COMPÓSITOS. Engenharia Aeronáutica USINAGEM DE MATERIAIS NÃO METÁLICOS. Compósito Cerâmica. Polímero

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1 Engenharia Aeronáutica USINAGEM DE MATERIAIS NÃO METÁLICOS COMPÓSITOS Compósito Cerâmica Polímero

2 Classificação dos Materiais

3 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).

4 Constituição Multifásico Aglomerante ou matriz Reforçantes ou cargas Aglomerante União dos reforços Transmissão das cargas Reforços Suporte de carga Transmissão de calor e eletricidade

5 Tipos de Compósitos

6 Tipos de Compósitos

7 Classificação 1. Quanto à Geometria dos Reforços Particulado (Grande ou pequeno) Fibras (Contínuas ou descontínuas) Estruturais (Laminados ou painéis)

8 2. Quanto à Direção dos Reforços Unidirecional (Sentido do comprimento) Bidirecionais (Tecidos) Tridirecionais (Volumes pré-formados)

9 3. Quanto ao Material dos Reforços Carbono Boro Vidro Aramida Híbridos

10 4. Quanto à Composição Química da Matriz Polimérica Metálica Matriz polimérica reforçada com SiC Cerâmica Matriz metálica reforçada com diamante Carbono Matriz cerâmica reforçada com Óxido de Zircônia Matriz de Carbono

11 Propriedades dos Compósitos P = P a V a + P b V b Matriz Metálica

12 Propriedades dos Compósitos Matriz Cerâmica

13 Propriedades dos Compósitos Matriz Polimérica

14 Exemplos e Aplicações Matriz Polimérica Fenóis, Epóxis, Poliésteres (Leves e resistentes) Matriz Metálica Ti, Al, Mg e Cu (Mais pesadas) Matriz Cerâmica SiC, Al 2 O 3, ZrC, Si 3 N 4 (Uso entre 1000 e 2000 C) Matriz Carbono Elevada energia de absorção (Uso acima de 2000 C) 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

15

16 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)

17 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

18 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

19 Mecanismo de Corte (Usinabilidade) Plásticos reforçados com fibras Orientação das fibras define: Tipo de cavaco Força de corte Vida da ferramenta Integridade superficial

20 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 PRFC Fratura frágil Cavacos na forma de pó PRFV Flexão das fibras Cavacos grossos PRFK Felpas Fibras não cisalhadas Ruptura Deformação Cisalhamento

21 Formação do Cavaco Cavacos de torneamento de PRFC de tecido bobinado

22 Formação do Cavaco Torneamento de PRFC de tecido bobinado

23 Formação do Cavaco Torneamento de PRFC bobinado 60% V f > 0, w = 90 Ruptura < 0, w = 90 Deformação > 0, w = 0 Cisalhamento

24 Formação do Cavaco Compósito laminado x bobinado Ângulo de contato fibra-ferramenta Tensões térmicas e mecânicas Textura superficial da peça

25 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

26 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

27 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 Desgaste de flanco Arredondamento de aresta

28 Desgaste da Ferramenta Torneamento de C sinterizado x PRFC (60% V f )

29 Vida da Ferramenta PRFC bobinado torneado com metal duro K10 Maior taxa de desgaste no início

30 Vida da Ferramenta PRFC bobinado torneado com metal duro K10 Ângulo de bobinagem x aumento de Vc

31 Vida da Ferramenta PRFC bobinado torneado com metal duro K10 Equação de Taylor V x T n = C Aços: n ~ 0,33 e C ~ 500

32 Vida da Ferramenta PRFV (70% V f ) laminado torneado

33 Vida da Ferramenta PRFV-C 60% V f (70% C + 30% V) bobinado x laminado torneado bobinado laminado

34 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

35 Forças de Usinagem Aplainamento do PRFC (65% V f ) unidirecional Direção de corte no sentido longitudinal das fibras Largura da aresta > largura da peça

36 Forças de Usinagem Torneamento do PRFC, PRFV e PRFK com metal duro PRFC

37 Forças de Usinagem Torneamento do PRFC, PRFV e PRFK com metal duro PRFC

38 Forças de Usinagem Torneamento do PRFC, PRFV e PRFK com metal duro

39 Forças de Usinagem Torneamento do PRFC, PRFV e PRFK com metal duro

40 Acabamento Superficial Anisotropia + heterogeneidade = maior rugosidade Delaminação, arrancamento, recuperação elástica e trincas Delaminação Recuperação Elástica Fratura da Matriz

41 Acabamento Superficial Torneamento de PRFC bobinado Inserto de metal duro

42 Acabamento Superficial Torneamento de PRFC-V bobinado usando diversas ferramentas

43 Acabamento Superficial Torneamento de PRFC-V laminado

44 Acabamento Superficial Torneamento de PRFV, PRFC e PRFK PRFC PRFV PRFK

45 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

46 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

47 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 Fator de delaminação G Ic : taxa crítica de liberação de energia (modo I) D max : Delaminado D: furo

48 Furação de Compósitos Técnica da Radiografia

49 Furação de Compósitos Técnica do Ultrassom

50 Furação de Compósitos Força de avanço e torque Ferro Fundido PFRC

51 Furação de Compósitos Material para brocas

52 Furação de Compósitos Influência da orientação das fibras na furação

53 Furação de Compósitos Força de Avanço e Torque Furação: v c e variável Alma: negativo Extrusão => F f

54 Furação de Compósitos Força de Avanço e Torque

55 Furação de Compósitos PRFC Helicoidal Dagger Broca W

56 Furação de Compósitos Fatores de influência na força e torque Parâmetros de corte: Aumento f n => aumento F f e Torque Geometria da broca: Diâmetro, largura da alma, ângulo de ponta

57 Furação de Compósitos Energia Específica Corte Avanço

58 Furação de Compósitos Temperatura de Corte Compósito: calor na ferramenta e peça T PRFC < T PRFV e T PRFK V c e f n => Temperatura de corte

59 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)

60 Furação de Compósitos Mecânica da Delaminação entrada saída

61 Furação de Compósitos Delaminação x Desgaste da Broca

62 Furação de Compósitos Rugosidade Ângulos de 135 e 315 Compressão e flexão Força de corte e torque máximos Fraturas e felpas PRFC (termoplásticos) V c e f n * afetam R a R a < 1 micrômetro Camada refundida PRFC (termofixo) R a < 3 micrômetros Fratura frágil

63 Furação de Compósitos Rugosidade

64 Furação de Compósitos Rugosidade

65 Furação de Compósitos Recomendações Práticas Diminuir f n 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

66 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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