Comparison of assembly holes quality after drilling and helical milling of the Al/CFRP stacks

• Autorzy: Doluk Elżbieta

Identyfikatory

DOI

10.7862/tiam.2023.4.1

Warianty tytułu

PL

Porównanie jakości otworów montażowych po wierceniu i frezowaniu spiralnym konstrukcji przekładkowej typu Al/CFRP

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Hybrid sandwich structures composed of aluminium alloys and CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) are now frequently used in the aerospace industry. One of the factors inhibiting their application is the difficult processing resulting from the anisotropic nature of this type of construction. These materials are often joined by screws or rivets requiring mounting holes. One of the main problems is ensuring the quality of the holes after machining. The aim of this study is to assess the hole quality (dimensional and shape accuracy) and the occurrence of delamination after machining of a Al 2024/CFRP sandwich structure. In this experiment drilling and helical milling results were compared. A traditional HSS twist drill and a PCD milling cuter with a straight cut were used. The machining was carried out with a variable cutting speed. The tests were performed for two strategy of the machining - Al/CFRP (Al 2024 T3 - Carbon Fibre Reinforced Polymer) and CFRP/Al (Carbon Fibre Reinforced Polymer - Al 2024 T3).

PL

Hybrydowe konstrukcje przekładkowe składające się ze stopów aluminium i kompozytów epoksydowo-węglowych (CFRP) są obecnie często stosowane w przemyśle lotniczym. Jednym z czynników hamujących ich zastosowanie jest trudna obróbka wynikająca z dużej anizotropowości tego typu materiałów. Konstrukcje te są często łączone za pomocą połączeń śrubowych lub nitowych wymagających otworów montażowych. Jednym z głównych problemów jest zapewnienie jakości otworów po obróbce. Celem artykułu jest ocena jakości otworów (dokładności wymiarowo-kształtowej) oraz występowania delaminacji po obróbce konstrukcji przekładkowej Al 2024/CFRP. W eksperymencie porównano wyniki wiercenia i frezowania spiralnego. Zastosowano tradycyjne wiertło kręte wykonane ze stali szybkotnącej oraz frez węglikowy o prostych zębach pokrytych powłoką diamentową (PKD). Obróbka została przeprowadzona ze zmienną prędkością skrawania. Testy przeprowadzono dla dwóch strategii obróbki - Al/CFRP (stop aluminium/kompozyt epoksydowo-węglowy) i CFRP/Al (kompozyt epoksydowo-węglowy/stop aluminium).

Słowa kluczowe

EN

Al/CFRP stacks; drilling; helical milling; hole quality

PL

konstrukcja przekładkowa Al/CFRP; wiercenie; frezowania spiralne; jakość otworu

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej ; Sieć Badawcza Łukasiewicz - Warszawski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Technologia i Automatyzacja Montażu
• Rocznik: 2023
• Tom: nr 4
• Strony: 3--12
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., il. kolor., fot., rys., wykr.

Twórcy

autor

Doluk Elżbieta

• Department of Production Computerisation and Robotisation, Faculty of Mechanical Engineering, Lublin University of Technology, Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• 1. Ahn, J.H., Kim, G., & Min, B.-K. (2023). Exit delamination at the material interface in drilling of CFRP/metal stack. Journal of Manufacturing Processes, 85, 227-235. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.11. 058.
• 2. An, Q., Dang, J., Li, J., Wang, Ch., & Chen, M. (2020). Investigation on the cutting responses of CFRP/Ti stacks: With special emphasis on the effects of drilling sequences. Composite Structures, 253, 112794. https://doi.org/10. 1016/j.compstruct.2020.112794.
• 3. Angelone, R., Caggiano, A., Improta, I., Nele, L., & Teti R. (2019). Characterization of hole quality and temperature in drilling of Al/CFRP stacks under different process condition. Procedia CIRP, 79, 319-324. https://doi.org/10.1016/j.procir.2019.02.074.
• 4. Bunting, J., & Bunting, J. (2020). Advances in Drilling with PCD (Polycrystalline Diamond). SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility, 2, 1209-1214. https://doi.org/10.4271/2020-01-0035.
• 5. Caggiano, A. (2018). Machining of Fibre Reinforced Plastic Composite. Materials. Materials, 11, 442. https://doi.org/10.3390/ma11030442.
• 6. Ciecieląg, K. (2023). Machinability Measurements in Milling and Recurrence Analysis of Thin-Walled Elements Made of Polymer Composites. Materials, 16, 4825. https://doi.org/10.3390/ma16134825.
• 7. Ciecieląg, K., & Zaleski, K. (2022). Milling of Three Types of Thin-Walled Elements Made of Polymer Composite and Titanium and Aluminum Alloys Used in the Aviation Industry. Materials, 15, 5949. https://doi. org/10.3390/ma15175949.
• 8. Doluk, E., & Rudawska, A. (2022). Effect of Machining Settings and Tool Geometry on Surface Quality After Machining of Al/CFRP Sandwich Structures. Advances in Science and Technology Research Journal, 16, 22-33. https://doi.org/10.12913/22998624/147787.
• 9. Doluk, E., Rudawska, A., & Miturska-Barańska, I. (2022). Investigation of the Surface Roughness and Surface Uniformity of a Hybrid Sandwich Structure after Machining. Materials, 15, 7299. https://doi.org/10.3390/ma15207299.
• 10. Fleischer, J., Teti, R., Lanza, G., Mativenga, P., Möhring, H.C., & Caggiano A. (2018). Composite materials parts manufacturing. CIRP Annals, 67, 603-626. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2018.05.005.
• 11. Gola, A. (2021). Design and Management of Manufacturing Systems. Applied Sciences, 15, 2216. https://doi.org/10.3390/app11052216.
• 12. Hegde, S., Shenoy, B.S, & Chethan, K.N. (2019). Review on carbon fiber reinforced polymer (CFRP) and their mechanical performance. Materials Today: Proceedings, 19, 658-662. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.749.
• 13. Hoffman Group. Machining and Clamping. Catalogue 52, 2021/2022.
• 14. Isbilir, O, & Ghassemieh, E. (2013). Comparative study of tool life and hole quality in drilling of CFRP/Titanium stack using coated carbide drill. Machining Science Technology, 17, 380-409. https://doi.org/10.1080/10910344.2013.806098.
• 15. Karataş, A.M., & Gökkaya, H. (2018). A review on machinability of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) and glass fiber reinforced polymer (GFRP) composite materials. Defence Technology; 14, 318-326. https://doi. org/10.1016/j.dt.2018.02.001.
• 16. Kuczmaszewski, J., Zaleski, K., Matuszak, J., & Mądry J. (2019). Testing Geometric Precision and Surface Roughness of Titanium Alloy Thin-Walled Elements Processed with Milling. Advances in Manufacturing II, 95-106. https://doi.org/10.1007/978-3-030-18682-1_8.
• 17. Kuoa, C.L., & Sooa, S.L. (2014). The effect of cutting speed and feed rate on hole surface integrity in single-shot drilling of metallic-composite stacks. Procedia CIRP; 13, 405-10. https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.04.069.
• 18. Labidi, A. (2020). Boeing 787 Dreamliner Represents Composites Revolution. Aviation Knowledge - Aerodynamics-Meteorology, 3, 1-2.
• 19. Lepretre, E., Chataigner, S., Dieng, L., & Gaillet, L. (2018). Fatigue strengthening of cracked steel plates with CFRP laminates in the case of old steel material. Construction and Building Materials, 174, 421-432. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.04.063.
• 20. Matuszak, J.; Zaleski, K., Ciecieląg, K.; & Skoczylas A. (2022). Analysis of the Effectiveness of Removing Surface Defects by Brushing. Materials, 15, 7833. https://doi. org/10.3390/ma15217833.
• 21. Polish Committee for Standardization. (2017). Aluminium and aluminium alloys - Wrought products - Temper designations. (EN 515:2017).
• 22. Poutord, A., Rossi, F., Poulachon, G., Saoubi, R.M., & Abrivard, G. (2013). Local approach of wear in drilling Ti6Al4V/CFRP for stack modeling. Procedia CIRP, 8, 316-321. https://doi.org/10.1016/j.procir.2013.06.109.
• 23. Shyha, I.S., Soo, S.L., Aspinwall, D.K., Bradley, S., Perry, R., Harden, P., & Dawson, S. (2011). Hole quality assessment following drilling of metallic-composite stacks. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 51, 569-578. https://doi.org/10.1016/j. ijmachtools.2011.04.007.
• 24. Torres Marques, A., Durão, L.M., Magalhães, A.G., Silva, J.F., & Tavares, J.M. (2009). Delamination analysis of carbon fibre reinforced laminates: Evaluation of a special step drill. Composites Science and Technology, 69, 2376-2382. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.01.025.
• 25. Wang, B., Wang, Y., Zhao, H., Sun, L., Wang, M., & Kong X. (2020). Effect of a Ti alloy layer on CFRP hole quality during helical milling of CFRP/Ti laminate. Composite Structure, 252, 112670. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112670.
• 26. Zitoune, R., Krishnaraj, V., & Collombet, F. (2010). Study of drilling of composite material and aluminium stack. Composite Structures, 92, 1246-1255. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2009.10.010.
• 27. Zitoune, R., Krishnaraj, V., Collombet F., & Le Roux, S. (2016). Experimental and numerical analysis on drilling of carbon fibre reinforced plastic and aluminium stacks. Composite Structure, 146, 148-158. https://doi.org/10. 1016/j.compstruct.2016.02.084.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).