Dry Machining of Multilayer Composites in Aircraft Construction

Materials that are both high-strength and light are of vital importance in the aerospace sector. Thanks to new material combinations, the weight can be further reduced, strength and corrosion resistance increased and assembly can be simplified by means of an integrated design. While structural parts made of aluminium, titanium or high-strength steels are machined on machining centres or portal machines, parts in final assembly are mostly machined by hand-held machines, drill feed units or robots.

The requirements for tool manufacturers and tools for final assembly therefore differ significantly from those for part manufacturing. While machined parts in part manufacturing have a value of around 1,000 to 50,000 Euros, parts in final assembly, depending on the assembly progress, are significantly more cost-intensive with a value of around 50,000 to 2 million Euros. Faulty machining must either be manually reworked, which is time-consuming and expensive, or the parts have to be completely replaced. For this reason, the suppliers for final assembly must be carefully chosen.

A challenge for tool manufacturers is the variety of materials, particularly if several materials with different properties are to be machined at the same time. To ensure a qualification as a tool manufacturer, it must be possible to machine all materials reliably and economically. The qualification for a tool manufacturer takes between one and five years. Tools and processes also require an additional qualification. Existing processes are only adapted in exceptional cases. For it must be ensured that all machining is carried out with a consistent quality. For example, a low scatter of the bore diameters, a CpK value larger than 1.7, must be ensured for drill machining in final assembly.

Aircraft manufacturers use rivet connections for connecting the outer skin to the structural parts underneath. For this purpose, innumerable bores are drilled. To achieve the lowest resistance to the airstream as possible (low cW value), the rivet heads are countersunk in the outer skin. For this, an additional countersinking must be added to the bore entrance. In the past, a process with up to four individual machining steps was often required (drilling from the solid, boring, reaming, countersinking).

Today machining in just one step, where bore and countersink are realised in one process, is state of the art. Only in this way was automatic machining using robots possible. Previously this type of machining was realised with minimum quantity lubrication (MQL). After machining, the parts had to be disassembled, cleaned and remounted. In addition the cooling medium got inside the aircraft where further assembly steps were taking place at the same time. The demand for tools for dry machining different composite workpiece materials
was the consequence.

Die Trockenbearbeitung läuft vollständig ohne den Einsatz eines Kühlschmierstoffs ab. Kühlschmierstoffe dienen in erster Linie dazu, die Wärme abzuführen und die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück zu reduzieren. Zudem unterstützen sie den Abtransport der Späne. Wird auf Kühlschmierstoff verzichtet, müssen die Werkzeuge diese Aufgaben übernehmen. Daraus ergeben sich die zentralen Herausforderungen an die Werkzeuge, wenn die Flugzeugbauer ihren Bohrprozess auf die Trockenbearbeitung umstellen: 

• Wärme abführen
• Wärmeentwicklung vermeiden
• Späne abtransportieren

 Wird die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt, steit die Temperatur auf einen zu hohen Wert und das Material wird beschädigt. So führt beispielweise ein zu hoher Wärmeeintrag bei faserverstärktem Kohlenstoff dazu, dass das verwendete Harz verbrennt. Dadurch wird das Material spröde. Bei Aluminium bildet sich ein höherer Grat. 
 

Im Gegensatz zu einem mehrstufigen Bohrprozess muss das Kombinationswerkzeug beim Bearbeiten alle Arbeitsschritte (Vollbohren, Aufbohren, Reiben und Senken) übernehmen. Es fertigt die Bohrung für die Nietverbindung in einem Schritt. Damit ist zum einen die Position der Bohrung und zum anderen die Flucht zwischen dem zylindrischen Teil der Bohrung und der Senkung gewährleistet. Ein Winkelfehler oder Versatz wie bei mehrstufigen Operationen ist ausgeschlossen. 

Qualitätsmerkmale der Bohrung:

• Durchmesser
• Übergangsradius
• Senkwinkel

Neben diesen Qualitätsmerkmalen spielt der Austrittsgrat eine große Rolle. Sollte sich bei einer mehrstufigen, manuellen Bohrbearbeitung, am Bohrungsaustritt ein Grat gebildet haben, so kann der Mitarbeiter diesen ohne großen Aufwand mit Hilfe eines Kegelsenkers entfernen. Läuft der Prozess allerdings automatisiert in nur einem Schritt ab, ist ein manuelles Entgraten nicht möglich. Daher muss das entsprechende Werkzeug in der Lage sein, nahezu gratfrei zu bohren. Die Flugzeugbauer geben hier in der Regel eine maximale Grathöhe von 0,1 mm vor. Zum Grat am Bohrungsaustritt kommt der interlaminare Grat zwischen den Lagen. Bildet sich dieser, müssen die Mitarbeiter des Flugzeugbauers den Schichtverbund am Ende der Bohroperationen demontieren, um den interlaminaren Grat zu entfernen. Diese Demontage ist zeitaufwendig und kostenintensiv, daher darf auch dieser Grat erst gar nicht entstehen.  

Das Maschinenkonzept beeinflusst maßgeblich die Werkzeuggeometrie. CNC-Anwendungen auf Bearbeitungszentren oder Portalmaschinen zeichnen sich durch hohe Steifigkeit und stabile Maschinenführung aus. Das Werkzeug wird dadurch sehr gut in der Bohrung geführt. Anwendungen mit Bohrvorschubeinheiten, Robotern oder Handbohrmaschinen sind weniger stabil und erfordern für hohe Genauigkeiten und damit Werkzeuge mit zusätzlichen Stabilisierungsmerkmalen.  

Eine weitere Besonderheit beim Einsatz von Bohrvorschubeinheiten sind die sogenannten „Nosepieces“, auch Führungsbuchsen genannt. Durch eine lange schmale Führungsbuchse transportiert das System die Späne über das Werkzeug ab. Das Ziel der Späne ist ein Absaugkanal am Ende der Führungsbuchse. Damit dieser Prozess funktioniert, sind lange Spanräume notwendig. Der Werkzeughersteller muss diese richtig dimensionieren und an die jeweilige Bearbeitung anpassen.

Für die Bohrungen an der Außenhaut (Rumpf und Flügel) setzen Flugzeugbauer meist Portalmaschinen oder Roboter ein. Die unzugänglichen Bohrbearbeitungen, hauptsächlich in der Endmontage realisieren die Mitarbeiter dann mit Bohrvorschubeinheiten oder mit Handbohrmaschinen gebohrt.

Neben Prozess und Maschinenkonzept haben die eingesetzten Werkstoffe einen großen Einfluss auf die Werkzeugauslegung. Jeder einzelne Werkstoff stellt individuelle Anforderungen an das Werkzeug und die Prozessparameter. Die Wahl der einzelnen Materialkombinationen im Flugzeugbau ist abhängig von den Belastungen, die im Flugbetrieb auf das Bauteil wirken. Generell steht zudem immer eine Einsparung des Gewichts im Fokus. 

Außenhaut und Rippen von Flugzeugen der neusten Generation bestehen überwiegend aus einem Verbund aus CFK und Aluminium. Zudem werden im Bereich der Luftfahrt oft Kombinationen aus verschiedenen Aluminiumlegierungen oder aus CFK-Titan eingesetzt. Das Entscheidende bei den Bohrungen in diesen Schichtverbundwerkstoffen ist die Maßhaltigkeit. In beiden Werkstoffen der jeweiligen Kombinationen muss die Bohrung den exakt selben Durchmesser aufweisen. Gebohrt wird grundsätzlich von außen nach innen. Wird beispielsweise der Schichtverbundwerkstoff CFK-Aluminium bearbeitet, liegen der Bohrungseintritt und die Senkung in der Außenhaut, die aus CFK besteht, und der Bohrungsaustritt in der darunterliegenden Struktur, die in Aluminium ausgeführt ist. Bei der einzelnen Bearbeitung der Materialien CFK und Aluminium sind die Geometrien der Werkzeuge sowie die Schnittdaten grundverschieden. 
Bei der Paarung CFK-Titan werden Werkzeuge benötigt, deren Schneidkante stabil genug ist, um dem duktilen Titan zu widerstehen. Gleichzeitig muss die Schneide scharf sein, um das CFK zu schneiden. Ob ein Bohrprozess allein ausreicht, um die Bohrung zu fertigen, oder ob die Bohrung im Nachgang noch gerieben werden muss, hängt bei dieser Materialkombination von der geforderten Bohrungstoleranz ab.  
Werkzeuge zum Bohren von Schichtverbundwerkstoffen aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen, beispielsweise 7050 und 2024, benötigen keine verschleißhemmende Beschichtung. Denn die im Flugzeugbau verwendeten Aluminiumsorten enthalten wenig bis kein Silizium und können somit nahezu verschleißfrei gebohrt werden. Dies unterscheidet diesen Schichtverbund bei der Bearbeitung entscheidend von Verbunden, die CFK enthalten.  
Werkzeuge, die für Materialkombinationen eingesetzt werden, die CFK enthalten, versehen die Werkzeughersteller beispielsweise generell mit einer Diamantschicht. Diese wirkt der Abrasion des CFK entgegen und ermöglicht hohe Standzeiten. Ein Nachschliff dieser Werkzeuge ist nicht möglich, da die verwendete Diamantschicht eine sehr hohe Härte aufweist. 

• Qualitätsanforderung 
• Material 
• Bearbeitungsprozess

Da die Großzahl der Bohrungen im Flugzeug aufgrund der Nieten eine Senkung benötigen, ist der Bohrungsaustritt kritischer zu bewerten, um kostenintensive Nacharbeiten auszuschließen.  

Im Werkstoff CFK:

• Delaminationen
• Faserüberstände

Im Werkstoff Aluminium:

• Gratbildung

Wichtig ist bei der Bearbeitung aller Einzelmaterialien sowie aller Schichtverbundwerkstoffe zudem die Spanabfuhr. Ist diese nicht gewährleistet, liegt die Bohrungsqualität beim Trockenbohren schnell deutlich außerhalb der geforderten Toleranzen. Die größte Herausforderung bei der Entwicklung eines Trockenbohrers stellt aber die Anpassung der Werkzeuggeometrie auf das labile Bearbeitungssystem der Bohrvorschubeinheiten in Kombination mit Schnittparametern und Spannsystemen (ConcentricCollet) dar.

Für die Trockenbearbeitung der Schichtverbundwerkstoffe aus unterschiedlichen oder gleichen Aluminiumlegierungen, hat MAPAL einen Bohrer mit Senkstufe entwickelt. Durch spezielle Geometriemerkmale hält das Werkzeug die Gratbildung gering. Zudem erreicht der Bohrer eine verbesserte Zentrierung. Die Beschichtung des Werkzeugs verhindert die Bildung einer Aufbauschneide an der Schneidkante. Speziell ausgeformte Spannuten stellen die optimale Spanabfuhr sicher. Gekühlt wird mit Luft, was sowohl die Überhitzung an der Werkzeugschneide als auch die des Aluminiums und damit die Gratbildung verhindert. Zudem werden mit der Pressluft die Späne ausgeblasen. 

At one aircraft manufacturer, the drill is used i.a. for the bores on the longitudinal seam in the rear main span. A spindle speed of 2,959 RPM and a feed of 0.154 mm are applied here. The drill with its diameter of 4.748 mm and a 100° countersink step reliably produces 1,600 bores before the bores no longer lie within the demanded tolerance of 4.73 - 4.805 mm.

To reliably dry machine composite materials made of CFRP and aluminium, MAPAL has also developed a drill with countersink step. The special geometry of the tool ensures that the heat caused by machining is not transferred to the part. In addition, neither part nor work environment is contaminated with coolant. The drill with two cutting edges made of solid carbide combines the properties of a drill for machining aluminium with those of a drill for CFRP machining. Reliable removal of the chips is ensured by the specially designed chip spaces. As CFRP is an extremely abrasive material, the drill is diamond-coated. This means that eight times the tool life is achieved compared with an uncoated drill.

The drilling/countersinking tool for dry machining CFRPaluminium combinations has been successfully used by customers. A spindle speed of 5,000 RPM and a feed of 0.1 mm are applied. The tool impresses not only with regard to process reliability, tool life and machining result, but also because of the steady boring process.

Different material combinations, narrow tolerance specifications and the low machine feed pose great challenges for tool manufacturers. With regard to automated manufacturing using robots, dry machining is also gaining more and more importance in the aerospace sector. In close cooperation with leading aircraft manufacturers, MAPAL has mastered these challenges and developed innovative drilling/countersinking tools for reliable dry machining of composite materials made of CFRP/aluminium and aluminium/aluminium. The specific design of the tool geometry with regard to the material combination, machine concept and drilling process in practice enables a significant increase in process capability as well as the tool lives. Bores outside of the tolerance as well as defects at the bore entrance and outlet are therefore a thing of the past.