GERAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE CALOR NO TORNEAMENTO DE COMPOSITOS CARBONO - CARBONO ( C/C )

J.S.S.Olim (1), L.C.Mendes S.J.,(1) P. F.Silva (1) J.R.Ferreira (1)

(1) Instituto de Engenharia Mecânica, Escola Federal de Engenharia de Itajubá, Av. BPS, 1303, Caixa Postal 50, Itajubá, MG, CEP 37.500-000

Palavras-chave: Usinagem, Distribuição de Temperaturas, Fibra de Carbono

Resumo

Com o aumento substancial na aplicação de materiais compósitos de carbono reforçado com fibras de carbono, também conhecidos por compósito carbono - carbono (C/C), nas indústrias aeronáutica, aerospacial, automobilística, naval, e na área biomédica, entre outras, torna-se cada vez mais necessária a otimização dos processos de fabricação que utilizam esse material como matéria-prima. Essa necessidade é ainda mais evidente do ponto de vista econômico, haja visto que tal matéria-prima tem um alto valor agregado no seu processo de fabricação (Ferreira et.al, 2001).

Neste trabalho, o processo estudado é a operação de usinagem por torneamento, sendo analisadas a geração e a distribuição de calor no torneamento dos materiais compósitos C/C, através da análise da temperatura de corte. A temperatura tem fundamental importância na oxidação desse material e ocorre segundo Savage (1993) devido ao aumento da temperatura do material a valores superiores a 370ºC e segundo Thomas (1993) provoca uma diminuição na resistência da peça ao corte. Portanto, foi verificada a distribuição de temperatura na ferramenta, considerando para isso todos os fenômenos referentes ao processo de usinagem, bem como os princípios de transferência de calor, e tendo como objetivo final a otimização dos parâmetros em função da temperatura na interface peça-cavaco-ferramenta.

Logo, sendo a análise da temperatura de corte na ponta da ferramenta muito importante para o melhor entendimento dos fenômenos que ocorrem durante o processo de usinagem de compósitos C/C, a medição da temperatura de corte deve ser realizada de modo preciso e confiável. Desta forma, como não é possível a colocação de um equipamento de medição junto à ponta da ferramenta, será obtida a temperatura de corte através da sua distribuição com a utilização do método das diferenças finitas e ajuda de um programa computacional para a resolução numérica do problema. Além disso, foi realizada a medição da temperatura em nove pontos das superfícies superior e inferior da pastilha (figura 1) para validação dos resultados.

Uma modelagem do processo foi realizada, com o desenvolvimento teórico e com um modelamento matemático, considerando a divisão da pastilha de corte em incrementos de modo a formar uma malha tridimensional abrangendo toda o inserto. Sendo assim, foi feita a equação de balanço para cada ponto nodal através da aplicação dos princípios de conservação da energia, considerando os fenômenos de geração de calor no processo de usinagem, convecção natural e condução de calor no material da ferramenta. Foram adotadas como condições de contorno a ação da convecção natural nas três faces da pastilha em contato com o ambiente, a geração de energia durante o corte e as temperaturas conhecidas nos pontos nodais da malha, onde estarão presentes os termopares. Além disso, foi considerado no equacionamento o regime permanente em um corpo sólido.

Para a execução dos ensaios de torneamento, foi desenvolvido um dispositivo porta-ferramentas que tem por finalidade assegurar o cumprimento das condições especificadas para o processo e dar suporte aos termopares que fornecem a temperatura de quatro pontos na superfície superior da pastilha e cinco pontos na superfície inferior. O dispositivo porta-ferramentas construído pode ser visto na Figura 2.

Sendo assim, as seguintes conclusões parciais podem ser tiradas deste trabalho:

· Os valores obtidos nos termopares do dispositivo porta-ferramentas estão coerentes com a literatura e tem apresentado repetibilidade, o que garante a eficiência do sistema de aquisição de dados;

· Os resultados obtidos na validação do sistema de aquisição de dados e tratados pelo programa computacional implementado apresentam resultados satisfatórios para a distribuição de temperatura na ferramenta de corte, validando assim o equacionamento do problema.

Agradecimentos:Os autores agradecem à FAPEMIG, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais, pelo suporte financeiro e pela bolsa de Iniciação Científica e Tecnológica e também ao Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) do Centro Técnico Aerospacial (CTA / São José dos Campos) pela doação do corpo de provas (tubeira do VLS).

Referências:

Savage, G. - Carbon-carbon composites. London: Chapman & Hall, 1993.

Thomas, C.R. - Essentials of carbon/carbon composites. Cambridge: The Royal Society Chemistry, 1993.

Ferreira, J.R., Coppini, N.L., Levy Neto, F., Characteristics of carbon-carbon composite turning. Journal of Materials Processing Technology, 109, p65-71, 2001.