Estudo do fresamento frontal do compósito CW50/PEEK aplicando ar comprimido a diferentes temperaturas

Abstract

O compósito CW50/PEEK, constituído por uma matriz termoplástica de poli-éter-étercetona reforçada com 50% de tecido de fibra de carbono, apresenta elevado potencial para aplicações industriais; no entanto, os estudos sobre sua usinabilidade ainda são limitados. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo avaliar o fresamento frontal deste material sob diferentes condições térmicas: a seco (DRY) e com ar comprimido convencional (RCA), resfriado a −40 °C (CCA) e aquecido a 60 °C (HCA), utilizando insertos de metal duro com revestimento PVD (WC) e insertos de diamante policristalino (PCD). Os experimentos foram conduzidos utilizando o delineamento de Box-Behnken, considerando a velocidade de corte, o avanço por dente e a profundidade de corte axial como fatores controláveis, e a forças de usinagem e a rugosidade da superfície usinada como variáveis de resposta. Os resultados mostraram que as condições térmicas influenciaram significativamente o desempenho do processo com insertos WC, promovendo a redução das forças de usinagem e a melhoria da qualidade superficial. O avanço por dente foi o parâmetro mais influente em todas as condições avaliadas. Em contrapartida, o uso de insertos PCD proporcionou melhor desempenho e maior estabilidade do processo do que os insertos WC, ou seja, as menores forças de usinagem e o melhor acabamento superficial, além de menor sensibilidade a variações nas condições térmicas e nos parâmetros de corte. A análise comparativa demonstrou que a eficiência do processo depende fortemente da interação entre a condição térmica e as características da ferramenta, sendo o controle térmico mais influente para os insertos WC, enquanto os insertos PCD são predominantemente governados por sua geometria. Como contribuição científica, este estudo fornece uma análise inédita, sistemática e comparativa do fresamento frontal do compósito CW50/PEEK sob diferentes condições térmicas e ferramentas de corte. Os resultados contribuem para a compreensão dos mecanismos de remoção de material em compósitos termoplásticos reforçados com fibra de carbono, além de fornecer suporte técnico para a seleção da ferramenta de corte e condições térmicas na usinagem desses materiais.

The CW50/PEEK composite, consisting of a poly-ether-ether-ketone thermoplastic matrix reinforced with 50% carbon fiber fabric, shows high potential for industrial application; however, studies on its machinability remain limited. In this context, this work aimed to evaluate the face milling of this material under different thermal conditions: dry machining (DRY) and with regular compressed air (RCA), cooled compressed air at −40 °C (CCA), and heated compressed air at 60 °C (HCA), using PVD-coated carbide inserts (WC) and polycrystalline diamond inserts (PCD). The experiments were conducted using the Box-Behnken design, considering cutting speed, feed per tooth, and axial depth of cut as controllable factors, and machining forces and surface roughness as response variables. The results showed that thermal conditions significantly influenced process performance with WC inserts, leading to reduced machining forces and improved surface quality. Feed per tooth was the most influential parameter in all evaluated conditions. In contrast, the use of PCD inserts provided better performance and greater process stability than WC inserts, i.e., lower machining forces and better surface finish, as well as less sensitivity to variations in thermal conditions and cutting parameters. Comparative analysis demonstrated that process efficiency strongly depends on the interaction between thermal condition and tool features, with thermal control being more influential for WC inserts, whereas PCD inserts are predominantly governed by their geometry. As a scientific contribution, this study provides a novel, systematic, and comparative analysis of face milling of the CW50/PEEK composite under different thermal conditions and cutting tools. The results contribute to the understanding of material removal mechanisms in carbon fiber-reinforced thermoplastic composites, as well as providing technical support for the selection of cutting tools and thermal conditions for machining these materials.