F35复材蒙皮钻孔3——F-35复材蒙皮钻孔技术-2
本文摘要（由ai生成）：
本文主要介绍了 F-35 战斗机的复合材料应用情况。F-35 的复合材料用量约占飞机结构重量的 35%，主要用于制造蒙皮。洛克希德·马丁公司在 F-35 的复合材料制造过程中，通过管理蒙皮厚度、使用机械加工或模具后添加帘布层等方式，确保蒙皮达到厚度目标。此外，该公司还使用了无损激光超声检测系统检查复合材料结构的内部缺陷。
十多年发展
洛克希德 · 马丁公司是 F-35 的主要承包商， 于2001 年 10 月中标。诺斯罗普 · 格鲁曼公司和 BAE 系 统公司是该项目的主要合作伙伴。这三家公司已经完 成了为期 12 年的系统开发和演示（SDD- System Development and Demonstration ）阶段的一半以上，其 中包括 19 架飞机的生产和测试。复合材料一直是制造 业的主要组成部分。诺斯罗普 · 格鲁曼公司在其位于加利福尼亚州帕姆代尔的工厂制造中心机身； BAE Systems 在其位于英国萨姆斯伯里的工厂生产后机身和 尾翼，ATK（犹他州麦格纳）生产机翼蒙皮； 洛克希 德 · 马丁公司在沃斯堡制造前机身并总装成品飞机。第一架 F-35 是一种 CTOL 变体，于 2006 年 12 月 15 日 首次飞行。所有 SDD 飞机都在生产中或在飞行线上进 行测试； 首批 14 架生产型 F-35 已经开始总装。
HPC 最近被邀请参观沃斯堡的大型工厂，亲眼目 睹这种下一代战斗机的复合材料是如何成型的。
预算紧张的大工程
制造一种在一定程度上以预算友好的方式销售的 战斗机的挑战之一是， 必须特别注意对飞机的每个部 件进行成本优化。对于 F-35 的碳纤维复合材料来说， 这可能是最正确的， 它约占战斗机结构重量的 35%和 大部分可见表面。由于机身部分、机翼和尾翼来自不 同的供应商，洛克希德公司面临的最大挑战是管理飞 机的复合材料蒙皮厚度。
洛克希德 · 马丁航空公司 JSF 生产运营技术副总 裁 Don Kinard 表示，该公司花费了大量时间评估飞机 框架和蒙皮的各种材料类型—复合材料、铝、钛和钢，以确定最具成本效益的成本效益比。
“我们能制造一架全复合材料的战斗机吗？ ”基纳 德问道。“当然，但我们不会因为可以就采取行动。一切都是成本效益分析。哪里是最有效地使用复合材 料的最佳场所？”他指出，对 F-16 、F-22 和 F-35 的复 合材料结构进行了评估，但没有提供证明成本合理所 需的重量节约。他说：“ 我们需要为复合材料结构节 省更多的重量，以使其有意义。 ”。他还指出，在复 合材料的子结构中， “材料 Z 向特性是个问题。树脂 的强度必须得到显著提高。还有很多需要克服的。 ”
因此，F-35 上的复合材料几乎只用于蒙皮 。 Kinard 指出，洛克希德公司在飞行服务温度允许的情况下，使用 Cytec Engineered Materials（亚利桑那州坦佩市）的碳纤维/环氧树脂， 但飞机的大部分蒙皮需要更高的 耐热性， 其中使用了 Cytec 的 CYCOM 5250-4 双马来酰 亚胺（BMI）。尽管洛克希德公司正在评估新一批用 于特殊应用的热压罐外树脂，但Kinard 预计基质近期 不会发生变化。
它的表皮全部由碳纤维增强塑料制成。大部分机 身部分的基体为 CYCOM 977 环氧树脂，机翼和一些较 热表面的基体为 CYCOM 5250 双马来酰亚胺树脂。 增 强纤维为中等模量碳纤维，主要为Hexcel IM7，抗拉强度为 550-700 ksi。双马来酰亚胺通常比铝具有更好的 耐热性； 根据所比较的特定合金和树脂，环氧树脂的 耐热性不如铝或铝。
在 F-35 的 SDD 阶段， 根据供应商、零件的复杂 性和成本效益，蒙皮部分的生产有所不同。例如，ATK 使用自动纤维放置（AFP） 技术生产许多机翼复 合材料零件。洛克希德公司内部选择使用手工铺放生 产前机身蒙皮。随着 F-35 的投产， 更多的国内和国际 航空航天供应商将参与复合材料部件的生产， 包括阿 莱尼亚航空公司（意大利罗马） 、康斯伯格国防系统 公司（挪威康斯伯格）Terma A/S 公司（丹麦格勒纳）、TAI 公司（土耳其伊斯坦布尔）和其他公司。 “ 我们正在利用全世界在复合材料制造方面的能力， ”基纳德认为。
基纳德表示，他和洛克希德公司的 F-35 复合材料 的大部分精力都集中在管理复合材料蒙皮的厚度上。在某些情况下，这是通过基于仔细计量的复合材料层 的添加和减少来实现的，而在其他情况下， 则是通过 对零件进行机加工来实现的。
基纳德表示，复合材料蒙皮厚度的一致性对于注 重重量、性能和成本的 F-35 至关重要。洛克希德公司及其合作伙伴使用两种方法来确保蒙皮达到厚度目标：机械加工或模具后添加帘布层。在沃斯堡的洛克 希德 · 马丁公司，前机身蒙皮被手工铺在因瓦模具上，并在塔里科公司（加利福尼亚州长滩市） 制造的 三台大型热压罐中的一台中进行固化。随后， 将固化 成层压板的工艺补赏层进行机加工，以控制蒙皮的厚 度。在 ATK，机翼的纤维蒙皮被固化，固化后，蒙皮 厚度使用洛克希德 · 马丁公司制造技术和生产工程人 员开发的工艺进行精确测量。如果需要，在称为 固化 层压板补偿（CLC-cured laminate compensation）的过 程中，将额外的层压板叠起来， 并对整个结构进行第 二次固化。“ 这里的圣杯（Holy Grail） 是控制厚度， ”他说，但他指出，成本决定了这样做的策略。
大型加工中心
位于洛克希德公司庞大的沃斯堡工厂中心， 是该 战略的关键组成部分： F-35 的机加工和钻孔作业。在 Dörries Scharmann Technologie GmbH（DST）（德国门 兴格拉德巴赫 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 心对 F-35 的一些前机身蒙皮、机翼蒙皮和其他复合材 料部件进行加工和钻孔。基纳德承认： “在这个项目中，修剪和机械加工对我们来说是一件大事。 ”。
DST 系统自动化了历史上手动执行的大多数工作。同 样，制造技术集团的工程师在将这些系统上线和开发 可靠的加工工艺方面发挥了重要作用。DST 系统使用带自动换刀装置的柔性高架龙门架 （FOG-flexible overhead gantry）来处理修边、钻 孔和压缩路线。这里所做的大部分加工都是在机身前 部蒙皮上进行的。（机翼蒙皮加工已移交给 ATK，ATK 与华盛顿州塞德罗 · 伍利的 Janicki Industries 签订 了加工合同。）
机身前部蒙皮的加工大约需要八个小时，主要是 因为每个蒙皮部分都需要几个设置。该机器在结构的 两侧工作， 一个头加工内模线（IML，以控制厚度）， 另一个头钻孔并修剪零件边缘（EOP-edge of part）。 机翼蒙皮由洛克希德公司加工时， 通常需要较少的时 间来加工， 因为没有 IML 加工来控制厚度——机翼零 件使用 CLC 工艺来满足厚度参数。
DST 加工中心的大部分工作由 AMAMCO Tool（南卡罗来纳州邓肯市；见左侧边栏）提供的金刚石 涂层硬质合金工具处理。AMAMCO 专门为该应用程序 设计了 DST 加工路线。
加工完成后，所有复合材料结构都从 DST 机器中 推出，进入相邻房间， 该房间内装有卡尔蔡司微成像 股份有限公司（明尼苏达州枫树格罗夫）计量系统，“据我们所知，这是世界上最大的高公差测量系统， ”基纳德说。正是在这里， 对蒙皮的尺寸、边缘 和孔进行了准确性检查。MMZ-B Plus 龙门坐标测量机 自 2008 年 6 月开始运行，其扩展测量范围为 5 米乘 16 米乘 2.5 米（16 英尺乘 52 英尺乘 8 英尺）， 可容纳 F- 35 的机翼蒙皮，以及空气动力学工具、风洞模型、 1:1 模块和其他机身元件。
洛克希德 · 马丁公司还使用其内部开发的无损激 光超声检测系统（激光 UT）检查其复合材料结构的空 隙和其他内部缺陷。该系统的 400MHz 激光指向复合 结构；从激光返回到传感器的信号揭示了皮肤中的空 隙、裂纹、分层和其他缺陷。 Kinard 说，它的运行速 度为 6 英尺 2/分钟（0.56 平方米/分钟），比传统的喷 射器检查系统快 10 倍， 是 F-35 制造过程中不可或缺的 一部分。洛克希德 · 马丁公司为该系统申请了专利，但将该技术授权给了 PaR Systems 股份有限公司（明尼 苏达州 Shoreview）。
