Modelos físicos y estadísticos para la caracterización del mecanizado de los materiales compuestos de matriz termoplástica

Abstract

A presente investigação tem como objectivos fundamentais estudar a maquinabilidade e definir modelos de corte para os materiais compósitos de matriz termoplástica. Foram efectuados ensaios de corte ortogonal e de torneamento sobre poliamidas PA 6 e PA 66 GF30 e sobre PEEK, PEEK CF30 e PEEK GF30. Encontram-se aplicações destes materiais, por exemplo, na indústria aeroespacial e aeronáutica, em biomecânica e elementos de construção de máquinas. Em grande parte destas aplicações é necessário obter superfícies com elevada qualidade o que exige operações de maquinagem. As poliamidas são materiais termoplásticos com aplicação corrente a nível industrial enquanto que as poli (éter-eter-cetonas) reforçadas são materiais compósitos avançados com enormes potencialidades no futuro. A maior parte das referências sobre a maquinagem de compósitos de matriz polimerica centram-se no estudo de materiais termoendureciveis logo os termoplásticos constituem um domínio interessante para investigação, tendo em conta o excelente conjunto de propriedades que exibem. O desenvolvimento experimental compreendeu os ensaios em corte ortogonal realizados com dois tipos de ferramentas, as pastilhas de carbonetos sinterizados (K10) e os insertos de diamante policristalino (PCD), e planos de ensaios específicos para verificar certos efeitos como a profundidade de corte ou o material e geometria da ferramenta. Durante o processo de torneamento registaram-se de um modo contínuo as forças de corte, o que permitiu em conjunto com a medição da espessura de apara definir o modelo físico de corte para estes materiais e estabelecer relações com o modelo teórico de Merchant. A medição da rugosidade permitiu também obter resultados para analisar a maquinabilidade destes materiais compósitos. Recorreu-se também a técnicas estatísticas nomeadamente à análise de variância, para estabelecer modelos de previsão e optimizar as condições de corte.

La presente Tesis Doctoral tiene como objetivos fundamentales estudiar la maquinabilidad y definir los modelos de corte de los materiales compuestos de matriz polimérica termoplástica. Se han realizado ensayos de torneado sobre dos materiales pertenecientes a la familia de las poliamidas, en concreto la PA 6 y la PA 66-GF30, reforzada con 30% de fibras de vidrio, y sobre tres materiales pertenecientes a la familia de las poli (éter-éter-cetonas), el PEEK, el PEEK CF30, reforzado con 30% de fibras de carbono, y el PEEK GF30, reforzado con 30% de fibras de vidrio. Las aplicaciones más frecuentes de estos materiales son la industria aeroespacial, la biomecánica y la construcción de elementos de máquinas, principalmente. En buena parte de sus aplicaciones, es preciso conseguir superficies con un grado de calidad determinado, lo que exige realizar operaciones de mecanizado posteriores al conformado del material. Las poliamidas son materiales termoplásticos implantados a nivel industrial mientras que las poli (éter-éter-cetonas) reforzadas son materiales compuestos avanzados con enormes potencialidades de cara al futuro. La mayor parte de las referencias sobre el mecanizado de los materiales compuestos de matriz polimérica se centran en el estudio de los materiales termoestables, mientras que los termoplásticos constituyen un terreno abonado para la investigación, teniendo en cuenta el excelente conjunto de propiedades que exhiben. El desarrollo experimental comprende los ensayos de corte ortogonal, realizados con dos tipos de herramientas, las pastillas de carburos cementados (K10) y los insertos de diamante policristalino (PCD), y planes de ensayos específicos para verificar ciertos efectos como la influencia de la profundidad de pasada o la geometría de la herramienta. Durante el proceso de torneado se registran de manera continua las fuerzas de corte, lo que permitirá, junto con la medida del espesor de viruta, definir el modelo físico de corte de estos materiales y establecer relaciones con respecto al modelo teórico de Merchant. La medida de la rugosidad permitirá también obtener resultados para analizar la maquinabilidad de estos materiales compuestos. Se recurre a técnicas estadísticas, entre ellas el análisis de varianza, para completar el estudio del mecanizado, establecer modelos de predicción y, en todo caso, optimizar las condiciones de corte. Sobre la base de la experimentación y de los ulteriores análisis realizados, se pone de manifiesto el efecto de las fibras de refuerzo sobre la maquinabilidad de estos materiales compuestos, así como la influencia de la herramienta de corte en los resultados.