(yùn)行，其擴(kuò)展測(cè)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(jī)翼蒙皮，以及空氣動(dòng)力學(xué)工具、風(fēng)洞模型、1:1模塊和其他機(jī)身元件。

洛克希德·馬丁公司還使用其內(nèi)部開發(fā)的無損激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)（激光 UT）檢查其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的空隙和其他內(nèi)部缺陷。該系統(tǒng)的 400MHz 激光指向復(fù)合結(jié)構(gòu)；從激光返回到傳感器的信號(hào)揭示了皮膚中的空隙、裂紋、分層和其他缺陷。Kinard 說，它的運(yùn)行速度為 6 英尺 2/分鐘（0.56 平方米/分鐘），比傳統(tǒng)的噴射器檢查系統(tǒng)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(tǒng)申請(qǐng)了專利，但將該技術(shù)授權(quán)給了 PaR Systems 股份有限公司（明尼蘇達(dá)州 Shoreview）。

鉆孔，鉆孔，鉆孔

一旦復(fù)合材料蒙皮成型、修剪和檢查，它們就可以連接到組成的機(jī)身結(jié)構(gòu)上了。這是通過在預(yù)定位置鉆穿蒙皮并進(jìn)入框架的緊固件來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)重量敏感的 F-35 的鉆孔管理和優(yōu)化已成為一項(xiàng)重大工作，SDD流程的一部分涉及對(duì)鉆頭、鉆具幾何形狀、工具效率、工具壽命、鉆孔時(shí)間、每個(gè)鉆孔的成本和其他變量的評(píng)估。

F-35 在鉆孔方面已經(jīng)有了一個(gè)良好的開端：洛克希德·馬丁航空公司的制造工程高級(jí)職員、沃斯堡工廠的常駐鉆井孔大師之一 Glenn Born 表示，F(xiàn)-35 的整個(gè)飛行器的切割工具圖紙不到 50 張。相比之下，F(xiàn)-16有 9000。這種減少主要?dú)w因于 F-22 和 F-35 計(jì)劃中集成的標(biāo)準(zhǔn)化工作，以解決常見的孔尺寸、緊固件減少和處理復(fù)合材料/金屬結(jié)構(gòu)的常見裝配方法。這也有助于復(fù)合材料鉆孔技術(shù)的快速發(fā)展。

F-35 上有三種類型的鉆孔正在評(píng)估中：手動(dòng)、動(dòng)力進(jìn)給和自動(dòng)（數(shù)控），盡管洛克希德公司的大多數(shù)鉆孔都是自動(dòng)化的。在大多數(shù)情況下，F(xiàn)-35 的鉆孔方法是“堆疊”的，這意味著將復(fù)合材料蒙皮放置在下部結(jié)構(gòu)上，并使用一個(gè)一次性鉆孔、擴(kuò)孔和锪窩的單一鉆具同時(shí)在蒙皮和下部結(jié)構(gòu)上鉆孔。F-35 上最令人印象深刻的鉆孔操作之一涉及前機(jī)身，機(jī)身兩側(cè)各有 750 個(gè)孔，由自動(dòng)龍門式機(jī)頭鉆入。（見圖，右起第三張）。

Born 說，底層結(jié)構(gòu)為蒙皮提供了支撐，因此有助于防止分層。這種方法的缺點(diǎn)是產(chǎn)生一個(gè)孔所需的時(shí)間——大約 30 秒，這取決于蒙皮的厚度。Born 承認(rèn)：“如果我們分別對(duì)蒙皮和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆孔，這可能會(huì)加快裝配過程，但公差需要堆疊鉆孔。當(dāng)零件在其他地方制造，然后在洛克希德·馬丁公司進(jìn)行匹配時(shí)，這尤其具有挑戰(zhàn)性——在最大材料條件下，螺栓到孔的間隙會(huì)減少，干擾的機(jī)會(huì)太多了。”

機(jī)翼蒙皮由辛辛那提 Milicron 自動(dòng)化龍門系統(tǒng)進(jìn)行堆疊鉆孔。隨后，F(xiàn)-35 團(tuán)隊(duì)使用 Virtek Vision International Inc.（加拿大安大略省滑鐵盧）激光投影系統(tǒng)，在緊固件安裝期間將緊固件零件號(hào)投影到翼蒙皮表面上，以消除參考復(fù)雜圖紙的需要。在無法進(jìn)行自動(dòng)鉆孔的情況下，手動(dòng)鉆孔需要在皮膚上安裝一個(gè)模板，顯示鉆孔位置。Kinard 報(bào)告稱，投影系統(tǒng)的使用在減少勞動(dòng)力和任務(wù)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(fā)測(cè)量鉆孔質(zhì)量和工具壽命的參數(shù)，主要是評(píng)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(shù)鉆機(jī)電機(jī)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(gè)過程需要更長(zhǎng)的時(shí)間。Born說：“我們的供電系統(tǒng)最終會(huì)測(cè)量鉆孔的時(shí)間長(zhǎng)度。當(dāng)達(dá)到閾值時(shí)，指示燈會(huì)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(zhì)量的 Cpk（工藝能力的統(tǒng)計(jì)測(cè)量）目標(biāo)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(zhì)量比一些成熟的程序要好，”他認(rèn)為。

正在評(píng)估所有這些修整和機(jī)加工系統(tǒng)以及鉆孔工藝的效率、成本、速度和其他變量，以確定整個(gè) F-35復(fù)合材料生產(chǎn)過程的最佳實(shí)踐。洛克希德·馬丁公司在沃斯堡工廠建立了一個(gè)鉆孔/機(jī)械加工卓越中心，以繼續(xù)開發(fā)切削工具和技術(shù)。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(yīng)商似乎也有幾十年的復(fù)合材料優(yōu)化和管理工作要做。

驗(yàn)證工具幾何結(jié)構(gòu)和材料

當(dāng)洛克希德·馬丁公司第一次開始在其 DST 加工中心（德國(guó)門興格拉德巴赫的 Dörries Scharmann Technologie GmbH）評(píng)估 F-35 生產(chǎn)的刨床和鉆具時(shí)，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(jī)。它的特點(diǎn)是直槽，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上產(chǎn)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(yīng)用所需的耐用性——一個(gè) 0.375 英寸/9.5 毫米厚的機(jī)翼蒙皮部分通常需要 24 個(gè)工具才能布線（當(dāng)時(shí) F-35 有一個(gè)大的、連續(xù)的頂部蒙皮來覆蓋兩翼；目前的設(shè)計(jì)有三個(gè)頂部蒙皮）。

洛克希德公司向美國(guó)國(guó)家國(guó)防制造與加工中心（NCDMM，Latrobe，Pa）尋求幫助，這是一個(gè)由合作公司組成的研發(fā)聯(lián)盟，與國(guó)防承包商合作優(yōu)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(cè)試了該工具。

AMAMCO 的業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理 Andrew Gilpin 表示，金剛石涂層復(fù)合材料工具的測(cè)試結(jié)果很有希望：加工整個(gè)機(jī)翼蒙皮所需的工具數(shù)量從 24 個(gè)減少到 2 個(gè)，單個(gè)工具在復(fù)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(gè)相對(duì)的凹槽（見上圖）將復(fù)合材料層夾在一起，而不是將它們?nèi)坷蛞粋€(gè)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(fā)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(dá)）提供。洛克希德·馬丁公司對(duì) AMAMCO工具非常滿意，因此批準(zhǔn)了其生產(chǎn)，并使其具有 F-35上使用免檢入庫 的狀態(tài)。

洛克希德公司目前正在 F-35 的其他鉆孔應(yīng)用中使用其他 AMAMCO 金剛石涂層工具。Gilpin 說，在一個(gè)應(yīng)用中，AMAMCO 金剛石涂層工具的使用壽命為 1200 個(gè)孔（底部照片），而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 PCD 工具的 275 個(gè)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(bào)告稱，金剛石涂層刀具的轉(zhuǎn)速約為 8500 轉(zhuǎn)/分，而 PCD 刀具的轉(zhuǎn)速為 5000 轉(zhuǎn)/分。但 Gilpin 表示，總體而言，金剛石涂層工具的轉(zhuǎn)速比 PCD 刀具慢，但進(jìn)給速度更快。洛克希德公司正在評(píng)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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