BRPI0617533A2 - ferramenta, e, mÁquina para usinar peÇas em materiais compàsitos - Google Patents
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Abstract
FERRAMENTA, E, MÁQUINA PARA USINAR PEÇAS EM MATERIAIS COMPàSITOS A invenção refere-se a uma ferramenta para usinar peças em materiais compósitos e uma máquina de usinagem compreendendo tal ferramenta. A ferramenta tem um corpo principal substancialmente cilíndrico. De acordo com a invenção, o corpo principal inclui uma peça de polimento (1) com um diâmetro D1, com um eixo principal (2) e uma peça abrasiva (3) com um diâmetro D2, com D2 <D1, esta peça abrasiva (3) sendo centralizada no referido eixo principal. Além disso, a peça abrasiva (3) inclui, em sua extremidade (4), pelo menos um elemento de corte (5) destinado a permitir penetraçôes da ferramenta dentro das peças em materiais compósitos. Figura 2.
Description
"FERRAMENTA, E5 MÁQUINA PARA USINAR PEÇAS EM MATERIAISCOMPÓSITOS"
A presente invenção refere-se a uma ferramenta para usinar peçasem materiais compósitos e a uma máquina de usinagem compreendendo talferramenta.
Os materiais compósitos se tornaram muito importantes emvários campos industriais. Seu campo de aplicação, que se destinavaprincipalmente ao aeronáutico e espacial inicialmente, está agora seexpandindo e abrangendo setores muito diferentes como o das indústriasautomotivas, ferroviárias, ou de entretenimento (pranchas de velejar, etc.).
Na indústria de peças para aeronáutica, a usinagem é um métodocrítico. Ela não apenas ajuda a obter dimensões precisas sobre as peçasfabricadas, mas também torna possível obter peças complexas a partir emmateriais que seriam, de outra forma, difíceis de transformar.
Para materiais compósitos, a operação de aparar o contorno exatoimposto pelo desenho de uma peça é diretamente realizada no tratamento desuperfície final, usando uma ferramenta de usinagem fazendo uma ou váriaspassadas na espessura desta peça, o número de passadas requeridasdependendo da espessura.
No entanto, notou-se que aparar o contorno exato de uma peçaem materiais compósitos pode resultar em defeitos na peça, o produto finalassim obtido não alcançando as propriedades mecânicas esperadas. Estesdefeitos, que resultam do levantamento de dobras de fibras, são tambémchamados "lascamentos". Na ausência de rejeição da peça durante o controlede qualidade, estes defeitos podem levar à fratura da peça durante a utilização.
Um desgaste mais ou menos rápido de tais ferramentas deusinagem ligado a uma ausência de controle da profundidade das passadas naespessura da peça, entre duas passadas, também foi notado. Agora, estedesgaste prematuro da ferramenta provoca paradas mais freqüentes damáquina de usinagem e a intervenção de um operador qualificado. Os custosimplicados na mudança da ferramenta, assim como a perda na produtividaderelacionada com o tempo de intervenção do operador, são incompatíveis comos imperativos econômicos da indústria de peças para aeronáutica.
Além disso, as ferramentas de usinagem da técnica anteriorusadas para usinar peças em materiais compósitos não tornam possível fazerfuros ou cavidades em tais peças.
A fabricação de peças, por corte em uma placa de grandesdimensões, com tais ferramentas de usinagem requer, assim, iniciar a partir deuma borda de tal placa para alcançar a primeira peça a ser cortada. Umamáquina não pode ir diretamente para o ponto de partida do corte da peça,porque a última está localizada por suas coordenadas em uma grade deposicionamento, que é o da placa.
O corte em material adicional assim implicava em um grandeaumento do tempo requerido para cortar as peças na placa e acarretava umdesgaste prematuro da ferramenta de usinagem.
Finalmente, a usinagem mecânica em materiais compósitostambém requer ferramentas de corte cada vez mais avançadas para aumentarbastante a produção de lascas e, assim, reduzir o tempo requerido para asoperações de conferir à peça em materiais compósitos o contorno exatoimposto pelo desenho.
O objeto da presente invenção consiste, assim, em prover umaferramenta para usinar peças em materiais compósitos, tendo um desempenhoe procedimento de operação simples, o que é econômico e torna possívelverificar a profundidade das passadas de tal ferramenta, de modo que sejaconstante de uma passada para outra, enquanto simultaneamente realizando apré-formação e o acabamento da peça, enquanto conferindo o contorno exato.Outro objeto da presente invenção consiste em prover umaferramenta de usinagem capaz de realizar simultaneamente as operações depré-formação e de acabamento por uma penetração direta no material da peça.Para este fim, a invenção refere-se a uma ferramenta para usinarpeças em materiais compósitos, esta ferramenta tendo um corpo principalsubstancialmente cilíndrico.De acordo com a invenção, o corpo principal inclui uma peça depolimento tendo um diâmetro Dj, com um eixo principal e uma peça abrasivatendo um diâmetro D2, com D2 < Db a peça abrasiva sendo centrada em taleixo principal. Além disso, a peça abrasiva inclui, em sua extremidade, pelomenos um elemento de corte destinado a permitir as penetrações daferramenta nas referidas peças, este elemento de corte da peça abrasiva sendoum recesso na forma de um tronco de cone invertido.Em várias formas de realização particulares de tal ferramenta deusinagem, cada tendo suas vantagens particulares e para a qual muitascombinações técnicas são possíveis:- a ferramenta tem pelo menos uma abertura de conduto centralsobre a superfície externa da peça abrasiva para assegurar a lubrificação damesma.Com vantagem, a lubrificação da ferramenta é assegurada por umconduto posicionado no centro do corpo principal da ferramenta e se abrindosobre a extremidade da peça abrasiva, no nível do elemento de corte.- o conduto central estando ainda em comunicação de fluido com,pelo menos, uma abertura de canal anexo sobre a superfície externa dareferida peça abrasiva.Estes canais anexos são preferivelmente distribuídos em váriosníveis das peças abrasivas, a fim de lubrificar uniformemente a superfícieexterna da peça abrasiva. Os fluidos lubrificantes usados são, por exemplo,óleo de corte ou uma emulsão.
- a peça abrasiva inclui partículas abrasivas tendo um tamanhomédio de partícula abrasiva entre aproximadamente 300 μm e 1000 μm,
- a peça de polimento inclui partículas abrasivas tendo umtamanho médio de partícula abrasiva entre aproximadamente 100 μm e 600 μm.
O tamanho da partícula abrasiva é tipicamente determinado pelamaior dimensão das partículas abrasivas. Como evidente, uma distribuição detamanho de partícula existe em torno deste tamanho médio de partículaabrasiva. Mesmo assim, será também possível tentar e ter um controle maisimportante da distribuição de tamanho de partícula, de modo que a peça depolimento assim determinada ofereça um acabamento mais uniforme da peçaem materiais compósitos.
- a peça de polimento tem vazios entre as partículas abrasivas.
Preferivelmente, o tamanho médio de tais vazios estácompreendido entre 10 e 500 μm.
- a peça de polimento inclui, pelo menos, uma área de superfíciecontínua ou não contínua permitindo a preensão da ferramenta.
A invenção também refere-se a uma máquina de usinagem parapeças em materiais compósitos incluindo, pelo menos, um dispositivo deporta-ferramenta destinado a receber uma ferramenta de corte.
De acordo com a invenção, esta ferramenta de corte é umaferramenta como previamente descrito.
A invenção será agora descrita em maiores detalhes enquantofazendo referência aos desenhos anexos, em que:
- Figura 1 é uma vista lateral esquemática de uma ferramentapara usinar peças em materiais compósitos, como visto lateralmente (figurala) e em seção transversal (figura lb) de acordo com uma forma de realizaçãoda invenção;
- Figura 2 é uma vista em seção transversal parcial da ferramentada figura 1 mostrando a peça abrasiva tendo penetrado dentro do material deuma peça;
- Figura 3 mostra esquematicamente uma ferramenta para usinarpeças em materiais compósitos, como visto do lado com as extremidades emseção transversal (figura 3a) de acordo com outra forma de realização. Afigura 3b é uma vista aumentada em seção transversal da extremidade da peçaabrasiva da ferramenta de usinagem.
A figura 1 mostra uma ferramenta para usinar peças em materiaiscompósitos de acordo com uma forma de realização particular da invenção.Esta ferramenta tem um corpo principal substancialmente cilíndrico. Estecorpo principal inclui, em uma extremidade, uma peça de polimento 1 comum diâmetro Di com um eixo principal 2 e, por outro lado, uma peça abrasiva3 com um diâmetro D2, com D2 < D1. A peça abrasiva 3 é centrada neste eixoprincipal 2, de modo que a diferença entre os diâmetros de ambas as peças(D2-D1)/2 define a espessura de trabalho de acabamento lateral da ferramenta.
O ressalto resultante da diferença no diâmetro entre estas duaspeças 1, 3, do corpo principal torna possível manter uma profundidadeconstante de passada da ferramenta, qualquer que seja a espessura da peça aser aparada no contorno exato.
Além disso, as peças de polimento 1 e abrasivas 3 tornampossível simultaneamente pré-formar e acabar a peça sem precisar mudar aferramenta na máquina de usinagem. O corpo principal é uma peça única. Elaé feita, com vantagem, de metal, por exemplo, de aço.
A peça abrasiva 3 do corpo principal inclui, em sua extremidade4, pelo menos um elemento de corte 5 destinado a permitir penetrações daferramenta dentro das peças. Este elemento de corte 5 torna possível perfurarfuros ou cavidades, por exemplo, nas peças em materiais compósitos.
A ferramenta de corte 5 é feita por um recesso na forma de umtronco de cone invertido posicionado na extremidade da peça abrasiva 3. Afigura 2 mostra uma vista em seção transversal de tal ferramenta tendopenetrado dentro do material de uma peça 6. A ferramenta se desloca dadireita à esquerda na direção da penetração mostrada pela seta 7. Aferramenta tem uma aresta de corte 8 dentro da peça abrasiva, que trabalha nomaterial.
A peça abrasiva 3 inclui partículas abrasivas tendo um tamanhomédio de partícula abrasiva entre aproximadamente 300 μm e 1000 μm, epreferivelmente entre 400 μm e 850 μm.
Estas partículas abrasivas são selecionadas com vantagem nogrupo incluindo nitreto de boro cúbico, um diamante de cristal único, oudiamante policristalino, carbeto e combinações destes elementos.
No caso onde as partículas abrasivas da peça abrasiva 3 sãodiamantes policristalinos, a deposição destas partículas pode ser realizada poreletrodeposição, por deposição de metal brasado ou deposição de diamantepolicristalino brasado ou através da deposição de camadas de diamante,graças à técnica de deposição de vapor químico (CVD - "Chemical vapordeposition"). Estas técnicas de deposição que são conhecidas pelos versadosna técnica não serão descritas aqui.
A peça de polimento 1, tendo o diâmetro D2, inclui partículasabrasivas tendo um tamanho médio de partícula abrasiva entreaproximadamente 100 μm e 600 μm, e preferivelmente entre 250 e 500 μm.
As partículas abrasivas para a peça de polimento 1 podem serselecionadas no grupo incluindo diamante, óxido de alumínio, óxido dezircônio, e combinações de tais elementos.
No caso onde as partículas abrasivas da peça de polimento 1 sãodiamante policristalino, a deposição de tais partículas pode ser feita porfixação de diamante por eletrodeposição.
A peça de polimento 1 preferivelmente inclui, pelo menos, uma área de superfície contínua ou não contínua, que não é mostrada, tornandopossível para um operador agarrar a ferramenta a fim de montá-la sobre amesma, ou para removê-la do porta-ferramenta de uma máquina de usinagem.
A ferramenta também tem uma porção colocada atrás do corpoprincipal da ferramenta, cuja forma torna possível inserir a ferramenta em umporta-ferramenta. Esta porção pode ser feita de vários modos, de modo a sermontada em todos os tipos de conexões conhecidos dos versados na técnica.Neste caso, esta porção inclui um cabo cilíndrico retificado de modo que aferramenta possa ser montada com vantagem em conexões do tipo SA, comgarras ou sinterizadas.
O diâmetro D1 da peça de polimento 1 está preferivelmente entre10 e 32 mm, + 10%, com o diâmetro D2 da peça abrasiva 3 sendo menor doque o diâmetro Dj. Por exemplo, o diâmetro D2 está entre 6 e 28 mm, +_10%.
Para uma ferramenta tendo tais diâmetros para as peças abrasivas3 e de polimento 1, o tronco de cone 5 tem uma base 11 com um diâmetroentre 4 e 24 mm + 10% e um ápice 12 com um diâmetro entre 2 e 20 mm +10%. Esta geometria do elemento de corte determina o ângulo de penetraçãomáximo da ferramenta.
A ferramenta pode incluir um conduto central 9 se abrindo sobrea superfície externa da peça abrasiva 3, que torna possível ao líquido resinaruma ferramenta a partir do centro. Preferivelmente, o conduto 9 abre sobre aextremidade 4 da peça abrasiva 3 no nível do elemento de corte 5 para alubrificação do mesmo. O conduto central 9 também tem saídas 10 sobre asuperfície externa da peça abrasiva 3.
A figura 3 mostra uma ferramenta para a usinagem de peças emmateriais compósitos em outra forma de realização. Estes elementos deestrutura da figura 3, tendo as mesmas referências como as da figura 1,mostram os mesmos objetos. A peça abrasiva 3 do corpo principal inclui, emsua extremidade 4, um elemento de corte 5 destinado a permitir penetraçõesda ferramenta dentro das peças. Uma porção 13 da superfície externa da peçaabrasiva 3 é revestida com diamante. O conduto central 9 é conectado a umconjunto de canais anexos de pulverização 14-20 distribuídos em vários níveise se abrindo nas saídas 10. Estes canais anexos 14-20 são preferivelmentedistribuídos no corpo da peça abrasiva 3 de modo a pulverizar uniformementea superfície externa da ferramenta e, mais particularmente, a porção revestidacom diamante 13. O diâmetro do conduto central 9 é maior do que o doscanais anexos 14-20, de modo a obter uma pressão de pulverização sempresuficiente, constante no canal anexo de pulverização 14-20. A extremidade doconduto central 9 sobre o lado da peça de polimento 1 é conectada comvantagem a um sistema de suprimento de fluido lubrificante pressurizado.
Esta pressão está preferivelmente acima de 10 bars a fim de manter a fluênciado fluido lubrificante do começo ao fim do conjunto de porta-ferramenta /ferramenta.
Este resfriamento com líquido a partir do centro da ferramentacom vantagem torna possível aumentar a vida útil da ferramenta, enquantoreduzindo a incrustação notada nos dispositivos da técnica anterior e avelocidade de corte desta ferramenta visando uma qualidade conservada dausinagem.
Os ganhos, expressos como (custo da ferramenta) / (relação deprodutividade), obtidos com a ferramenta para a usinagem de peças emmateriais compósitos, de acordo com a invenção, com relação a umatecnologia implementando uma ferramenta de corte com bordas de diamantepolicristalino (PCD) são da ordem de 95 a 98%.
Claims (13)
1. Ferramenta para usinar peças em materiais compósitos,referida ferramenta tendo um corpo principal substancialmente cilíndrico,caracterizada pelo fato de que referido corpo principal inclui:- uma peça de polimento (1) com diâmetro Dh com eixo principal (2),- uma peça abrasiva (3) com um diâmetro D2, com D2 < D^referida peça abrasiva (3) estando centralizada no referido eixo principal (2),- referida peça abrasiva (3) inclui, em sua extremidade (4), pelomenos um elemento de corte (5) destinado a permitir penetrações de referidaferramenta nas referidas peças,e em que referido elemento de corte (5) de referida peça abrasiva (3) é um recesso na forma de um tronco de cone invertido.
2. Ferramenta de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de ter pelo menos um conduto central (9) se abrindo sobre asuperfície externa da referida peça abrasiva (3) para a lubrificação da mesma.
3. Ferramenta de acordo com a reivindicação 2, caracterizadapelo fato de que referido conduto central (9) está ainda em comunicação defluido com, pelo menos, um canal anexo (14-20) se abrindo sobre a superfícieexterna de referida peça abrasiva (3).
4. Ferramenta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 3, caracterizada pelo fato de que referida peça abrasiva (3) inclui partículasabrasivas tendo um tamanho médio de partícula abrasiva entre cerca de 300μηι e 1000 μm.
5. Ferramenta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 4, caracterizada pelo fato de que referida peça abrasiva (3) inclui partículasabrasivas que são selecionadas no grupo incluindo nitreto de boro cúbico,diamante policristalino, carbeto, e combinações de tais elementos.
6. Ferramenta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 5, caracterizada pelo fato de que referida peça de polimento (1) incluipartículas abrasivas tendo um tamanho médio de partícula abrasiva entrecerca de 100 μm e 600 μm.
7. Ferramenta de acordo com a reivindicação 6, caracterizadapelo fato de que dita peça de polimento (1) tem vazios entre partículas abrasivas.
8. Ferramenta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 7, caracterizada pelo fato de que referida peça de polimento (1) incluipartículas abrasivas que são selecionadas do grupo compreendendo diamante,óxido de alumínio, óxido de zircônio e combinações destes elementos.
9. Ferramenta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 8, caracterizada pelo fato de que referida peça de polimento (1) inclui pelomenos uma área de superfície contínua ou não contínua permitindo a preensãoda referida ferramenta.
10. Ferramenta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 9, caracterizada pelo fato de que ela inclui uma porção posicionada atrás docorpo principal, cuja forma permite a inserção de referida ferramenta em umporta-ferramenta.
11. Ferramenta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 10, caracterizada pelo fato de que o diâmetro Dj da referida peça depolimento (1) está compreendido entre 10 e 32 mm + 10% e o diâmetro D2 dareferida peça abrasiva (3) está compreendido entre 6 e 28 mm, + 10%.
12. Ferramenta de acordo com as reivindicações 1 e 11,caracterizada pelo fato de que referido tronco de cone tem uma base (11) comum diâmetro entre 4 e 24 mm + 10% e um ápice (12) com um diâmetro entre-2 e 20 mm + 10%.
13. Máquina para usinar peças em materiais compósitoscompreendendo pelo menos um dispositivo de porta-ferramenta destinado areceber uma ferramenta de corte, caracterizada pelo fato de que referidaferramenta de corte é uma ferramenta de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 12.
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