Resumo
Os compósitos constituem um dos mais interessantes grupos de materiais da nossa actual sociedade tecnológica. O seu baixo peso e elevada resistência tornam-nos ideais em aplicações onde elevadas rigidez e resistência específica são desejadas.
Embora as peças em compósitos sejam produzidas em forma quase-final, a maquinagem torna-se por vezes necessária sempre que se verifica a necessidade de cumprir com tolerâncias apertadas ou por questões de montagem. Entre os vários processos de maquinagem normalmente utilizados, a furação é um dos mais frequentes na produção de furos para a montagem de rebites, cavilhas ou parafusos. A realização de operações de maquinagem em compósitos pode ser executada por máquinas-ferramenta convencionais habitualmente utilizadas no trabalho de metais. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros quer a nível das ferramentas a utilizar. Quando uma peça compósita é sujeita a uma operação de furação, os defeitos que se podem encontrar são diversos dos referidos para peças metálicas, dificultando a avaliação da qualidade do furo. Para além de problemas inerentes ao seu processo de fabrico, as peças em materiais compósitos podem, após furação, apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou danos por sobreaquecimento. Tais danos causam o abaixamento das propriedades mecânicas dos componentes e, consequentemente, da sua fiabilidade em serviço. Alguns destes danos não são detectáveis por intermédio de uma inspecção visual, fazendo com que o uso de plásticos reforçados com fibras – PRFs - em componentes considerados críticos seja alvo das maiores cautelas. Tal facto tem constituído um obstáculo ao mais rápido alargamento no uso de tais materiais, nomeadamente em componentes estruturais. Por outro lado, os compósitos são extremamente abrasivos provocando um rápido desgaste nas ferramentas de corte. Acresce, ainda, que a adopção directa dos critérios de qualidade utilizados para as peças metálicas não são os mais convenientes para avaliar estas peças devido às suas especificidades. Apesar de tudo, a confiança no uso de materiais compósitos tem vindo a aumentar rapidamente.
A obtenção de furos de qualidade adequada, com minimização do dano, é um desafio que se coloca actualmente à indústria dos compósitos. No entanto, verifica-se que a quantidade de estudos publicados sobre este assunto é ainda limitada. Isto significa que será necessário realizar um extenso trabalho experimental até que a maquinagem de
compósitos atinja o mesmo nível de conhecimento e confiança que actualmente se reconhece à maquinagem de metais e ligas metálicas. Uma outra dificuldade em atingir tal grau de confiança relaciona-se com a natureza dos próprios compósitos cuja não-homogeneidade resulta em propriedades dependentes das matérias usadas como reforço e como matriz, da fracção volúmica de fibras, da sequência de empilhamento, da orientação das fibras e outros factores. Em consequência, resultados válidos para um determinado PRF podem não ser válidos se a orientação das fibras é alterada, por exemplo, de unidireccional para camadas cruzadas a 90º.
Nesta tese é estudada a furação de três tipos de plásticos reforçados com fibras - vidro, carbono e híbridos com vidro e carbono – numa matriz epóxida. Todas as peças ensaiadas têm uma sequência e orientação das camadas de modo a conferir-lhes propriedades quasi-isotrópicas. As ferramentas utilizadas são brocas disponíveis nos catálogos dos fornecedores, em materiais como o aço rápido e o carboneto de tungsténio sem e com revestimento. As ferramentas em diamante não foram tomadas em consideração pois, apesar da sua superior qualidade, tornam-se pouco atractivas numa perspectiva de custo/ benefício.
A extensão do dano provocado pela furação é relacionada com os parâmetros de corte, tais como a velocidade e o avanço e com os dados da monitorização recolhidos durante a maquinagem – força axial e binário. A rugosidade superficial das paredes do furo é medida. São realizados diversos ensaios não-destrutivos de radiografia e varrimento com ultra-sons às peças furadas. As imagens assim obtidas são analisadas recorrendo a técnicas de Visão Computacional, servindo para calcular os resultados através da utilização de critérios estabelecidos para a avaliação do dano. Os valores de força axial são comparados com modelos conhecidos para a determinação da força crítica para o início da delaminação em placas compósitas, que incluem na sua formulação propriedades dos materiais como o módulo de elasticidade e a taxa crítica de libertação de energia em modo I. São igualmente realizados ensaios mecânicos, como o DCB (Double Cantilever Beam) e o de esmagamento com a finalidade de comparar materiais ou técnicas de furação.
Finalmente, um novo desenho de ferramenta com o intuito de minimizar o dano em volta do furo, é proposta e experimentada. Os resultados dos diversos testes realizados, incluindo força axial, binário, delaminação, rugosidade superficial e tensão de
esmagamento são apresentados e comparados com os obtidos com as ferramentas existentes no mercado.
É apresentado o desenvolvimento de um modelo de elementos finitos – MEF – para simular a furação de placas compósitas. As placas são modeladas com uma sequência de empilhamento quasi-isotrópica, embora o modelo possa aceitar qualquer outra. As propriedades dos materiais compósitos são consideradas no modelo e este é sensível à alteração dos valores do módulo de elasticidade, tensão de rotura e da taxa crítica de libertação de energia em modo I. Na fase de desenvolvimento apresentada, só foram consideradas as placas em carbono/epóxido. A ferramenta – broca – é modelada como um “corpo rígido” e são comparados os resultados da força necessária para o início da delaminação, bem como da força máxima atingida, para as diversas geometrias de ferramenta seleccionadas.
São três os objectivos propostos neste trabalho.
O primeiro é o estudo e optimização de diversas estratégias de maquinagem, baseado em modelos de dano conhecidos, possibilitando que a maquinagem de compósitos possa ser vista como uma técnica fiável e competitiva.
O segundo é a apresentação de uma proposta para um desenho de ferramenta que tenha em consideração a especificidade da maquinagem de materiais compósitos.
O último é a definição de um MEF que auxilie o estudo da furação de materiais compósitos.
Abstract
Composites are one of the most interesting groups of materials in our technological society. Their light weight and high strength characteristics make them suitable in applications where a high stiffness and strength-to-weight ratio are desired.
Although composites components are produced to near-net shape, machining is often needed, as it turns out necessary to fulfil requirements related with tolerances or assembly needs. Among the several machining processes, drilling is one of the most frequently used for the production of holes for screws, rivets and bolts. Machining operations in composites can be carried out in conventional machinery normally used to metallic parts. However, it
is necessary to bear in mind the need to adapt the processes and/or tooling. When composites parts are subjected to drilling operations, the defects that are likely to appear differ from metallic parts, making evaluation of hole quality more difficult. Besides process related problems in composites fabrication, drilling can cause several defects like, delamination, intralaminar cracks, fibre pull out and thermal damage. These problems can affect the mechanical properties of the produced parts, hence, lower reliability. Some of these defects are not visible in a visual inspection, and so the trend is very cautious when using FRPs in critical parts. This has caused a barrier to the widespread of composites usage in other applications, namely in primary structural components. On the other hand, composites are highly abrasive, causing a high rate of tool wear. Finally, the direct adoption of quality standards used for metallic parts may not be the more convenient as specific characteristics of composites are different from those of metals. In spite of all these aspects, confidence in the use of composite materials is increasing rapidly.
Production of higher quality holes, with damage minimization, is a challenge to everyone related with composites industry. However, the amount of research papers reported in open literature is yet limited. So, it means that extensive experimental analysis and modelling must be carried out until composites machining reach the same level of knowledge and confidence that one can find now when searching for information related with metal machining. Another difficulty in getting that level of knowledge may be related with the composites nature itself, as their inhomogeneity results in properties dependence on fibre and matrix materials, fibre volume fraction, ply lay-up sequence, orientation and other factors. Hence, conclusions that are valid for a certain type of FRP with some fibre orientation may not be valid if changed from unidirectional to cross-ply or other, just to quote an example.
In this work, drilling of three types of fibre reinforced plastics, glass fibre, carbon fibre and hybrid - carbon and glass - fibre, in an epoxy matrix, is studied. All the parts in this study are quasi-isotropic, considering ply lay-up and fibre orientation. The tools considered in this work were, in the beginning, those normally available in tool manufacturer’s catalogues, namely in high-speed steel, carbide and coated carbide.
Diamond tools were not considered as, despite their superior quality, they are normally not competitive economically.
Hole damage extension is related with drilling parameters, cutting speed and feed rate and with data from monitoring performed during drilling, i. e. thrust forces and torque. Hole
surface superficial roughness was measured. Non-destructive tests, radiography and ultrasonic scanning were performed on drilled parts. Images were analyzed using Computational Vision techniques and employed to establish evaluation results based on existing criteria for damage assessment. Thrust forces are compared with models available for the determination of critical thrust force for the onset of delamination on composite materials that includes properties like Young’s modulus and interlaminar fracture toughness in Mode I. Mechanical tests, like Double Cantilever Beam and Bearing were performed to compare materials or hole drilling techniques.
Finally, a new tool design with the intention to minimize damage around the hole is proposed and experimented. Results from the tests, including thrust force, torque, delamination, surface roughness and bearing are presented and compared with those previously gathered with market available tools.
A finite element model – FEM - was developed for the simulation of drilling of composite parts. Part was modelled with a quasi-isotropic stacking sequence, although the model can accept any other sequence. Composite properties are considered and the model is sensible to different values of Young’s modulus, ultimate strength and interlaminar fracture toughness in mode I. For FEM development, only carbon/ epoxy composites were considered. Tool was modelled as a ‘rigid body’ and several tool geometries were compared in order to assess the values for the onset of delamination, as well as maximum forces during drilling.
Three objectives are intended in this work. The first is to explore and optimize different machining strategies, based in available damage models that enable composites machining to be regarded as a competitive and reliable technique.
The second is the proposal of a drill design that accounts for the specificity of composites machining.
