Optimization of Milling Tool Geometry for CFRP/Nomex Honeycomb Sandwich Structures Based on Side-Milling Experiments

No mundo da manufatura moderna, existe uma tensão constante entre a necessidade de resistência leve e a dificuldade de moldar esses materiais. Engenheiros frequentemente recorrem a estruturas sanduíche, que combinam uma camada externa fina e resistente com um núcleo leve, semelhante a um favo de mel. Esses materiais são essenciais para indústrias como a aeroespacial e de novas energias, onde economizar peso é crítico para a eficiência e o desempenho. No entanto, as próprias características que tornam essas estruturas tão valiosas — sua mistura de camadas rígidas de fibra de carbono e células delicadas de favo de mel, parecidas com papel — tornam-nas notoriamente difíceis de cortar. Quando uma ferramenta de máquina tenta atravessar essa mistura irregular, ela frequentemente rasga o núcleo delicado ou deixa para trás bordas irregulares e inacabadas. O desafio reside em encontrar uma ferramenta que possa navegar por esse cenário complexo sem danificar a peça de trabalho ou desgastar-se rápido demais.

Pesquisadores da Universidade de Shandong propuseram-se a resolver este quebra-cabeça específico testando duas ferramentas de corte diferentes em um painel feito de polímero reforçado com fibra de carbono e um núcleo de favo de mel de Nomex. Eles não confiaram em simulações de computador ou suposições teóricas; em vez disso, realizaram uma série de experimentos de fresagem reais, cortando o material em várias velocidades e taxas de avanço. Ao medir as forças exercidas sobre as ferramentas, o calor gerado durante o corte, a qualidade da superfície acabada e a quantidade de desgaste nas próprias ferramentas, eles visaram determinar qual geometria de ferramenta oferecia o melhor equilíbrio de desempenho. O estudo focou em dois tipos específicos de fresas, ambas com seis milímetros de diâmetro, mas com formas e números de arestas de corte distintos. Uma ferramenta, designada como T1, apresentava um sulco trapezoidal para quebrar cavacos, enquanto a outra, T2, possuía um sulco em forma de crescente e mais arestas de corte.

Os experimentos revelaram que o comportamento da força de corte estava intimamente ligado à estrutura do próprio favo de mel. À medida que a ferramenta movia-se através do material, a força encontrada subia e descia em um padrão rítmico que correspondia às células hexagonais do núcleo de favo de mel. As forças mais altas ocorriam quando a ferramenta atingia os pontos onde três paredes de células se encontravam, criando um pico momentâneo de resistência. Quando a ferramenta chegava a essas junções, muitas vezes tinha que cortar duas camadas de material ao mesmo tempo, exigindo mais potência. No entanto, os pesquisadores observaram que, ao se aproximar dessas junções, as paredes delicadas às vezes dobravam-se ou recuavam em vez de serem limpas e cortadas, o que significava que a ferramenta não precisava empurrar tanto, fazendo com que a força caísse, mas também deixava para trás pequenos fragmentos não cortados da parede do favo de mel que prejudicavam a superfície.

Ao comparar as duas ferramentas, os resultados mostraram uma vantagem clara para a ferramenta com o sulco em forma de crescente e mais arestas de corte, conhecida como T2, particularmente em baixas velocidades de corte. Esta ferramenta produzia cortes mais suaves com menos flutuação na força, provavelmente porque suas arestas adicionais permitiam que ela se engajasse no material de forma mais contínua. Em velocidades mais baixas, a T2 gerava forças médias menores em todas as direções e mantinha um processo de corte mais estável. No entanto, à medida que a velocidade de corte aumentava, a diferença de desempenho entre as duas ferramentas diminuía, e suas forças médias tornavam-se quase idênticas. Curiosamente, embora a T2 fosse melhor em gerenciar a força, a outra ferramenta, a T1, provou ser superior no gerenciamento de calor. A T1 mantinha a zona de corte mais fria e estável, sugerindo que dissipava o calor de forma mais eficiente, o que é crucial para evitar que a resina do composto amoleça e cause danos.

Apesar da vantagem da T1 no controle de temperatura, o quadro geral favorecia a ferramenta T2. O exame microscópico das ferramentas após os experimentos mostrou que a T1 sofreu danos significativos, incluindo bordas lascadas e um pesado acúmulo de detritos de fibra de carbono que grudaram na superfície de corte. Em contraste, a T2 apresentou apenas um desgaste menor e pouquíssima adesão de material. A qualidade da superfície produzida pela T2 também foi geralmente melhor, com menos fibras expostas e paredes de favo de mel mais regulares, embora houvesse condições específicas onde a T1 desempenhou ligeiramente melhor. O estudo concluiu que a ferramenta T2, com sua geometria específica, oferecia o melhor desempenho geral para fresar essas estruturas sanduíche complexas. Ela proporcionava um processo de corte mais estável e deixava uma superfície mais limpa, tornando-se a escolha preferida para a manufatura desses materiais de alta tecnologia. As descobertas fornecem um guia prático para engenheiros que selecionam ferramentas, confirmando que a forma e o número de arestas de corte desempenham um papel decisivo em quão bem esses materiais difíceis podem ser usinados.