engenharia aeronáutica usinagem de materiais nÃo …

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




Classificação dos Materiais




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).




Constituição

Multifásico

Aglomerante ou matriz

Reforçantes ou cargas

Aglomerante

União dos reforços

Transmissão das cargas

Reforços

Suporte de carga

Transmissão de calor e eletricidade




Tipos de Compósitos




Classificação

1. Quanto à Geometria dos Reforços

Particulado

(Grande ou pequeno)

Fibras

(Contínuas ou descontínuas)

Estruturais

(Laminados ou painéis)




2. Quanto à Direção dos Reforços

Unidirecional

(Sentido do comprimento)

Bidirecionais

(Tecidos)

Tridirecionais

(Volumes pré-formados)




3. Quanto ao Material dos Reforços

VidroCarbono Boro

Aramida Híbridos




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




Propriedades dos Compósitos

Matriz Metálica

P = PaVa + PbVb





Matriz Cerâmica





Matriz Polimérica




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




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)




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





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





Plásticos reforçados com fibras

Orientação das fibras define:

Tipo de cavaco

Força de corte

Vida da ferramenta

Integridade superficial




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





Cavacos de torneamento de PRFC de tecido bobinado





Torneamento de PRFC de tecido bobinado





Torneamento de PRFC bobinado

60% Vf

> 0, w = 90°

Ruptura

< 0, w = 90°

Deformação

> 0, w = 0°

Cisalhamento





Compósito laminado x bobinado

Ângulo de contato fibra-ferramenta

Tensões térmicas e mecânicas

Textura superficial da peça




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




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




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





Torneamento de C sinterizado x PRFC (60% Vf)




Vida da Ferramenta

PRFC bobinado torneado com metal duro K10

Maior taxa de desgaste no início




Vida da Ferramenta


Ângulo de bobinagem x aumento de Vc




Vida da Ferramenta


Equação de Taylor V x Tn = C

Aços: n ~ 0,33 e C ~ 500




Vida da Ferramenta

PRFV (70% Vf) laminado torneado




Vida da Ferramenta

PRFV-C 60% Vf (70% C + 30% V) bobinado x laminado torneado

bobinado

laminado




Forças de Usinagem

Menores forças

Ferramentas positivas

Ângulo de folga maior

Fp, Ff > Fc

Maior abrasão da aresta

Maior desgaste

Maior área de contato


Não influi na Fc

Pressão da aresta sobre a peça

Não há penetração completa (ap)

Fraturas do cavaco

Torneamento

Metal Duro

Classe P




Forças de Usinagem

Aplainamento do PRFC (65% Vf) unidirecional

Direção de corte no sentido longitudinal das fibras

Largura da aresta > largura da peça




Forças de Usinagem

Torneamento do PRFC, PRFV e PRFK com metal duro

PRFC




Forças de Usinagem

Torneamento do PRFC, PRFV e PRFK com metal duro




Acabamento Superficial

Anisotropia + heterogeneidade = maior rugosidade

Delaminação, arrancamento, recuperação elástica e trincas

Delaminação Recuperação Elástica Fratura da Matriz





Torneamento de PRFC bobinado

Inserto de metal duro





Torneamento de PRFC-V bobinado usando diversas ferramentas





Torneamento de PRFC-V laminado





Torneamento de PRFV, PRFC e PRFK

PRFVPRFC PRFK




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





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





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





Técnica da Radiografia





Técnica do Ultrassom





Força de avanço e torque

Ferro Fundido PFRC





Material para brocas





Influência da orientação das fibras na furação





Força de Avanço e Torque

Furação: vc e variável

Alma: negativo

Extrusão => Ff





Força de Avanço e Torque





PRFC

Helicoidal Dagger Broca W





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





Energia Específica

Corte Avanço





Temperatura de Corte

Compósito: calor na ferramenta e peça

TPRFC < TPRFV e TPRFK

Vc e fn => Temperatura de corte





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)





Mecânica da Delaminação

entrada saída





Delaminação x Desgaste da Broca





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





Rugosidade





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




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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