Avaliação do acabamento na usinagem de polímero reforçado com fibra de carbono utilizando ar comprimido refrigerado como meio de arrefecimento

Abstract

A utilização de polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP) tem crescido nas indústrias aeronáutica, automobilística e energética devido às suas excelentes propriedades estruturais. A fabricação de CFRP geram peças com bom acabamento; porém, frequentemente é necessária uma operação de pós-usinagem, como furação e/ou fresamento, e mesmo com recente aumento da usinagem de CFRP, ainda é um processo de fabricação que gera inúmeros defeitos na superfície do material, provocando, em alguns casos, a rejeição do componente. O controle dos parâmetros de corte busca melhorar a condição da superfície usinada e uma possível solução é a diminuição da temperatura durante o processo, buscando diminuir a delaminação e melhorar a qualidade da superfície. Para reduzir a temperatura, a aplicação de ar comprimido refrigerado (ACR) por tubo de vórtice pode ser uma solução simples e efetiva, sem os problemas que ocorrem ao utilizar fluidos de corte convencionais. Assim, este estudo busca verificar a influência dos parâmetros de corte e da aplicação de ACR na qualidade da superfície usinada de uma placa CFRP formada por tecidos bidirecionais de carbono pré-impregnados com resina epóxi orientados a 0°/90º nos processos de furação e fresamento. Para o processo de furação avaliou-se a rugosidade da parede dos furos e a delaminação do material na entrada e na saída da ferramenta. Os resultados mostraram que a utilização de ACR gerou menores rugosidades e reduziu a delaminação na entrada do furo em comparação ao corte a seco. No entanto, a delaminação na saída do furo teve influência negativa de ACR. Já no processo de fresamento, a otimização dos parâmetros de corte através do projeto de experimentos de BoxBehnken foi feita a fim de obter os menores valores de rugosidade. Os resultados revelaram que os parâmetros mais influentes sobre a rugosidade foram o efeito quadrático da profundidade de corte axial (ap x ap) e o seu efeito combinado com o avanço (ap x f). A otimização gerou baixos valores de rugosidade e boa qualidade visual na superfície usinada. Por fim, a utilização de ACR na usinagem de CFRP mostrou-se vantajosa na maioria dos casos e, visto que essa não agride o meio ambiente, torna-se atrativa para aperfeiçoar este processo de fabricação.

The use of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) has grown in the aeronautical, automotive, and energy industries due to their excellent structural properties. The manufacture of CFRP generates parts with a good finish; however, a post-machining operation, such as drilling and/or milling, is often necessary and, even with the recent increase in the machining of CFRP, it is still a manufacturing process that generates numerous defects on the surface of the material, causing, in some cases, component rejection. The control of cutting parameters seeks to improve the condition of the machined surface, and a possible solution is to decrease the temperature during the process, seeking to reduce delamination and improve the quality of the surface. To reduce the temperature, applying a cooled compressed air (ACR) by vortex tube can be a simple and effective solution, without the problems that occur when using conventional cutting fluids. Thus, this study aims to verify the influence of cutting parameters and the application of ACR on the machined surface quality of a CFRP plate formed by bi-directional carbon fabrics pre-impregnated with epoxy resin oriented at 0°/90º in the drilling and milling processes. The hole wall surface roughness and delamination at the tool's entrance and exit were evaluated for the drilling process. The results showed that the use of ACR generated low roughness values and reduced the delamination at the hole's entrance compared to dry cutting. However, delamination at the hole's exit had a negative influence on the ACR. In the milling process, the cutting parameters optimization through the Box-Behnken design of the experiment was made to obtain the lowest roughness values. The results showed that the most influential parameters on the surface roughness were the quadratic effect of the axial depth of cut (ap x ap) and its combined effect with the feed rate (ap x f). The optimization generated low roughness values and good visual quality on the machined surface. Finally, the ACR machining of CFRP proved to be advantageous in most cases and, since this alternative does not harm the environment, it becomes attractive to improve this manufacturing process.