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F-35型战机复合材料的加工

时间: 2011-06-28 13:01 来源: 作者: Peter Zelinski  点击:
Lockheed Martin公司对F-35型战机表皮部分的的精密加工,为这类战机的制造为什么能够为美国纳税人节约资金提供了原因。这导致了其他一些国家为制造这一战机而被迫付出了代价。本文将对这一联合战斗机的高价值和高工程加工工艺作一介绍。

美国军队的不同兵种历来坚持采用不同的。空军、海军陆战队、海军——他们承担不同的使命,面临不同的需求。生产和拥有一种适合于各兵种的战斗机显然有利于降低生产成本,但争论的焦点集中在其能否保证相当数量的低成本效益,以便使该飞机能够为每个兵种的服务起到其最好的作用。其结果是:不同型号的军用飞机数量在不断地增加,以满足其重叠使用的要求。

Joel Malone先生说,在一个国际军事力量之间合作不断增强的年代里,这种军用飞机的多样性甚至显得更为重要。Malone先生是Lockheed Martin国防公司F-35战机项目的一名高级经理。他说,在20世纪90年代的波斯尼亚冲突中,这种多样性的效果得到了充分反映。来自美国和其他国家的不同飞机,在一个联军机场举行了一次全景式军事演习。各种飞机需要采用不同的供应链和不同的维护程序,以便在各个战场上能够全力支持他们。


图1 具有紧密公差尺寸的FOG机床正在对F-35型战机的表皮复合材料进行精密的铣削加工和钻削加工


为F-35型战机提供的紧密配合型表皮部件具有很好的VLO性能,或具有“非常低的可探测性能”

现在,与飞机开发和设计相关的技术改进,使其有可能设计出一种能够满足于多种需求的单一飞机平台。同一架飞机,采用不同类型的配置,可以达到短距离起飞和在军舰上垂直着陆的能力,具有在海军航空母舰上着陆所需的弹性,或空军所需的速度和机动性。

F-35闪电II型战机(也被称为联合攻击战斗机),由Lockheed Martin公司生产,是一种多功能用途的飞机。

事实上,这种可以随时变型的飞机,也使其有可能成为适用于美国各军事盟国的飞机。

然而,Malone先生说,单靠经济还不足以让美国及其盟国的服务能够支持一个共同的飞机项目。对于触及到另一服务项目的同样飞机,需要采取特别谨慎的态度,应使其设计满足该服务项目的需要。这里必须设置一个“吸引人的地方”,使该飞机具有特别的性能。在F-35型战机上,所谓“吸引人的地方”就是“VLO”,或称作“很低的可探测性能”。也就是说,采用雷达和遥感等其他手段,是很难探测到这种飞机影踪的。

但实际上,这种F-35型战机上具有“可支持的”VLO功能。也就是说,这种飞机上的VLO只需要非常低廉的维护费用。


图3 为修整表皮复合材料而开发的压缩路由器,
在加工期间通过其对材料各层次的推压来抑制其脱层现象的出现

过去的隐形飞机达不到这样的要求。在过去的VLO飞机上,由于雷达能够探测到其锋利边缘,甚至能够探测到其因采用环氧树脂密封后外部零件之间所产生的细微不匹配处。环氧树脂会在现场使用过程中干燥、硬化和分解,这意味着它必须进行经常地检查和更换。

相比之下,F-35型战机相邻零件之间的结合是如此的流畅和精确,因此不需要使用环氧树脂密封。以往隐形飞机所存在的那种麻烦已经消失。

这一优点除了经济上的多功能用途之外,还有助于赢得众多军事服务机构的联合支持。它们不仅包括美国的军事分支机构,而且还包括其他八个共同合作的国家。每个分支机构所产生的影响与其所作出的贡献成正比,因此非美国家已经为该飞机的研发支出了40多亿美元。

这笔支出几乎全部直接应用到了CNC数控加工上。而且,正如Malone先生所说的那样,可支持的VLO是得到国外支持的一个很大原因。而允许可支持的VLO存在是在于其零件之间的紧密匹配。


图4 Lockheed Martin公司的Rick Denny先生正在探讨压缩路由器工具

那么究竟是什么原因使其能够紧密匹配?答案当然是CNC数控加工。飞机表皮的复合材料采用铣削加工和钻削加工的方法,其加工的公差尺寸是如此的精密,因而飞机的组装表面可防止出现雷达能够看得到的不匹配情况。

FOG机床的战争“迷雾”

一台复杂的5轴铣床提供了这种飞机表皮复合材料的精密铣削加工和钻削加工能力。国防供应商很喜欢这个缩写:“FOG”,它是flexible overhead gantry(柔性架空龙门铣)这个词的缩写。

事实上,应用于FOG机床上更为有趣的项目之一是一种缩写为PINC的装置。

FOG机床是由机床制造商DS Technology技术公司提供的,该公司的总部设立在在俄亥俄州的辛辛那提市。这台5轴铣床的X轴托盘长度为15m。提供定位精度的玻璃光栅尺和用作容积补偿的一套DS Technology技术公司的专用系统,可帮助整台机床保持较大工作范围内的紧密精度。Don Kinard博士是F-35型战机全球生产技术操作部的副手,他说,他认为这台机床是“世界同一尺寸类型产品中最精确的机床。”

由碳纤维增强塑料(CFRP)制成的、外形复杂的零件都在这里加工,同样,外形复杂的并在零件加工中用于夹持零件的铝制真空夹具也在这里生产。大约有56个数量的复合零件在这台机床上铣削、修整和钻削加工,这个数字有可能逐步下降,因为部分数字是由全面生产所造成。对于由典型的碳纤维增强塑料(CFRP)制成的零件,其工艺涉及到复合零件的IML(内模线或内表面)加工,同时,零件被固定在一套真空夹具上,然后在零件被翻转装夹到邻近的一套同样的真空夹具上以后,开始从OML(外模线)上加工其余的部分。

Lockheed Martin公司并没有透露F-35型战机加工工艺之所以能够保持精密公差尺寸的最重要的技术细节。

那么,这里究竟是一些什么东西使其有可能达到那些未经详细说明的公差尺寸的呢:

1.压缩路由器

在复合零件加工中,脱层代表了其加工精度所受到的最严重障碍。在修整边缘时这一点尤其是确切无疑的。该材料是多层次组成的,加工引起的外力可以使该层次造成分离。

Rick Denny先生是联合攻击战斗机加工系统的一名技术负责人。他说,以前用于修整复合材料的一把刀具是一把带有PCD刀刃的刀具,只能延续使用21ft(1ft=30.5cm)的距离。由于刀具磨损造成的外力变化,开始出现脱层的情况。

他说,其解决方案是采用一把碳化物硬质合金刀具。具体来说,该解决方案实际上是一个来自于刀具供应商AMAMCO公司(美国制造和销售公司)的“压缩路由器”,是与国防制造和加工的国家中心共同合作开发的。这一刀具所具有的特殊几何结构(见附图),直接使其切削力以压缩力的方式,将零件切削加工时的各个层次压缩在一起。他说,该刀具的成本费用约为以前刀具价格的1/3,但可以确切地保证,在其磨损前,它通常可以延续使用100ft的距离。

2.铣削加工厚度

碳纤维增强塑料(CFRP)是采用纤维配置工艺精密生产的,但即使采用这样的方法,也不能以足够的精度控制其厚度。其厚度必须通过CNC数控铣削加工的方法才能进一步控制。PCD球端立铣刀是以一种平行、小步距的刀具路径方式加工零件的内表面(IML)。铣削加工操作大约需要6h的时间。Kinard博士认为,这种方法作为许多有效的工艺方案之一,可能会具有更高的效率。加工小组正在调查是否可采用平底铣刀来进行代替,以达到必要的加工精度,在五轴加工路径中,它的每一次走刀,可以切除更加宽厚的材料。

3.即使是混凝土结构也可进行补偿

另外一类潜在变化的原因是车间的设置。为了达到稳定性的目的,机床被安装在30ft深的基础坑内。然而,即使是这样的基础,随着时间的推移,也会产生微小的运动。为了确保任何安装方式不影响到机床的精度,FOG机床在其X/Y行程的四个角落上安装了陶瓷检测球体,该球体采用防护罩保护。机床每天探测这些球体,以监控基础的运动状况。

4.采用CMM检验

对于这样的大型工件和工装夹具来说,采用机上联机检测似乎是最实用的验证手段。也就是说,让零件留在加工机床的原来地方,然后在机上测量这些零件。Kinard博士指出了采用这种方法所存在的问题:即便是一台大型CMM三坐标测量机,与FOG机床本身的成本和价值相比,其成本费用也将是相对低廉的。

因此,更加有效的使用FOG机床,实际上就是将其从检验中解放出来,即使这意味着会使零件移动。通过利用一个巨型的三托盘传送系统,可使每个零件在一台相当于房间大小的Zeiss公司CMM三坐标测量机上进行穿梭测量。为了确保零件在传输过程中,紧紧地夹持在真空夹具之上而不松动,应采用一系列独立的真空舱在每一个托盘上运行。

5.专业操作人员

要了解这种精密加工工艺的各方面情况,需要进行特别的训练,这就导致了对Fort Worth工厂内机械加工技术人员进行新的分类。在FOG机床上工作的某些操作人员被列为“骨干”力量,为具有特殊技术装备的机床提供服务。

6.有关刀柄的注意事项

当然,刀柄也是影响加工工艺精度的一个重要因素。任何希望加工中心的精度达到精密的公差尺寸的人都明白这一道理。如果刀柄的同心度、夹紧程度或稳定性不合适都可能会破坏其余的加工工艺。

FOG机床采用液压式刀柄,而且对每一刀具和刀柄组件采用Haimer公司的刀具平衡测量机进行平衡测量。对于延伸距离较长的刀柄(假如其可接近性面临外形更复杂零件的挑战,就往往需要这样的刀柄),该工艺在液压刀具内采用Tribos 延伸刀柄。“Tribos”是一套由Schunk公司提供的系统,它采用刀柄金属的弹性形变作为一种替代方法,以代替热胀冷缩的刀柄夹紧方式。

7.埋头孔的控制

埋头孔的加工曾经是一种比较昂贵的、具有挑战性的工艺之一。在F-35型战机的表面零件上,即使是埋头孔的加工也要求具有很高的精密度,因此技术人员一度采用手工埋头孔测量仪对埋头孔进行测量,并采用手工方式更新机床的偏差。这是一个非常耗时的工序,且容易出错。现在采用了一种由Lockheed Martin公司内部开发的测量装置,从而代替了手工作业的方式。这种装置就是PINC测量装置,用于测量由压力导致的正常向量埋头孔压力。

技术研究员Rick Luepke先生和应用工程师Jamie Smith女士领导这一工具的开发工作。该工具安装在FOG机床的主轴上,其中包括刀具(一套组合式钻孔/埋头孔加工刀具),并带有可调节精确度的鼻形元件,使其在刀具开始加工前与零件的表面接触。通过纯粹的机械手段,包括对鼻形元件完整的线性补偿,该装置让机床的分度从零件的表面出发,从而使其能够精确和自动地加工埋头孔。因为它不需要对机床进行电子反馈,因此它可以直接应用在现有的机床上,不需要重新改造。

Smith女士说,该装置已可通过商务方式订购。Lockheed Martin公司已通过密歇根州的Jay Enn Corporation公司获得了该装置的销售许可证。Lockheed Martin公司自己的PINC测量装置本身就采用粉红色油漆,但在许可证协议中并没有提到指定的颜色。

第二台机床

Kinard博士真诚地说,虽然该PINC测量装置对F-35型战机的加工成本具有明显的影响,但该装置显示,其对制造生产上的改进似乎只能达到一个很窄的范围。自动埋头孔的加工已转换到更大的机床上,因为该机床再也不能等待孔径的手工测量,而且在埋头孔的安排中再也不允许因误差而造成的时间损失。由于有了这些节约,因此每一零件的生产成本降低,Fort Worth工厂只需要几台FOG机床就能满足其潜在的需要。

他说,还将有更多的FOG机床陆续进厂安装。用于安装下一台机床的30ft深的基础坑已挖掘就绪。该公司希望,只使用这两台机床足以满足F-35型战机全面生产所需的复合材料龙门式加工要求。

您能够解决这一钻削加工所面临的挑战吗?

怎样才能以较少的费用进行精密加工呢?这个问题吸引了大部分Lockheed Martin公司工程技术人员的注意力。如果在F-35型战机表皮零件加工生产中使用的同一类型精密5轴铣削加工能够以很好的成本效益应用于整个飞机的生产,那么其结果将一定能够生产出具有较高性能的飞机,而且其组装费用将会低得多。该公司期待有一天机床技术能够发展到如此长远的水平。

同时,Lockheed Martin公司负责全球F-35型战机生产的技术业务副手Don Kinard博士,描述了一个不同的生产解决方案,如果能够找到这样的一个解决方案,它也可能同样会产生巨大的影响。他说,在组装过程中,零件将要经过大量的钻削加工。从图中可以看到,仅仅在一个零件上就可能涉及到如此众多的孔径钻削加工问题。有些工作是在CNC数控钻床上加工完成的,而有些孔径需要采用手工加工。不管采用何种加工方法,许多或大部分钻削加工的孔径都是需要检验的。

如果有一种方法可以在一次性走刀过程中,立即完成钻孔和检验任务,那么将会发生什么样的情况呢?

从具体情况来看,Kinard博士说,在这一同一次走刀过程中加工的孔径和埋头孔深度都可能被作为其中的一部分而得到确认吗?

他不知道这样的一套系统将如何工作。也许通过使用一种感应式电场?不管采用什么样的机构,找到迎战这一挑战的解决方案,将会降低飞机上成千上万个关键孔径钻削加工件的生产成本。(end)

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