Drilling of CFRP-Ti stacked material using synchronized-cyclic vibration assistance

Abstract

Im modernen Flugzeugbau gehören Nietverbindungen nach wie vor zu den bevorzugten Verbindungsmethoden, insbesondere im Flügelbereich, wo Materialkombinationen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) und Leichtmetalllegierungen auf Basis von Aluminium (Al) und Titan (Ti) zum Einsatz kommen. CFRP-Ti-Materialkombinationen, die im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen, werden häufig in höher belasteten Bereichen der Flügelstruktur verwendet. Dazu gehören der Flügelkasten, Winglets und Landeklappen. Das Herstellen der Bohrungen für Nieten ist bei dieser Materialkombination nach wie vor eine Herausforderung. Die übereinanderliegenden Materialien werden in einem einzelnen Arbeitsgang gebohrt, um die korrekte Ausrichtung der Bohrungen zu gewährleisten. Daher muss der Bohrer für beide Materialien geeignet sein. Die Nieten selbst werden mit Presssitz verbaut, was bedeutet, dass der Durchmesser eng toleriert ist. Weitere Qualitätsaspekte bei Ti sind die Wandrauheit und die Grathöhe. Auch für die CFK-Schicht sind Grenzwerte für Durchmesser und Delamination festgelegt. Wenn der Bohrer die Metallschicht verlässt, bildet sich eine Bohrkappe, die in der Regel zu unerwünschten Graten und Rückständen führt, die eine manuelle Nachbearbeitung erforderlich machen. In dieser Arbeit wird ein Bohrverfahren vorgestellt, mit dem die Bildung von Bohrkappen aktiv beeinflusst werden kann. Das wird durch synchronisiert-zyklisches vibrationsunterstütztes Bohren (VAD) mit niedriger Frequenz und hoher Amplitude unter definierter Kopplung an die Drehzahl und den Vorschub realisiert. Synchronisiert-zyklisch bedeutet, dass die Schwingungsparameter (Frequenz und Amplitude) genau auf den zugrunde liegenden Bohrprozess (Drehzahl und Vorschub) abgestimmt sind. Durch die Auswahl spezifischer Werte für die Vibrationsunterstützung kann der Prozess in verschiedene Bereiche verschoben werden, in denen beispielsweise ein Spanbruch eingeleitet werden kann. Diese Arbeit untersucht synchronisiert-zyklisches VAD für den Einsatz in CFK-Ti-Schichtverbunden. Nach einer eingehenden Untersuchung des Entstehungsmechanismus der Bohrkappe unter Verwendung mehrerer Modellierungsansätze werden geeignete Parameter mit einem deterministischen Berechnungsmodell ermittelt. Die Bohrparameter und ihre Auswirkungen auf die Qualität der Bohrung in der Metallschicht werden experimentell untersucht. Das geschieht mit Hilfe eines sensorisierten Prüfstands mit VAD-Spindel, der auch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zur Bewertung der Bohrkappenbildung umfasst. Eine geeignete Bohrergeometrie und Prozessparameter werden zunächst an einer idealisierten Struktur entwickelt, ohne die Einflüsse der Nachgiebigkeit der großformatigen Bauteile und des Industrieroboters, die im realen Anwendungsszenario vorhanden sind. Durch die Abstimmung der Bohrergeometrie und der Prozessparameter kann ein wiederholbarer Prozess zur Zerstörung der Bohrkappe erreicht werden. Mithilfe spezieller Halterungen für die Spindel und das Werkstück werden die Steifigkeitseinflüsse des Anwendungsszenarios auf dem Prüfstand nachgebildet. Eine sensorbasierte Kompensationsstrategie wird entwickelt, und das rückstandsfreie Bohren im Labor sowie im nachgestellten industriellen Anwendungsszenario demonstriert.

In modern aircraft manufacturing, riveted joints are still among the preferred fastening methods. This is especially true in the wing area, where material combinations of carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) and light metal alloys based on Aluminum (Al) and Titanium (Ti) are utilized. CFRP-Ti material combinations, which are the focus of this work, are commonly used in higher stressed areas of the wing assembly. This includes the wing box area, winglets, and flaps. The drilling operation for rivet bores still presents unique challenges in this material combination. During manufacturing, the stacked materials are drilled in one single operation to ensure correct alignment of the rivet bores. Therefore, the drill has to work well in both materials. The rivets themselves are inserted with an interference fit, meaning the bore diameter has close tolerances. Other quality aspects in Ti involve the wall roughness and the burr height. Diameter and delamination limits are specified for the CFRP layer as well. When the drill exits the metallic layer, a drill cap is formed that usually leads to undesirable burrs and debris, requiring manual post-processing. In this work, a drilling process to actively influence the formation of drill caps is presented. This is realized using synchronized-cyclic low frequency high amplitude vibration assisted drilling (VAD). Synchronized-cyclic means the oscillation parameters (frequency and amplitude) are precisely tuned to the underlying drilling operation (rotational speed and feed). The selection of specific values for the vibration assistance allows the process to be shifted in different regimes, where for example chip breaking can be initiated. This work investigates synchronized-cyclic VAD for the use in CFRP-Ti stacked materials. After the in-depth study of the formation mechanism of a drill cap using multiple modeling approaches, suitable parameters are identified with a deterministic calculation model. Drilling parameters and their impact on the quality of the drilled bore in the metallic layer are investigated experimentally. This is done using a highly sensorized setup with a VAD spindle, that also includes high-speed imaging for evaluation of the drill cap formation. A suitable drill geometry and process parameters are first developed on an idealized structure, without compliance influences of the large-scale component and articulated robot arm present in real application scenarios. One key result is that when the drill tip geometry and process parameters are tuned together, a repeatable process for drill cap destruction can be achieved. With the use of special fixtures for the spindle and the work piece, stiffness influences of the application scenario are emulated on the test bed. A sensor-based compensation strategy is developed, and FOD-free drilling demonstrated in the laboratory and emulated industry application scenario.