F35复材蒙皮钻孔4——F-35的复合材料加工
本文摘要（由ai生成）：
这篇文章主要介绍了洛克希德·马丁公司生产的 F-35 闪电 II 联合攻击战斗机的高价值、高度工程化加工工艺，包括紧密贴合的蒙皮部分、挤压铣刀工具、蒙皮零件的两阶段机加工和 FOG 机器等。这些工艺使飞机具有非常低的可观察性，并且维护成本也非常低。文章还介绍了 FOG 机器的一些关键技术和创新，包括使用陶瓷测量球体来监测地基运动、通过三托盘交付系统将零件转移到 CMM 上进行检查、使用液压支架和工具平衡测量机来确保刀具夹具的同心度和稳定性、使用 PINC 设备来自动放置埋头孔等。这些技术和创新使得 FOG 机器能够加工出高精度的 F-35 战机复合材料蒙皮零件，同时也降低了生产成本。
洛克希德 · 马丁公司为 F-35 精确加工复合材料蒙 皮部分， 这也是该飞机为美国纳税人省钱的部分原因。 这种机加工使飞机引人注目，导致其他国家承担了部分 成本。以下是联合攻击战斗机的高价值、高度工程化加 工工艺。
紧密贴合的蒙皮部分提供了 F-35 的非常低的可观察性 (VLO-very low observability)。
为修切复合材料蒙皮而开发的挤压铣刀-compression router 通 过在机加工过程中将材料层推到一起来抑制分层。
洛克希德 ·马丁公司的里克 ·丹尼讨论了挤压铣刀工具。
蒙皮零件分两个阶段进行机加工。内模线（此处）加工完 成后，零件将翻转到镜像夹具上，用于修切和外模线操作。
为了进行检查，托盘从 FOG- flexible overhead gantry 机器移到 此处所示的大型 CMM。
PINC- pressure induced normal-vectored countersink 工具是应用于该 过程的更重要的成本节约创新之一开发出一种精确、自 动的埋头窝放置方法，消除了过去进行埋头窝控制的大 量手动操作。
洛克希德·马丁公司的杰米·史密斯是参与开发 PINC 工具的工程师之一。
FOG 机器使用在平衡机中测量的液压刀架（下一张照片）。
精密公差 FOG 机器对 F-35 复合材料蒙皮截面进行精密铣削和钻孔。
美国武装部队的不同部门历来坚持使用不同的飞 机。空军、海军陆战队、海军—他们有不同的任务， 面 临不同的需求。一架一刀切的战斗机显然生产和维护成 本较低，但人们一直认为， 为了给每个服务部门提供最 适合其角色的设备，成本效率相当低是有道理的。其结 果是军用飞机成倍增加，不同型号的飞机可以重复使用。 乔尔 · 马龙（Joel Malone） 说，在国际力量加强合作的 时代，乘法运算变得更加复杂。马龙是国防航空公司洛 克希德 · 马丁公司 F-35 项目的高级经理。他说，在 20 世纪 90 年代的波斯尼亚冲突中， 他看到了这种多样性 的影响。一个联盟机场展示了来自美国和其他国家的不同飞机的全景。各种飞机需要不同的供应链和不同的维 护程序， 以便在战场上为它们提供支持。
现在，与飞机开发和设计相关的技术进步使设计 一 个能够适应多种需求的单一飞机平台成为可能。同一架 飞机，在不同的型号配置中， 可以为海军陆战队提供短 距离起飞和垂直降落的能力，海军航母降落所需的弹性， 或者空军所珍视的速度和机动性。
洛克希德 ·马丁公司生产的 F-35 闪电 II（也称为联 合攻击战斗机）是一种多用途飞机。
事实上，这种飞机的可能变体也使其有可能为美国 的各种军事盟友量身定制。
然而，马龙说，仅凭经济因素不足以让美国及其盟 国支持一个共同的飞机项目。由于设计受制于另 一项服 务的需求，所以不要将飞机和其他服务放在同一架飞机 上， 这一警告太过强烈。必须要有一根胡萝卜--一种使 这架飞机与众不同的诱惑。在 F-35 上，胡萝卜是 “VLO- very low observability ”，或者说“ 非常低的可观察性 ”。通过 雷达和其他传感手段， 这架飞机很难被探测到。
但胡萝卜实际上比这更好。 F-35 具有“ 可支持的- supportable”VLO。也就是说，这架飞机上的 VLO 的维护 成本非常低。
过去的隐形飞机不能做出这样的声明。由于雷达可 以检测到尖锐的边缘， 即使是过去 VLO 飞机外部部件 之间的微小失配也可以使用环氧树脂进行平滑处理。环 氧树脂会在现场干燥、硬化和分离，这意味着必须经常 检查和更换。
相比之下，F-35 的相邻部件匹配得如此流畅和精确， 以至于不需要环氧树脂。以前的隐形飞机的问题已经消 失了。
这一好处，加上多用途的经济性，有助于赢得许多 军事部门的联合支持。它们不仅包括美国的军事部门， 还包括其他八个伙伴国家的军事部门。每个分支机构的 影响力与其贡献成正比，因此非美国国家已承诺为飞机 的开发投入 40 多亿美元。这是美国纳税人不必花的钱。 而回报几乎直接归功于数控加工。同样， 根据马龙先生 的说法， 可支持的 VLO 是外国支持的一个重要原因。 允许支持 VLO 的是部件之间的紧密匹配。
为什么允许势均力敌的比赛？ 我在最近参观洛克 希德 ·马丁公司位于德克萨斯州沃斯堡的制造园区时看 到了答案。
答案当然是数控加工。复合材料蒙皮经过研磨和钻 孔，公差非常接近，飞机的组装表面避免了雷达所能看到的失配。
简言之，这家公司的数控加工集团所获得的精度帮 助实现了一种如此有效、能力如此强大的飞机， 以至于 其他国家都想帮助我们支付费用。
竞争的 FOG
一台精密的五轴铣床提供了这种复合材料蒙皮的 精确铣削和钻孔。国防供应商喜欢缩写词；洛克希德 ·马 丁公司称这种机器为“FOG- flexible overhead gantry ”，意思 是柔性高架龙门架。
事实上， FOG 上使用的一个更有趣的项目是一个缩写 为 PINC-pressure induced normal-vectored countersink 的设备。也许 不可避免地，PINC 被染成了粉红色。（有关此设备的详 细信息， 请参阅下文。）
FOG 由机床制造商 DS Technology 提供，该公司的 美国总部位于俄亥俄州辛辛那提。这台五轴铣床的 X 轴 托盘长度为 15 米。提供位置精度的玻璃秤和用于体积 补偿的专有 DS 技术系统有助于在整个机器的大工作范 围内保持严格的精度。 F-35 全球生产技术运营副总裁 唐 · 基纳德(Don Kinard)博士表示， 他认为这台机器是 “ 就其尺寸而言，世界上最准确的机床 ”
这里加工由碳纤维增强塑料（CFRP）制成的复杂轮 廓零件，在加工过程中固定零件的同样复杂的铝制真空 夹具也是如此。大约有 56 个复合材料零件号在机器中 进行铣削、修剪和钻孔，但随着零件号的整合以实现全 面生产， 这一数字可能会下降。对于典型的 CFRP 零件 编号，该过程包括在零件固定在一个真空夹具上时加工 复合材料零件的 IML（内模线或内表面），然后在零件 翻转到相邻的镜像真空夹具上后加工 OML（外模线）的 剩余特征。
在我自己的访问中，洛克希德 ·马丁公司不愿透露 的最重要的细节是 F-35 机加工过程能够保持的精确公 差。相反， 我了解了这个过程的要素。
因此，以下是实现这些未指定公差的一些原因：
1. 挤压铣刀-compression router
分层是复合材料零件加工精度的最严重障碍。修切 边缘时尤其如此。材料是分层的，机械加工的力会导致 层分离。
里克 · 丹尼（Rick Denny） 是联合攻击战斗机加工 系统的技术负责人。他说， 以前用于修切复合材料的切 割工具——一种具有 PCD 边缘的工具——只能使用 21 英尺。仅仅在这个距离之后，工具磨损引起的力的变化将导致分层开始。
他说， 解决方案是使用硬质合金工具。具体而言， 该解决方案是由刀具供应商 AMAMCO（美国制造和营 销公司）与美国国防制造和加工中心合作开发的“压缩 路由器 ”。该工具的特殊几何形状（见图） 以一种在切 割零件时将零件层压缩在一起的方式引导切割力。他说， 这种工具的价格是以前工具的三分之一，但在磨损成为 问题之前， 它通常可以使用 100 英尺。
2. 铣削厚度
CFRP 零件是使用自动铺丝过程精确制造的， 但即 使这样也不能足够精确地控制厚度。厚度必须通过数控 铣削进一步控制。PCD 球头立铣刀在一组平行的小台阶 刀具路径中加工零件（IML）的内表面。
铣削操作大约需要 6 个小时。基纳德博士认为这是 这个过程中可能会变得更高效的许多方面之一。加工小 组正在研究是否可以在五轴路径中使用平底铣刀来获 得必要的精度，该工具每次通过都可以去除更宽的材料 带。
3.混凝土补偿
潜在变化的一个原因是车间地板的沉降。为了保持 稳定性，机器位于 30 英尺深的地基上。然而，即使是这种基础也会随着时间的推移而发生微妙的变化。为了确 保任何沉降都不会影响机器的精度， FOG 机器具有陶 瓷测量球体，这些球体 位于机器 X-Y 行程的四个角的保 护壳中。机器每天对这些球体进行探测， 以监测地基运 动。
4. CMM 检查
对于如此大的工件和夹具，机上检查似乎是最实用 的验证手段。也就是说， 只需将零件留在原位， 然后在 机器上进行测量。 基纳德博士指出了这种方法的问题： 与 FOG 机器的成本和价值相比， 即使是大型 CMM 也 会是低成本的。
因此，FOG 更有效的用途是使其免于检查，即使这 意味着移动零件。通过一个巨大的三托盘交付系统，每 个零件都可以从蔡司 （ Zeiss ） 运送到一个房间大小的 CMM。为了确保将零件固定在夹具上的真空在转移过 程中不会被破坏，一系列独立的真空罐在每个托盘上移 动。
5． 特种作业人员
了解这种精细精密工艺的各个方面需要进行特殊 培训，这导致沃斯堡工厂对机械加工技术人员进行了新 的分类。在 FOG 上 工 作 的 某 些 操 作 员 被 归 类 为“STEM” ，用于配备特殊技术的机器。
6. 刀架注意事项
当然，刀架也是影响加工精度的重要因素。任何 一 家达到精密加工中心精度的商店都可以欣赏这一点。刀 具夹具的同心度、夹紧性或稳定性不足可能会破坏其余 过程。
FOG 使用液压支架， 每个工具和工具支架组件使 用 Haimer 的工具平衡测量机进行平衡。对于长距离的 工具夹持（考虑到轮廓更大的零件的可访问性挑战， 这 是一种常见的要求）， 该过程在液压工具中使用 Tribos 扩展。“Tribos” 是 Schunk 的一种系统， 它使用刀柄金 属的弹性变形作为热激活收缩配合的替代方案。
7. 埋头孔控制
加工埋头孔曾经是该工艺中成本较高的挑战之 一。 由于即使是埋头孔也需要 F-35 蒙皮零件的精度，技术 人员过去常常使用手动埋头孔规测量孔，并手动更新机 器偏移量。该过程耗时且容易出错。现在， 使用洛克希 德 · 马丁公司内部开发的设备， 手工工作已经被取消。 该设备是 PINC，用于压力引起的法向矢量加工埋头窝。 技术研究员里克 · 卢普克（Rick Luepke） 和应用工程师 杰米 · 史密斯（Jamie Smith）（如图）领导了该工具的开发。该工具安装在 FOG 的主轴上，包含切削工具（组 合钻头/埋头工具）， 并具有一个可精确调节的鼻状件， 该鼻状件在切割之前与零件表面接触。通过包括鼻形件 和整体线性补偿在内的纯机械方式，该设备可以使机器 偏离零件表面，从而可以准确自动地放置埋头孔。因为 它不需要对机器进行电子反馈，所以可以在现有机器上 使用，而无需改造。
史密斯女士说，这种设备可以在市场上买到。洛克 希德 · 马丁公司授权密歇根州特洛伊市的杰伊 · 恩恩 公司出售。洛克希德 · 马丁公司自己的 PINC 版本本身 是部分粉红色的（见图），但许可协议没有规定颜色。
第二台机器
不过，说真的： 基纳德博士说， PINC 对 F-35 机加 工成本的影响已经很明显了。该设备展示了看似狭窄的 制造改进可以达到的程度。自动锪窝加工已经转化为更 大的机器可用性， 因为机器不再等待手动孔测量，也不 再因锪窝放置错误而浪费时间。由于这些节省，每个零 件的生产成本更低， 沃斯堡工厂可以用更少的 FOG 机 器来满足其需求。
他说，又有一只狐狸来了。下一个 30 英尺深的地基的坑已经挖好了。在锪窝系统的其他省时、省电的创 新的最终帮助下，该公司希望仅这两台机器就足以满足 F-35 全面生产的所有复合材料龙门加工需求。
你能解决这个钻孔挑战吗？
洛克希德 ·马丁公司装配区的这一部分（如左图所 示）说明了飞机某些部件通常需要的孔的数量。
如何降低精密加工的成本？ 这个问题—以这样或 那样的形式—占据了洛克希德 ·马丁公司众多工程师的 大部分注意力。如果 F-35 蒙皮部件中使用的相同类型 的精密五轴铣削能够在整个飞机上经济高效地应用，结 果将是组装成本低得多的高性能飞机。该公司期待着机 床技术发展到今天的那一天。
与此同时，洛克希德 ·马丁公司负责 F-35 全球生产 的技术运营副总裁唐 ·基纳德博士描述了一种不同的制 造解决方案，如果能找到的话，这种解决方案可能会产 生类似的全面影响。他说，在组装过程中， 零件要经过 大量的钻孔。这张照片显示了仅一个组件中可能涉及的 孔数。有些工作是在数控钻床上完成的，有些是用工程 手动工具完成的。在任何一种情况下，都必须检查许多 或大部分钻孔。
但是，如果有一种方法可以一次钻孔并检查一遍呢？ 唐 ·基纳德博士说， 具体来说， 孔径和埋头窝深度是否 都可以被确认为产生这些特征的同一道工序的一部分？ 他不知道这样的系统是如何工作的。也许是通过使用电 场进行感应？无论是什么机制，找到解决这一挑战的方 法都将降低在每个都有数千个关键孔的飞机上钻孔的 成本。
------ 完 ------
原文见：
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 (初发布日期：2012.4.9 )
3.《Skinning the F-35 fighter》 2009.10.19
4.《Composites Machining for the F-35》 2010.8.3
杨超凡 2024.2.26
