Термомеханічні та трибологічні аспекти різання багатошарових пакетів «вуглеп-ластик–титановий сплав»
DOI:
https://doi.org/10.25140/2411-5363-2025-4(42)-82-98Ключові слова:
вуглепластик, титановий сплав, багатошарові пакети, механічне оброблення, фізика різання, зношування інструменту, нарістАнотація
Механічне оброблення багатошарових пакетів «вуглепластик–титановий сплав» є однією з найбільш складних і науково актуальних задач сучасного авіабудування. Поєднання матеріалів із принципово різними фізико-механічними властивостями зумовлює істотну неоднорідність термомеханічних і трибологічних умов у зоні різання. Таке поєднання ускладнює керування процесом та забезпечення якості оброблення. У статті виконано аналітичний огляд сучасних наукових досліджень, присвячених фізиці процесу різання вуглепластиків, титанових сплавів та їх пакетів.
Розглянуто основні механізми руйнування вуглепластиків, зокрема крихкий злам волокон, деградацію полімерної матриці та розшарування. Окремо приділено увагу особливостям різання титанових сплавів. Зокрема, приділено увагу впливу високих контактних напружень, високої температури різання та адгезійної взаємодії інструмента на процес формування стружки та якість обробленої поверхні. Визначено, що особливістю фізики різання пакетів «вуглепластик–титановий сплав», є взаємний вплив шарів на механіку формування стружки, пов’язаний з послідовністю оброблення шарів, силовими та температурними навантаженнями інструменту.
Проаналізовано механізми зношення інструмента та формування наросту під впливом температури різання, тертя на контактних поверхнях, матеріалу і покриття інструмента, а також методів охолодження та змащення. На основі огляду літературних джерел визначено, що, попри значну кількість досліджень, питання формування наросту при свердлінні отворів у пакетах «вуглепластик – титановий сплав» залишаються недостатньо вивченими, особливо з урахуванням міжшарової взаємодії та змінного характеру процесу різання при переході інструменту з шару вуглепластика у шар титанового сплаву.. Отримані узагальнення можуть бути використані як наукове підґрунтя для подальших досліджень і вдосконалення технологій механічного оброблення багатошарових з’єднань з використанням полімерних композиційних матеріалів, титанових та алюмінієвих сплавів.
Посилання
Aamir, M., Tolouei-Rad, M., Giasin, K., & Nosrati, A. (2019). Recent advances in drilling of carbon fiber-reinforced polymers for aerospace applications: a review. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 105(5-6), 2289-2308. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04348-z
Abdelhafeez, A. M., Soo, S. L., Aspinwall, D. K., Dowson, A., & Arnold, D. (2015). Burr formation and hole quality when drilling titanium and aluminium alloys. Cirpe 2015 - Understanding the Life Cycle Implications of Manufacturing, 37, 230-235. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.08.019
Alonso, U., Calamaz, M., Girot, F., & Iriondo, E. (2019). Influence of flute number and stepped bit geometry when drilling CFRP/Ti6Al4V stacks. Journal of Manufacturing Processes, 39, 356-370. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.02.006
Alvarez, M., Salguero, J., Sanchez, J. A., Huerta, M., & Marcos, M. (2011). SEM and EDS Characterisation of Layering TiOx Growth onto the Cutting Tool Surface in Hard Drilling Processes of Ti-Al-V Alloys. Advances in Materials Science and Engineering, 2011, 10, Article 414868. https://doi.org/10.1155/2011/414868
Alvarez-Alcon, M., de Lacalle, L. N. L., & Fernandez-Zacarias, F. (2020). Multiple Sensor Monitoring of CFRP Drilling to Define Cutting Parameters Sensitivity on Surface Roughness, Cylindricity and Diameter. Materials, 13(12), 17, Article 2796. https://doi.org/10.3390/ma13122796
An, Q. L., Dang, J. Q., Li, J. L., Wang, C. Y., & Chen, M. (2020). Investigation on the cutting responses of CFRP/Ti stacks: With special emphasis on the effects of drilling sequences. Composite Structures, 253, 13, 112794. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112794
Arjun, N., Alper, U., Suhasini, G., & Jawahir, I. S. (2022). Analysis of surface integrity in drilling carbon fiber reinforced polymer composite material under various cooling/lubricating conditions. Journal of Manufacturing Processes, 82, 124-137. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.07.065
Astakhov, V. P. (2024). High-productivity drilling tools: Design and geometry. CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781003263296
Astakhov, V. P., & Shvets, S. V. (2020). Technical Resource of the Cutting Wedge is the Foundation of the Machining Regime Determination. International Journal of Manufacturing Materials and Mechanical Engineering, 10(2), 1-17. https://doi.org/10.4018/ijmmme.2020040101
Aydin, E., & Nalbant, M. (2020). The effect of drill point angles on drillability in CFRP/Al-7075 stacking drilling. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35(2), 917-931. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.548419
Balan, A. S. S., Kannan, C., Jain, K., Chakraborty, S., Joshi, S., Rawat, K.,…Thakur, V. K. (2021). Numerical Modelling and Analytical Comparison of Delamination during Cryogenic Drilling of CFRP. Polymers, 13(22), 15, 3995. https://doi.org/10.3390/polym13223995
Beal, A., Kim, D., Park, K. H., Kwon, P., & Asme. (2011). A comparative study of carbide tools in drilling of cfrp and cfrp-ti stacks. Proceedings of the Asme International Manufacturing Science and Engineering Conference 2011, 1, 145-+.
Benezech, L., Landon, Y., & Rubio, W. (2012). Study of Manufacturing Defects and Tool Geometry Optimisation for Multi-Material Stack Drilling. In M. Karama (Ed.), Innovating Processes 423, 1-11. Trans Tech Publications Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.423.1
Chaosheng, L., Niancong, L., Lei, C., Wuyu, C., Yanzong, L., & Miaoke, Z. (2024). Analysis of the effects of different milling strategies on helical milling of unidirectional CFRP under minimum quantity lubrication. Journal of Manufacturing Processes. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.10.072
Chealvan, S. H., Krishnaraj, V., & Abd Rahim, E. (2022). High speed cryogenic drilling of Ti-6Al-4V alloy under high pressure coolant conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B-Journal of Engineering Manufacture, 236(12), 1633-1642, Article 09544054221080025. https://doi.org/10.1177/09544054221080025
Chen, C., Zhao, Q., Wang, A., Zhang, J., Qu, Q., & Shi, Z. (2023). Numerical Study of Step Drill Structure on Machining Damage in Drilling of CFRP/Ti Stacks. Materials, 16, 6039. https://doi.org/10.3390/ma16176039
Chen, J., Zhang, X., Xue, Z., Yan, Y., Fan, X., An, Q.,…Ko, T. J. (2025). Multi-material stage-specific analysis and WSTVF based feature engineering for enhanced tool wear monitoring in CFRP/Ti stacks drilling. Mechanical Systems and Signal Processing, 234, 112829. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2025.112829
Chowdhury, M. S. I., Chowdhury, S., Yamamoto, K., Beake, B. D., Bose, B., Elfizy, A.,…Veldhuis, S. C. (2017). Wear behaviour of coated carbide tools during machining of Ti6Al4V aerospace alloy associated with strong built up edge formation. Surface & Coatings Technology, 313, 319-327. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.01.115
Debard, B., Rey, P. A., & Cherif, M. (2025). Investigation of burr formation in Ti-6Al-4V drilling. Journal of Manufacturing Processes, 142, 482-493. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.03.108
Franz, G., Vantomme, P., & Hassan, M. H. (2022). A Review on Drilling of Multilayer Fiber-Reinforced Polymer Composites and Aluminum Stacks: Optimization of Strategies for Improving the Drilling Performance of Aerospace Assemblies. Fibers, 10, 78. https://doi.org/10.3390/fib10090078
Fu, Q., Wu, S. J., Li, C. H., Xu, J. Y., & Wang, D. Z. (2022). Delamination and chip breaking mechanism of orthogonal cutting CFRP/Ti6Al4V composite. Journal of Manufacturing Processes, 73, 183-196. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.11.015
Geng, D., Liu, Y., Shao, Z., Zhang, M., Jiang, X., & Zhang, D. (2020). Delamination formation and suppression during rotary ultrasonic elliptical machining of CFRP. Composites Part B: Engineering, 183, 12. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107698
Hassan, A. A., Soo, S. L., Aspinwall, D. K., Arnold, D., & Dowson, A. (2020). An analytical model to predict interlayer burr size following drilling of CFRP-metallic stack assemblies. Cirp Annals-Manufacturing Technology, 69(1), 109-112. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2020.04.038
Hassan, M. H., Abdullah, J., & Franz, G. (2022). Multi-Objective Optimization in Single-Shot Drilling of CFRP/Al Stacks Using Customized Twist Drill. Materials, 15(5), 25, Article 1981. https://doi.org/10.3390/ma15051981
Hiremath, A., Malghan, R. L., Bolar, G., & Polishetty, A. (2025). Comprehensive machinability assessment of Ti6Al4V alloy during drilling and helical milling using sustainable dry condition. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM), 19, 1987-2002. https://doi.org/10.1007/s12008-024-01964-2
Jia. (2020). Multi-margin drill structure for improving hole quality and dimensional consistency in drilling Ti/CFRP stacks. Journal of Materials Processing Technology, 276, 9.
Jia, Z. Y., Chen, C., Wang, F. J., Zhang, C., & Wang, Q. (2020). Analytical model for delamination of CFRP during drilling of CFRP/metal stacks. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 106(11-12), 5099-5109. https://doi.org/10.1007/s00170-020-05029-y
Jinyang, X., Norbert, G., Jiaxin, S., Vijayan, K., & Samsudeensadham, S. (2023). A review on CFRP drilling: fundamental mechanisms, damage issues, and approaches. Journal of Materials Research and Technology, 24, 9677-9707. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.05.023
Jinyang, X., Youkang, Y., Davim, J. P., Linfeng, L., Min, J., Norbert, G., & Ming, C. (2022). A critical review addressing drilling-induced damage of CFRP composites. Composite Structures, 294, 115594. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115594
John, K. M., Thirumalai Kumaran, S., Kurniawan, R., & Ahmed, F. (2022). Evaluation of thrust force and delamination in drilling of CFRP by using active spring restoring backup force. Materials Today: Proceedings, 49(2), 269-274. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.02.033
Kim, D., & Ramulu, M. (2004). Drilling process optimization for graphite/bismaleimide-titanium alloy stacks. Composite Structures, 63(1), 101-114. https://doi.org/10.1016/s0263-8223(03)00137-5
Kolesnyk. (2020). Experimental study of drilling temperature, geometrical errors and thermal expansion of drill on hole accuracy when drilling CFRP/Ti alloy stacks. Materials, 13(14), 17.
Li, E. M., Zhou, J. T., Yang, C. S., Zhao, J. H., Li, Z. Y., Zhang, S. S., & Wang, M. W. (2023). Part machining deformation prediction based on spatial-temporal correlation learning of geometry and cutting loads. Journal of Manufacturing Processes, 92, 397-411. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.02.042
Li, M. J., Huang, M. J., Chen, Y. W., Kai, W., & Yang, X. J. (2019). Experimental study on hole characteristics and surface integrity following abrasive waterjet drilling of Ti6Al4V/CFRP hybrid stacks. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 104(9-12), 4779-4789. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04334-5
Luo, B., Zhang, K. F., Liu, S. N., Cheng, H., & Wang, R. X. (2019). Investigation on the interface damage in drilling low-stiffness CFRP/Ti stacks Chinese Journal of Aeronautics, 32(9), 2211-2221. https://doi.org/10.1016/j.cja.2019.04.017
Martin, R., & Evans, D. (2000). Reducing costs in aircraft: The metals affordability initiative consortium. JOM, 52, 24-28.
Oliaei, S. N. B., & Karpat, Y. (2017). Investigating the influence of friction conditions on finite element simulation of microscale machining with the presence of built-up edge. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 90(1-4), 819-829. https://doi.org/10.1007/s00170-016-9456-9
Peterka, J., & Pokorny, P. (2014). Influence of the Lead Angle from the Vertical Axis Milling on Effective Radius of the Cutter. Precision Machining Vii, 581, 44-49. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.581.44
Poor, D. I., Geier, N., Pereszlai, C., & Xu, J. Y. (2021). A critical review of the drilling of CFRP composites: Burr formation, characterisation and challenges. Composites Part B-Engineering, 223, 17, 109155. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109155
Priarone. (2017). Diamond drilling of carbon fiber reinforced polymers: Influence of tool grit size and process parameters on workpiece delamination. Procedia CIRP, 66, 181-186.
Prisco, U., Impero, F., & Rubino, F. (2019). Peck drilling of CFRP/titanium stacks: effect of tool wear on hole dimensional and geometrical accuracy. Production Engineering-Research and Development, 13(5), 529-538. https://doi.org/10.1007/s11740-019-00915-1
Rodriguez, I., Arrazola, P. J., Cuesta, M., & Puˇsavec, F. (2024). Hole quality improvement in CFRP/Ti6Al4V stacks using optimised flow rates for LCO2 and MQL sustainable cooling/lubrication. Composite Structures, 329, 117687. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117687
Salguero, J., Batista, M., Sanchez, J. A., & Marcos, M. (2011). An XPS Study of the Stratified Built-Up Layers Developed onto the Tool Surface in the Dry Drilling of Ti Alloys. Modelling of Machining Operations, 223, 564-+. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.223.564
Shariar, F., Karagüzel, U., & Karpat, Y. (2025). A hybrid model to analyze stress distributions at the tool and workpiece interface during drilling of thick CFRP laminates considering thermal effects. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. https://doi.org/10.1007/s00170-025-15717-2
Sharma, P., Mishra, S. K., & Ramkumar, J. (2025). Damage mechanisms and wear progression of advanced AlTiSiN coatings deposited on WC/Co cemented carbide cutting tools for machining under cryogenic conditions. CERAMICS INTERNATIONAL, 51(27), 54530-54548. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.09.183
Shixiong, W. U., Xiaojian, M. E. I., Yimin, L. I. N., Xiaowei, Z., Chengyong, W., & Chaolin, T. A. N. (2025). Surface integrity in titanium alloy cutting: A comprehensive review. Journal of Manufacturing Processes. https://doi.org/10.1016/j.cja.2025.103903
Shu, L. M., Li, S. H., Fang, Z. L., Kizaki, T., Kimura, K., Arai, G.,…Sugita, N. (2021). Study on dedicated drill bit design for carbon fiber reinforced polymer drilling with improved cutting mechanism. Composites Part a-Applied Science and Manufacturing, 142, 17, Article 106259. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106259
Soori, M., & Arezoo, B. (2023). Dimensional, geometrical, thermal and tool deflection errors compensation in 5-Axis CNC milling operations. Australian Journal of Mechanical Engineering, 15. https://doi.org/10.1080/14484846.2023.2195149
Vijayathithan, M., & Anil, M. (2025). Predictive modelling of tool wear in CFRP drilling using acoustic emission sensors under dry and cryogenic conditions. Wear, 570, 205930. https://doi.org/10.1016/j.wear.2025.205930
Wang. (2021). Novel chip-breaking structure of step drill for drilling damage reduction on CFRP/Al stack. Journal of Materials Processing Technology, 291, 9.
Wang, Q., & Jia, X. L. (2021). Optimization of cutting parameters for improving exit delamination, surface roughness, and production rate in drilling of CFRP composites. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 117(11-12), 3487-3502. https://doi.org/10.1007/s00170-021-07918-2
Wong, F. R. (2008). Effect of drill geometry of uncoated tool when drilling titanium alloy Ti-6Al-4V (Master’s thesis). In.
Xu, J. Y., Ji, M., Davim, J. P., Chen, M., El Mansori, M., & Krishnaraj, V. (2020). Comparative study of minimum quantity lubrication and dry drilling of CFRP/titanium stacks using TiAlN and diamond coated drills. Composite Structures, 234, 13, Article 111727. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111727
Xu, J. Y., Kolesnyk, V., Li, C. P., Lysenko, B., Peterka, J., & Gupta, M. K. (2023). A critical review addressing conventional twist drilling mechanisms and quality of CFRP/Ti stacks. Journal of Materials Research and Technology-Jmr&T, 24, 6614-6651. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.04.226
Xu, J. Y., Li, C., El Mansori, M., Liu, G. Y., & Chen, M. (2018). Study on the Frictional Heat at Tool-Work Interface when Drilling CFRP Composites. 46th Sme North American Manufacturing Research Conference, Namrc 46, 26, 415-423. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.07.049
Xu, J. Y., Mkaddem, A., & El Mansori, M. (2016). Recent advances in drilling hybrid FRP/Ti composite: A state-of-the-art review. Composite Structures, 135, 316-338. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.09.028
Yang, D., Liu, G., & Li, X. (2025). Cryogenic Temperature-Dependent Machining Forces and Surface Integrity of Ti–6Al–4V Titanium Alloy. Advanced Engineering Materials. https://doi.org/10.1002/adem.202502270
Yu, J. J., Pan, Z. X., Ye, W., Li, Q. C., & Wu, Z. Y. (2023). Dynamic temperature field and drilling damage mechanism of plain woven carbon/glass hybrid composites. COMPOSITE STRUCTURES, 304, 116375, Article 116375. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116375
Yuanxiao, L., Feng, J., Ziqiang, Z., Xue, W., & Ying, N. (2024). A prediction model for drilling temperature of CFRP/Ti stacks and green cooling strategy considering chip ejection process. Journal of Materials Processing Tech., 329, 118424. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118424
Zhang. (2022). Effect of embedded delamination on the compression performance of carbon fiber reinforced composites. Composite Structures, 281, 115063.
Zhu, Z., Shih, A. J., & Chen, L. (2025). Cutting edge temperature and drill wear in dry and minimum quantity lubrication environmentally-friendly drilling of the titanium alloy. Journal of Materials Research and Technology, 39, 9517-9525. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.12.010
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
