USINABILIDADE DE MATRIAIS COMPSITOS POLIMRICOS: UMA REVISO BIBLIOGRFICA. P.E. Faria, paulofaria@ufmg.br e A.M. Abro. Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal de Minas Gerais. Resumo O presente trabalho apresenta o material compsito, sua classificao e seus tipos, dando nfase aos compsitos polimricos, juntamente com os tipos de fibras utilizadas para reforo e suas propriedades. Na seqncia so apresentados alguns exemplos de aplicaes desses materiais e por fim so mostradas as operaes de usinagem mais empregadas. 1. Introduo Muitas das nossas tecnologias modernas exigem materiais com combinao incomuns de propriedades que no podem ser atendidas pelas ligas metlicas, cermicas e materiais polimricos convencionais. As combinaes e as faixas das propriedades dos materiais foram e ainda esto sendo ampliadas atravs do desenvolvimento de materiais compsitos. Por se tratar de material projetado, propriedades especiais so conseguidas e sua aplicao nas industrias aeroespacial, automotiva, bioengenharia e esportiva tem sido crescente, onde so exigidas material com alta tecnologia. Porm, antes de serem utilizados por estas industriais estes materiais passam por operaes de furao, fresamento, torneamento, entre outras. Entretanto, a usinabilidade destes materiais ainda muito pouco conhecida. Dai o objetivo deste trabalho que apresentar os tipos de materiais compsitos, algumas aplicaes e alguns estudos sobre sua usinabilidade. 1.1 Materiais Compsitos O surgimento dos compsitos foi motivado pela crescente severidade das condies de operao imposta pelas novas tecnologias, especialmente no que se refere necessidade de combinar propriedades incompatveis umas com as outras, como, por exemplo, resistncia mecnica e tenacidade. Os materiais compsitos no tm uma definio universalmente aceita. A palavra compsito deriva de composto, ou seja, qualquer coisa formada por partes (ou constituintes) diferentes. Na escala micro-estrutural alguns materiais podem ser considerados compsitos uma vez que so formados por agrupamentos atmicos diferentes e na escala macro-estrutural, no qual os constituintes so diferentes e podem ser identificados a olho nu, tambm considerado material compsito. Portanto, a dificuldade em estabelecer uma definio para material compsito reside nas limitaes dimensionais impostas aos constituintes que formam o material (Smith, 1999). Para dar uma descrio razovel para o material compsito Smith (1999) o define da seguinte forma: Um material compsito formado por uma mistura ou combinao de dois ou mais micro ou macro constituintes que diferem na forma e na composio qumica e que, na sua essncia, so insolveis uns nos outros. Segundo Ferrante (2002) uma definio satisfatria de compsitos deve abordar seus componentes, arranjo e funcionamento quando em conjunto. Esses requisitos so razoavelmente preenchidos pela seguinte definio: Um material composto formado por dois ou mais componentes, com identidade qumica e forma diferentes, que se conservam distintos aps o processamento e que so separados por uma interface mais ou menos definida. A adeso entre esses componentes tal que as cargas so transferidas para os elementos de maior resistncia mecnica, fibras, que esto geralmente dispersas no componente que atua como matriz.

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Apesar da dificuldade em definir um material compsito, muitos estudos tm sido feitos para desenvolver novos materiais que possam substituir as ligas metlicas, cermicas e polimricas, com o objetivo de atender s exigncias tecnolgicas modernas. No projeto de materiais compsitos, os constituintes so combinaes de metais, cermicas e polmeros que daro origem a uma nova gerao de materiais com melhores propriedades mecnicas. Muitas destas novas geraes de materiais compsitos so formadas por duas fases: uma chamada de matriz, que contnua e envolve a outra fase, chamada dispersa. As propriedades dos compsitos dependem das propriedades das fases constituintes, das suas quantidades relativas e da geometria da fase dispersa. No que se refere fase matriz, o compsito pode ser classificado em trs grupos: metlico, cermico e polimrico; na fase dispersa pode ser classificado em trs categorias gerais: compsitos particulados, compsitos de fibras descontnuas (whiskers) e compsito de fibras contnuas, como mostra a figura 1. O arranjo ou orientao das fibras em relao umas s outras, a concentrao das fibras e sua distribuio tm influncia significativa sobre a resistncia e sobre outras propriedades dos compsitos reforados com fibras. Em relao orientao das fibras, so possveis duas configuraes: um alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras em uma nica direo e um alinhamento totalmente aleatrio. Normalmente as fibras contnuas esto alinhadas, enquanto as fibras descontnuas podem estar alinhadas, orientadas aleatoriamente ou parcialmente orientadas. A melhor combinao geral das propriedades dos compsitos obtida quando a distribuio das fibras uniforme (Callister, 2002). Compsitos com fibras contnuas e alinhadas tm respostas mecnicas que dependem de diversos fatores, entre os quais os comportamentos tenso-deformao das fases fibras e matriz, as fraes volumtricas das fases e a direo na qual a tenso ou carga aplicada. Alm do mais, as propriedades de um compsito que possui as suas fibras alinhadas so altamente anisotrpicas, isto , dependem da direo na qual elas so medidas (Callister, 2002). Os compsitos com fibras descontnuas e alinhadas tm uma eficincia de reforo menor que as fibras contnuas. Apesar disto, eles esto se tornando cada vez mais utilizados. Fibras de vidro picadas so reforos desse tipo usado com maior freqncia; contudo, fibras descontnuas de carbono e aramida tambm so empregadas. Esses compsitos com fibras curtas podem ser produzidos com mdulo de elasticidade e limite de resistncia trao que se aproximam de 90% e 50%, respectivamente, dos seus anlogos com fibras contnuas. J os compsitos com fibras descontnuas e aleatrias so aplicados onde tenses so totalmente multidirecionais. A eficincia do reforo de apenas um quinto se comparado com os compsitos reforados com fibras contnuas e alinhadas na direo longitudinal, entretanto, as caractersticas mecnicas so isotrpicas (Callister, 2002). A considerao em relao orientao e ao comprimento da fibra para um compsito particular depender do nvel e da natureza da tenso aplicada, bem como dos custos de fabricao. As taxas de produo para os compsitos com fibras curtas (tanto os alinhados como os com orientao aleatria) so elevadas, e formas complexas podem ser moldadas, o que nem sempre possvel quando se utiliza um reforo com fibras contnuas. Ademais, os custos de fabricao so consideravelmente menores do que para as fibras contnuas e alinhadas. O desenvolvimento dos compsitos de matriz metlica (MMC Metal Matrix Composites) iniciou-se em meados da dcada de 60 com a produo de fibras de boro e de carboneto de silcio para reforar metais leves, particularmente as ligas de alumnio. Considerveis pesquisas foram feitas nos Estados Unidos na dcada de 70 aplicando-se compsitos de matriz metlica em lanadores de foguetes e aeronaves militares. Atualmente, muitos compsitos de matriz metlica ainda esto em estgio de desenvolvimento, ou no incio

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de produo comercial, porm no to intensamente como os compsitos de matriz polimrica (Deniculi, 1999).

Figura 1 Classificao dos materiais compsitos, segundo Daniel e Ishai (1994). O reforo introduzido no interior da matriz pode ser na forma de partculas, fibras contnuas ou descontnuas (whiskers). As concentraes variam normalmente entre 10 e 60% em volume. O reforo pode melhorar a rigidez especfica, a resistncia especfica, a resistncia abraso, a resistncia fluncia, a condutividade trmica e a estabilidade dimensional. Os materiais para fibras contnuas incluem o carbono, o carboneto de silcio, o boro, o xido de alumnio e os metais refratrios. Por outro lado, os reforos descontnuos consistem

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principalmente em whiskers de carboneto de silcio, fibras picadas de xido de alumnio e de carbono, e particulados de carboneto de silcio e xido de alumnio (Callister, 2002). Algumas combinaes de reforos de matriz so altamente reativas a temperaturas elevadas. Conseqentemente, a degradao do compsito pode ser causada pelo processamento a altas temperaturas ou ao se sujeitar o compsito a temperaturas elevadas durante seu regime de servio. Esse problema comumente resolvido pela aplicao de um revestimento superficial de proteo ao reforo ou pela modificao da composio da liga (Herakovich, 1998). O desenvolvimento de compsitos de matriz cermica (CMC Ceramic Matrix Composites) tem ficado aqum de outros compsitos, principalmente por causa das altas temperaturas envolvidas nas etapas de fabricao, sendo necessria utilizao de reforadores que suportem altas temperaturas. Outro motivo , segundo Deniculi (1999), o aparecimento de tenses trmicas entre a matriz e o reforador durante o resfriamento, devido diferena de coeficientes de expanso trmica. Os compsitos de matrizes cermicas podem ser fabricados utilizando-se prensagem a quente, estampagem isosttica a quente e tcnicas de sinterizao na fase lquida (Callister, 2002). Os principais tipos de compsitos de matriz cermica, de acordo com o tipo de reforo usado, so: os de fibras contnuas, os de fibras descontnuas e os reforados por partculas. As duas principais variedades de fibras contnuas que tm sido usadas nos compsitos de matriz cermica so as de carboneto de silcio (SiC) e as de xido de alumnio (Al2O3). J para as fibras descontnuas (whiskers) e particulados utilizado o carboneto de silcio (SiC), segundo Smith (1998). Os materiais compsitos de matriz cermica so inerentemente resistentes oxidao e deteriorao sob temperaturas elevadas. No fosse pela predisposio destes materiais fratura frgil, alguns seriam candidatos ideais para uso em aplicaes a altas temperaturas e sob severas condies de tenso, especialmente para componentes em motores de turbinas para automveis e aeronaves (Herakovich, 1998). 2. Compsitos de Matriz Polimrica Os compsitos com matriz polmerica (PMC Polymer Matrix Composites) consistem de uma resina polimrica como fase matriz e fibras como meio de reforo. Etimologicamente, a palavra polmero significa muitas partes. Um material polimrico pode ser considerado como constitudo por muitas partes, ou unidades, ligadas quimicamente entre si de modo a formar um slido.Estes materiais so usados na mais ampla diversidade de aplicaes dos compsitos, bem como nas maiores quantidades, em vista de suas propriedades temperatura ambiente, de sua facilidade de fabricao e de seu custo. Dependendo do modo como esto ligados qumica e estruturalmente, os plsticos podem ser divididos em duas classes: termoplsticos e termoendurecveis. Os polmeros termoplsticos amolecem quando so aquecidos (e por fim se liquefazem) e endurecem quando so resfriados, processos que so totalmente reversveis e que podem ser repetidos. Alm disso, os termoplsticos so relativamente moles e dcteis. Os polmeros termoendurecveis se tornam permanentemente duros quando submetidos ao calor e no amolecem com um aquecimento subseqente. Geralmente so mais duros, mais resistentes e mais frgil, do que os polmeros termoplsticos, e possuem melhor estabilidade dimensional (Smith, 1999). A principal vantagem dos compsitos de matriz polimrica que sua fabricao envolve altas presses e baixas temperaturas, evitando-se problemas associados com a degradao do reforo. Por esta razo o desenvolvimento de compsitos de matriz polimrica cresceu rapidamente. Compsitos reforados com fibras de vidros so os mais utilizados em termos de volume, perdendo apenas para o concreto (Deniculi, 1999). As propriedades dos

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compsitos de matriz polimrica podem variar numa grande faixa, dependendo dos tipos de matrizes e reforos utilizados e das combinaes dos mesmos. De acordo com Callister (2002), as principais desvantagens dos compsitos de matriz polimrica so a impossibilidade de trabalho a altas temperaturas, instabilidade dimensional (devido a altos coeficientes de expanso trmica), sensibilidade radiao e, em alguns casos, absoro da umidade do ambiente. Os trs principais tipos de fibras sintticas que se usam para reforar materiais polimricos so: vidro, aramida (ou aramdica) e carbono. As fibras de vidro so de longe o reforo mais usado e o mais barato. As fibras de aramida e de carbono apresentam resistncia mecnica elevada e baixa densidade e apesar do seu preo mais elevado, so utilizadas em muitas aplicaes, especialmente na indstria aeroespacial. Fibras de Vidro So usadas para reforar matrizes polimricas, de modo a se obter compsitos estruturais e componentes moldados. Os compsitos de matriz plstica reforada com fibras de vidro apresentam as seguintes caractersticas favorveis: elevada razo (quociente) entre resistncia e peso; boa estabilidade dimensional; boa resistncia ao calor, umidade e corroso; boas propriedades de isolamento eltrico; facilidade de fabricao e custo relativamente baixo. Fibras de Carbono Compsitos polimricos reforados com fibras de carbono, por exemplo, de resina epxi, so caracterizados pelo fato de apresentarem uma combinao de baixo peso, resistncia mecnica muito elevada e elevada rigidez (mdulo de elasticidade). As fibras de carbono, para estes compsitos, so fabricadas principalmente a partir de dois precursores: o poliacrilonitrilo (PAN) e o breu (ou piche). Fibras de Aramida a designao genrica dada s fibras de poliamida aromtica. As fibras de aramida foram introduzidas no comrcio em 1972 pela Du Pont, sob o nome comercial de Kevlar, e at presente data existem dois tipos comerciais: o Kevlar 29 e o Kevlar 49. O Kevlar 29 uma fibra de aramida de elevada resistncia mecnica e baixa densidade, concebida para determinadas aplicaes, como por exemplo, para proteo balstica, cordas e cabos. O Kevlar 49 caracterizado por possuir resistncia mecnica e um mdulo de elasticidade elevados e densidade baixa. As propriedades do Kevlar 49 fazem com que as suas fibras sejam usadas como reforo de matrizes polimricas, de compsitos com aplicao nas indstrias aeroespacial, martima, automobilstica e outras. 2.1 Propriedades Mecnicas dos Compsitos Polimricos Algumas propriedades de compsitos com matriz epxi, reforadas com fibras de vidro, carbono e aramida esto indicadas na tabela 1. Desta forma, pode ser feita uma comparao entre as caractersticas mecnicas desses trs materiais, tanto para a direo longitudinal como para a direo transversal. As caractersticas mecnicas de um compsito reforado com fibras no dependem somente das propriedades da fibra, mas tambm do grau segundo o qual uma carga aplicada transmitida para as fibras pela fase matriz. A magnitude da ligao interfacial entre as fases fibra e matriz importante para a extenso dessa transmisso de carga. Um certo comprimento crtico de fibra necessrio para que exista um efetivo aumento da resistncia e um enrijecimento do material compsito. Esse comprimento crtico depende do dimetro da fibra e da sua resistncia final (ou limite de resistncia trao), bem como da fora de ligao entre a fibra e a matriz (Callister, 2002). O arranjo ou orientao das fibras em relao umas s outras, a concentrao das fibras e sua distribuio tem influncia significativa sobre a resistncia e sobre outras propriedades dos compsitos reforados com fibras. Em relao orientao das fibras, so possveis dois extremos: um alinhamento paralelo do eixo longitudinal das fibras em uma nica direo e um alinhamento totalmente aleatrio. Normalmente, as fibras contnuas esto

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alinhadas, enquanto as fibras descontnuas podem estar alinhadas, orientadas todas aleatoriamente ou parcialmente orientadas. A melhor combinao geral das propriedades dos compsitos obtida quando a distribuio das fibras uniforme (Callister, 2002). Tabela 1 Propriedades mecnicas de compsitos com matrizes de resina epxi reforadas com fibras contnuas e alinhadas de vidro, carbono e aramida (Callister, 2002).Propriedades Densidade (g/cm) Mdulo de Trao: Longitudinal (GPa) Transversal (GPa) Limite de Resistncia Trao: Longitudinal (MPa) Transversal (MPa) Deformao no Limite de Resistncia Trao: Longitudinal (%) Transversal (%) Vidro 2,1 Carbono 1,6 Aramida 1,4

45 12

145 10

76 5,5

1020 40

1240 41

1380 30

2,3 0,4

0,9 0,4

1,8 0,5

3. Algumas Aplicaes de Materiais Compsitos A seguir so apresentados exemplos atuais de aplicaes dos compsitos. As reas abordadas so: aeroespacial, automotivo e bioengenharia. Outras aplicaes que consome boa quantidade de compsito so: por exemplo, a indstria de material esportivo que utiliza compsitos com fibras de vidro e carbono e a indstria qumica que utiliza tanques e vasos de presso em epxi e em polister reforados com fibras de vidro. Aplicaes aeroespaciais: o campo no qual os compsitos de matriz metlicas ou cermicas tm grande potencial. A razo simples: as limitaes das ligas metlicas em altas temperaturas. O objetivo substituir a liga de alumnio 2618, onde a mxima temperatura na fuselagem atinge aproximadamente 200C, pelos seguintes tipos de compsitos: alumnio/SiC; titnio(Ti-15V-3Al-Cr3Sn)/SiC; e poliamida/fibras de C. Onde as temperaturas da fuselagem esto em torno de 800C, os compsitos so ligas de titnio 21S/SiC; ligas de cobre/SiC e carbono/C. Em regies mais crticas que a temperatura chega a 1.650C so utilizados compsitos de carbono/C, que servem com recobrimento dos painis de titnio/SiC. Aplicaes automotivas: o uso de compsitos em automveis de competio j realidade, com destaque para as fibras de carbono na construo de clulas que oferecem alto grau de proteo ao piloto. Entretanto, uma srie de novos desenvolvimentos leva a prever a iminente introduo desses materiais em veculos de alto desempenho. Porm, a maioria dos casos se refere a compsitos de matriz polimrica, e deve se assinalar que o advento da tecnologia de reforos termoplsticos com mantas e tecidos permitem a substituio de chapas de ao por compsitos termoformados. Quanto aos compsitos de matriz metlica, seu uso ainda bastante restrito, mas um interessante exemplo provm da empresa Toyota, que efetuou a substituio de uma polia em ferro fundido por alumnio/fibras curtas de Al2O3 + SiO2. Ainda mais radical, a fabrica Honda pretende aumentar a resistncia ao desgaste e s altas temperaturas, com o uso de um compsito com matriz de alumnio contendo 12% de fibras de Al2O3 + 9% de fibras de grafite, no revestimento dos cilindros do motor. Outro exemplo de

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compsito com matriz metlica novamente a liga de alumnio, desta vez Al-Si, com reforo de 20% SiC (partculas), substituindo ferro fundido em discos de freio. Resumindo, a introduo de compsito de matriz metlica em componentes automotivos ocorre principalmente por meio de ligas de alumnio, a fim de aumentar a resistncia desses materiais e aproveitar seu grande potencial de reduo de peso. Uma propriedade muito conveniente para aplicaes aeronuticas, aeroespaciais e tambm automotivas dos compsitos sua capacidade de atenuar vibraes. A capacidade de atenuar vibraes dos compsitos de matriz polimricas semelhante do ferro fundido, isto , relativamente boa. Aplicaes em bioengenharia: muito desenvolvida, especialmente, em prteses, tanto internas como externas. Por exemplo, em substituio ao fmur utiliza-se uma haste em compsito encimada por uma esfera de Al2O3. Recentemente foi desenvolvido com um compsito nilon/fibras de carbono, um suporte para pessoas que tm problemas de locomoo. Em relao ao suporte em ao, o construdo em compsito exibe o dobro da resistncia mecnica, 1,4 vez a rigidez e massa 70% menor. Infelizmente, o custo do material supera o do ao por um fator de dois ou trs. Esto sendo testadas vlvulas para o corao artificial em carvo piroltico recoberto por carvo. A introduo de reforos de fibras de carbono uma provvel evoluo desse material. 4. Usinabilidade de Materiais Compsitos A usinagem de compsitos polmericos reforados com fibras (PRF) vem sendo estudada em virtude destes materiais estarem sendo utilizados para a fabricao de componentes e peas e como parte estrutural em diversos equipamentos. Portanto, inevitvel que operaes de usinagem sejam executada em PRF. Entre as operaes de usinagem mais executadas esto a furao, o fresamento, o torneamento e a retificao. A usinagem de PRF difere significativamente dos materiais metlicos, em funo da diversidade estrutural que aquele material apresenta. Os compsitos so formados por conjuntos de fibras dispostas em feixes paralelos, tecidos, ou na forma picada, suportados por uma matriz de resina polimrica. A disposio destas fibras na matriz define o mecanismo de corte durante a usinagem e, conseqentemente o tipo de cavaco produzido, as foras de corte, a vida da ferramenta, a rugosidade e a integridade da pea (Santhanakrishnan et al, 1993). 4.1. Furao Com o objetivo de estabelecer uma relao entre os parmetros de corte: velocidade de corte (vc) e avano (f) com presso de corte (kc) e fora de avano (Ff), Davim et al (2004) efetuaram furos em um compsito PRFV, utilizando dois tipos de brocas: Stub Length e Brad & Spur. Os resultados esto mostrados nas figuras 2(a) e (b). Analisando a influncia dos parmetros de corte (vc) e (f) sobre a presso especifica de corte (ks), figura 2(a), os autores observaram que quando se aumenta o avano (f), a presso especifica de corte (ks) diminui para os dois tipos de brocas utilizadas. Estes resultados se repetiram para as trs velocidades de corte empregadas. A outra anlise feita pelos autores foi referente influncia dos parmetros de corte sobre a fora de avano (Ff), figura 2(b). Pode-se ver que houve um aumento da fora em funo do avano para os dois tipos de brocas. Aqui tambm o aumento da fora se deu para as trs velocidades escolhidas. Capello (2004) analisou a influncia do avano (f) sobre a delaminao na furao de um compsito PRFV. Para um avano pequeno no h delaminao, mas para um avano grande h delaminao. Quando o avano aumenta, o ngulo que a aresta de corte faz com a superfcie do material passa de positivo para negativo, fazendo com que a broca passe a empurrar o material ao invs de cort-lo.

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Figura 2 Influncia da velocidade de corte (vc) e avano (f) sobre a presso de corte (ks) (a) e fora de avano (Ff) (b), segundo Davim et al (2004). A figura 3 mostra em um grfico os resultados do avano e do dimetro do furo do suporte em funo da rea delaminada. Neste grfico tem-se que para o mesmo suporte e avanos de 0,11 e 0,50 mm/rev, a maior rea delaminada foi encontrada para os maiores avano e furo do suporte.

Figura 3 Influncia do avano e do furo do suporte sobre a rea delaminada, conforme Capello (2004). El-Sonbaty et al (2004) investigaram a influencia da velocidade de corte (vc) e avano (f) sobre a fora de avano (Ff), torque e rugosidade da superfcie da parede do furo no processo de furao de um compsito 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 trs avanos: 0,05; 0,1 e 0,23mm/rev. Os resultados mostram que h uma diferena de tempo entre a fora de avano e o torque, os autores explicam que isto pode ser atribuda ao tempo gasto para a broca penetrar no material. Em seguida a fora e o torque atingem o seu valor de pico rapidamente. A fora apresenta diminuio aps o valor de pico e isto foi atribudo por eles ao amolecimento da matriz pelo calor gerado durante o processo de furao, at a fora atingir zero ao final da

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operao. Em contraste, o torque apresenta um aumento, segundo os autores, devido s ultimas fibras que no so cortadas, diminuindo o dimetro do furo e travando a broca. Afirmam ainda, que o aumento da velocidade de corte teve uma influncia insignificante sobre a fora, sendo que o mesmo no ocorreu com o torque, que apresentou uma diminuio gradual. Tambm concluram que a velocidade de corte e o avano tiveram pouca influncia sobre a rugosidade das paredes do furo. Aoyoma et al (2001) demonstram em seu trabalho que a espessura dos feixes de fibras, a posio do centro da broca e o ngulo que aresta de corte faz com os feixes de fibras que reforam o material compsito tem influncia sobre a rugosidade da parede do furo e nos danos causados na borda do furo. Para estudar o acabamento dos furos em funo do ngulo da aresta de corte e da posio do centro da broca em relao ao feixe de fibras que reforam o compsito, Aoyoma et al (2001) dividiram o material em quatro reas: A, B, C e D. A regio A corresponde quebra das fibras longitudinal e transversa. A regio B corresponde ao centro da fibra longitudinal e a quebra da fibra transversal. A regio C corresponde centro da fibra transversal e quebra da fibra longitudinal e a regio D corresponde ao centro da fibra longitudinal e transversal. Segundo os autores, esta anlise s pode ser feita se a broca tiver um dimetro menor que o dimetro do feixe de fibras e se as reas A, B, C e D sobreporem, para mais de uma camada de feixes de fibras, o que o muito difcil. Os materiais e parmetros empregados, respectivamente, para os experimentos foram placas de PRFV com 1,6mm de espessura, broca com 1,0mm de dimetro, vc = 15,7m/min e f = 5 e 63 m/rev. Aoyoma et al (2001) concluram que a rugosidade na parede do furo crescente com o aumento da espessura do feixe de fibras para um mesmo ngulo de incidncia da aresta de corte. Tambm descobriram que a localizao dos danos, na borda dos furos, varia com a posio do centro da broca. As micrografias apresentadas na figura 4 (a) e (b), respectivamente, mostram que os danos das reas A e D, representados pela parte mais escura, localizam se em posies diferentes.

Figura 4 Micrografia (a) com os danos causados na rea A e micrografia (b) com os danos causados na rea D, segundo Aoyoma et al (2001). 4.2. Fresamento Bhatnagar et al (1995) fizeram algumas experincias fresando compsito PRFC laminado com fibras orientadas em diversas direes. A direo das fibras pode ser vistas no esquema da figura 5. Os ngulos 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 orientao das fibras tem uma forte influncia sobre a fora tangencial Ft. Como mostra a figura 6(a) para a fora tangencial Ft. Para 0. O mesmo no pode ser dito da fora de corte Fc, figura 6(b). J os comportamentos das foras para os ngulos de sada da ferramenta so semelhantes.

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Figura 5 Representao esquemtica da orientao das fibras durante o corte ortogonal, conforme Bhatnagar et al (1995).

(a) (b) Figura 6 Variao da fora Ft (a) e Fc (b) em funo de diferentes ngulos das fibras ( ) e ngulos de sada 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 compsitos. Durante os ensaios foram observados variaes nos desgastes das ferramentas. O compsito utilizado apresenta as seguintes caractersticas: tecido hbrido com 70% de fibras de carbono e 30% de fibras de vidro e resina fenlica com 35 a 40 por cento em massa. As ferramentas utilizadas foram: metal duro classe ISO K10, cermica pura (Al2O3+ZrO2), cermica mista (Al2O3+TiC), cermica reforada 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 evoluo do desgaste das ferramentas em funo do comprimento de corte usinado no torneamento do compsito de tecido bobinado. As ferramentas cermicas e de metal duro apresentaram um fraco desempenho em comparao 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 provvel neste caso foi abraso mecnica, pois no foi observada nenhuma quebra ou avaria da ferramenta. O melhor desempenho entre as ferramentas cermicas foi obtido com a aluminia reforada com whiskers de SiC, mas devido ao elevado custo da ferramenta comparado ao metal duro, no justifica seu emprego de acordo com os autores. Com o objetivo de estudar a influncia da velocidade de corte (vc) e avano (f) sobre a fora de usinagem (Fu) e presso especifica de corte (ks). Davim et al (2003), tornearam dois tipos material polimrico extrudado. Sendo que uma barra era reforada com fibra de vidro e a outra no. A influncia dos parmetros de corte sobre a fora de usinagem aumentaram com o avano e a velocidade de corte para os dois materiais nas mesmas condies de corte. Um estudo nas caractersticas de corte do compsito PRFV, no torneamento, foram feita por An et al (1997). Neste trabalho foram empregadas ferramentas com duas geometrias de pontas: R e S e trs materiais: policrital de diamante (PCD), monocristal de diamante e cubo nitreto de boro (CBN). Os autores analisaram a influncia do material e geometria da ferramenta sobre a rugosidade superficial em funo do avano, 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 so encontrados para a geometria S. Dentre os materiais, o diamante monocristalino apresentou valores mais baixo de Ra, seguido pelo PCD e CBN. Por fim, Vc e ap pouco afetaram Ra, ao contrrio de f, que teve grande influencia. Procurando analisar o desgaste de ferramentas de materiais diversos, Ferreira et al (1999), tornearam polmeros reforados com fibras de carbono PRFC. Na figura 8 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 cermicas e os carbonetos. Alm disso, para algumas cermicas e carbonetos, o aumento da fora de avano foi extraordinrio. Para o PCD a fora de avano permaneceu quase constante. Assim, a variao da fora de avano pode ser explicada pelo aumento do desgaste de franco com o comprimento de corte e a ausncia de desgaste de cratera.

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Figura 8 Desgaste de ferramenta versos comprimento de corte, conforme Ferreira et al (1999). Um outro resultado apresentado pelos autores est mostrado na figura 9, na qual a influencia da geometria da ferramenta sobre a rugosidade superficial da pea analisada. Ferramentas com ngulo de sada positivo apresentaram melhores resultados, pois tem menor fragilidade e apresentam menos desgaste de flanco, Ferreira et al (1999). Tambm possvel observar na figura 9 a influncia do avano sobre a rugosidade da superfcie: conforme esperado, quanto maior o avano maior a rugosidade superficial. Os autores analisaram ainda que para todas as ferramentas a rugosidade mdia da superfcie, Ra, variou linearmente com o comprimento de corte. Isto foi atribudo ao mecanismo de desgaste provocado pela abrasividade do compsito. O polimento da superfcie de folga e a ausncia de desgaste de cratera indicam que o mecanismo de desgaste ativo baseado principalmente na alta abrasividade do compsito PRFC.

Figura 9 Rugosidade de superfcie em funo da geometria da ferramenta e avano, conforme Ferreira et al (1999).

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4.4 Retificao Hu e Zhang (2003) retificaram compsito PRFC com fibras de orientao multidirecional e unidirecional e mediram a fora de corte em funo da profundidade de corte, (figuras 10(a) e (b). Duas componentes da fora de retificao foram medidas, isto , a fora tangencial e a fora normal. Pode se ver nas figuras 10(a) e (b) que a fora de corte cresce quase linearmente em funo da profundidade de corte. A fora de retificao para o compsito multidirecional foi maior nos dois casos. A razo, segundo Hu e Zhang (2003), talvez seja que a orientao em direes diferentes das fibras oferea maior resistncia.

Figura 10 Fora de corte versus da profundidade de corte, na retificao de compsitos PRFC, (a) direo vertical e (b) direo horizontal, conforme Hu e Zhang (2003). 5. Consideraes Finais Os compsitos podem ser considerados materiais de alta tecnologia e desempenho, dependendo do seu projeto. Tm aplicaes em diversas reas da engenharia como foi apresentado nesta breve reviso. A sua utilizao 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 extraordinrio material. Nos trabalhos citados pode se observar que vrios estudos sobre a influncia dos parmetros de corte sobre a fora de corte, o torque, a presso de corte, a qualidade do acabamento do material usinado, etc. j foram realizados, entretanto, ficou claro que ainda h muito estudo para ser fazer para que se possam aplicar as melhores condies de usinagem para este material. Alm disso, as propriedades e direo de orientao das fibras de reforo exercem grande influncia sobre a usinagem de materiais compsitos. 6. Referncias Bibliogrficas An, S.O., Lee, E.S., Noh, S. L. - A Study on the Cutting Characteristics of Glass Fiber Reinforced Plastics with Respect to Tool Materials and Geometries, Journal of Materials Processing Technology, vol. 68, pg. 60 a 67, 1997; Aoyama, E., Nobe, H., Hirogaki, T., Drilled Hole Damage of Small Diameter Drilling in Printed Wiring Board, Journal of Material Processing Technology, vol. 118, pg. 436 a 441, 2001;

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Bhatnagar, N., Ramakrishnan, N., Naik, N. K., Komanduri, R., On the Machining of Fiber Reinforced Plastic (FRP) Composite Laminates, Int. J. Mach. Tools Manufact, vol. 35, pg. 701 a 716, 1995; Callister Jr. W. D. Cincia e Engenharia de Materiais: uma Introduo, 5 ed., Rio de Janeiro, RJ, LTC, 2002; Ferrante, M., Seleo de Materiais, 2a ed, So Carlos, SP, EdUSCar, 2002; Capello, E., Workpiece Damping and its Effects on Delamination Damage in Drilling thin Composite Laminates, Journal of Materials Processing Tecnology, vol. 148, pg. 186 a 195, 2004; Davim, J. P., Reis, P., Antonio, C. C., Experimental Study of Drilling Grass Fiber Reinforced Plastic (GFRP) Manufactured by Hand Lay-Up, Composite Science and Technology, vol. 64, pg. 289 a 297, 2004; Davim, J. P., Reis, P., Lapa, V., Antnio, C. C., Machinability Study on Polyetheretherketone (PEEK) Unreinforced and Reinforced (GF30) for Applications in Structural Components, Composite Structures, vol. 62, pg. 67 a 73, 2003; Denculi, F. D., Determinao de Propriedades Termoelsticas de Compsitos Particulados de Matriz de Metal Utilizando um Modelo Micromecnico, Dissertao de Mestrado, Escola de Engenharia da UFMG/DEMEC, Belo Horizonte, MG, 1999; El-Sonbaty, I., Khashaba, U. A., Machaly, T., Factors Affecting the Machinability of GFR/Epoxy Composites, Composite Structures, vol. 63, pg. 329 a 338, 2004. Ferreira, J. R. Coppini, N. L., Miranda, G. W. A., Machining Optimisation in Carbon Fibre Reinforced Composite Materials, Journal of Materials Processing Tecnology, vol. 92 93, pg. 135 a 140, 1999; Ferreira, J. R., Cupini, N. L., Escolha da Ferramenta no Torneamento de Resina Reforada com Fibras de Vidro e Carbono, Revista Brasileira de Cincia Mecnica, vol. 15, 112 a 123, 1993; Herakovich, C. T., Mechanics of Fibrous Composites, University of Virginia, 1998; Hu, N. S. - Zhang, L. C. - A Study on the Grindability of Multidirectional Carbon FibreReinfrced Plastic, Journal of Materials Processing Tecnology, 2003; Santhanakrishnan, G., Krishanamuthy, R., Malhotra, S. K., Machininig of Polymeric Composites, Proceedings of the Machining of Composite Materials Symposium, Chicago, pg 139 a 148, 1993; Smith, F. W., Princpios de Cincias e Engenharia dos Materiais, 3 ed., Alfragide, Portugal, Mc Graw-Hill, 1996;

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