Machining of holes in a large hybrid structure during its assembly using modular equipment

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The study aimed to examine a technology for machining holes with an automatic drilling machine during the assembly of a large hybrid structure (polymer composite material + metal) with the use of modular equipment. In order to analyze the process of hole machining in large structures during their assembly, a wing box model measuring 17,765x3050x438 mm was assembled to simulate a civil aircraft wing box – a test wing box. The used modular equipment provides a geometric position accuracy of 0.5 mm in hole machining. In order to machine holes using an automatic drilling machine, a hole machining map was created. This map details key hole parameters such as hole diameter, hole accuracy, hole center coordinates, and hole axis direction, as well as material layers. To align the automatic drilling machine with a large structure, the map of holes to be machined should be divided into areas (in the case of long parts, into subareas). It was found that the technology for machining holes with numerically controlled automatic drilling machines using a combination tool allows holes to be machined in large hybrid structures to their final diameter in one or two passes, ensuring a geometric position accuracy of 0.5 mm. The study of hole machining in large structures revealed that in order to achieve a geometric position accuracy of 0.5 mm in automatic hole machining, long parts should be divided into subsections of no longer than 1 m. The overall length of the reference zone for the automatic drilling machine was determined. The obtained results can be used to optimize hole machining in large structures in aviation, shipbuilding, and other industries.

About the authors

A. G. Gromashev

AeroComposit JSC

Author for correspondence.
Email: a_gromashev@aerocomposit.ru

A. R. Sultanova

Ural Civil Aviation Plant JSC

Email: alja_8@mail.ru

References

  1. Кива Д.С. Этапы становления и начала развернутого применения полимерных композиционных материалов в конструкциях пассажирских и транспортных самолетов (1970–1995 гг.) // Авиационно-космическая техника и технология. 2014. № 6. С. 5–16.
  2. Константинов А.С. Эффективность применения полимерных композиционных материалов при проектировании и изготовлении специальной погрузочной оснастки для грузовых рамповых самолетов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 4. С. 633–638.
  3. Молчанов Б.И., Гудимов М.М. Свойства углепластиков и области их применения // Авиационная промышленность. 1997. № 3-4. С. 58–60. EDN: ZPNNSF.
  4. Фокин И.В., Стуров А.А., Иванов Ю.Н. Перспективы развития композиционных материалов в XXI веке // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. ст. XV Всерос. науч.-техн. конф. (г. Иркутск, 22 декабря 2020 г.). Иркутск: ИрНИТУ, 2021. С. 208–211. EDN: HLNMMU.
  5. Ле Чи Винь, Кольцов В.П., Стародубцева Д.А. Моделирование процесса формирования остаточных напряжений при выполнении технологической последовательности «дробеударная обработка – зачистка лепестковым кругом» // iPolytech Journal. 2024. Т. 28. № 2. С. 202–213. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2024-2-202-213. EDN: QAHLRO.
  6. Балла О.М. Обработка точных отверстий в пакетах из разнородных материалов // Авиационная промышленность. 2013. № 4. С. 27–30. EDN: SDJAIV.
  7. Garrick R. Drilling advanced aircraft structures with PCD (Poly–Crystalline Diamond) drills // SAE Technical Papers. 2007. https://doi.org/10.4271/2007-01-3893.
  8. Ivanov Y.N., Chashhin N.S., Sultanova A.R. A study of cutting forces when drilling CFRP/Ti stacks // Journal of Physics: Conference Series: Advances in Composites Science and Technologies. 2021. Vol. 1990. Iss. 1. P. 012035. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1990/1/012035. EDN: QQRKSV.
  9. Ivanov Y.N., Chashchin N.S., Pashkov A.A. A study of cryogenic cooling when reaming holes in CFRP/Ti/Al Stacks // International Conference on Industrial Engineering: Proceedings of the 7th International Conference on Industrial Engineering (Sochi, 17–21 May 2021). Chelyabinsk: Springer, 2022. Vol. 2. Р. 650–656. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85230-6_77. EDN: CHYTQA.
  10. Иванов Ю.Н. Сверление отверстий в смешанных пакетах // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 1-5. С. 1402–1406. EDN: TJFAFL.
  11. Иванов Ю.Н., Кланцова К.С., Чащин Н.С., Пятых А.С., Матлыгин Г.В., Исаченко А.С. Исследование влияния смазочно-охлаждающих технологических средств на точность и качество обрабатываемых отверстий в авиа- ционных материалах // Системы. Методы. Технологии. 2025. № 3. С. 29–36. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2025-3-29-36.
  12. Kayihan M., Karaguzel U., Bakkal M. Process design and experimental study on drilling operations of a hybrid aluminum/carbon fiber reinforced polymer/titanium composite // Materials and Manufacturing Processes. 2024. Vol. 39. Iss. 11. P. 1630–1637. https://doi.org/10.1080/10426914.2024.2368547.
  13. Patent no. 7575401, United States of America, B1. PCD drill for composite materials / R.M. Garrick, J.A. Bunting. Publ. 18.11.2004.
  14. Shyha I., Soo S.L., Aspinwall D.K., Bradley S., Dawson S., Pretorius C.J. Drilling of titanium/CFRP/aluminium stacks // Key Engineering Materials. 2010. Vol. 447-448. Р. 624–633. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.447-448.624. EDN: ODWSJD.
  15. Tsao C.C. Investigation into the effects of drilling parameters on delamination by various step–core drills // Journal of materials processing technology. 2008. Vol. 206. Iss. 1-3. P. 405–411. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.12.057. EDN: KLUTCR.
  16. Xu Jinyang, Mkaddem A., Mansori M.E. Recent advances in drilling hybrid FRP/Ti composite: a state–of–the–art review // Composite Structures. 2016. Vol. 135. Iss. 1. P. 316–338. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.09.028.
  17. Завацкая Т.В., Кротенко А.Е., Иванов Ю.Н. Сверление и контроль отверстий в пакетах «титановый сплав-углепластик» // Жизненный цикл конструкционных материалов: сб. ст. XII Всерос. науч.-техн. конф. (г. Иркутск, 6 июня 2022 г.). Иркутск: ИрНИТУ, 2022. С. 209–215. EDN: CVDQBN.
  18. Фокин И.В., Стуров А.А., Иванов Ю.Н. Исследование проблемы механической обработки деталей из композиционного материала // Шестые Колачёвские чтения: матер. VI Всерос. молодеж. Науч.-практ. конф., посвящ. первому полету человека в космос (г. Москва, 9 апреля 2021 г.). М.: ООО «Научно-издательский центр Инфра-М», 2021. Т. 6. С. 71–73. EDN: ICULLJ.
  19. Султанова А.Р., Громашев А.Г. Подготовка отверстий в смешанных пакетах для выполнения соединений деталей крыла самолета МС-21 // Авиационная промышленность. 2021. № 1. С. 30–35. EDN: MFOUKE.
  20. Mueller–Hummel P., Atarsia A., Wiemann A. One shot – dry – drilling of composites/titanium/aluminium hybrid stacked materials in IT8 quality // AeroTech Congress & Exhibition. 2013. https://doi.org/10.4271/2013-01-2337.
  21. Прокопчик С.В. О подходах к автоматизированному расчету оптимальных режимов резания при одноинструментальной обработке на сверлильных станках // Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления: матер. XII Междунар. науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и молодых ученых (г. Гомель, 26–27 апреля 2012 г). Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2012. С. 22–25. EDN: VKXGRY.
  22. Громашев А.Г., Султанова А.Р., Масохин Е.В. Модульный принцип сборки авиационных конструкций и оборудование для его реализации // Авиационная промышленность. 2021. № 3-4. С. 58–65. EDN: KFFMJU.
  23. Пат. № 2749432, Российская Федерация, C1. Способ модульной сборки стыковой нервюры самолета для соединения консолей крыла с центропланом и устройство для осуществления способа / А.Г. Громашев, А.И. Гайданский, А.В. Ульянов, А.В. Третьяков, Д.В. Резниченко, Е.В. Масохин, А.Р. Султанова; заявитель и патентообладатель АО «АэроКомпозит». Заявл. 10.01.2020; опубл. 10.06.2021.
  24. Пат. № 2774870, Российская Федерация, C1. Способ модульной сборки кессона консоли крыла самолета с деталями из углеродных полимерных композиционных материалов и металлов и сборочная линия с устройствами для осуществления способа / А.Г. Громашев, А.И. Гайданский, А.В. Ульянов, А.В. Третьяков, Д.В. Резниченко, Е.В. Масохин, О.Л. Данилова, А.Р. Султанова; заявитель и патентообладатель АО «АэроКомпозит». Заявл. 17.09.2021; опубл. 22.06.2023.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).