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ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
Departamento de Engenharia Mecânica
Prof. Alessandro Roger Rodrigues
USINAGEM DE MATERIAIS NÃO METÁLICOS
Engenharia Aeronáutica
COMPÓSITOS
Polímero
Compósito
Cerâmica
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Classificação dos Materiais
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Definição
Sem definição universal
Composto formado por partes
Depende da escala
1. Material formado por uma mistura ou combinação de dois ou mais micro ou
macroconstituintes, que diferem na forma e composição química e que, na sua
essência, são insolúveis uns nos outros (Smith, 1998).
2. Material formado por dois ou mais componentes, com identidade química e forma
diferentes, que se conservam distintos após o processamento, e que são separados
por uma interface mais ou menos bem definida (Ferrante, 2002).
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Constituição
Multifásico
Aglomerante ou matriz
Reforçantes ou cargas
Aglomerante
União dos reforços
Transmissão das cargas
Reforços
Suporte de carga
Transmissão de calor e eletricidade
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Tipos de Compósitos
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Tipos de Compósitos
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Classificação
1. Quanto à Geometria dos Reforços
Particulado
(Grande ou pequeno)
Fibras
(Contínuas ou descontínuas)
Estruturais
(Laminados ou painéis)
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2. Quanto à Direção dos Reforços
Unidirecional
(Sentido do comprimento)
Bidirecionais
(Tecidos)
Tridirecionais
(Volumes pré-formados)
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3. Quanto ao Material dos Reforços
VidroCarbono Boro
Aramida Híbridos
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Matriz cerâmica reforçada com Óxido de ZircôniaMatriz de Carbono
4. Quanto à Composição Química da Matriz
Polimérica Metálica
Cerâmica Carbono
Matriz polimérica reforçada com SiC Matriz metálica reforçada com diamante
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Propriedades dos Compósitos
Matriz Metálica
P = PaVa + PbVb
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Propriedades dos Compósitos
Matriz Cerâmica
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Propriedades dos Compósitos
Matriz Polimérica
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Exemplos e Aplicações
Matriz Polimérica
Fenóis, Epóxis, Poliésteres
(Leves e resistentes)
Matriz Metálica
Ti, Al, Mg e Cu
(Mais pesadas)
Matriz Cerâmica
SiC, Al2O3, ZrC, Si3N4
(Uso entre 1000 e 2000 C)
Matriz Carbono
Elevada energia de absorção
(Uso acima de 2000C)
Indústrias
Automotiva, aeronáutica, aeroespacial,
naval, nuclear, biomédica, etc.
Componentes
Aeronaves
(Fuselagem, asa, turbinas, freios)
Foguetes
(Tubos)
Reservatórios
(Fluidos, alimentos)
Peças estruturais
(Chassis automotivos)
Características de Funcionalidade
Resistência x Peso
Amortecimento, fadiga, inércia química
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Processos de Usinagem
Moldagem x Usinagem
(flexibilidade x precisão e acabamento)
Processos não-convencionais
Ultrassom, laser, eletroerosão, jato d´água, plasma
(Degradação térmica e absorção de umidade)
Processos convencionais
Furação, fresamento, torneamento, roscamento
(Depende da geometria da peça e do domínio da tecnologia)
Fluido de Corte
Raros na usinagem de compósitos (absorção da umidade)
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Mecanismo de Corte (Usinabilidade)
Propriedades físico-químicas e mecânicas do compósito
Proporção e orientação das fibras
Tipo de matriz e reforço
Modo de obtenção do compósito
Temperatura limita a usinagem (baixa condutividade térmica de PRFC)
Balanço térmico diferente da usinagem dos metais
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Mecanismo de Corte (Usinabilidade)
Concentração de calor na zona de corte
Ferramenta é o principal meio de dissipação de calor
Resistência à ruptura, fluência e fadiga
Dureza a quente, condutividade térmica e tenacidade
Qualidade superficial da peça usinada
Delaminações, extração de reforços (pullout)
Tensões residuais, trincas, queima
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Mecanismo de Corte (Usinabilidade)
Plásticos reforçados com fibras
Orientação das fibras define:
Tipo de cavaco
Força de corte
Vida da ferramenta
Integridade superficial
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Formação do Cavaco
Propriedades das fibras x matriz + interface = usinabilidade
Fibras orgânicas x inorgânicas
Mecanismo de ruptura, deformação e cisalhamento
Ferramenta = corte das fibras e perda de ligação com a matriz
Fibras não cisalhadas = deformações ou trincas
Ruptura Deformação Cisalhamento
PRFC
Fratura frágil
Cavacos na forma de pó
PRFV
Flexão das fibras
Cavacos grossos
PRFK
Felpas
Fibras não cisalhadas
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Formação do Cavaco
Cavacos de torneamento de PRFC de tecido bobinado
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Formação do Cavaco
Torneamento de PRFC de tecido bobinado
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Formação do Cavaco
Torneamento de PRFC bobinado
60% Vf
> 0, w = 90°
Ruptura
< 0, w = 90°
Deformação
> 0, w = 0°
Cisalhamento
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Formação do Cavaco
Compósito laminado x bobinado
Ângulo de contato fibra-ferramenta
Tensões térmicas e mecânicas
Textura superficial da peça
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Ferramenta de Corte
Efeitos
Atrito das fibras
Forças pulsantes
Elevadas temperaturas
Causas
Fadiga
Degradação térmica
Abrasão
Abrasividade dos compósitos
Menor qualidade de corte
Menor vida da ferramenta
Melhor emprego
Metal duro, CBN, Diamante
Transporte do calor na usinagem
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Ferramenta de Corte
Vc aumenta Tc no torneamento do PRFC
Vc crítica para cada ferramenta
Diferentes condutividades térmicas
Fadiga
Degradação térmica
Abrasão
Sujeição a desgastes
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Desgaste da Ferramenta
Desgaste de flanco em metal duro
Abrasão e Attrition
Perda de revestimento TiC = Entalhe
Sem desgaste de cratera
Arredondamento da aresta
Desgaste de Entalhe
Arredondamento de arestaDesgaste de flanco
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Desgaste da Ferramenta
Torneamento de C sinterizado x PRFC (60% Vf)
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Vida da Ferramenta
PRFC bobinado torneado com metal duro K10
Maior taxa de desgaste no início
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Vida da Ferramenta
PRFC bobinado torneado com metal duro K10
Ângulo de bobinagem x aumento de Vc
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Vida da Ferramenta
PRFC bobinado torneado com metal duro K10
Equação de Taylor V x Tn = C
Aços: n ~ 0,33 e C ~ 500
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Vida da Ferramenta
PRFV (70% Vf) laminado torneado
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Vida da Ferramenta
PRFV-C 60% Vf (70% C + 30% V) bobinado x laminado torneado
bobinado
laminado
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Forças de Usinagem
Menores forças
Ferramentas positivas
Ângulo de folga maior
Fp, Ff > Fc
Maior abrasão da aresta
Maior desgaste
Maior área de contato
Desgaste da Ferramenta
Não influi na Fc
Pressão da aresta sobre a peça
Não há penetração completa (ap)
Fraturas do cavaco
Torneamento
Metal Duro
Classe P
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Forças de Usinagem
Aplainamento do PRFC (65% Vf) unidirecional
Direção de corte no sentido longitudinal das fibras
Largura da aresta > largura da peça
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Forças de Usinagem
Torneamento do PRFC, PRFV e PRFK com metal duro
PRFC
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Forças de Usinagem
Torneamento do PRFC, PRFV e PRFK com metal duro
PRFC
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Forças de Usinagem
Torneamento do PRFC, PRFV e PRFK com metal duro
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Forças de Usinagem
Torneamento do PRFC, PRFV e PRFK com metal duro
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Acabamento Superficial
Anisotropia + heterogeneidade = maior rugosidade
Delaminação, arrancamento, recuperação elástica e trincas
Delaminação Recuperação Elástica Fratura da Matriz
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Acabamento Superficial
Torneamento de PRFC bobinado
Inserto de metal duro
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Acabamento Superficial
Torneamento de PRFC-V bobinado usando diversas ferramentas
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Acabamento Superficial
Torneamento de PRFC-V laminado
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Acabamento Superficial
Torneamento de PRFV, PRFC e PRFK
PRFVPRFC PRFK
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Furação de Compósitos
Naval, automobilística e aeronáutica
Circuitos impressos
Vida da união x qualidade dos furos
100 mil x mais de 1 milhão de furos
Rebites, porcas e parafusos
Montagem = 50% do custo da fuselagem
Furação: operação final
Rejeição: 60%
Considerações para furação
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Furação de Compósitos
Classificação dos Danos na Furação
Delaminação na entrada e saída* do furo
Circularidade
Rugosidade da parede interna
Danos térmicos na parede interna
Arrancamento da fibra/resina
Circularidade
Delaminação Arrancamento de fibra
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Furação de Compósitos
Medidas das Delaminações
Direta: largura, área e fator de delaminação (Raio-x, ultrassom, imagem)
Indireta: Força de avanço*, torque e potência de corte
Delaminação: externa x interna (ensaios não destrutivos)
Externa: suportes x tempo/custo
Força crítica de delaminação
GIc: taxa crítica de liberação de energia (modo I)
Fator de delaminação
Dmax: Delaminado
D: furo
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Furação de Compósitos
Técnica da Radiografia
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Furação de Compósitos
Técnica do Ultrassom
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Furação de Compósitos
Força de avanço e torque
Ferro Fundido PFRC
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Furação de Compósitos
Material para brocas
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Furação de Compósitos
Influência da orientação das fibras na furação
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Furação de Compósitos
Força de Avanço e Torque
Furação: vc e variável
Alma: negativo
Extrusão => Ff
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Furação de Compósitos
Força de Avanço e Torque
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Furação de Compósitos
PRFC
Helicoidal Dagger Broca W
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Furação de Compósitos
Fatores de influência na força e torque
Parâmetros de corte:
Aumento fn => aumento Ff e Torque
Geometria da broca:
Diâmetro, largura da alma, ângulo de ponta
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Furação de Compósitos
Energia Específica
Corte Avanço
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Furação de Compósitos
Temperatura de Corte
Compósito: calor na ferramenta e peça
TPRFC < TPRFV e TPRFK
Vc e fn => Temperatura de corte
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Furação de Compósitos
Mecânica da Delaminação
Alma x flexão da camada x trinca
(modo de fratura I e III)
Escorregamento x canais da broca
(modo de fratura III)
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Furação de Compósitos
Mecânica da Delaminação
entrada saída
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Furação de Compósitos
Delaminação x Desgaste da Broca
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Furação de Compósitos
Rugosidade
Ângulos de 135° e 315°
Compressão e flexão
Força de corte e torque máximos
Fraturas e felpas
PRFC (termoplásticos)
Vc e fn* afetam Ra
Ra < 1 micrômetro
Camada refundida
PRFC (termofixo)
Ra < 3 micrômetros
Fratura frágil
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Furação de Compósitos
Rugosidade
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Furação de Compósitos
Rugosidade
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Furação de Compósitos
Recomendações Práticas
Diminuir fn na entrada e saída
Aumentar a rigidez na saída
Usar brocas com alma pequena
Furar dois lados
Minimizar o desgaste da broca
Usar broca de MD
Usar revestimentos (PCD)
Empregar fluido (se possível)
Usar broca Tipo Brad e Spur (W)
Aplicar ciclo “pica-pau”
Broca Brad e Spur
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Aspectos de Segurança
Cavacos em forma de pó
Névoa durante a usinagem
Dispersão de partículas dos reforços + matriz
Aquecimento + névoa = risco à saúde do operador
Pó abrasivo prejudicial à máquina-ferramenta
Condução de eletricidade = curto circuitos
Acúmulo = eletricidade estática + risco de explosões
Sistema de exaustão na máquina e ambiente externo
Uso de EPIs e proteção da máquina
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