Машинобудування і транспорт
КРИТИЧНИЙ ОГЛЯД СУЧАСНИХ ТЕНДЕНЦІЙ У ЗАБЕЗПЕЧЕННІ ЯКОСТІ ОТВОРІВ ПІД ЧАС СВЕРДЛІННЯ ПАКЕТІВ ВУГЛЕПЛАСТИК/ТИТАНОВИЙ СПЛАВ
Ключові слова
свердління
пакет вуглепластик/титановий сплав
якість
зношення
режими різання
технології механічної обробки
Анотація
У останні десятиліття пакети вуглепластик/титановий сплав набули поширення у виробництві компонентів авіаційної техніки на противагу використанню окремо волокнистих матеріалів та металевих сплавів, що пов’язано з вищими фізико-механічними та експлуатаційними властивостями пакетів у порівнянні зі сплавами. Разом з розширенням сфери застосування пакетів вуглепластик/титановий сплав збільшились і валова частка механічних операцій, що значною мірою пов’язано з необхідністю з’єднання шарів вуглепластику з шарами титанового чи алюмінієвого сплаву. У цьому контексті найпоширенішою операцією механічної обробки є свердління отворів. Одночасне оброблення різних за структурою, хімічним складом та фізико-механічними характеристиками матеріалів пакетів викликає низку викликів як перед дослідниками, так і інженерами в аспекті забезпечення економічної точності та якості отворів у шарах вуглепластику та титанового сплаву. Незважаючи на великий обсяг досліджень зі свердління отворів у пакетах вуглепластик/титановий сплав, всебічне розуміння основних параметрів свердління та їхній вплив на точність та якість отворів є недостатнім. Метою статті є критичний огляд процесів свердління отворів у пакетах вуглепластик/тита-новий сплав та вплив цих процесів на параметри обробки. Для узагальнення сучасних досягнень в галузі обробки пакетів проведено комплексний аналіз літератури. Розглянуті аспекти, які включають вплив режимів різання та технологій механічної обробки на показники якості отворів. Особливу увагу приділено обговоренню параметрів свердління у перехідній зоні шарів пакету, а також впливу різних стратегій і послідовності свердління на результати свердління пакетів вуглепластик/титановий сплав. Зокрема, вказано на поточні недоліки дослідження та означено подальші напрямки досліджень. Стаття спрямована на надання науковому та виробничому співтовариству повного розуміння процесів свердління пакетів.
Як цитувати
[1]
«КРИТИЧНИЙ ОГЛЯД СУЧАСНИХ ТЕНДЕНЦІЙ У ЗАБЕЗПЕЧЕННІ ЯКОСТІ ОТВОРІВ ПІД ЧАС СВЕРДЛІННЯ ПАКЕТІВ ВУГЛЕПЛАСТИК/ТИТАНОВИЙ СПЛАВ», Вісник ВПІ, вип. 5, с. 74–84, Жов 2023, doi: 10.31649/1997-9266-2023-170-5-74-84.
Посилання
J. Y. Xu, M. El Mansori, J. Voisin, M. Chen, and F. Ren, “On the interpretation of drilling CFRP/Ti6Al4V stacks using the orthogonal cutting method: Chip removal mode and subsurface damage formation,” (Eng.), Journal of Manufacturing Processes, vol. 44, pp. 435-447, Aug. 2019, https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.05.052 .
F. Impero, M. Dix, A. Squillace, U. Prisco, B. Palumbo, and F. Tagliaferri, “A comparison between wet and cryogenic drilling of CFRP/Ti stacks,” (Eng.), Materials and Manufacturing Processes, vol. 33, no. 12, pp. 1354-1360, 2018, https://doi.org/10.1080/10426914.2018.1453162 .
J. Xu, M. El Mansori, M. Chen, and F. Ren, “Orthogonal cutting mechanisms of CFRP/Ti6Al4V stacks,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 103, no. 9-12, pp. 3831-3851, August 01, 2019, https://doi.org/10.1007/s00170-019-03734-x .
V. Kolesnyk et al., “Application of ANN for Analysis of Hole Accuracy and Drilling Temperature When Drilling CFRP/Ti Alloy Stacks,” (Eng.), Materials, vol. 15, no. 5, p. 21, Mar. 2022, Art no. 1940, https://doi.org/10.3390/ma15051940 .
J. Y. Xu, T. Y. Lin, J. P. Davim, M. Chen, and M. El Mansori, “Wear behavior of special tools in the drilling of CFRP composite laminates,” (Eng.), Wear, vol. 476, p. 11, Jul. 2021, Art no. 203738, https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203738.
Q. Wang, and X. L. Jia, “Optimization of cutting parameters for improving exit delamination, surface roughness, and production rate in drilling of CFRP composites," (Eng.), International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Article vol. 117, no. 11-12, pp. 3487-3502, Dec 2021, https://doi.org/10.1007/s00170-021-07918-2.
J. Y. Xu, M. El Mansori, M. Chen, and F. Ren, “Orthogonal cutting mechanisms of CFRP/Ti6Al4V stacks,” (Eng.), International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 103, no. 9-12, pp. 3831-3851, Aug. 2019, https://doi.org/10.1007/s00170-019-03734-x .
R. Zitoune, V. Krishnaraj, F. Collombet, and S. Le Roux, “Experimental and numerical analysis on drilling of carbon fibre reinforced plastic and aluminium stacks,” (Eng.), Composite Structures, vol. 146, pp. 148-158, Jun. 2016, https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.02.084.
Y. Yang et al., “Topography characteristics and formation mechanism of the bolt-hole contact interface during the bolt installation of interference-fit composite structure,” Thin-Walled Structures, vol. 179, 2022, https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109642.
M. M. A. Ammar, B. Shirinzadeh, K. Z. Lai, and W. C. Wei, “On the Sensing and Calibration of Residual Stresses Measurements in the Incremental Hole-Drilling Method,” (Eng.), Sensors, vol. 21, no. 22, p. 19, Nov 2021, Art no. 7447, https://doi.org/10.3390/s21227447.
M. Ali, L. Xiang, D. Yue, and G. J. Liu,” Assessment of Cutting Performance of Cemented Tungsten Carbide Drills in Drilling Multidirectional T700 CFRP Plate," (Eng.), Journal of Manufacturing and Materials Processing, vol. 2, no. 3, p. 14, Sep. 2018, no. 43, https://doi.org/10.3390/jmmp2030043.
Y. X. Li, F. Jiao, Z. Q. Zhang, Z. B. Feng, and Y. Niu, “Research on entrance delamination characteristics and damage suppression strategy in drilling CFRP/Ti6Al4V stacks," (Eng.), Journal of Manufacturing Processes, vol. 76, pp. 518-531, Apr 2022, https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.02.018.
Y. Karpat, U. Karaguzel, and O. Bahtiyar,” A thermo-mechanical model of drill margin-borehole surface interface contact conditions in dry drilling of thick CFRP laminates," (Eng.), International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 154, p. 15, Jul. 2020, no. 103565, https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2020.103565.
M. Alvarez-Alcon, L. N. L. de Lacalle, and F. Fernandez-Zacarias, “Multiple Sensor Monitoring of CFRP Drilling to Define Cutting Parameters Sensitivity on Surface Roughness, Cylindricity and Diameter,” (Eng.), Materials, vol. 13, no. 12, p. 17, Jun 2020, no. 2796, https://doi.org/10.3390/ma13122796.
D. X. Geng, Y. H. Liu, Z. Y. Shao, M. L. Zhang, X. G. Jiang, and D. Y. Zhang, “Delamination formation and suppression during rotary ultrasonic elliptical machining of CFRP,” (Eng.), Composites Part B-Engineering, vol. 183, p. 12, Feb. 2020, no. 107698, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107698.
R. Hussein, A. Sadek, M. A. Elbestawi, and M. Attia, “Low-frequency vibration-assisted drilling of hybrid CFRP/Ti6Al4V stacked material,” (Eng.), International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 98, no. 9-12, pp. 2801-2817, Oct. 2018, https://doi.org/10.1007/s00170-018-2410-2.
A. S. S. Balan et al., “Numerical Modelling and Analytical Comparison of Delamination during Cryogenic Drilling of CFRP,” (Eng.), Polymers, vol. 13, no. 22, p. 15, Nov 2021, no. 3995. https://doi.org/10.3390/polym13223995.
C. W. Han, K. B. Kim, S. W. Lee, M. B. G. Jun, and Y. H. Jeong, “Thrust Force-Based Tool Wear Estimation Using Discrete Wavelet Transformation and Artificial Neural Network in CFRP Drilling,” International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, vol. 22, no. 9, pp. 1527-1536, Sep. 2021. https://doi.org/10.1007/s12541-021-00558-2.
R. Hussein, A. Sadek, M. A. Elbestawi, and M. H. Attia, “An Investigation into ToolWear and Hole Quality during Low-Frequency Vibration-Assisted Drilling of CFRP/Ti6Al4V Stack,” (Eng.), Journal of Manufacturing and Materials Processing, vol. 3, no. 3, p. 19, Sep. 2019, no. 63. https://doi.org/10.3390/jmmp3030063.
M. H. Hassan, J. Abdullah, and G. Franz, “Multi-Objective Optimization in Single-Shot Drilling of CFRP/Al Stacks Using Customized Twist Drill,” (Eng.), Materials, vol. 15, no. 5, p. 25, Mar 2022, no. 1981. https://doi.org/10.3390/ma15051981 .
D. Kumar, S. Gururaja, and I. S. Jawahir, “Machinability and surface integrity of adhesively bonded Ti/CFRP/Ti hybrid composite laminates under dry and cryogenic conditions,” (Eng.), Journal of Manufacturing Processes, vol. 58, pp. 1075-1087, Oct. 2020. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.08.064.
D. I. Poor, N. Geier, C. Pereszlai, and J. Y. Xu, “A critical review of the drilling of CFRP composites: Burr formation, characterisation and challenges,” (Eng.), Composites Part B-Engineering, Review vol. 223, p. 17, Oct. 2021, no. 109155. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109155.
Z. Y. Jia, C. Chen, F. J. Wang, C. Zhang, and Q. Wang, “Analytical model for delamination of CFRP during drilling of CFRP/metal stacks,” (Eng.), International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 106, no. 11-12, pp. 5099-5109, Feb. 2020. https://doi.org/10.1007/s00170-020-05029-y.
V. Kolesnyk et al., “Experimental Study of Drilling Temperature, Geometrical Errors and Thermal Expansion of Drill on Hole Accuracy When Drilling CFRP/Ti Alloy Stacks,” (Eng.), Materials, vol. 13, no. 14, p. 17, Jul. 2020, no. 3232. https://doi.org/10.3390/ma13143232.
J. Y. Xu, M. Ji, M. Chen, and F. Ren, “Investigation of minimum quantity lubrication effects in drilling CFRP/Ti6Al4V stacks,” (Eng.), Materials and Manufacturing Processes, vol. 34, no. 12, pp. 1401-1410, Sep. 2019. https://doi.org/10.1080/10426914.2019.1661431.
Z. Y. Shao et al., “The interface temperature and its influence on surface integrity in ultrasonic-assisted drilling of CFRP/Ti stacks,” (Eng.), Composite Structures, vol. 266, no. 113803, p. 13, Jun. 2021. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113803 .
X. Y. Qiu et al., “Influence of main cutting edge structure on hole defects in CFRP/titanium alloy stacks drilling,” Journal of Manufacturing Processes, vol. 69, pp. 503-513, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.07.061.
Z. Y. Jia, C. Zhang, F. J. Wang, R. Fu, and C. Chen, “Multi-margin drill structure for improving hole quality and dimensional consistency in drilling Ti/CFRP stacks,” (Eng.), Journal of Materials Processing Technology, vol. 276, no. 116405, p. 9, Feb. 2020,. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116405.
Q. Fu, S. J. Wu, C. H. Li, J. Y. Xu, and D. Z. Wang, “Delamination and chip breaking mechanism of orthogonal cutting CFRP/Ti6Al4V composite,” (Eng.), Journal of Manufacturing Processes, vol. 73, pp. 183-196, Jan. 2022. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.11.015.
L. M. Shu et al., “Study on dedicated drill bit design for carbon fiber reinforced polymer drilling with improved cutting mechanism,” (Eng.), Composites Part a-Applied Science and Manufacturing, vol. 142, no. 106259, p. 17, Mar. 2021. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106259.
F. J. Wang, M. Zhao, R. Fu, J. B. Yan, S. Qiu, and J. X. Hao, “Novel chip-breaking structure of step drill for drilling damage reduction on CFRP/Al stack,” (Eng.), Journal of Materials Processing Technology, vol. 291, no. 117033, p. 9, May 2021,. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.117033.
C. Y. Xu, Y. W. Wang, J. Z. Xu, and X. L. Liu, “Design of internal-chip-removal drill for CFRP drilling and study of influencing factors of drilling quality,” (Eng.), International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 106, no. 5-6, pp. 1657-1669, Jan. 2020. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04698-8.
G. Y. Hou et al., “Comparative tool wear and hole quality investigation in drilling of aerospace grade T800 CFRP using different external cooling lubricants,” International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 106, no. 3-4, pp. 937-951, Jan 2020. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04554-9.
Q. Wang, F. J. Wang, C. Zhang, and C. Chen, “Combined effects of various materials on tool wear in drilling of Ti/CFRP stacks,” (Eng.), Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C-Journal of Mechanical Engineering Science, vol. 234, no. 14, pp. 2750-2759, Jul. 2020, Art no. 0954406219868246. https://doi.org/10.1177/0954406219868246.
G. Basmaci, A. S. Yoruk, U. Koklu, and S. Morkavuk, “Impact of Cryogenic Condition and Drill Diameter on Drilling Performance of CFRP,” (Eng.), Applied Sciences-Basel, vol. 7, no. 7, p. 12, Jul. 2017, Art no. 667. https://doi.org/10.3390/app7070667.
A. Pardo, J. Le Gall, R. Heinemann, and L. Bagshaw, “The impact of tool point angle and interlayer gap width on interface borehole quality in drilling CFRP/titanium stacks,” (Eng.), International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 114, no. 1-2, pp. 159-171, May 2021. https://doi.org/10.1007/s00170-021-06733-z.
J. Fernandez-Perez, J. L. Cantero, J. Diaz-Alvarez, and M. H. Miguelez, “Hybrid Composite-Metal Stack Drilling with Different Minimum Quantity Lubrication Levels,” (Eng.), Materials, vol. 12, no. 3, p. 13, Feb. 2019, no. 448. https://doi.org/10.3390/ma12030448.
A. Iqbal et al., “Between-the-holes cryogenic cooling of the tool in hole-making of Ti-6Al-4V and CFRP,” Materials, vol. 14, no. 4, pp. 1-19, 2021, no. 795. https://doi.org/10.3390/ma14040795.
S. Samsudeensadham, and V. Krishnaraj, “Drilling study on CFRP/Ti-6Al-4V stacks using chip breaker grooved drill,” (Eng.), Materials and Manufacturing Processes; [Electronic resource]. Available: p. 15. https://doi.org/10.1080/10426914.2022.2030872.
Z. C. Qi, E. N. Ge, J. L. Yang, F. C. Li, and S. F. Jin, “Influence mechanism of multi-factor on the diameter of the stepped hole in the drilling of CFRP/Ti stacks,” (Eng.), International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 113, no. 3-4, pp. 923-933, Mar. 2021. https://doi.org/10.1007/s00170-021-06678-3.
C. Li, J. Y. Xu, M. Chen, Q. L. An, M. El Mansori, and F. Ren, “Tool wear processes in low frequency vibration assisted drilling of CFRP/Ti6Al4V stacks with forced air-cooling,” (Eng.), Wear; Proceedings Paper vol. 426, pp. 1616-1623, Apr. 2019. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.01.005.
N. Yasar, M. E. Korkmaz, M. K. Gupta, M. Boy, and M. Gunay, “A novel method for improving drilling performance of CFRP/Ti6AL4V stacked materials,” (Eng.), International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 117, no. 1-2, pp. 653-673, Nov. 2021. https://doi.org/10.1007/s00170-021-07758-0.
R. Hussein, A. Sadek, M. A. Elbestawi, and H. Attia, “The Effect of MQL on Tool Wear Progression in Low-Frequency Vibration-Assisted Drilling of CFRP/Ti6Al4V Stack Material,” (Eng.), Journal of Manufacturing and Materials Processing, vol. 5, no. 2, p. 20, Jun. 2021, Art no. 50. https://doi.org/10.3390/jmmp5020050.
I. Rodrigueza, D. Sorianoa, G. Ortiz-de-Zaratea, M. Cuestaa, F. Pušavecb, and P. J. Arrazolaa “Effect of Tool Geometry and LCO2 Cooling on Cutting Forces and Delamination when Drilling CFRP Composites Using PCD Tools,” Procedia CIRP, pp. 752-757, 2022. https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.03.116.
T. Wu et al., “Experimental Analysis of Residual Stresses in CFRPs through Hole-Drilling Method: The Role of Stacking Sequence, Thickness, and Defects,” (Eng.), Journal of Composites Science, vol. 6, no. 5, p. 21, May 2022, Art no. 138. https://doi.org/10.3390/jcs6050138.
K. M. John and S. T. Kumaran, “A feasible strategy to produce quality holes using temperature-assisted drilling on CFRP,” (Eng.), International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 110, no. 11-12, pp. 3113-3127, Oct. 2020. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06089-w.
A. Rodriguez, A. Calleja, L. N. L. de Lacalle, O. Pereira, A. Rubio-Mateos, and G. Rodriguez, “Drilling of CFRP-Ti6Al4V stacks using CO2-cryogenic cooling,” (Eng.), Journal of Manufacturing Processes, vol. 64, pp. 58-66, Apr. 2021. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.01.018.
C. Agrawal et al., “Experimental investigation on the effect of dry and multi-jet cryogenic cooling on the machinability and hole accuracy of CFRP composites,” (Eng.), Journal of Materials Research and Technology-Jmr&T, vol. 18, pp. 1772-1783, May-Jun. 2022. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.03.096.
