مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

مطالعه تجربی و آماری الیاف برش نخورده در سوراخکاری چندلایه‌های الیافی-فلزی GLARE و CARALL

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه ساخت و تولید، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران
3 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آیت الله بروجردی، بروجرد، ایران
10.22034/ijme.2026.555124.2145
چکیده
چند ‌لایه‌های الیافی- فلزی (FML) از خانواده‌های GLARE و CARALL به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا و عملکرد مکانیکی مطلوب در صنایع پیشرفته‌ای مانند خودروسازی و هوافضا به‌طور گسترده استفاده می‌شوند، اما سوراخ‌کاری آن‌ها همچنان چالشی اساسی در تضمین کیفیت سطح و یکپارچگی سازه‌ای است. در این پژوهش، تحلیل چند عاملی الیاف برش نخورده و کیفیت سطح سوراخ در نمونه‌های GLARE و CARALL تحت شرایط کنترل ‌شده سوراخ‌کاری مورد بررسی مقایسه‌ای قرار گرفت. برای این منظور، آزمایش‌ها بر پایه طرح عاملی کامل با سه سطح برای سرعت دورانی 1000، 1600 و 2500 دور در دقیقه، نرخ پیشروی 8، 16 و 25 میلی‌متر در دقیقه و قطر ابزار 3، 5 و 7 میلی‌متر انجام شد. نتایج نشان داد که نمونه‌های CARALL به‌طور معناداری مقدار الیاف برش نخورده کمتر و کیفیت سطح بالاتری نسبت به GLARE ارائه می‌دهند که به سفتی بالاتر، چسبندگی قوی‌تر الیاف-ماتریس و پایداری حرارتی بهتر الیاف کربن نسبت داده می‌شود. در GLARE، حساسیت بیشتری نسبت به تغییر نرخ پیشروی و قطر ابزار مشاهده شد، به‌طوری‌که افزایش نرخ پیشروی منجر به تشدید الیاف برش نخورده و زبری سطح گردید. تحلیل نیرو-زمان نشان داد که افزایش سرعت دورانی به کاهش نیرو و بهبود کیفیت سطح در هر دو سیستم منجر می‌شود، هرچند اثر آن در GLARE بارزتر بود. همچنین اثر قطر ابزار الگوی غیرخطی نشان داد؛ قطرهای کوچک‌تر باعث کاهش الیاف برش نخورده شدند اما در قطرهای بزرگ‌تر نیروی محوری و آسیب لایه‌ای افزایش یافت. نتایج بیانگر برتری نسبی CARALL در مقاومت در برابر الیاف برش نخورده و دستیابی به کیفیت سطح مطلوب است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Experimental and statistical study of uncut fibers in the drilling of GLARE and CARALL Fiber-Metal Laminates

نویسندگان English

Ramin Beyranvand 1
Mehdi Ansari 1
Alborz Mohebi 2
Mohammad Kashfi 3
1 Department of Manufacturing, Faculty of Mechanical Engineering, Arak University of Technology, Arak, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Ayatollah Boroujerdi University, Boroujerd, Iran
چکیده English

Fiber–metal laminates (FMLs) of the GLARE and CARALL families are widely utilized in advanced industries such as automotive and aerospace due to their high strength-to-weight ratio and favorable mechanical performance. However, drilling these hybrid laminates remains a fundamental challenge in ensuring hole-surface quality and structural integrity. In this study, a multifactorial analysis of uncut fibers and hole-surface quality in GLARE and CARALL laminates was conducted under controlled drilling conditions. For this purpose, a full factorial experimental design was employed with three spindle speeds (1000, 1600, and 2500 rpm), three feed rates (8, 16, and 25 mm/min), and three tool diameters (3, 5, and 7 mm). The results indicated that CARALL samples exhibited significantly lower amounts of uncut fibers and superior hole-surface quality compared to GLARE, which is attributed to the higher stiffness, stronger fiber–matrix interfacial bonding, and improved thermal stability of carbon fibers. GLARE showed greater sensitivity to changes in feed rate and tool diameter, where increasing the feed rate intensified the formation of uncut fibers and increased surface roughness. Force–time analysis revealed that increasing spindle speed reduced thrust force and improved hole-surface quality in both systems, although the effect was more pronounced in GLARE. The influence of tool diameter demonstrated a nonlinear trend: smaller diameters reduced the presence of uncut fibers, whereas larger diameters led to increased thrust force and interlaminar damage. Overall, the findings confirm the superior resistance of CARALL to uncut-fiber formation and its ability to maintain higher hole quality.

کلیدواژه‌ها English

Fiber&ndash
Metal Laminates, Composite Drilling, Uncut Fibers, Hole Surface Quality, Machining Parameters
[1] Giasin K, Ayvar-Soberanis S. Microstructural investigation of drilling induced damage in fibre metal laminates constituents. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2017 Jun 1;97:166-78. doi: 10.1016/j.compositesa.2017.02.024
[2] Marques F, Silva FG, Silva TE, Rosa PA, Marques AT, de Jesus AM. Delamination of Fibre Metal Laminates Due to Drilling: Experimental Study and Fracture Mechanics-Based Modelling. Metals. 2022 Jul 27;12(8):1262.  doi: 10.3390/met12081262
[3] Costa RD, Sales-Contini RC, Silva FJ, Sebbe N, Jesus AM. A critical review on fiber metal laminates (FML): from manufacturing to sustainable processing. Metals. 2023 Mar 23;13(4):638. doi: 10.3390/met13040638
[4] Salem B, Mkaddem A, Habak M, Dobah Y, Elfarhani M, Jarraya A. Investigation of temperature at Al/glass fiber-reinforced polymer interfaces when drilling composites of different stacking arrangements. Polymers. 2024 Oct 6;16(19):2823. doi: 10.3390/polym16192823
[5] Bolar G, Dinesh AA, Polishetty A, Shetty R, Hiremath A, Neelakantha VL. Performance analysis of helical milling and drilling operations while machining carbon fiber-reinforced aluminum laminates. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2024 May 29;8(3):113. doi: 10.3390/jmmp8030113
[6] Zhao M, Wang F, Fu R, Sun K, Du C, Cui J. Drilling study on CFRP/Al stack with different CFRP thickness using chip-breaking step drill bit. Journal of Manufacturing Processes. 2023 Mar 24;90:300-9. doi: 10.1016/j.jmapro.2023.01.050
[7] Rasti A, Zeinolabedin-Beygi A, Hassanpour H, Omiddodman AR. Study of surface roughness, texture, and microhardness in hard drilling of AISI D2: The critical role of cutting oil in minimum quantity lubrication. Journal of Mechanical Science and Technology. 2025 Sep;39(9):5397-403. doi: 10.1007/s12206-025-0841-x
[8] Gazor MS, Ansari M, Hedayati SK, Ansari M. Bone fixation implants with in-situ controllable stiffness: Modifying the R-curve behavior by 3D printing. Journal of Composite Materials. 2022 Jun;56(15):2337-50. doi: 10.1177/00219983221092843
[9] Gupta A, Vaishya R, Kumar R, Khan KL, Chhabra S, Verma AS, Bharadwaj A. Effect of drilling process parameters on delamination factor in drilling of pultruded glass fiber reinforced polymer composite. Materials Today: Proceedings. 2022 Jan 1;64:1290-4. doi: 10.1016/j.matpr.2022.04.110
[10] Seif A, Sadoun AM, Fathy A, Megahed AA. Evaluation of hole quality in drilling process of GF/Aluminum wire mesh reinforced epoxy composites. Alexandria Engineering Journal. 2024 May 1;94:257-73. doi: 10.1016/j.aej.2024.03.013
[11] Ahn JH, Kim G, Min BK. Exit delamination at the material interface in drilling of CFRP/metal stack. Journal of Manufacturing Processes. 2023 Jan 6;85:227-35. doi: 10.1016/j.jmapro.2022.11.058
[12] Martins A, Carvalho A, Bragança IM, Barbosa IC, Barbosa JI, Loja MA. A statistical assessment of drilling effects on glass fiber-reinforced polymeric composites. Materials. 2024 Nov 18;17(22):5631. doi: 10.3390/ma17225631
[13] Jackstadt A, Liebig WV, Weidenmann KA, Kärger L. On the influence of low-velocity impact damage on constrained-layer damping in hybrid CFRP-elastomer-metal laminates. Materials & Design. 2024 May 1;241:112882. doi: 10.1016/j.matdes.2024.112882
[14] Bolat Ç, Karakılınç U, Yalçın B, Öz Y, Yavaş Ç, Ergene B, Ercetin A, Akkoyun F. Effect of drilling parameters and tool geometry on the thrust force and surface roughness of aerospace grade laminate composites. Micromachines. 2023 Jul 15;14(7):1427. doi: 10.3390/mi14071427
[15] Zhang K, Yu C, Chen C. Measurement and analysis of residual stress of multilayer carbon fiber laminate based on incremental drilling method. Polymer Testing. 2024 Dec 1;141:108646.
[16] Girot F, Dau F, Gutiérrez-Orrantia ME. New analytical model for delamination of CFRP during drilling. Journal of Materials Processing Technology. 2017 Feb 1;240:332-43. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.10.007
[17] Fereyduni F, Ansari M, Baraheni M. The role of drilling parameters in controlling delamination and hole quality of novel long-fiber PLA-glass composites manufactured by FDM. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2025 Mar 21;12(1):51-64. doi: 10.22034/ijme.2025.488847.2027 [In Persian]
[18] Wang GD, Melly SK, Li N. Experimental studies on a two-step technique to reduce delamination damage during milling of large diameter holes in CFRP/Al stack. Composite Structures. 2018 Mar 15;188:330-9. doi: 10.1016/j.compstruct.2018.01.039
[19] Costa RD, Sales-Contini RC, Silva FJ, Sebbe N, Jesus AM. A critical review on fiber metal laminates (FML): from manufacturing to sustainable processing. Metals. 2023 Mar 23;13(4):638. doi: 10.3390/met13040638
[20] Mahdinezhad Qazvini V, Rakhshkhorshid M, Maraki M. The effect of drilling process parameters on thrust force in cotton phenolic composite. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2024 Oct 22;11(8):1-9. doi: 10.22034/ijme.2024.465446.1980 [In Persian]
[21] Baraheni M, Jandaghi Shahi V. Enhancing dimensional accuracy of the produced holes in CFRP by ultrasonic vibration assistance. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2023 May 22;10(3):1-8. doi: 10.22034/IJME.2023.422082.1867 [In Persian]