BR102012002415A2

BR102012002415A2 - Furadeira orbital segmentada

Info

Publication number: BR102012002415A2
Application number: BRBR102012002415-2A
Authority: BR
Inventors: Karen Anne Craig
Original assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2013-11-05
Also published as: DE102012001796A1; US20140348604A1; GB2488430B; CN102649175B; US20120219371A1; CN102649175A; GB2488430A; CA2764592A1; FR2971958A1; US8858129B2; US9446454B2; GB201203190D0

Abstract

FURADEIRA ORBITAL SEGMENTADA. Trata-se de uma furadeira orbital segmentada que inclui uma parte segmentada com uma parte de corte de semiacabamento e uma pluralidade de partes de corte de acabamento. A parte de corte de semiacabamento e partes de corte de acabamento são separadas por entalhes formados por uma parede frontal e uma parede traseira. A parte segmentada permite que uma borda de corte sem uso prévio (isto é, parede traseira do entalhe) a ser revelada conforme a furadeira orbital seja gasta na direção axial. A parte segmentada também causa menos contato com a peça, o que reduz o consumo de energia e minimiza a deflexão da furadeira orbital. A furadeira orbital segmentada também inclui um piloto opcional em uma extremeidade da furadeira, e uma parte de pescoço de folga entre uma haste e a parte segmentada. Um método de usinagem de uma peça com o uso da furadeira orbital semgentada é também divulgado.

Description

"FURADEIRA ORBITAL SEGMENTADA"

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Materiais de Plástico Reforçado com Fibras (FRP) são amplamente usados em in- dústria aeroespacial devido a sua resistência específica alta e dureza específica alta. Mate- riais de FRP são materiais compostos que consistem em matriz de resina macia e reforço de fibra de alta resistência. Reforços de fibra típicos incluem fibras de carbono (CFRP)1 fibras de vidro (GFRP), fibras de Kevlar1 e similares. Materiais de FRP são muitas vezes proces- sados em uma estrutura laminada. Materiais de FRP têm resistência em plano excelente, mas baixa resistência interlaminar. Efetores de extremidades de funções múltiplas, máquinas orbitais portáteis e má-

quinas CNC produzem orifícios orbitais (helicoidalmente interpolados) e/ou orifícios conven- cionalmente perfurados em materiais compostos empilhados.

O maior problema em de usinagem de materiais compostos empilhados é o gasto acelerado que ocorre nas bordas de ferramentas. A vida útil da ferramenta é muito pobre, mesmo com revestimentos e substratos avançados.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O problema do gasto acelerado de bordas de ferramentas quando a usinagem de materiais compostos empilhados é resolvida ao fornecer a furadeira orbital segmentada que usa formatos geométricos para aumentar a vida útil da ferramenta. Em um aspecto, a furadeira orbital segmentada compreende uma parte segmenta-

da que inclui uma parte de corte de semiacabamento e pelo menos uma parte de corte de acabamento, a parte de corte de semiacabamento que tem um diâmetro que é diferente do que um diâmetro de pelo menos uma parte de corte de acabamento; e uma parte de pesco- ço de folga entre a parte segmentada e uma haste. Em outro aspecto, um método de usinagem de uma peça com o uso de uma fura-

deira orbital segmentada que compreende um piloto e parte segmentada e uma parte de pescoço de folga entre a parte segmentada e uma haste compreende perfurar um orifício em uma primeira camada de material com a parte segmentada da furadeira orbital segmen- tada; perfurar um orifício em uma segunda camada de material com o piloto enquanto perfu- ra-se o orifício na primeira camada de material com a parte segmentada até que a parte segmentada tenha perfurado completamente através da primeira camada de material; e per- furar um orifício em uma terceira camada de material com a parte segmentada sem o uso do piloto até que a parte segmentada tenha perfurado completamente através da terceira ca- mada de material. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Embora diversas modalidades da invenção sejam ilustradas, as modalidades em particular mostradas não devem ser interpretadas como Iimitantes das reivindicações. Ante- cipa-se que diversas mudanças e modificações podem ser feitas sem divergir do escopo desta invenção.

A Figura 1 é uma vista em planta de uma modalidade exemplificativa da furadeira orbital segmentada de acordo com uma modalidade da invenção;

A Figura 2 é uma vista em seção transversal aumentada da parte segmentada da

furadeira orbital tomada ao longo da linha 2-2 da Figura 1; e

As Figuras 3(a) a (f) é uma vista isomérica de um método para usinagem de uma peça que tem que tem uma camada de topo de material de CFRP e uma camada de fundo de material metálico com o uso da ferramenta de corte da invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Abaixo estão ilustrações e explicações para uma versão de ferramenta de corte de perfuração combinado de pressão/fresamento de face e um método para usinagem de uma peça. Entretanto, nota-se que a combinação de ferramenta de corte e método de usinagem pode ser configurada para adequar a aplicação específica e não se limita somente ao e- xemplo nas ilustrações.

Referindo-se às Figuras 1 a 4, em que caracteres de referência similares represen- tam elementos similares, a furadeira orbital segmentada para desempenhar uma operação de usinagem em uma peça é geralmente mostrada em 10. Em uma modalidade, a peça 60 (Figura 3) é um material composto empilhado que tem uma camada de topo, 62 uma cama- da do meio 64 e uma camada de fundo 66. As camadas de topo e fundo 62, 66 podem com- preender, por exemplo, um metal, como titânio, e similares. A camada do meio 64 pode compreender um material diferente daquele das camadas de topo e fundo 62, 66. Por e- xemplo, a camada do meio 64 pode compreender um material plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP), e similares. Conforme usado no presente documento, "topo" refere-se ao primeiro material a ser usinado pela furadeira orbital 10, o material do meio refere-se ao segundo material a ser usinado pela furadeira orbital 10, e "fundo" refere-se ao terceiro ma- terial a ser usinado pela furadeira orbital 10 durante a operação de usinagem.

Em geral, a furadeira orbital 10 inclui um corpo principal 12 e um piloto 14 em uma extremidade 16 da furadeira orbital 10. O piloto 14 é opcional, dependendo do material com- posto empilhado a ser usinado pela furadeira orbital 10. Em um exemplo, o piloto 14 pode ser usado como uma primeira parte de corte para perfurar a camada 64 de material de CFRP caso presente na peça 60.

A furadeira orbital 10 também inclui uma parte segmentada, mostrada geralmente em 18, com uma pluralidade de partes de corte, e um corte inferior 20 entre o piloto 14 e a parte segmentada 18. A furadeira orbital 10 também inclui uma haste 22 na outra, extremi- dade oposta 24. A furadeira orbital 10 também inclui uma parte de pescoço de folga 26 entre a parte segmentada 18 e a haste 22. O propósito da parte de pescoço de folga 26 é o de permitir a folga da furadeira orbital 10 durante uma operação de usinagem. A parte de pes- coço de folga 26 também está onde os aparas são ejetados. A parte de pescoço de folga 26 é dimensionada em comprimento para ser maior do que toda a espessura da peça 60 (Figu- ra 3). A furadeira orbital 10 também inclui um eixo geométrico longitudinal, central 28 que estende todo o comprimento da furadeira orbital 10. Orifícios de resfriamento 38 (Figura 2) podem ser localizados nas proximidades do piloto 14 para auxiliar no resfriamento da fura- deira orbital 10. O piloto 14, a parte segmentada 18 e uma parte da parte de pescoço de folga 22 da furadeira orbital 10 podem incluir um ou mais sulcos (não mostrado) de um tipo bem conhecido na técnica para auxiliar na remoção de aparas. Em geral, o piloto 14 tem um diâmetro 30 que é menor do que um diâmetro geral 32

da parte segmentada 18. O diâmetro 30 do piloto 14, que é opcional, é dimensionado para perfurar o material de CFRP na peça 60, e é específico para uma aplicação em particular. Diversos parâmetros para o diâmetro 30 incluem, mas não se limitam a, tamanho de orifício final, o deslocamento orbital, o diâmetro do corpo principal 12 da furadeira 10, e a quantida- de de material composto empilhado deve permanecer no orifício a ser perfurado.

A parte de pescoço de folga 26 tem um diâmetro 34 que é ligeiramente menor do que o diâmetro geral 32 da parte segmentada 18, mas maior do que o diâmetro 30 do piloto 14. O diâmetro geral 32 da parte segmentada 18 da furadeira orbital 10 é substancialmente igual ao diâmetro final do orifício 68 (Figura 3) a ser perfurado pela furadeira orbital 10. Na modalidade ilustrada, a haste 22 tem um diâmetro 36 que é maior do que a parte de pesco- ço de folga 26 e o piloto 14, e aproximadamente igual ao diâmetro geral 32 da parte seg- mentada 18. Será entendido que a invenção não se limita pelo diâmetro específico, e que a invenção pode ser praticada com qualquer diâmetro desejado, dependendo dos parâmetros modelos da furadeira orbital 10. Referindo-se agora à Figura 2, um aspecto da invenção é que a parte segmentada

18 da furadeira orbital 10 inclui uma pluralidade de partes de corte. Especificamente, a parte segmentada 18 inclui uma parte de corte de semiacabamento 40 e uma pluralidade de par- tes de corte de acabamento 42. Na modalidade ilustrada, a parte segmentada 18 da furadei- ra orbital 10 inclui um total de três (3) partes de corte de acabamento 42. Entretanto, será entendido que a invenção não se limita ao número de partes de corte de acabamento 42, e que a invenção pode ser praticada com quaisquer números desejados de partes de corte de acabamento 42, dependendo da aplicação da furadeira orbital 10.

Conforme mencionado acima, a parte segmentada 18 tem um diâmetro geral 32. Isso o é devido ao fato de que a parte de corte de semiacabamento 40 tem um diâmetro diferente das partes de corte de acabamento 42. Especificamente, a parte de corte de semi- acabamento 40 tem um diâmetro 44 que é ligeiramente menor do que um diâmetro 46 das partes de corte de acabamento 42. Por exemplo, a parte de corte de semiacabamento 40 pode ter um diâmetro 44 de cerca de 9,9mm (0,390 polegadas) e as partes de corte de aca- bamento 42 podem ter um diâmetro 46 de cerca de 10,0mm (0,394 polegadas). O diâmetro 44 da parte de corte de semiacabamento 40 determina o tamanho das aparas para as par- tes de corte de acabamento 42.

Será entendido que a invenção não se limita aos diâmetros relativos entre a parte

de corte de semiacabamento 40 e as partes de corte de acabamento 42, e que a invenção pode ser praticada com qualquer diâmetro relativo desejado, dependendo da aplicação da furadeira orbital 10. Em adição, será entendido que a invenção não se limita a uma única parte de corte de semiacabamento 40, e que a invenção pode ser praticada com quaisquer números desejados de partes de corte de semiacabamento, dependendo da aplicação da furadeira orbital 10. Por exemplo, a invenção pode ser praticada com duas ou três partes de corte de semiacabamento em que cada parte de corte de semiacabamento tem diâmetros diferentes, o que pode ser diferente do diâmetro 46 das partes de corte de acabamento 42.

A furadeira orbital 10 inclui uma superfície afunilada 48 entre o piloto 14 e a parte segmentada 18. O propósito da superfície afunilada 48 é o de permitir que a parte segmen- tada 18 da furadeira orbital 10 entre facilmente na camada de metal 66 da peça 60 após um orifício piloto ser perfurado no material de CFRP 64 através do piloto 14. Em adição, a su- perfície afunilada 48 pode ser usada para remover quaisquer rebarbas do orifício 68 da peça 60 (Figura 3) em uma operação de interpolação helicoidal ou uma operação circular, caso necessário. Na modalidade ilustrada, a superfície afunilada 48 é formada em um ângulo 50 de aproximadamente dez (10) graus com respeito a um eixo geométrico 52 que é perpendi- cular ao eixo geométrico longitudinal 28 da furadeira orbital 10. Entretanto, será entendido que a invenção não se limita ao ângulo no qual a superfície afunilada 48 é formada, e que a invenção pode ser praticada com qualquer ângulo desejado que permita que a ferramenta de corte transite facilmente entre o piloto 14 e a parte segmentada 18 da furadeira orbital 10.

A parte de corte de acabamento 42 da parte segmentada 18 inclui uma pluralidade de segmentos ou seções 42a, 42b e 42c separadas por entalhes substancialmente em for- mato de V 54a, 54b e 54c. A furadeira orbital 10 pode incluir um raio 53 para fazer a transi- ção entre a seção 42c e a parte de pescoço de folga 26. Cada seção 42a, 42b e 42c da par- te de acabamento 42 tem aproximadamente o mesmo diâmetro 46, que é diferente do que o diâmetro 44 da parte de semiacabamento 40. O entalhe 54a separa a seção 42a da parte de corte de semiacabamento 40, o entalhe 54b separa a seção 42a da seção 42b, e o entalhe 54c separa a seção 42b da seção 42c. Cada entalhe 54a, 54b e 54c tem uma parede frontal 55, uma parede traseira 56 e um raio 57 entre os mesmos. A parede traseira 56 forma uma borda de corte para a furadeira orbital 10.

Na modalidade ilustrada, a parede frontal 55 e a parede traseira 56 formam um ân- gulo 58 de cerca de noventa (90) graus uma em relação à outra. Entretanto, a parede frontal 55 forma um ângulo 55a com respeito ao eixo geométrico 52 que é diferente do que um ân- gulo 56a formado pela parede traseira 56 com respeito ao eixo geométrico 52. Especifica- mente, o ângulo 55a formado pela parede frontal 55 com respeito ao eixo geométrico 52 é maior do que o ângulo 56a formado pela parede traseira 56 com respeito ao eixo geométrico 52. Será entendido que a invenção não se limita pelo ângulo relativo entre a parede frontal 55 e a parede traseira 56, e que a invenção pode ser praticada com qualquer ângulo dese- jado dependendo da aplicação da furadeira orbital 10.

As seções 42a, 42b e 42c da furadeira orbital segmentada 10 da invenção servem diversos propósitos diferentes. Primeiro, as seções 42a, 42b e 42c causam menos contato com a peça 60, o que reduz o consumo de energia e minimiza a deflexão da furadeira orbital 10. Segundo, os entalhes 54a, 54b e 54c entre as seções 42a, 42b e 42c permitem uma borda de corte sem uso prévio (isto é, parede traseira 56) a ser revelada conforme a furadei- ra orbital 10 é gasta na direção axial (ao longo do eixo geométrico longitudinal 28), por e- xemplo, na localização 49 da borda frontal da parte de corte de semiacabamento 40. Tercei- ro, as bordas de corte sem uso prévio são mais adequadas para a formação de aparas do que as bordas gastas conforme a furadeira orbital 10 se move na direção à frente da seta 51 (Figura 2) durante uma operação de usinagem. Quarto, Iascagem ou danos de uma borda de corte (isto é, parede traseira 56) de uma seção precedente, por exemplo, seção 42a, não afetará as outras seções (42b e 42c) devido aos entalhes 54a, 54b e 54c que separam cada seção 42a, 42b e 42c. Quinto, a vida útil da furadeira orbital 10 é aumentada visto que da- nos que podem progredir ao longo dos entalhes 54a, 54b e 54c são mais bem controlados, em comparação com furadeiras orbitais convencionais.

Referindo-se agora às Figuras 3(a) a (f), um método para usinagem de uma peça composta 60 que tem uma camada de topo metálica 62, uma camada do meio 64 de mate- rial de CFRP e uma camada de fundo metálica 66 serão agora descritos. Nas Figuras 3(a) a (f) a furadeira orbital 10 é mostrada como um sólido e a peça 60 é mostrada em seção transversal por clareza. Será entendido que a peça composta 60 que é usinada pela furadei- ra orbital 10 é para propósitos ilustrativos somente, e os princípios da invenção podem ser aplicados em peças de máquinas com uma ou mais camadas de materiais, que podem ou não ser diferentes com propriedades materiais diferentes.

A Figura 3(a) mostra uma seção transversal do movimento em órbita da ferramenta e representa uma furadeira dupla ilustrativa da extensão da órbita completa da furadeira orbital 10. As Figuras 3(b) a (g) ilustram a furadeira orbital 10 na posição totalmente à es- querda no orifício 68 a ser perfurado. Na Figura 3(b), a furadeira orbital 10 é inserida em um orifício pré-perfurado 70 e usa um ciclo de perfuração orbital (interpolação helicoidal ou cir- cular) para começar a perfurar um orifício 68 na camada de topo metálica 62 com a parte de corte de semiacabamento 40 da furadeira orbital 10. Neste ponto no ciclo de usinagem, o eixo geométrico longitudinal, central 28 da furadeira orbital 10 é movido em uma direção helicoidal ou circular em torno do eixo geométrico central 72 do orifício 68. Em outras pala- vras, o eixo geométrico longitudinal, central 28 da furadeira orbital 10 é movido em um mo- vimento helicoidal ou circular mediante uma distância total 74 em torno do eixo geométrico central 68 do orifício 68. O orifício 68 pode ser o diâmetro total apenas na entrada, ou ser completamente encerrado para o diâmetro total, ou pode ter algum estoque de acabamento no diâmetro interno (ID) do orifício 68.

Na Figura 3(c), a furadeira orbital 10 é movida na direção da seta 51 de modo que ambas a parte de corte de semiacabamento 40 e a parte de corte de acabamento 42 da par- te segmentada 18 engata a camada de metal 62, e o piloto 14 perfura um orifício 76 na ca- mada do meio 64 do material de CFRP. Nota-se que durante este ciclo, a remoção da ca- mada 64 de material de CFRP é consumada mediante o uso de apenas o piloto 14 da fura- deira orbital 10, e que a parte segmentada 18 não é usada de forma alguma. Assim, não há gasto da parte segmentada 18 da furadeira orbital 10 durante este ciclo. Na Figura 3(d), a furadeira orbital 10 tem perfuração da camada de topo 62 comple-

ta e continua a perfurar a camada do meio 64 com o uso do piloto 14. Na Figura 3(e), tanto a parte segmentada 18 quanto o piloto 14 da furadeira orbital 10 continuam a perfurar a ca- mada do meio 64 da peça 60. Nota-se que durante as operações de perfuração mostradas nas Figuras 3(d) e 3(e), o piloto 14 da furadeira orbital 10 age agora como uma "broca esca- lonada" para perfurar um orifício piloto para a parte segmentada 18 da furadeira orbital 10.

Na Figura 3(f), a parte segmentada 18 da furadeira orbital 10 perfurou quase com- pletamente através da camada do meio 64 e o piloto 14 não é mais usado.

Na Figura 3(g), a furadeira orbital 10 é movida na direção da seta para perfurar completamente através da camada de fundo 66 até que a parte segmentada 18 da furadeira orbital 10 tenha perfurado completamente através da peça 60. Conforme pode ser visto, a parte de pescoço de folga 26 fornece folga entre a furadeira orbital 10 e a peça 60. Neste ponto, a operação de perfuração orbital está encerrada.

Conforme descrito acima, a furadeira orbital segmentada 10 da invenção oferece diversas vantagens distintas em comparação com ferramentas de corte convencionais. Por exemplo, a furadeira orbital segmentada 10 permite que uma borda de corte sem uso prévio (isto é, parede traseira 56) a ser revelada como uma furadeira orbital 10 seja gasta na dire- ção axial. Em adição, a furadeira orbital segmentada 10 causa menos contato com a peça 60, o que reduz o consumo de energia e minimiza a deflexão da furadeira orbital 10. Adicio- nalmente, a vida útil da furadeira orbital 10 é aumentada visto que os danos que podem pro- gredir ao longo dos entalhes 54a, 54b e 54c são mais bem controlados, em comparação com furadeiras orbitais convencionais.

As patentes e publicações referidas aqui são incorporadas no presente documento a título de referência.

Mediante a descrição de modalidades presentemente preferenciais, a invenção po- de ser, de outro modo, incorporada dentro do escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. Furadeira orbital segmentada, que compreende: uma parte segmentada que inclui uma parte de corte de semiacabamento e uma pluralidade de partes de corte de acabamento, em que a parte de corte de semiacabamento tem um diâmetro que é diferente do que um diâmetro da pluralidade de partes de corte de acabamento; e uma parte de pescoço de folga entre a parte segmentada e uma haste.

2. Furadeira orbital segmentada, de acordo com a reivindicação 1, em que o diâme-tro da parte de corte de semiacabamento é menor do que o diâmetro da pluralidade de par- tes de corte de acabamento.

3. Furadeira orbital segmentada, de acordo com a reivindicação 1, em que a parte de corte de semiacabamento e a pluralidade de partes de corte de acabamento é separada por um entalhe substancialmente em formato de V formado por uma parede frontal, uma parede traseira e um raio entre os mesmos.

4. Furadeira orbital segmentada, de acordo com a reivindicação 3, em que a parede traseira e a parede frontal formam um ângulo em relação de uma à outra.

5. Furadeira orbital segmentada, de acordo com a reivindicação 4, em que o ângulo é de cerca de noventa graus.

6. Furadeira orbital segmentada, de acordo com a reivindicação 3, em que um ân- guio formado pela parede frontal com respeito a um eixo geométrico perpendicular a um eixo geométrico longitudinal, central, da furadeira orbital segmentada é maior do que um ângulo formado pela parede traseira com respeito ao eixo geométrico que é perpendicular ao eixo geométrico longitudinal, central.

7. Furadeira orbital segmentada, de acordo com a reivindicação 1, que compreen- de, ainda, um piloto entre a parte segmentada e uma extremidade da furadeira orbital seg- mentada.

8. Furadeira orbital segmentada, de acordo com a reivindicação 7, em que o piloto tem um diâmetro menor do que o diâmetro da parte segmentada.

9. Furadeira orbital segmentada, de acordo com a reivindicação 7, que compreen- de, ainda, um corte inferior entre o piloto e a parte segmentada.

10. Furadeira orbital segmentada, de acordo com a reivindicação 9, que compreen- de, ainda, uma superfície afunilada entre o corte inferior e a parte segmentada.

11. Método de usinagem de uma peça com o uso de uma furadeira orbital segmen- tada que compreende um piloto e parte segmentada e uma parte de pescoço de folga entre a parte segmentada e uma haste, em que o método compreende: perfurar um orifício em uma primeira camada de material com a parte segmentada da furadeira orbital segmentada; perfurar um orifício em uma segunda camada de material com o piloto enquanto perfura-se o orifício na primeira camada de material com a parte segmentada até que a par- te segmentada tenha perfurado completamente através da primeira camada de material; e perfurar um orifício em uma terceira camada de material com a parte segmentada sem o uso do piloto até que a parte segmentada tenha perfurado completamente através da terceira camada de material.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, que inclui, ainda, a etapa de remo- ver rebarbas do orifício com o uso de uma superfície afunilada com o uso de uma operação de perfuração de interpolação helicoidal ou uma operação de perfuração circular.