USINABIL USIN ABILIDADE IDADE DE MATÉR MATÉRIAIS IAIS COMP COMPÓSITO ÓSITOS S POLI POLIMÉRIC MÉRICOS: OS: UMA REVISÃO BIBL BIBLIOG IOGRÁFI RÁFICA CA. P.E. Faria,
[email protected] [email protected] e e A.M. Abrão. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais.
Resumo O presente trabalho apresenta o material compósito, sua classificação e seus tipos, dando ênfase aos compósitos poliméricos, juntamente com os tipos de fibras utilizadas para reforço e suas propriedades. Na seqüência são apresentados alguns exemplos de aplicações desses materiais e por fim são mostradas as operações de usinagem mais empregadas.
1. Introdução Muitas das nossas tecnologias modernas exigem materiais com combinação incomuns de propriedades que não podem ser atendidas pelas ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos convencionais. As combinações combinações e as faixas das propriedades dos materiais foram e ainda estão sendo ampliadas através do desenvolvimento de materiais compósitos. Por se tratar de material material projeta projetado, do, proprieda propriedades des especiai especiaiss são conse conseguidas guidas e sua aplicaçã aplicação o nas industrias aeroespacial, automotiva, bioengenharia e esportiva tem sido crescente, onde são exigidas material com alta tecnologia. Porém, antes de serem utilizados por estas industriais estes materiais passam por operações de furação, fresamento, torneamento, entre outras. Entretanto, a usinabilidade destes materiais é ainda muito pouco conhecida. Dai o objetivo deste trabalho que é apresentar os tipos de materiais compósitos, algumas aplicações e alguns estudos sobre sua usinabilidade. 1.1 Materiais Compósitos
O surgimento dos compósitos foi motivado pela crescente severidade das condições condições de operação imposta pelas novas tecnologias, especialmente no que se refere à necessidade necessidade de combinar propriedades incompatíveis umas com as outras, como, por exemplo, resistência mecânica e tenacidade. Os materiais compósitos não têm uma definição universalmente aceita. A palavra compósito deriva de composto, ou seja, qualquer coisa formada por partes (ou constituintes) diferentes. Na escala micro-estrutural alguns materiais podem ser considerados compósitos uma vez que são formados por agrupamentos atômicos diferentes e na escala macro-estrutural, no qual os constituintes são diferentes e podem ser identificados a olho nu, também é considerado material compósito. Portanto, a dificuldade em estabelecer uma definição para material compósito reside nas limitações dimensionais dimensionais impostas aos constituintes constituintes que formam o material (Smith, 1999). Para dar uma descrição razoável para o material compósito Smith (1999) o define da seguinte forma: “Um materia materiall compósito compósito é formado formado por uma mistura mistura ou combinação de dois ou mais combinação mais micro ou macro macro constituintes constituintes que que diferem na na forma e na composição química e que, na sua essência, são insolúveis uns nos outros”.
Segundo Ferrante (2002) uma definição satisfatória de compósitos deve abordar seus componentes compo nentes,, arranjo arranjo e “funciona “funcionamento” mento” quando quando em conjunto. conjunto. Esses requisi requisitos tos são são materiall composto é formado formado por por dois razoavelmente preenchidos pela seguinte definição: “Um materia ou mais componentes, com identidade química e forma diferentes, que se conservam distintos após o processamento processamento e que são separados separados por uma interface interface mais ou menos definida. definida. A adesão entre entre esses componentes componentes é tal que as cargas são transferidas transferidas para os elementos elementos de maior resistênci resistência a mecânica, mecânica, fibras, fibras, que estão geralme geralmente nte dispersa dispersas s no componente componente que atua como matriz”.
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Apesar da dificuldade em definir um material compósito, muitos estudos têm sido feitos para desenvolver novos materiais que possam substituir as ligas metálicas, cerâmicas e poliméricas, com o objetivo de atender às exigências tecnológicas modernas. No projeto de materiais compósitos, os constituintes são combinações de metais, cerâmicas e polímeros que darão origem a uma nova geração de materiais com melhores propriedades mecânicas. Muitas destas novas gerações de materiais compósitos são formadas por duas fases: uma é chamada de matriz, que é contínua e envolve a outra fase, chamada dispersa. As propriedades dos compósitos dependem das propriedades das fases constituintes, das suas quantidades relativas e da geometria da fase dispersa. No que se refere à fase matriz, o compósito pode ser classificado em três grupos: metálico, cerâmico e polimérico; na fase dispersa pode ser classificado em três categorias gerais: compósitos particulados, compósitos de fibras descontínuas (“ whiskers”) e compósito de fibras contínuas, como mostra a figura 1. O arranjo ou orientação das fibras em relação umas às outras, a concentração das fibras e sua distribuição têm influência significativa sobre a resistência e sobre outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras. Em relação à orientação das fibras, são possíveis duas configurações: um alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras em uma única direção e um alinhamento totalmente aleatório. Normalmente as fibras contínuas estão alinhadas, enquanto as fibras descontínuas podem estar alinhadas, orientadas aleatoriamente ou parcialmente orientadas. A melhor combinação geral das propriedades dos compósitos é obtida quando a distribuição das fibras é uniforme (Callister, 2002). Compósitos com fibras contínuas e alinhadas têm respostas mecânicas que dependem de diversos fatores, entre os quais os comportamentos tensão-deformação das fases fibras e matriz, as frações volumétricas das fases e a direção na qual a tensão ou carga é aplicada. Além do mais, as propriedades de um compósito que possui as suas fibras alinhadas são altamente anisotrópicas, isto é, dependem da direção na qual elas são medidas (Callister, 2002). Os compósitos com fibras descontínuas e alinhadas têm uma eficiência de reforço menor que as fibras contínuas. Apesar disto, eles estão se tornando cada vez mais utilizados. Fibras de vidro picadas são reforços desse tipo usado com maior freqüência; contudo, fibras descontínuas de carbono e aramida também são empregadas. Esses compósitos com fibras curtas podem ser produzidos com módulo de elasticidade e limite de resistência à tração que se aproximam de 90% e 50%, respectivamente, dos seus análogos com fibras contínuas. Já os compósitos com fibras descontínuas e aleatórias são aplicados onde tensões são totalmente multidirecionais. A eficiência do reforço é de apenas um quinto se comparado com os compósitos reforçados com fibras contínuas e alinhadas na direção longitudinal, entretanto, as características mecânicas são isotrópicas (Callister, 2002). A consideração em relação à orientação e ao comprimento da fibra para um compósito particular dependerá do nível e da natureza da tensão aplicada, bem como dos custos de fabricação. As taxas de produção para os compósitos com fibras curtas (tanto os alinhados como os com orientação aleatória) são elevadas, e formas complexas podem ser moldadas, o que nem sempre é possível quando se utiliza um reforço com fibras contínuas. Ademais, os custos de fabricação são consideravelmente menores do que para as fibras contínuas e alinhadas. O desenvolvimento dos compósitos de matriz metálica ( MMC – “Metal Matrix Composites” ) iniciou-se em meados da década de 60 com a produção de fibras de boro e de carboneto de silício para reforçar metais leves, particularmente as ligas de alumínio. Consideráveis pesquisas foram feitas nos Estados Unidos na década de 70 aplicando-se compósitos de matriz metálica em lançadores de foguetes e aeronaves militares. Atualmente, muitos compósitos de matriz metálica ainda estão em estágio de desenvolvimento, ou no início
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de produção comercial, porém não tão intensamente como os compósitos de matriz polimérica (Deniculi, 1999).
Figura 1 – Classificação dos materiais compósitos, segundo Daniel e Ishai (1994). O reforço introduzido no interior da matriz pode ser na forma de partículas, fibras contínuas ou descontínuas (“whiskers”). As concentrações variam normalmente entre 10 e 60% em volume. O reforço pode melhorar a rigidez específica, a resistência específica, a resistência à abrasão, a resistência à fluência, a condutividade térmica e a estabilidade dimensional. Os materiais para fibras contínuas incluem o carbono, o carboneto de silício, o boro, o óxido de alumínio e os metais refratários. Por outro lado, os reforços descontínuos consistem
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principalmente em “whiskers” de carboneto de silício, fibras picadas de óxido de alumínio e de carbono, e particulados de carboneto de silício e óxido de alumínio (Callister, 2002). Algumas combinações de reforços de matriz são altamente reativas a temperaturas elevadas. Conseqüentemente, a degradação do compósito pode ser causada pelo processamento a altas temperaturas ou ao se sujeitar o compósito a temperaturas elevadas durante seu regime de serviço. Esse problema é comumente resolvido pela aplicação de um revestimento superficial de proteção ao reforço ou pela modificação da composição da liga (Herakovich, 1998). O desenvolvimento de compósitos de matriz cerâmica ( CMC – “Ceramic Matrix Composites” ) tem ficado aquém de outros compósitos, principalmente por causa das altas temperaturas envolvidas nas etapas de fabricação, sendo necessária à utilização de reforçadores que suportem altas temperaturas. Outro motivo é, segundo Deniculi (1999), o aparecimento de tensões térmicas entre a matriz e o reforçador durante o resfriamento, devido à diferença de coeficientes de expansão térmica. Os compósitos de matrizes cerâmicas podem ser fabricados utilizando-se prensagem a quente, estampagem isostática a quente e técnicas de sinterização na fase líquida (Callister, 2002). Os principais tipos de compósitos de matriz cerâmica, de acordo com o tipo de reforço usado, são: os de fibras contínuas, os de fibras descontínuas e os reforçados por partículas. As duas principais variedades de fibras contínuas que têm sido usadas nos compósitos de matriz cerâmica são as de carboneto de silício (SiC) e as de óxido de alumínio (Al 2O3). Já para as fibras descontínuas (“ whiskers”) e particulados é utilizado o carboneto de silício (SiC), segundo Smith (1998). Os materiais compósitos de matriz cerâmica são inerentemente resistentes à oxidação e à deterioração sob temperaturas elevadas. Não fosse pela predisposição destes materiais à fratura frágil, alguns seriam candidatos ideais para uso em aplicações a altas temperaturas e sob severas condições de tensão, especialmente para componentes em motores de turbinas para automóveis e aeronaves (Herakovich, 1998).
2. Compósitos de Matriz Polimérica Os compósitos com matriz polímerica ( PMC – “Polymer Matrix Composites” ) consistem de uma resina polimérica como fase matriz e fibras como meio de reforço. Etimologicamente, a palavra polímero significa “muitas partes”. Um material polimérico pode ser considerado como constituído por muitas partes, ou unidades, ligadas quimicamente entre si de modo a formar um sólido.Estes materiais são usados na mais ampla diversidade de aplicações dos compósitos, bem como nas maiores quantidades, em vista de suas propriedades à temperatura ambiente, de sua facilidade de fabricação e de seu custo. Dependendo do modo como estão ligados química e estruturalmente, os plásticos podem ser divididos em duas classes: termoplásticos e termoendurecíveis. Os polímeros termoplásticos amolecem quando são aquecidos (e por fim se liquefazem) e endurecem quando são resfriados, processos que são totalmente reversíveis e que podem ser repetidos. Além disso, os termoplásticos são relativamente moles e dúcteis. Os polímeros termoendurecíveis se tornam permanentemente duros quando submetidos ao calor e não amolecem com um aquecimento subseqüente. Geralmente são mais duros, mais resistentes e mais frágil, do que os polímeros termoplásticos, e possuem melhor estabilidade dimensional (Smith, 1999). A principal vantagem dos compósitos de matriz polimérica é que sua fabricação envolve altas pressões e baixas temperaturas, evitando-se problemas associados com a degradação do reforço. Por esta razão o desenvolvimento de compósitos de matriz polimérica cresceu rapidamente. Compósitos reforçados com fibras de vidros são os mais utilizados em termos de volume, perdendo apenas para o concreto (Deniculi, 1999). As propriedades dos
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compósitos de matriz polimérica podem variar numa grande faixa, dependendo dos tipos de matrizes e reforços utilizados e das combinações do s mesmos. De acordo com Callister (2002), as principais desvantagens dos compósitos de matriz polimérica são a impossibilidade de trabalho a altas temperaturas, instabilidade dimensional (devido a altos coeficientes de expansão térmica), sensibilidade à radiação e, em alguns casos, absorção da umidade do ambiente. Os três principais tipos de fibras sintéticas que se usam para reforçar materiais poliméricos são: vidro, aramida (ou aramídica) e carbono. As fibras de vidro são de longe o reforço mais usado e o mais barato. As fibras de aramida e de carbono apresentam resistência mecânica elevada e baixa densidade e apesar do seu preço mais elevado, são utilizadas em muitas aplicações, especialmente na indústria aeroespacial. Fibras de Vidro – São usadas para reforçar matrizes poliméricas, de modo a se obter
compósitos estruturais e componentes moldados. Os compósitos de matriz plástica reforçada com fibras de vidro apresentam as seguintes características favoráveis: elevada razão (quociente) entre resistência e peso; boa estabilidade dimensional; boa resistência ao calor, à umidade e à corrosão; boas propriedades de isolamento elétrico; facilidade de fabricação e custo relativamente baixo. Fibras de Carbono – Compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono, por exemplo, de resina epóxi, são caracterizados pelo fato de apresentarem uma combinação de baixo peso, resistência mecânica muito elevada e elevada rigidez (módulo de elasticidade). As fibras de carbono, para estes compósitos, são fabricadas principalmente a partir de dois precursores: o poliacrilonitrilo (PAN ) e o breu (ou piche). Fibras de Aramida – É a designação genérica dada às fibras de poliamida aromática. As fibras de aramida foram introduzidas no comércio em 1972 pela Du Pont®, sob o nome comercial de Kevlar ®, e até à presente data existem dois tipos comerciais: o Kevlar 29 ® e o Kevlar 49®. O Kevlar 29® é uma fibra de aramida de elevada resistência mecânica e baixa densidade, concebida para determinadas aplicações, como por exemplo, para proteção balística, cordas e cabos. O Kevlar 49 ® é caracterizado por possuir resistência mecânica e um módulo de elasticidade elevados e densidade baixa. As propriedades do Kevlar 49® fazem com que as suas fibras sejam usadas como reforço de matrizes poliméricas, de compósitos com aplicação nas indústrias aeroespacial, marítima, automobilística e outras. 2.1 Propriedades Mecânicas dos Compósitos Poliméricos
Algumas propriedades de compósitos com matriz epóxi, reforçadas com fibras de vidro, carbono e aramida estão indicadas na tabela 1. Desta forma, pode ser feita uma comparação entre as características mecânicas desses três materiais, tanto para a direção longitudinal como para a direção transversal. As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras não dependem somente das propriedades da fibra, mas também do grau segundo o qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras pela fase matriz. A magnitude da ligação interfacial entre as fases fibra e matriz é importante para a extensão dessa transmissão de carga. Um certo comprimento crítico de fibra é necessário para que exista um efetivo aumento da resistência e um enrijecimento do material compósito. Esse comprimento crítico depende do diâmetro da fibra e da sua resistência final (ou limite de resistência à tração), bem como da força de ligação entre a fibra e a matriz (Callister, 2002). O arranjo ou orientação das fibras em relação umas às outras, a concentração das fibras e sua distribuição tem influência significativa sobre a resistência e sobre outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras. Em relação à orientação das fibras, são possíveis dois extremos: um alinhamento paralelo do eixo longitudinal das fibras em uma única direção e um alinhamento totalmente aleatório. Normalmente, as fibras contínuas estão 5
alinhadas, enquanto as fibras descontínuas podem estar alinhadas, orientadas todas aleatoriamente ou parcialmente orientadas. A melhor combinação geral das propriedades dos compósitos é obtida quando a distribuição das fibras é uniforme (Callister, 2002).
Tabela 1 – Propriedades mecânicas de compósitos com matrizes de resina epóxi reforçadas com fibras contínuas e alinhadas de vidro, carbono e aramida (Callister, 2002). Propriedades
Vidro
Carbono
Aramida
Densidade (g/cm³)
2,1
1,6
1,4
Módulo de Tração: Longitudinal (GPa) Transversal (GPa)
45 12
145 10
76 5,5
Limite de Resistência à Tração: Longitudinal (MPa) Transversal (MPa)
1020 40
1240 41
1380 30
2,3 0,4
0,9 0,4
1,8 0,5
Deformação no Limite de Resistência à Tração: Longitudinal (%) Transversal (%)
3. Algumas Aplicações de Materiais Compósitos A seguir são apresentados exemplos atuais de aplicações dos compósitos. As áreas abordadas são: aeroespacial, automotivo e bioengenharia. Outras aplicações que consome boa quantidade de compósito são: por exemplo, a indústria de material esportivo que utiliza compósitos com fibras de vidro e carbono e a indústria química que utiliza tanques e vasos de pressão em epóxi e em poliéster reforçados com fibras de vidro. Aplicações aeroespaciais: é o campo no qual os compósitos de matriz metálicas ou cerâmicas têm grande potencial. A razão é simples: as limitações das ligas metálicas em altas temperaturas. O objetivo é substituir a liga de alumínio 2618, onde a máxima temperatura na fuselagem atinge aproximadamente 200°C, pelos seguintes tipos de compósitos: alumínio/SiC; titânio(Ti-15V-3Al-Cr3Sn)/SiC; e poliamida/fibras de C. Onde as temperaturas da fuselagem estão em torno de 800°C, os compósitos são ligas de titânio 21S/SiC; ligas de cobre/SiC e carbono/C. Em regiões mais críticas que a temperatura chega a 1.650°C são utilizados compósitos de carbono/C, que servem com recobrimento dos painéis de titânio/SiC. Aplicações automotivas: o uso de compósitos em automóveis de competição já é realidade, com destaque para as fibras de carbono na construção de células que oferecem alto grau de proteção ao piloto. Entretanto, uma série de novos desenvolvimentos leva a prever a iminente introdução desses materiais em veículos de alto desempenho. Porém, a maioria dos casos se refere a compósitos de matriz polimérica, e deve se assinalar que o advento da tecnologia de reforços termoplásticos com mantas e tecidos permitem a substituição de chapas de aço por compósitos termoformados. Quanto aos compósitos de matriz metálica, seu uso ainda é bastante restrito, mas um interessante exemplo provém da empresa Toyota, que efetuou a substituição de uma polia em ferro fundido por alumínio/fibras curtas de Al2O3 + SiO2. Ainda mais radical, a fabrica Honda pretende aumentar a resistência ao desgaste e às altas temperaturas, com o uso de um compósito com matriz de alumínio contendo 12% de fibras de Al2O3 + 9% de fibras de grafite, no revestimento dos cilindros do motor. Outro exemplo de
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compósito com matriz metálica é novamente a liga de alumínio, desta vez Al-Si, com reforço de 20% SiC (partículas), substituindo ferro fundido em discos de freio. Resumindo, a introdução de compósito de matriz metálica em componentes automotivos ocorre principalmente por meio de ligas de alumínio, a fim de aumentar a resistência desses materiais e aproveitar seu grande potencial de redução de peso. Uma propriedade muito conveniente para aplicações aeronáuticas, aeroespaciais e também automotivas dos compósitos é sua capacidade de atenuar vibrações. A capacidade de atenuar vibrações dos compósitos de matriz poliméricas é semelhante à do ferro fundido, isto é, relativamente boa. Aplicações em bioengenharia: muito desenvolvida, especialmente, em próteses, tanto internas como externas. Por exemplo, em substituição ao fêmur utiliza-se uma haste em compósito encimada por uma esfera de Al2O3. Recentemente foi desenvolvido com um compósito náilon/fibras de carbono, um suporte para pessoas que têm problemas de locomoção. Em relação ao suporte em aço, o construído em compósito exibe o dobro da resistência mecânica, 1,4 vez a rigidez e massa 70% menor. Infelizmente, o custo do material supera o do aço por um fator de dois ou três. Estão sendo testadas válvulas para o coração artificial em carvão pirolítico recoberto por carvão. A introdução de reforços de fibras de carbono é uma provável evolução desse material.
4. Usinabilidade de Materiais Compósitos A usinagem de compósitos polímericos reforçados com fibras (PRF) vem sendo estudada em virtude destes materiais estarem sendo utilizados para a fabricação de componentes e peças e como parte estrutural em diversos equipamentos. Portanto, é inevitável que operações de usinagem sejam executada em PRF. Entre as operações de usinagem mais executadas estão a furação, o fresamento, o torneamento e a retificação. A usinagem de PRF difere significativamente dos materiais metálicos, em função da diversidade estrutural que aquele material apresenta. Os compósitos são formados por conjuntos de fibras dispostas em feixes paralelos, tecidos, ou na forma picada, suportados por uma matriz de resina polimérica. A disposição destas fibras na matriz define o mecanismo de corte durante a usinagem e, conseqüentemente o tipo de cavaco produzido, as forças de corte, a vida da ferramenta, a rugosidade e a integridade da peça (Santhanakrishnan et al, 1993). 4.1. Furação
Com o objetivo de estabelecer uma relação entre os parâmetros de corte: velocidade de corte (v c) e avanço (f) com pressão de corte (k c ) e força de avanço (F )f , Davim et al (2004) efetuaram furos em um compósito PRFV, utilizando dois tipos de brocas: “Stub Length” e “Brad & Spur”. Os resultados estão mostrados nas figuras 2(a) e (b). Analisando a influência dos parâmetros de corte (v c ) e (f) sobre a pressão especifica de corte (k s ), figura 2(a), os autores observaram que quando se aumenta o avanço (f), a pressão especifica de corte (k s ) diminui para os dois tipos de brocas utilizadas. Estes resultados se repetiram para as três velocidades de corte empregadas. A outra análise feita pelos autores foi referente à influência dos parâmetros de corte sobre a força de avanço (F )f , figura 2(b). Pode-se ver que houve um aumento da força em função do avanço para os dois tipos de brocas. Aqui também o aumento da força se deu para as três velocidades escolhidas. Capello (2004) analisou a influência do avanço (f) sobre a delaminação na furação de um compósito PRFV. Para um avanço pequeno não há delaminação, mas para um avanço grande há delaminação. Quando o avanço aumenta, o ângulo que a aresta de corte faz com a superfície do material passa de positivo para negativo, fazendo com que a broca passe a empurrar o material ao invés de cortá-lo.
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Figura 2 – Influência da velocidade de corte (v c ) e avanço (f) sobre a pressão de corte (k s ) (a) e força de avanço (F )f (b), segundo Davim et al (2004). A figura 3 mostra em um gráfico os resultados do avanço e do diâmetro do furo do suporte em função da área delaminada. Neste gráfico tem-se que para o mesmo suporte e avanços de 0,11 e 0,50 mm/rev, a maior área delaminada foi encontrada para os maiores avanço e furo do suporte.
Figura 3– Influência do avanço e do furo do suporte sobre a área delaminada, conforme Capello (2004). El-Sonbaty et al (2004) investigaram a influencia da velocidade de corte (v c ) e avanço (f) sobre a força de avanço (F ) f , torque e rugosidade da superfície da parede do furo no processo de furação de um compósito PRFV. Para estudar estes efeitos os autores utilizaram cinco velocidades de corte: 5,5; 11,4; 15,9; 21,9 e 46,5m/min e três avanços: 0,05; 0,1 e 0,23mm/rev. Os resultados mostram que há uma diferença de tempo entre a força de avanço e o torque, os autores explicam que isto pode ser atribuída ao tempo gasto para a broca penetrar no material. Em seguida a força e o torque atingem o seu valor de pico rapidamente. A força apresenta diminuição após o valor de pico e isto foi atribuído por eles ao amolecimento da matriz pelo calor gerado durante o processo de furação, até a força atingir zero ao final da
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operação. Em contraste, o torque apresenta um aumento, segundo os autores, devido às ultimas fibras que não são cortadas, diminuindo o diâmetro do furo e travando a broca. Afirmam ainda, que o aumento da velocidade de corte teve uma influência insignificante sobre a força, sendo que o mesmo não ocorreu com o torque, que apresentou uma diminuição gradual. Também concluíram que a velocidade de corte e o avanço tiveram pouca influência sobre a rugosidade das paredes do furo. Aoyoma et al (2001) demonstram em seu trabalho que a espessura dos feixes de fibras, a posição do centro da broca e o ângulo que aresta de corte faz com os feixes de fibras que reforçam o material compósito tem influência sobre a rugosidade da parede do furo e nos danos causados na borda do furo. Para estudar o acabamento dos furos em função do ângulo da aresta de corte e da posição do centro da broca em relação ao feixe de fibras que reforçam o compósito, Aoyoma et al (2001) dividiram o material em quatro áreas: A, B, C e D. A região A corresponde à quebra das fibras longitudinal e transversa. A região B corresponde ao centro da fibra longitudinal e a quebra da fibra transversal. A região C corresponde centro da fibra transversal e à quebra da fibra longitudinal e a região D corresponde ao centro da fibra longitudinal e transversal. Segundo os autores, esta análise só pode ser feita se a broca tiver um diâmetro menor que o diâmetro do feixe de fibras e se as áreas A, B, C e D sobreporem, para mais de uma camada de feixes de fibras, o que o muito difícil. Os materiais e parâmetros empregados, respectivamente, para os experimentos foram placas de PRFV com 1,6mm de espessura, broca com 1,0mm de diâmetro, v c = 15,7m/min e f = 5 e 63 µm/rev. Aoyoma et al (2001) concluíram que a rugosidade na parede do furo é crescente com o aumento da espessura do feixe de fibras para um mesmo ângulo de incidência da aresta de corte. Também descobriram que a localização dos danos, na borda dos furos, varia com a posição do centro da broca. As micrografias apresentadas na figura 4 (a) e (b), respectivamente, mostram que os danos das áreas A e D, representados pela parte mais escura, localizam se em posições diferentes.
Figura 4 – Micrografia (a) com os danos causados na área A e micrografia (b) com os danos causados na área D, segundo Aoyoma et al (2001). 4.2. Fresamento
Bhatnagar et al (1995) fizeram algumas experiências fresando compósito PRFC laminado com fibras orientadas em diversas direções. A direção das fibras pode ser vistas no esquema da figura 5. Os ângulos dqs fibras variaram de 0° a 180°. Entretanto, os autores dividiram as amostras em dois grupos: 0° a 90° em + e 180° a 90° em - . Os autores mostraram que a orientação das fibras tem uma forte influência sobre a força tangencial F t. Como mostra a figura 6(a) para a força tangencial F t. Para <0, F t é alta se comparado ao seu equivalente, >0. O mesmo não pode ser dito da força de corte F c, figura 6(b). Já os comportamentos das forças para os ângulos de saída da ferramenta são semelhantes.
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Figura 5 – Representação esquemática da orientação das fibras durante o corte ortogonal, conforme Bhatnagar et al (1995).
(a) (b) Figura 6 – Variação da força F t (a) e F c (b) em função de diferentes ângulos das fibras ( ) e ângulos de saída da ferramenta ( ), conforme Bhatnagar et al (1995). 4.3. Torneamento
Ferreira e Cupini (1993) analisaram o comportamento de ferramentas de diversos materiais no torneamento de compósitos. Durante os ensaios foram observados variações nos desgastes das ferramentas. O compósito utilizado apresenta as seguintes características: tecido híbrido com 70% de fibras de carbono e 30% de fibras de vidro e resina fenólica com 35 a 40 por cento em massa. As ferramentas utilizadas foram: metal duro classe ISO K10, cerâmica pura (Al2O3+ZrO2), cerâmica mista (Al 2O3+TiC), cerâmica reforçada com whiskers (Al2O3+SiC), SIALON (Al2O3+Si3N4), CBN e PCD. Os corpos de provas foram barras com tecidos bobinados e laminados. A figura 7 mostra a evolução do desgaste das ferramentas em função do comprimento de corte usinado no torneamento do compósito de tecido bobinado. As ferramentas cerâmicas e de metal duro apresentaram um fraco desempenho em comparação com o PCD e CBN.
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Figura 7 – Desgastes de flanco das ferramentas versus comprimento de corte, conforme Ferreira e Cupini (1993). O mecanismo de desgaste provável neste caso foi abrasão mecânica, pois não foi observada nenhuma quebra ou avaria da ferramenta. O melhor desempenho entre as ferramentas cerâmicas foi obtido com a aluminia reforçada com whiskers de SiC, mas devido ao elevado custo da ferramenta comparado ao metal duro, não justifica seu emprego de acordo com os autores. Com o objetivo de estudar a influência da velocidade de corte ( v c ) e avanço (f ) sobre a força de usinagem ( F u ) e pressão especifica de corte ( k s ). Davim et al (2003), tornearam dois tipos material polimérico extrudado. Sendo que uma barra era reforçada com fibra de vidro e a outra não. A influência dos parâmetros de corte sobre a força de usinagem aumentaram com o avanço e a velocidade de corte para os dois materiais nas mesmas condições de corte. Um estudo nas características de corte do compósito PRFV, no torneamento, foram feita por An et al (1997). Neste trabalho foram empregadas ferramentas com duas geometrias de pontas: R e S e três materiais: policrital de diamante (PCD), monocristal de diamante e cubo nitreto de boro (CBN). Os autores analisaram a influência do material e geometria da ferramenta sobre a rugosidade superficial em função do avanço, profundidade de corte e velocidade de corte, respectivamente. A geometria da ferramenta afetou muito mais a rugosidade do que o material da ferramenta, sendo que melhores resultados são encontrados para a geometria S. Dentre os materiais, o diamante monocristalino apresentou valores mais baixo de Ra, seguido pelo PCD e CBN. Por fim, V c e a p pouco afetaram Ra, ao contrário de f , que teve grande influencia. Procurando analisar o desgaste de ferramentas de materiais diversos, Ferreira et al (1999), tornearam polímeros reforçados com fibras de carbono PRFC. Na figura 8 é mostrado como o desgaste de franco varia com o comprimento de corte. Para todas ferramentas, exceto PCD, foi observado uma alta taxa de desgaste. O CBN e a alumina pura apresentaram um melhor comportamento comparado com as demais cerâmicas e os carbonetos. Além disso, para algumas cerâmicas e carbonetos, o aumento da força de avanço foi extraordinário. Para o PCD a força de avanço permaneceu quase constante. Assim, a variação da força de avanço pode ser explicada pelo aumento do desgaste de franco com o comprimento de corte e a ausência de desgaste de cratera.
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Figura 8 – Desgaste de ferramenta versos comprimento de corte, conforme Ferreira e t al (1999). Um outro resultado apresentado pelos autores está mostrado na figura 9, na qual a influencia da geometria da ferramenta sobre a rugosidade superficial da peça é analisada. Ferramentas com ângulo de saída positivo apresentaram melhores resultados, pois tem menor fragilidade e apresentam menos desgaste de flanco, Ferreira et al (1999). Também é possível observar na figura 9 a influência do avanço sobre a rugosidade da superfície: conforme esperado, quanto maior o avanço maior a rugosidade superficial. Os autores analisaram ainda que para todas as ferramentas a rugosidade média da superfície, R a, variou linearmente com o comprimento de corte. Isto foi atribuído ao mecanismo de desgaste provocado pela abrasividade do compósito. O polimento da superfície de folga e a ausência de desgaste de cratera indicam que o mecanismo de desgaste ativo é baseado principalmente na alta abrasividade do compósito PRFC.
Figura 9 – Rugosidade de superfície em função da geometria da ferramenta e avanço, conforme Ferreira et al (1999).
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4.4 Retificação
Hu e Zhang (2003) retificaram compósito PRFC com fibras de orientação multidirecional e unidirecional e mediram a força de corte em função da profundidade de corte, (figuras 10(a) e (b). Duas componentes da força de retificação foram medidas, isto é, a força tangencial e a força normal. Pode se ver nas figuras 10(a) e (b) que a força de corte cresce quase linearmente em função da profundidade de corte. A força de retificação para o compósito multidirecional foi maior nos dois casos. A razão, segundo Hu e Zhang (2003), talvez seja que a orientação em direções diferentes das fibras ofereça maior resistência.
Figura 10 – Força de corte versus da profundidade de corte, na retificação de compósitos PRFC, (a) direção vertical e (b) direção horizontal, conforme Hu e Zhang (2003). 5. Considerações Finais Os compósitos podem ser considerados materiais de alta tecnologia e desempenho, dependendo do seu projeto. Têm aplicações em diversas áreas da engenharia como foi apresentado nesta breve revisão. A sua utilização vem sendo cada vez maior, portanto mais estudo deve ser feito sobre sua usinabilidade, como estes que foram mostrados, para se possa conhecer e tirar o maior proveito deste extraordinário material. Nos trabalhos citados pode se observar que vários estudos sobre a influência dos parâmetros de corte sobre a força de corte, o torque, a pressão de corte, a qualidade do acabamento do material usinado, etc. já foram realizados, entretanto, ficou claro que ainda há muito estudo para ser fazer para que se possam aplicar as melhores condições de usinagem para este material. Além disso, as propriedades e direção de orientação das fibras de reforço exercem grande influência sobre a usinagem de materiais compósitos.
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