ANÁLISE DA QUALIDADE DOS FUROS OBTIDOS EM POLÍMEROS
REFORÇADOS COM FIBRAS DE VIDRO (PRFV), UTILIZANDO BROCAS
ESPECIAIS E BROCAS HELICOIDAIS CONVENCIONAIS.
Jhonatan Acacio Silva, jhonatanacacio@gmail.com1Lourival Boehs, boehs@emc.ufsc.br1
Guilherme Mariz de Oliveira Barra, g.barra@ufsc.br1
1 Departamento de Engenharia Mecânica - Universidade Federal de Santa Catarina, EMC - Centro Tecnológico |
Florianópolis - SC – Brasil.
Resumo: Materiais compósitos reforçados com fibras têm sido amplamente utilizados na substituição de materiais
metálicos devido às suas elevadas propriedades, como: relação resistência/peso, alta resistência à fratura e resistência química. Dentre esses materiais compósitos encontra-se o PRFV (polímeros reforçados com fibra de vidro) que está sendo utilizado em larga escala na fabricação de embarcações de pequeno, médio e grande portes, além de algumas aplicações estruturais na indústria automotiva e aeroespacial. Entretanto, após a sua moldagem, esses materiais quase sempre necessitam de um pós-processo, principalmente para realizar sua montagem e fixação. A furação é o processo de usinagem mais empregado nesse caso. No entanto, a furação desses materiais proporciona diversos defeitos na peça, como delaminação, falta de circularidade nos furos, rebarba na entrada e saída dos furos. Para minimizar esses defeitos, é necessário realizar um estudo que vai analisar a influência da geometria da ferramenta, do seu material e do seu revestimento, assim como dos parâmetros de corte. Este estudo busca obter informações que permitam realizar furos com boa qualidade. Para obter essas informações, serão realizados ensaios de furação em materiais compósitos reforçados com fibra de vidro em matriz poliéster com sentido de orientação das fibras de [0º/90º]. Para tanto, será utilizado um plano de laminação semelhante ao empregado na fabricação de embarcações de pequeno e médio portes, sendo as placas laminadas manualmente com um teor aproximado de 40% de fibra de vidro no laminado. Para ampliar as informações e o conhecimento sobre o assunto, serão realizados ensaios de furação com brocas distintas, isto é, com brocas que possuem diferentes geometrias e revestimento, e serão empregados diferentes parâmetros de corte. Tal conjunto de variáveis visa determinar quais delas têm maior influência na fabricação de furos em PRFV com menor nível de defeitos, objetivo este a ser discutido mais detalhadamente ao longo deste trabalho.
Palavras-chave: Furação, delaminação e materiais compósitos.
1. INTRODUÇÃO
A indústria náutica no Brasil está em constante crescimento. Mesmo no período pós-crise global, seu crescimento chega a 15% ao ano, assim sendo capaz de gerar 30 mil empregos. A indústria náutica abrange desde pequenas embarcações, como botes, até embarcações de luxo e iates, que são o topo dessa pirâmide, despertando interesse em diversas marcas internacionais que estão vendo o mercado brasileiro com alto potencial, principalmente diante da crise que ocorre nos países europeus conforme Acobar (2012).
Segundo Wertheim et al (2012), esta gama do mercado náutico nos permite uma larga utilização dos materiais compósitos, pois tanto a parte estética quanto a parte estrutural se obtém por causa das propriedades desses materiais. Na fabricação com materiais compósitos geralmente o produto já adquire a forma e o acabamento final desejado, todavia, para realizar a montagem desses produtos, é necessário realizar um processo de usinagem, onde o processo de furação se torna o mais utilizado em tais materiais.
Na montagem de uma embarcação, a união da estrutura inferior (casco) com a estrutura superior (convés) é realizada através de rebites ou parafusos. O referido procedimento requer a realização de centenas de furos, porém, nessa etapa do processo nos deparamos com vários problemas relacionados com a qualidade dos furos, nos quais é comum ocorrer rebarbas na entrada e saída, bem como a delaminação entre as camadas dos materiais. Esses defeitos podem comprometer o produto, isto é, o acabamento, a confiabilidade e a durabilidade do produto final. Conforme Babu et al (2013), para aumentar a qualidade dos furos em materiais compósitos, é essencial compreender o comportamento do processo de furação e suas variáveis, assim, pela realização de experimentos é possível melhorar e compreender quais variáveis são mais importantes para se obter bons resultados.
Desse modo, o objetivo do presente trabalho é, a partir de um conjunto de experimentos de usinagem, com
diferentes tipos de brocas e condições de corte, obter informações que permitam realizar furos com boa qualidade, ou seja, com menor delaminação e rebarba. Os experimentos de furação serão realizados em materiais compósitos reforçados com fibra de vidro em matriz poliéster com sentido de orientação das fibras de [0º/90º]. Para tanto, seráutilizado um plano de laminação semelhante ao empregado na fabricação de embarcações de pequeno e médio portes, sendo as placas laminadas manualmente com um teor aproximado de 40% de fibra de vidro no laminado.
De acordo com Liu et al (2012), um dos tipos de falha que acontece entre as camadas de um laminado é denominado delaminação, que é normalmente induzida pelo processo de furação. Esse é um problema que, além de diminuir a tolerância da forma de um furo, também compromete o desempenho funcional em longo prazo.
No início do processo de furação, a ponta da ferramenta entra em contato com o laminado, a força de corte agindo na direção periférica é a força motriz para que ocorra a delaminação. A geometria da ponta da ferramenta tende a separar as camadas superiores do material antes que elas sejam completamente usinadas. À medida que a ferramenta se aproxima do fim do furo, a espessura do material ainda não cortado vai reduzindo progressivamente e com isto também a sua resistência à deformação. No momento em que a força de empuxo supera a resistência de união entre as camadas, ocorre a delaminação conforme Khashaba (2012).
Segundo Alvarez et al (2013), o tamanho da delaminação é determinado através do fator de delaminação. Existem várias abordagens que procuram quantificar a superfície danificada. Com o passar do tempo foram evoluindo e cada vez melhor caracterizando a delaminação e os defeitos na entrada e saída dos furos.
Para determinar o fator de delaminação, na presente pesquisa foi utilizado o método proposto por Davim et al (2007), que visa quantificar a delaminação dos furos considerando à influência da área danificada, pois, ao se levar em conta somente o diâmetro máximo danificado dos furos, sua caracterização não representa corretamente o dano na superfície. Assim, os referidos autores denominam tal método como fator de delaminação ajustado (Fda), onde (Ad) é a área danificada na delaminação, (Amax) é a área que corresponde a uma circunferência que utiliza o diâmetro máximo
(Dmax) da região danificada para o cálculo e (A0) é a área que corresponde ao diâmetro da broca (D0) para cálculo,
conforme as Eq. (1) (2) e (3) a seguir.
(1)
(2)
(3)
2. MATERIAIS, MÉTODOS E EQUIPAMENTOS 2.1 Fabricação dos corpos-de-prova
Os corpos-de-prova (CP) foram preparados a partir de placas planas de Polímero Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV). Para realizar a fabricação dessas placas, foram utilizados os mesmos materiais e métodos de laminação que são utilizados na fabricação de embarcações de lazer de médio porte. Dessa maneira, na fabricação dos corpos-de-prova, valeu-se da fibra de vidro tipo E, usando laminação manual conforme os autores (Patil et al, 2014; Kishore et al, 2009; Kilickap, 2010; Karimi et al,2012). Nas placas, foram utilizadas três mantas de 450g/m² e três tecidos de 875 g/m², com orientação nas fibras de [0º/90º], juntamente com uma matriz de resina poliéster ortoftálica misturada com 1% de iniciador, peróxido de metil-etil-cetona (MECK 50). Primeiramente, as placas foram fabricadas sobre um molde plano de vidro com dimensões de 1,0m x 1,85m com a finalidade de manter as mesmas condições do ambiente e o mesmo teor de fibra para todo o laminado. Após o processo de cura de 72 horas, em temperatura ambiente, as placas foram desmoldadas e usinadas em placas menores, medindo 232mm x 232mm, com tolerância de ± 2mm. A espessura da placa é de 6,0 ± 0,2mm. As referidas placas menores foram utilizadas nos ensaios de furação. Das mesmas placas maiores também foram preparados os corpos-de-prova para os ensaios mecânicos feitos para determinar as propriedades do material, como pode ser visto na Fig. (1).
Para determinar as propriedades mecânicas do material, os corpos-de-prova foram submetidos a ensaios de tração de acordo com a norma ASTM D3039 e ensaio de impacto segundo a norma ASTM D256. Os corpos-de-prova foram medidos e pesados antes dos ensaios com a finalidade de obter informações para calcular o teor da fibra de vidro do laminado. Tanto os ensaios mecânicos e o procedimento de pesagem foram realizados com o objetivo de caracterizar o material utilizado na pesquisa. Para os ensaios de tração, foram produzidos corpos-de-prova retangulares, com dimensões de 250mm x 25mm ± 0,5mm. Foi usada uma Máquina Universal de Ensaio da marca EMIC, modelo MUE-100 e uma célula de carga de 1.000 kN. A velocidade foi de 3 mm/min para todos os ensaios. Para os ensaios de impacto, foram fabricados corpos-de-prova retangulares de 63,5mm x 12,7mm ± 0,5mm, com entalhe de 2,5mm ± 0,2mm conforme o método IZOD. O ensaio de resistência a impacto foi realizado em um equipamento da marca EMIC modelo AIC 1.
Figura 1: Representação da fabricação das placas. 2.2 Ferramentas utilizadas e ensaios de furação
Para a realização dos ensaios de furação, valeu-se de cinco brocas com diferentes geometrias, materiais e revestimentos, isto com o objetivo de determinar quais delas proporcionam os melhores resultados na qualidade dos furos. Foram utilizadas brocas fabricadas em Aço Rápido (HSS) normalizado pela DIN 338 e Metal Duro (Carboneto de Tungstênio). As brocas de HSS são brocas helicoidais convencionais com diferentes ângulos de ponta, isto é, com 118º 130º e 135º, afiação em cruz, com e sem revestimento. No caso das brocas de Metal Duro, uma é helicoidal, com ângulo de ponta de 140º, e a outra é uma broca especial para furação de materiais compósitos. Neste estudo esta broca será denominada E-90º, as demais brocas serão denominadas pelo seu ângulo de ponta. Todas as brocas helicoidais utilizadas têm diâmetro de 6,0 mm e a broca E-90º possui 6,35 mm. Detalhes das brocas na Fig. (2), a seguir.
Broca helicoidal de HSS classe M2 sem revestimento, afiação em cruz.
Broca helicoidal de HSS classe M2 com revestimento em TiN, afiação em cruz.
Broca helicoidal de HSS classe M42 com revestimento em Cobre, afiação em cruz.
Broca helicoidal de Carboneto de Tungstênio, com revestimento em WDi, afiação em R.
Broca de Carboneto de Tungstênio, com geometria especial para compósitos. Figura 2: Brocas utilizadas no experimento.
Os ensaios de furação foram realizados em um centro de usinagem CHARLES modelo MVC 955 equipado com um comando numérico SIEMMES 840Di, potência de 7,5 kw e rotação do eixo da árvore de 8000 rpm. Para a fixação dos corpos-de-prova, foi fabricado um suporte especial em aço carbono com perfil “L” para assegurar a rigidez na fixação das placas, a fim de evitar deformações e facilitar a troca dos corpos-de-prova. Foram realizados 40 furos por ensaio, sendo dois ensaios por corpo-de-prova.
Os parâmetros de usinagem foram estabelecidos com base nos seguintes autores (Vikki, 2011; Rubio² et al, 2007; Davim et al, 2003; Krishnaraj, 2008; Khashaba et al, 2010; Mohana et al, 2007; Krishnaraj, 2012). Realizaram-se pré-testes de furação nos quais foram extrapolados os valores máximo e mínimo reportados na literatura para saber até quais
faixas de valores eram interessante pesquisar. A partir dessa análise preliminar, foram determinadas as seguintes condições de corte: avanço (ƒ) de 0,08; 0,15 e 0,30 mm/rev e velocidade de corte (Vc) de 10, 28 e 57 m/mim.
Figura 3(a): Centro de usinagem. Figura 3(b): Suporte de fixação.
Devido ao desgaste que as brocas sofrem durante o processo de furação, determinou-se que as brocas novas seriam usadas para os parâmetros mínimo, médio e máximo desse experimento. Para os demais se respeitou a ordem apresentada no Tab. (1). Cada ensaio consistiu na realização de 40 furos, contudo, uma broca foi utilizada em três ensaios antes de ser trocada por uma nova broca, estes foram determinados para diminuir os efeitos do desgaste sobre os resultados.
Tabela 1: Condições de corte para os ensaios de furação. Quantidade de Furos Parâmetros de corte: ƒ (mm/rev) - Vc (m/mim)
0 – 40 ƒ = 0,08 - Vc = 10 ƒ = 0,15 - Vc = 28 ƒ = 0,30 - Vc = 57 41 - 80 ƒ = 0,08 - Vc = 28 ƒ = 0,15 - Vc = 57 ƒ = 0,30 - Vc = 10 81 - 120 ƒ = 0,08 - Vc = 57 ƒ = 0,15 - Vc =10 ƒ = 0,30 - Vc = 28 2.3 Processamento e análise das imagens
Para analisar a qualidade na entrada e na saída, foram usados sete furos por ensaio, escolhidos aleatoriamente dentre os quarenta furos realizados por ensaio. Utilizou-se um microscópio estereoscópio marca OPTON modelo TNE – 02B com ampliação de 7x a 30x, visando realizar a aquisição das imagens, que foram tratadas valendo-se do software de domínio público da National Institute of Health dos Estados Unidos, denominado ImageJ. As imagens passaram por ajustes de tonalidades, contraste e brilho, além da utilização de um filtro binário para melhor determinar a área danificada ao redor dos furos feitos com as brocas. Isto permitiu aplicar o método anteriormente referido, calcular a área delaminada e obter o diâmetro máximo da delaminação conforme as publicações (Alvarez et al, 2013; Davim et al, 2007; Krishnaraj, 2012; Rubio¹ et al, 2007).
Na pesquisa em materiais compósitos, com o propósito de avaliar a qualidade dos furos produzidos, necessita- se controlar e correlacionar as variáveis envolvidas no processo, como: diferentes geometrias e características das brocas e diferentes parâmetros de corte. Para organizar as variáveis do estudo, foi utilizado o software MiniTab 17, com a ferramenta Fatorial Design, para obter uma melhor seqüência para conduções dos ensaios. Em cada um dos ensaios de usinagem realizado foram selecionadas sete amostras (furos) das quais se eliminaram (aqueles) com o maior e o menor valor de Fda e a seguir feita uma média com os outros cinco. Através teste de Tukey, é possível compreender e correlacionar melhor os resultados obtidos.
3. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 3.1 Caracterização dos corpos-de-prova
Para calcular o teor de fibra do laminado, foi utilizada a Eq. (4), na qual (Tf) é o teor de fibra do laminado em porcentagem, (Acp) é a área dos corpos-de-prova em m², (Gcp) é a gramatura total do plano de laminação em gramas e (Pbal) é a massa total do corpo-de-prova em gramas. Para determinar a massa do corpo-de-prova, foi usada uma balança eletrônica com capacidade de 5 kg e precisão de 0,1 gramas.
Os corpos-de-prova, sendo planos e quadrados, foi fácil determinar o teor de fibra. O Acp é o tamanho da placa em metros (0,232m x 0,232m). O Gcp, no presente estudo, é a somatória da gramatura das três mantas (3 x 450 g/m²) mais os três tecidos de fibras de vidro (3 x 875g/m²), sendo a gramatura total desse plano de laminação de 3.975g/m². Pbal é
o valor fornecido pela balança. Com essas informações, pôde-se obter o teor de fibra do laminado que, em média, foi de 40%, Tab. (2).
[ % ] (4)
Com o referido procedimento, também foi possível verificar que as placas têm a concentração de fibra de vidro e resina muito semelhantes, resultado obtido devido à laminação da placa inteira com as mesmas condições de ambiente, entretanto, essas pequenas variações ocorreram em função da presença de micro bolhas e da compactação não uniforme entre as camadas, tais defeitos de fabricação acontecem com grande frequência na laminação manual.
Tabela 2: Dados para cálculo do teor de fibra do laminado.
Nº Pbal (g) Acp (m²) Gcp (g) Teor de Fibra (%)
1 535,1 0,054 3975 40,1 2 537,2 0,054 3975 40,0 3 536,5 0,054 3975 40,0 4 535,6 0,054 3975 40,1 5 537,8 0,054 3975 39,9 Média 536,4 0,054 3975 40,0
Para a determinação das propriedades mecânicas, foram realizados ensaios de tração e impacto, obedecendo as normas anteriormente referenciadas, os resultados, a média e o desvio padrão (D.P) encontram-se no Tab. (3), a seguir.
Tabela 3: Resistência mecânica dos corpos-de-prova. Resistência Mecânica
Tração Impacto
Nº CP Espessura (mm) Força máx (kN) Tensão máx (MPa) Is ( J / m )
1 6,1 27 542 337 2 6,1 26 523 333 3 6,2 28 566 334 4 6,0 27 529 331 5 6,1 27 537 330 Média 6,1 27 539 333 D.P 0,06 0,74 14,80 2,33
A pequena variação na espessura dos corpos-de-prova se dá em virtude da compactação não uniforme entre as camadas e também devido à diferença entre o teor de fibra do laminado. Assim, conforme ocorre uma pequena variação na espessura do material laminado, também tende a ocorrer uma pequena variação na sua resistência mecânica. Porém, com esses resultados, é possível afirmar que as placas possuem praticamente as mesmas características, mas ainda não se pode descartar a hipótese de elas possuírem defeitos de fabricação como micro bolhas ou a falta de compactação entre as camadas. Khashaba et al (2010), obtiveram uma resistência à tração de 204MPa, com espessura do corpo-de-prova de 8,3mm. Kilickap et al, (2010), também realizaram ensaios de tração nos quais seu resultado foi de 240MPa, com espessura do corpo-de-prova de 10mm. Ambos os autores fabricaram seus corpos-de-prova com fibra de vidro e matriz Epóxi, laminados manualmente. Nesses dois estudos a espessura pode justificar a diferença encontrada na resistência à tração. Entretanto, quando comparamos tais resultados com o resultado do presente estudo, onde se obteve uma resistência à tração máxima de 539MPa, com uma espessura de 6mm, isso significa que, com uma espessura menor, se obteve uma resistência à tração maior. Esta diferença de resistência é explicada pela espessura dos filamentos da fibra, orientação do material e tipo de trama.
3.2 Análise da qualidade dos furos
Conhecer a região danificada ao redor do furo é de suma importância para compreender os efeitos causados pela ação do processo de furação. A Figura (4a) exibe os danos típicos que ocorreram na entrada dos furos, onde se observa uma pequena área danificada ao redor do furo decorrente da ação da broca ao longo do processo de penetração no material. Observa-se também uma superfície lisa mais distante da borda do furo que é devido ao contato com o molde
durante a fabricação dos corpos-de-prova e, no fundo do furo (região de saída da broca), fibras do material – PRFV que não foram cortadas pela broca, além de delaminação.
A Figura (4c) mostra os danos típicos que acontecem na região ao redor da saída do furo, a superfície irregular representa os fios de fibras que compõem o tecido, formando assim a trama e sua orientação, os fios de costura são os que unem as camadas do tecido combinado, dificultando a sua ruptura e fazendo com que eles não se separem antes de ser impregnados com a resina. Os fios que não sofreram total ruptura necessitam de um pós-processo, que na indústria naval normalmente esses são escareados ou lixados manualmente para eliminar as fibras rompidas. As Figuras (4b; d) mostram os mesmos furos, das Fig (4a; c), respectivamente, todavia após a aplicação do tratamento das imagens com os filtros, melhorando assim a caracterização da área danificada e a obtenção do fator de delaminação.
Figura 4a: Imagem na entrada do furo.
Figura 4c: Imagem na saída do furo.
Figura 4b: Área danificada na entrada após filtros. Figura 4d: Área danificada na saída após filtros. Após obter os valores para a área delaminada (Ad), o diâmetro máximo (Dmáx) e o diâmetro das brocas (D0) das
imagens tratadas, foi calculado o fator de delaminação ajustado (Fda) proposto por Davim et al (2007), para os danos nos furos, tanto na entrada quanto na saída. A Tab. (4) apresenta os resultados médios do Fda(entrada) com os desvios padrão (D.P) para cada ensaio.
Tabela 4: Resultados médios para Fda na entrada do furo.
118º 130º 135º 140º E-90º
ƒ(mm/rev) Vc (m/mim) Valor D.P Valor D.P Valor D.P Valor D.P Valor D.P 0,08 10 1,17 0,03 1,22 0,03 1,30 0,06 1,21 0,00 1,28 0,01 0,08 28 1,27 0,03 1,25 0,04 1,32 0,02 1,28 0,04 1,31 0,02 0,08 57 1,31 0,02 1,26 0,03 1,38 0,01 1,29 0,02 1,21 0,01 0,15 10 1,27 0,01 1,37 0,01 1,38 0,04 1,38 0,05 1,21 0,02 0,15 28 1,30 0,02 1,44 0,04 1,40 0,06 1,42 0,02 1,13 0,03 0,15 57 1,41 0,02 1,47 0,02 1,42 0,02 1,45 0,01 1,17 0,01 0,30 10 1,56 0,04 1,66 0,02 1,54 0,06 1,69 0,06 1,14 0,02 0,30 28 1,61 0,06 1,79 0,02 1,65 0,13 1,77 0,08 1,16 0,01 0,30 57 1,65 0,12 1,87 0,03 1,76 0,09 1,87 0,06 1,18 0,02
As brocas com 130º, 135º e 140º apresentaram resultados semelhantes, ou seja, quanto menor o avanço e menor a velocidade de corte, menor o valor para Fda na entrada do furo. Já para o mesmo avanço e aumento na velocidade de corte também ocorreu um pequeno aumento no Fda na entrada, todavia não tão significativo como à influência do avanço, onde se mantiver a mesma velocidade de corte e aumentar o avanço, terá um aumento significativo nos
resultados. Se analisarmos os resultados para a broca com 118º, a variação do avanço não foi um fator tão significativo, pois, mantendo a mesma velocidade de corte e aumentando o avanço, pode-se obter o mesmo resultado, por exemplo: ƒ= 0,08mm/rev e Vc= 28m/mim proporcionaram estatisticamente os mesmos resultados, que o ƒ= 0,15mm/rev e Vc= 28m/mim, estes são afirmados através do teste de Tukey. Logo conseguindo aumentar o avanço sem perder qualidade, se obtém uma diminuição no tempo de usinagem. A broca E-90º tem um comportamento oposto das demais ferramentas, na qual, quanto maior o avanço, melhor os resultados em termos da delaminação na entrada dos furos. A broca E-90º, seus piores resultados obtidos em Fda entrada, são estatisticamente iguais aos melhores resultados obtidos com as brocas 130º, 135º e 140º.
Comparando os resultados do fator de delaminação na entrada do presente estudo com os resultados obtidos em (Kilickap, 2010; Karimi et al, 2012), percebe-se uma pequena variação entre eles, mas, levando em conta os desvios padrão, pode-se considerá-los semelhantes dentre os mesmos parâmetros de usinagem.
Figura 5: Comparativo geral dos resultados para Fda na entrada do furo.
Pode ser visto, na Fig. (5), que o avanço é o fator que tem maior influência sobre os resultados no Fda na entrada do furo. As brocas com 118º, 130º, 135º e 140º têm um comportamento semelhante, em que, quanto maior o avanço, pior os resultados.
A realização do teste de Tukey, com um nível de confiança 95%, teve como principal função analisar alguns resultados, avaliando quando eles convergem ou divergem entre si, e deste modo, podendo caracterizar melhor os parâmetros de usinagem que não comprometem a qualidade dos furos. Deste modo, a broca com 135º e os parâmetros ƒ=0,15mm/rev e Vc= 10m/min proporcionaram resultados iguais a ƒ= 0,08mm/rev e Vc= 10m/mim, com base nessa afirmação é possível obter um aumento de produção, sem comprometer a qualidade dos furos na entrada.
A Tabela (5) exibe os resultados médios para o Fda(saída) com os seus desvios padrão. Observa-se uma variação significativa nos resultados, tornando mais difícil caracterizar uma correlação com os parâmetros de usinagem.
Tabela 5: Comparativo geral dos resultados Fda na saída do furo.
118º 130º 135º 140º E-90º
ƒ(mm/rev) Vc (m/mim) Valor D.P Valor D.P Valor D.P Valor D.P Valor D.P 0,08 10 1,73 0,05 1,73 0,09 1,89 0,07 1,90 0,08 1,88 0,07 0,08 28 1,84 0,04 1,78 0,05 2,09 0,06 2,17 0,12 1,89 0,08 0,08 57 3,47 0,16 2,25 0,13 3,07 0,11 2,24 0,11 1,71 0,02 0,15 10 2,34 0,05 2,29 0,11 2,47 0,27 2,17 0,09 1,82 0,04 0,15 28 2,44 0,09 2,25 0,14 2,77 0,28 2,67 0,14 1,62 0,01 0,15 57 3,20 0,16 3,23 0,12 3,05 0,18 2,86 0,18 1,75 0,03 0,30 10 2,96 0,19 3,14 0,13 2,66 0,16 2,64 0,30 2,14 0,56 0,30 28 3,61 0,13 2,94 0,06 3,14 0,16 2,86 0,17 2,06 0,08 0,30 57 3,59 0,04 2,79 0,15 2,76 0,20 3,00 0,06 1,76 0,04 Os resultados de Fda na saída dos furos apresentam valores com uma variação expressiva, onde as brocas com 118º, 130º, 135º e 140º proporcionaram os piores resultados sempre para os maiores avanços e/ou maiores velocidades de corte. Para tais brocas, o menor avanço e as menores velocidades de corte produziram os melhores resultados no âmbito do presente estudo. A broca E-90º proporcionou resultados interessantes e positivos, em termos de qualidade do furo tanto na entrada quanto na saída. O melhor resultado para Fda na entrada e na saída, para essa broca, ocorreu com ƒ= 0,15mm/rev e Vc= 28m/min, que também foi o melhor resultado no contexto desta pesquisa.
A Figura (6) permite constatar que, para as velocidades de corte de 10m/min e 28m/min, conforme aumenta o avanço, também aumenta o Fda(saída), mas para a broca E-90º, com avanço de 0,15 ocorreu uma diminuição no Fda(saída). Já para a velocidade de corte 57m/min, as brocas helicoidais mostram resultados divergentes entre si e somente a broca E-90º mantém um comportamento constante para a referida velocidade de corte.
Figura 6: Comparativo Geral dos resultados para Fda(saída).
Com base nos resultados já apresentados, verifica-se que os danos nos furos obtidos com as brocas utilizadas na presente pesquisa são sempre maiores na saída do que na entrada dos furos. Entretanto, deve-se considerar o dano na entrada também, pois há situações nas quais dois furos podem ter o mesmo valor para Fda(saída), porém o valor para Fda (entrada) pode ser diferente. Como exemplo, neste estudo, pode-se destacar a broca com 135º, que, com os parâmetros ƒ= 0,30mm/rev e Vc= 28m/min, proporcionou um Fda (saída) de 3,14 e com ƒ= 0,08mm/rev e Vc=
57mm/mim um Fda (saída) de 3,04, sob o ponto de vista da análise estatística, tais resultados não são distintos. Ao se analisar os mesmos furos e só se considerar o Fda (entrada), obteve-se, respectivamente, 1,65 e 1,38, fato este que aponta uma diferença importante na qualidade dos furos produzidos.
Estudos feitos por outros pesquisadores (Kilickap, 2010; Karimi et al, 2012; Krishnaraj et al, 2012), mostram uma tendência semelhante nos resultados para as brocas helicoidais, isto é, quanto menor o avanço e menor a velocidade de corte, melhores os resultados obtidos tanto para Fda (entrada) quanto Fda (saída).
A análise de variância (ANOVA) é importante para identificar quais são as variáveis ou as interações entre elas que têm maior influência sobre os resultados obtidos. A Tabela (6) mostra os melhores resultados tanto para Fda (entrada) quanto para Fda (saída) dos furos.
Tabela 6: Melhores resultados para Fda na entrada e Fda na saída dos furos. Broca ƒ(mm/rev) Vc (m/mim) Fda(e) D.P Fda(s) D.P
E-90º 0,15 28 1,13 0,03 1,62 0,01 118º 0,08 10 1,17 0,03 1,73 0,05 E-90º 0,15 57 1,17 0,01 1,75 0,03 E-90º 0,3 57 1,18 0,02 1,76 0,04 E-90º 0,08 57 1,21 0,01 1,71 0,02 E-90º 0,15 10 1,21 0,02 1,82 0,04 130º 0,08 10 1,22 0,03 1,73 0,09
Nota-se que a broca E-90º proporcionou os melhores resultados para o Fda para todos os valores de avanços, tanto na entrada quanto na saída dos furos, destacando-se o resultado para o avanço de 0,15mm/rev. As brocas com 118º e 130º proporcionaram bons resultados quando se utilizaram baixos avanços e baixas velocidades de corte. No entanto, todos os resultados da Tab (6), sob o ponto de vista da analise estatística, não apresentam diferenças significativas, isto é possível afirmar com base no teste de Tukey para um nível de confiança de 95%.
Com os resultados do presente, é possível determinar as variáveis mais importantes que devem ser controladas e quais os parâmetros de corte devem ser usados, para se obter bons resultados dentro do âmbito deste estudo. Isto representa uma importante contribuição para as aplicações práticas na indústria náutica, tanto em relação à qualidade dos furos necessários nos materiais utilizados na construção das embarcações quanto no tempo de execução de tais furos. Para a fabricação de embarcações com materiais compósitos, necessita-se de centenas de furos por embarcação, no entanto se não tiver um volume de produção de embarcações muito elevado, possivelmente o uso da broca 118º pode ser uma alternativa aplicável devido a seu baixo custo e resultados satisfatórios em termos de qualidade dos furos.
4. CONCLUSÃO
Após a análise dos resultados obtidos e das variáveis presentes no âmbito deste estudo, conclui se que:
A geometria da broca, as condições de corte empregadas na furação, o efeito de torço da broca, a ação de compressão que a broca exerce sobre a placa-peça na entrada e na saída dos furos é uma força que pode ser considerada de tração, além de não existir um apoio da placa na proximidade do furo que a broca está realizando e pelo qual ela está saindo, estes são fatores determinantes para a existência da delaminação, rebarbas ao redor dos furos e por fios que não sofreram total ruptura durante o processo de usinagem e da significativa diferença do fator de delaminação, na entrada e na saída dos furos. Embora tenha sido possível procurar soluções para reduzir o fator de delaminação com esta pesquisa, ainda não foi possível encontrar uma solução para a eliminação das rebarbas devido à falta de ruptura das fibras de vidro na saída dos furos.
Com ANOVA, pôde-se determinar as interações da broca, do avanço e da velocidade de corte, que têm influência sobre os resultados. Também, com o teste de Tukey, foi possível analisar a semelhança entre os resultados e facilitar a escolha dos melhores parâmetros para serem aplicados na furação de PRFV.
A variável que mais influencia na qualidade dos furos é o avanço, todavia as demais variáveis como geometria da ferramenta e velocidade de corte também têm influência sobre os resultados, porém, com uma significância menor.
Mesmo os danos na saída dos furos mesmo sendo sempre maiores que os danos na entrada, é importante analisar ambos os resultados.
A broca E-90º proporcionou bons resultados em termos de menor delaminação, inclusive com os maiores parâmetros de corte utilizados nesta pesquisa, contudo seus melhores resultados foram obtidos com avanços de 0,15 mm/rot. As brocas com 118º e 130º proporcionaram bons resultados em baixo avanço e baixa velocidade de corte, que podem ser considerados no mesmo nível dos resultados obtidos com a broca E-90º.
As brocas com 118º, 130º, 135º e 140º tendem a piorar seus resultados na medida em que se aumenta o avanço e a velocidade de corte. Tais brocas proporcionaram os melhores resultados para o Fda para o avanço de 0,08 mm e velocidade de corte de 10m/mim.
Entende-se que este conjunto de resultados propiciará importantes contribuições para a indústria náutica, seja na escolha das ferramentas de furação, na definição dos parâmetros de usinagem, isto com o propósito de obter furos com melhor qualidade e também na melhor relação custo/benefício.
Assim, os autores deste trabalho consideram que os objetivos inicialmente estabelecidos foram alcançados. 5. AGRADECIMENTOS
O presente trabalho foi realizado com o Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina com o apoio do CNPq e da CAPES, entidades do governo brasileiro voltadas para o fomento à pesquisa e à formação de recursos humanos. Agradecer aos técnicos do Laboratório USICON – UFSC, pelo espaço físico e apoio técnico para a realização dos ensaios de furação. Agradecer também à Universidade do Vale do Itajaí, juntamente com o Professor Roberto Barddal, e os técnicos dos laboratórios, que concederam espaço físico e apoio técnico para a fabricação dos corpos-de-prova.
6. REFERÊNCIAS
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Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
ANALYSIS OF QUALITY OF HOLES OBTAINED IN POLYMER
REINFORCED WITH GLASS FIBER (GFRP), USING SPECIAL DRILLS
AND CONVENTIONAL HELICAL DRILLS.
Jhonatan Acacio Silva, jhonatanacacio@gmail.com1Lourival Boehs, boehs@emc.ufsc.br1
Guilherme Mariz de Oliveira Barra, g.barra@ufsc.br1
1 Department of Mechanical Engineering - Universidade Federal de Santa Catarina, EMC - Technological Center |
Florianópolis - SC – Brasil.
Abstract: Composite materials fiber reinforced have been widely used to replacement metallic materials due to their
high properties, for example, relation of strength/weight, high fracture resistance, and chemical resistance. Among these composite materials, the FRP is been employing in large-scale in the shipbuilding industry to manufacture of small, medium and large ships, and some structural applications in the automotive and aerospace industries. After modeling, such materials usually require a post-process, mainly to make its mounting and attachment. The drilling is the process of machining more used in this case. However, the drilling of these composites provides many defects in the piece, as delamination, lack of circularity in the holes, burr in and out of the holes. To minimize these defects is necessary to conduct a study that aims to analyze the influences of geometry, coating, and material of the cutting tools and cut parameters. This study seeks information to produce holes in fiberglass with excellent quality and to obtain this information will be performed drilling tests on composites reinforced with fiberglass in polyester matrix with a direction of fiber orientation [0° / 90°] using a lamination plan similar to that used in the manufacturer of small and medium-sized ships, and being laminated manually with an approximate 40% content of fiberglass in the laminate. For increasing these information about drilling will be conducted test with different drills, with different geometry, coating and cutting parameter settings. This set of variables is to determine which ones have the greatest influence in the manufacture of holes with lower level of defects.
