F35戰鬥機的複合材料先進加工工藝

2020-10-18 王廷強GDT

美國洛克希德馬丁公司展示了領先行業的複合材料加工技術，大大節省了生產成本。現在我們一起領略一下F35聯合戰鬥機的這項先進加工工藝。

F35複合材料的蒙皮加工設備，高精密銑鑽設備

F35戰鬥機的蒙皮VLO，very low observity 超低暴露蒙皮

精巧的切割工具，刀具的壓縮線路可以避免複合材料切削時的分層問題

F35的蒙皮裝配和切割效果

蒙皮的加工需要兩個階段，第一，先在內模加工；第二，將零件翻轉到一個鏡像的外模工裝上切割

切割完成的蒙皮直接從加工設備平臺上移到巨型CMM檢測設備上

自動化、高精度刀柄設計是這個切割設備的一個重要創新

液壓刀柄

液壓刀柄的動平衡檢測

F35 輕型Ⅱ-聯合前鋒戰鬥機，是洛克希德馬丁公司一種可以垂直起降的戰鬥機。這種機型適用於美國空軍、美國海軍陸戰隊和Navy。這個戰機的特點是VLO（超低暴露性），幾乎不可以被雷達偵測，並且這個性能的維護成本很低。

以前的隱形飛機的維護成本非常高，因為雷達對於尖銳的邊角敏感度非常高，所以隱形飛機如果做到VLO，就必須將外觀零件的配合部分圓滑過渡。過去通常使用環氧樹脂，但是環氧樹脂會變硬、內部也會出現尖銳的裂縫，導致了很難頻繁檢測和替換維護。

F35的蒙皮新型的加工技術使蒙皮之間的接縫如此的平滑，以至於根本不需要任何樹脂來修整，完全避免了之前F35遇到的蒙皮拼接問題。

這個項目得到美國軍方三大戰機不同用戶的支持，也獲得了美國8個軍事盟友的支持，這些軍事盟友為項目提供了超過40億美元的開發費用，甚至都不需要動用美國納稅人的錢。

這種CNC的加工技術使加工後即交付變成可能，對於美國以外的國家，使這種VLO戰機的維護成本變得合理可行。

這個設備的複合材料加工技術精度極高，公差控制嚴格，天衣無縫的拼接技術成為可能，不會因為拼接蒙皮增加雷達可探測面積。

這個CNC設備長達15米，配備了能夠提供精確定位的玻璃分劃尺、能夠提供幾何補償的DC專利作業系統。F35的採購團隊聲稱這臺五軸加工設備是目前國際上這個尺寸規格的CNC工具機中精度最高的。

碳纖維製作的複雜輪廓零件也在這臺設備上加工，還包括固定零件的鋁真空夾具，大約56個型號的零件在這臺設備上銑、鑽和切割。碳纖維零件需要分別銑內表面，然後固定在一個真空吸附的夾具上加工外部的其它特徵。

F-35的蒙皮加工精度保證方法的細節沒有對外透露，但是可以從工藝角度做出分析：

壓縮線路

1

複合材料由多層組成，加工力會導致層分離，產生脫層線現象。這是機加工複合材料精度保證的最大的難題。傳統的PCD刀具只能持續切割7米，然後因為刀具的磨損，繼而產生複合材料脫層。

這個問題的解決方案是一個硬質合金刀具的開發，AMAMCO公司的產品，這種新型刀具結構上有獨特的壓縮線路，在切削時，刀具具備同時壓縮複合材料的功能，避免了分層現象。這種刀具的價格只有PCD的1/3，但是壽命可達33米。

厚度銑削

2

碳纖維的生產雖然使用自動布層方法，但是對於厚度仍然精度控制不足，需要使用CNC進一步加工。通常使用PCD球頭微控銑刀來完成，加工線路必須平行且進給距離微小。

銑削過程需要6個小時，研究團隊正研究使用平頭銑刀在6軸設備上的加工，這樣理論上可以獲得單次更大的加工面積，以提高效率。

補償，甚至是地面

3

產生變差的一個原因是車間的混凝土地面。為了穩定設備，車間地面澆注了10米深的地基。但是這樣的地基仍然會產生微小的抖動。為了提高這臺CNC設備的精度，使用了多個布置在設備X-Y導軌四個角上陶瓷球來實時檢測地基的變化。

CMM測量

4

對於這種大型的工件和工裝，在線檢測是最可行的檢測方法。研究團隊的解決方案是將CNC設備的底座做成移動形式，底座同上面的零件可以同時移動到旁邊的三坐標測量室，另一個巨大的房間。為了在運輸中不會損壞零件，三個底座的真空泵獨立設置。

專業的操作者

5

考慮到設備的精密要求，專門培訓了一批操作者，並設置了一個新的技術崗位分類「STEM」 - 特殊技術設備。

刀柄

6

刀柄也是一個關鍵的影響因素。任何加工中心都會同意刀柄的重要性，精確的對中、夾緊和穩定性可以保證工件的高精度要求。

這臺CNC設備使用液壓刀柄，刀具和刀柄需要經過Haimer的平衡機測量。在液壓手柄中，使用了壓力鎖緊式刀柄Tribos，Shunck公司的彈性金屬變形技術。

沉孔加工

7

沉孔加工工藝控制成本較高。F-35蒙皮的沉孔精度要求很高，技術人員通常使用沉孔檢具手動測量然後再調整加工設備的參數，這個流程要耗費大量時間。如今，這臺CNC設備已經完全去除了這種手動操作。洛克希德馬丁公司內部開發一個PINC的裝置，具備壓力的垂直矢量沉孔加工。

這個裝置裝配在這臺CNC的主軸上，加上沉孔加工刀具和一個精度調整裝置，這個調整裝置有一個觸點接觸零件表面，因為機械方式補償，可以免維護使用。

圖片是F-35的一個部件，可以看到這些零件輪廓的複雜性和數量巨大的加工孔，這些孔還必須經過檢測。是否能夠實現鑽孔和測量孔在同一時間完成呢？對於這個具有挑戰性的工藝問題，洛克希德馬丁公司的工程師正在努力實現。

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