BR102020025949A2

BR102020025949A2 - LUBRICATION-REFRIGERATION APPARATUS WITH COMPRESSED AIR BY MICRO CHANNEL IN TEXTURIZED CUTTING TOOL

Info

Publication number: BR102020025949A2
Application number: BR102020025949-0A
Authority: BR
Inventors: Fernando Sabino Fonteque Ribeiro; José Claudio Lopes; Eduardo Carlos Bianchi; Luiz Eduardo De Angelo Sanchez
Original assignee: Universidade Estadual Paulista Julio De Mesquita Filho
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-06-28

Abstract

O presente invento, pertencente ao campo das engenharias, tem como constituinte principal a aplicação de ar comprimido refrigerado através de micro canal localizado na ferramenta de corte texturizada. Os constituintes do presente invento são ao menos uma ferramenta de corte texturizada, um porta ferramentas, tubo vórtice, compressor de ar e tubulações de ar comprimido. Extremamente danosa ao meio ambiente e aos colaboradores, bem como altamente custosa para a operação, a aplicação de fluidos de corte é tida como o principal problema na usinagem atualmente. Técnicas tradicionais de aplicação de fluido de corte proporcionam a aplicação em altos volumes de fluido buscando a redução de temperatura nas proximidades da região de contato entre cavaco e ferramenta. O presente invento abre uma nova possibilidade frente a usinagem à seco, unindo a técnica de lubri-refrigeração por ar comprimido juntamente a aplicação de ferramentas de corte texturizada, de forma que a constituinte única da presente invenção caracteriza-se na aplicação do jato de ar comprimido refrigerado na região de deformação do cavaco, gerando uma pressão contrária ao contato com a ferramenta de corte. Aliando-se aos benefícios já observados para as ferramentas de corte como redução da área de contato e redução de atrito, a aplicação de ar comprimido refrigerado em micro canal posicionado na região texturizada proporciona grande avanço para a aplicação da usinagem à seco, ampliando as possibilidades de aplicação de uma usinagem limpa.The present invention, belonging to the field of engineering, has as its main constituent the application of cooled compressed air through a micro channel located in the textured cutting tool. The constituents of the present invention are at least a textured cutting tool, tool holder, vortex tube, air compressor and compressed air lines. Extremely harmful to the environment and employees, as well as highly costly to the operation, the application of cutting fluids is considered the main problem in machining today. Traditional cutting fluid application techniques provide the application in high volumes of fluid seeking to reduce the temperature in the vicinity of the contact region between chip and tool. The present invention opens a new possibility in the face of dry machining, joining the technique of lubrication-cooling by compressed air together with the application of textured cutting tools, so that the unique constituent of the present invention is characterized in the application of the air jet. refrigerated tablet in the chip deformation region, generating a pressure against contact with the cutting tool. In addition to the benefits already observed for cutting tools, such as reduction of the contact area and reduction of friction, the application of cooled compressed air in a micro channel positioned in the textured region provides a great advance for the application of dry machining, expanding the possibilities application of clean machining.

Description

LUBRICATION-REFRIGERATION APPARATUS WITH COMPRESSED AIR BY MICRO CHANNEL IN TEXTURIZED CUTTING TOOL

[001] O presente invento, pertencente ao campo das engenharias, tem como constituinte principal a aplicação de ar comprimido refrigerado através de micro canal localizado na ferramenta de corte texturizada. Os constituintes do presente invento são ao menos uma ferramenta de corte texturizada, um porta ferramentas, tubo vórtice, compressor de ar e tubulações de ar comprimido. Extremamente danosa ao meio ambiente e aos colaboradores, bem como altamente custosa para a operação, a aplicação de fluidos de corte é tida como o principal problema na usinagem atualmente. Técnicas tradicionais de aplicação de fluido de corte proporcionam a aplicação em altos volumes de fluido buscando a redução de temperatura nas proximidades da região de contato entre cavaco e ferramenta. O presente invento abre uma nova possibilidade frente a usinagem à seco, unindo a técnica de lubri-refrigeração por ar comprimido juntamente a aplicação de ferramentas de corte texturizada, de forma que a constituinte única da presente invenção caracteriza-se na aplicação do jato de ar comprimido refrigerado na região de deformação do cavaco, gerando uma pressão contrária ao contato com a ferramenta de corte. Aliando-se aos benefícios já observados para as ferramentas de corte como redução da área de contato e redução de atrito, a aplicação de ar comprimido refrigerado em micro canal posicionado na região texturizada proporciona grande avanço para a aplicação da usinagem à seco, ampliando as possibilidades de aplicação de uma usinagem limpa.[001] The present invention, belonging to the field of engineering, has as its main constituent the application of cooled compressed air through a micro channel located in the textured cutting tool. The constituents of the present invention are at least a textured cutting tool, tool holder, vortex tube, air compressor and compressed air lines. Extremely harmful to the environment and employees, as well as highly costly to the operation, the application of cutting fluids is considered the main problem in machining today. Traditional cutting fluid application techniques provide the application in high volumes of fluid seeking to reduce the temperature in the vicinity of the contact region between chip and tool. The present invention opens a new possibility in the face of dry machining, joining the technique of lubrication-cooling by compressed air together with the application of textured cutting tools, so that the unique constituent of the present invention is characterized in the application of the air jet. refrigerated tablet in the chip deformation region, generating a pressure against contact with the cutting tool. In addition to the benefits already observed for cutting tools, such as reduction of the contact area and reduction of friction, the application of cooled compressed air in a micro channel positioned in the textured region provides a great advance for the application of dry machining, expanding the possibilities application of clean machining.

STATUS OF THE TECHNIQUE

[002] A indústria metal mecânica, no qual se refere aos setores de usinagem, faz amplo uso de fluidos de corte. Tal fluido cumpre algumas funções durante o processo de usinagem, entre elas, refrigerar a região de corte, lubrificar as superfícies em atrito, arrastar o cavaco da área de corte e proteger a ferramenta, a peça e a máquina contra corrosão e oxidação.[002] The metalworking industry, which refers to the machining sectors, makes extensive use of cutting fluids. Such fluid fulfills some functions during the machining process, among them, cooling the cutting region, lubricating the friction surfaces, dragging the chip from the cutting area and protecting the tool, the workpiece and the machine against corrosion and oxidation.

[003] A redução da temperatura durante a usinagem é uma das principais funções e a mais importante do fluido de corte. Ao remover o calor gerado durante a operação aumenta-se a vida das ferramentas de corte e garante-se a precisão dimensional das peças pela redução dos gradientes térmicos.[003] Temperature reduction during machining is one of the main and most important functions of the cutting fluid. By removing the heat generated during the operation, the life of the cutting tools is increased and the dimensional accuracy of the parts is guaranteed by reducing the thermal gradients.

[004] Apesar de a maior parte da energia produzida em forma de calor ser removida pelo cavaco, a energia acumulada na ferramenta de corte e na peça de trabalho geram distorções térmicas nas peças e alterações prejudiciais na estrutura da ferramenta, culminando no desgaste prematuro e trocas mais frequentes da ferramenta. Entretanto, as aplicações convencionais de fluido de corte fazem uso de altos volumes de fluido devido complexidade de atuação da lubrificação nas interfaces cavaco e ferramenta, em virtude das elevadas pressões de contato.[004] Although most of the energy produced in the form of heat is removed by the chip, the energy accumulated in the cutting tool and in the workpiece generates thermal distortions in the parts and harmful changes in the tool structure, culminating in premature wear and more frequent tool changes. However, conventional applications of cutting fluid make use of high volumes of fluid due to the complexity of actuation of lubrication at the chip and tool interfaces, due to the high contact pressures.

[005] A forma como o fluido penetra na região de contato cavaco-ferramenta é o ponto de pesquisas mais crescente sobre usinagem. Em meio a esta dificuldade, propõe-se a aplicação de ferramentas de corte texturizadas, que devido às suas características tribológicas permitem maior eficiência do lubrificante, proporcionando a entrada do fluido de corte na região entre o cavaco e a ferramenta, formando um filme com resistência ao cisalhamento menor que a resistência do material na interface.[005] The way the fluid penetrates the chip-tool contact region is the most growing research point on machining. In the midst of this difficulty, we propose the application of textured cutting tools, which, due to their tribological characteristics, allow greater efficiency of the lubricant, providing the entrance of the cutting fluid in the region between the chip and the tool, forming a film with resistance. to shear less than the strength of the material at the interface.

[006] A eliminação total de fluidos de corte é buscada em diversos estudos. Os benefícios encontrados nas ferramentas durante a aplicação de ferramentas de corte texturizadas ampliam-se para o corte à seco, indicando que a aplicação do corte à seco é possível. Outra possibilidade vista para a aplicação da usinagem à seco é a aplicação de jatos de ar comprimido refrigerado na interface de corte através da aplicação de tubos vórtice. Os tubos vórtice são equipamentos que proporcionam o fornecimento de ar comprimido refrigerado através de câmaras internas de diferentes geometrias, que alteram a velocidade e pressão do escoamento e culminam na redução da temperatura de ar comprimido fornecido, visto que há apenas um único jato de ar comprimido na entrada do mesmo. Apesar dos benefícios, a aplicação de ar comprimido refrigerado apresenta um problema em comum com a refrigeração convencional, visto que a aplicação de ar comprimido também não atinge a interface de contato entre o cavaco e a ferramenta.[006] The total elimination of cutting fluids is sought in several studies. The benefits found in the tools when applying textured cutting tools extend to dry cutting, indicating that dry cutting application is possible. Another possibility seen for the application of dry machining is the application of jets of cooled compressed air at the cutting interface through the application of vortex tubes. Vortex tubes are equipment that provide the supply of cooled compressed air through internal chambers of different geometries, which change the speed and pressure of the flow and culminate in the reduction of the temperature of the compressed air supplied, since there is only a single jet of compressed air. at its entrance. Despite the benefits, the application of cooled compressed air presents a problem in common with conventional cooling, since the application of compressed air also does not reach the contact interface between the chip and the tool.

[007] Tal ponto é o objetivo principal deste invento, no qual há a aplicação de ar comprimido refrigerado por tubo vórtice por intermédio de um micro canal posicionado na interface de contato entre cavaco e ferramenta, de tal modo que o posicionamento do micro canal é coincidente com a região texturizada. Deste modo, são ampliados os benefícios da usinagem a seco e da aplicação de ferramentas de corte texturizadas.[007] This point is the main objective of this invention, in which there is the application of compressed air cooled by vortex tube through a micro channel positioned at the contact interface between chip and tool, in such a way that the positioning of the micro channel is coincident with the textured region. In this way, the benefits of dry machining and the application of textured cutting tools are extended.

[008] Buscas realizadas nos principais bancos de patentes visão verificar as mais recentes patentes acerca de ferramentas de corte texturizadas e usinagem criogênica. A patente WO2016088567 descreve um método de aplicação de ar comprimido durante a usinagem por meio de um canal fixado abaixo da ferramenta de corte, divergindo do presente invento pelo fato de não apresentar ar comprimido refrigerado e ter um canal externo a ferramenta de corte. A patente JP2005329483 aponta um sistema de redução de fluido de corte, nomeando a técnica como aplicação semi-seca em ferramentas de corte convencionais, semelhante a patente JP10086036, no qual a principal divergência do presente invento é vista na aplicação de fluido de corte em baixos volumes, não proporcionando de fato a usinagem à seco. A patente JP2005186184 apresenta uma metodologia de usinagem à seco por intermédio da aplicação de um novo material de ferramenta de corte, permitindo que a ferramenta apresente maior resistência ao desgaste, diferindo do proposto por não aplicar jatos de ar comprimido por meio de micro canal interno à ferramenta. Outro invento indicado em JP2000158234 apresenta um método específico para a usinagem de engrenagens de alta precisão, mostrando-se divergente da invenção apresentada nesta patente. A análise de parâmetros de usinagem junto a amostras é indicada na patente CN104809313, que por meio destas análises indica a melhor condição de usinagem, assim divergindo do proposto pelo fato de não propiciar redução de temperatura em altas velocidades de corte.[008] Searches carried out in the main patent databases to verify the latest patents about textured cutting tools and cryogenic machining. The patent WO2016088567 describes a method of applying compressed air during machining by means of a channel fixed below the cutting tool, differing from the present invention in that it does not present cooled compressed air and has a channel external to the cutting tool. The patent JP2005329483 points out a cutting fluid reduction system, naming the technique as semi-dry application in conventional cutting tools, similar to the patent JP10086036, in which the main divergence of the present invention is seen in the application of cutting fluid at low volumes, not actually providing dry machining. The patent JP2005186184 presents a dry machining methodology through the application of a new cutting tool material, allowing the tool to present greater resistance to wear, differing from the proposal for not applying compressed air jets through an internal micro channel to the tool. Another invention indicated in JP2000158234 presents a specific method for machining high-precision gears, which is different from the invention presented in this patent. The analysis of machining parameters together with samples is indicated in patent CN104809313, which through these analyzes indicates the best machining condition, thus differing from the proposed one because it does not provide temperature reduction at high cutting speeds.

[009] Quanto às ferramentas texturizadas, podem ser citadas as patentes MX2016014284, IN201611016675, EP2580370, CN102471896, WO 2012079769, US20120144965 e WO2018000529, compreendendo aplicações tradicionais para ferramentas de corte texturizadas, não apresentando nenhuma indicação quanto a aplicação de jatos de ar comprimido refrigerado por tubos vórtice.[009] As for textured tools, patents MX2016014284, IN201611016675, EP2580370, CN102471896, WO 2012079769, US20120144965 and WO2018000529, comprising traditional applications for textured cutting tools, showing no indication as to the application of cooled jets by vortex tubes.

[010] Com vistas ao apresentado, nenhum invento apresenta a técnica de aplicação de lubri-refrigeração com ar comprimido por micro canal em ferramenta de corte texturizada. Assim, o invento apresentado apresenta caráter inovador frente ao estado da técnica atual.[010] With a view to the above, no invention presents the technique of applying lubrication-cooling with compressed air by micro channel in a textured cutting tool. Thus, the invention presented has an innovative character compared to the current state of the art.

ADVANTAGES OF THE INVENTION

[011] O invento proposto vem demonstrar diversas utilidades e importantes aplicações aos usuários, das quais fazem as seguintes citações:[011] The proposed invention demonstrates several utilities and important applications to users, of which the following quotes are made:

[012] Permite a usinagem totalmente à seco, eliminando o fluido de corte e proporcionando uma usinagem sem resíduos tóxicos;[012] Allows totally dry machining, eliminating cutting fluid and providing toxic residue-free machining;

[013] Proporciona a redução da temperatura na interface de contato, visto que a aplicação do ar comprimido refrigerado é realizada preferencialmente em temperaturas abaixo de 0°C;[013] Provides a reduction in the temperature at the contact interface, since the application of cooled compressed air is preferably carried out at temperatures below 0°C;

[014] O jato de ar provém de um micro canal na interface de contato, juntamente a região texturizada da ferramenta de corte;[014] The air jet comes from a micro channel in the contact interface, together with the textured region of the cutting tool;

[015] Auxilia na quebra do cavaco, dado pelo rápido resfriamento do mesmo e pela pressão de aplicação do jato de ar comprimido;[015] It helps in breaking the chip, given by the rapid cooling of the same and by the pressure of application of the compressed air jet;

[016] Além da refrigeração, proporciona lubrificação por meio de uma fina camada de óxido na interface de contato;[016] In addition to cooling, it provides lubrication through a thin layer of oxide at the contact interface;

[017] Auxilia na redução das forças, visto que a pressão contrária ao fluxo do cavaco reduz a área de contato e consequentemente o atrito durante o escoamento do cavaco;[017] It helps to reduce forces, since the pressure against the chip flow reduces the contact area and consequently the friction during chip evacuation;

[018] Reduz passivos ambientais e trabalhistas, garantindo menor custo de produção e melhor qualidade de vida ao colaborador.[018] Reduces environmental and labor liabilities, ensuring lower production costs and better quality of life for the employee.

[019] Aumenta a vida da ferramenta de corte frente à aplicações à seco sem a presente técnica[019] Increases the life of the cutting tool compared to dry applications without the present technique

[020] Permite avanços e maiores pesquisas frente a usinagem à seco em diversas condições de usinagem e materiais de trabalho.[020] Allows advances and further research on dry machining in various machining conditions and work materials.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[021] De modo a ter uma melhor visualização das características da invenção, são apresentadas as descrições das Figuras:[021] In order to have a better view of the characteristics of the invention, the descriptions of the Figures are presented:

[022] A Figura de 1 apresenta em vista isométrica a ferramenta de corte (1), sua região texturizada (2) e o micro canal (3). Verifica-se que o posicionamento do micro canal coincide com a região texturizada, proporcionando a aplicação de jato de ar na interface de contato.[022] Figure 1 presents in isometric view the cutting tool (1), its textured region (2) and the micro channel (3). It is verified that the positioning of the micro channel coincides with the textured region, providing the application of an air jet at the contact interface.

[023] Na Figura 2, estão indicadas a ferramenta de corte (1), o porta ferramentas (4), o tubo vórtice (5), o compressor de ar (6), a tubulação de ar comprimido (7) e a tubulação de ar comprimido refrigerado (8).[023] In Figure 2, the cutting tool (1), the tool holder (4), the vortex tube (5), the air compressor (6), the compressed air pipe (7) and the of cooled compressed air (8).

[024] Provindo de (6), o ar comprimido segue por (7) até (5) onde por diferença de pressão, há separação do fluxo de ar comprimido em um fluxo quente expelido ao ambiente e um fluxo refrigerado, este seguido por (8), passando por (4) até atingir a região (2) através de (3) contido em (1).[024] Coming from (6), the compressed air goes through (7) to (5) where by pressure difference, there is separation of the compressed air flow into a hot flow expelled to the environment and a cooled flow, this followed by ( 8), passing through (4) until reaching the region (2) through (3) contained in (1).

[025] A Figura 3 apresenta os valores médios dos esforços obtidos experimentalmente durante os ensaios.[025] Figure 3 shows the average values of the efforts obtained experimentally during the tests.

[026] A Figura 4 apresenta o desgaste médio de flanco para as duas condições avaliadas no estudo.[026] Figure 4 shows the average flank wear for the two conditions evaluated in the study.

[027] A disposição dos equipamentos e componentes, bem como a geometria dos sistemas e itens apresentados são representativas. O uso de equipamentos divergentes dos apresentados mas que objetivem o mesmo fim já é defendido pela presente patente.[027] The arrangement of equipment and components, as well as the geometry of the systems and items presented are representative. The use of equipment that differs from those presented but which aims at the same purpose is already defended by this patent.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[028] Durante a usinagem, a remoção do material em forma de cavaco dá-se pelo recalque do material sobre a ferramenta de corte, seguida pela deformação plástica, ruptura e escoamento do material sobre a superfície de saída.[028] During machining, the removal of the material in the form of a chip occurs by the settlement of the material on the cutting tool, followed by the plastic deformation, rupture and flow of the material on the exit surface.

[029] A geração de calor durante a usinagem ocorre em três regiões, sendo a região de deformação primária, com maior parcela do calor gerado, localizando-se região de deformação do cavaco; região secundária, localizada sobre a superfície de saída, onde há atrito entre o cavaco e a ferramenta; e na região ternária, localizada no flanco da ferramenta de corte, onde também há atrito entre a ferramenta e o material recém usinado.[029] The heat generation during machining occurs in three regions, being the primary deformation region, with the largest portion of the generated heat, located in the chip deformation region; secondary region, located on the rake surface, where there is friction between the chip and the tool; and in the ternary region, located on the flank of the cutting tool, where there is also friction between the tool and the newly machined material.

[030] A região texturizada da ferramenta de corte encontra-se sob a região de deformação secundária do cavaco, juntamente ao micro canal de fornecimento de ar comprimido refrigerado. A presença da região texturizada por si só garante uma redução da área de contato entre cavaco e ferramenta de corte, garantindo menor condução térmica do cavaco aquecido para a ferramenta, bem como auxiliando na redução do coeficiente de atrito devido as suas propriedades tribológicas.[030] The textured region of the cutting tool is located under the secondary deformation region of the chip, along with the micro channel for supplying cooled compressed air. The presence of the textured region by itself guarantees a reduction in the contact area between the chip and the cutting tool, ensuring less thermal conduction of the heated chip to the tool, as well as helping to reduce the coefficient of friction due to its tribological properties.

[031] Em meio a esta região, é aplicado um jato de ar comprimido em pressão e vazão adequada aos parâmetros de usinagem, preferencialmente em temperaturas abaixo de 0°C, originando uma pressão contrária a pressão de deformação do cavaco sobre a superfície de saída. A refrigeração do ar comprimido é obtida preferencialmente pela utilização de tubos vórtice.[031] In the middle of this region, a jet of compressed air is applied at a pressure and flow rate suitable for the machining parameters, preferably at temperatures below 0°C, giving rise to a pressure contrary to the deformation pressure of the chip on the rake surface . Compressed air cooling is preferably obtained by using vortex tubes.

[032] O rápido resfriamento do cavaco gera instantâneo aumento de dureza, e devido à pressão contrária a sua deformação, há maior facilidade em quebra do mesmo.[032] The rapid cooling of the chip generates an instant increase in hardness, and due to the pressure against its deformation, it is easier to break it.

[033] A redução de temperatura estende-se a ferramenta de corte, na qual o fluxo de ar comprimido no interior da mesma garante temperaturas menores de usinagem, reduzindo a adesão de material em sua superfície, a difusão e a perda de dureza devido ao aumento de temperatura, culminando assim em aumento de vida para a mesma.[033] The temperature reduction extends to the cutting tool, in which the flow of compressed air inside it guarantees lower machining temperatures, reducing material adhesion on its surface, diffusion and loss of hardness due to the temperature increase, thus culminating in an increase in life for the same.

[034] Além disso, a aplicação de ar comprimido na interface de contato pode diminuir o atrito através dos óxidos superficiais formados no cavaco e na ferramenta de corte. A baixa resistência mecânica dos óxidos permite a redução do atrito durante a usinagem.[034] In addition, the application of compressed air at the contact interface can reduce friction through surface oxides formed in the chip and in the cutting tool. The low mechanical strength of the oxides allows the reduction of friction during machining.

[035] Melhor quebra do cavaco juntamente a menores temperaturas na ferramenta de corte proporcionam uma aresta de corte com integridade prolongada, garantindo melhor qualidade superficial para a peça de trabalho.[035] Better chip breaking together with lower temperatures in the cutting tool provide a cutting edge with prolonged integrity, ensuring better surface quality for the workpiece.

[036] Ensaios controlados em laboratório foram realizados buscando verificar a funcionalidade do presente invento. Abaixo, estão descritos os procedimentos e os resultados encontrados durante as análises. Procedimento para análise de forças, coeficiente de atrito e vida de ferramenta[036] Controlled laboratory tests were performed seeking to verify the functionality of the present invention. Below, the procedures and results found during the analyses are described. Procedure for analysis of forces, coefficient of friction and tool life

[037] Os ensaios foram realizados em um torno CNC da marca ROMI, modelo Centur 30D, no qual foi montado um dinamômetro de três coordenadas da marca Kistler, modelo 9257BA. Os sinais do dinamômetro são enviados até a unidade de controle 5233 A1, no qual os sinais foram configurados em Fx, Fy e Fz conforme os esforços atingidos durante a usinagem. As saídas coaxiais da unidade de controle do dinamômetro foram conectadas a um módulo de aquisição de dados analógicos da National Instrument modelo NI-9207, conectado ao chassi de ethernet cDaq-9188, também da National Instrument e lidos em um computador com software de análise Labview® a uma frequência de aquisição de 200 Hz.[037] The tests were carried out on a ROMI CNC lathe, model Centur 30D, on which a three-coordinate Kistler dynamometer, model 9257BA, was mounted. The dynamometer signals are sent to the 5233 A1 control unit, in which the signals have been configured in Fx, Fy and Fz according to the efforts reached during machining. The coaxial outputs of the dynamometer control unit were connected to a National Instrument model NI-9207 analog data acquisition module, connected to the National Instrument cDaq-9188 Ethernet chassis, also from National Instrument, and read on a computer with Labview analysis software. ® at an acquisition frequency of 200 Hz.

[038] As forças de corte foram tomadas em cada ensaio e foram representadas através de seus valores médios para cada passe até o fim da vida das ferramentas. Os valores das forças de corte mensuradas durante os ensaios foram aplicados para a quantificação do coeficiente de atrito entre cavaco e ferramenta, conforme proposto nas Equações 1, 2 e 3:
Fat= (Fxy + Fztana)cosa (1)
Fn = (Fz — Fxy tan a) cos a (2)

no qual, Fat é a força de atrito, FN é a força na direção normal à superfície de saída e Fxy = Fx/sen(90 - θ), α é o ângulo de saída e θ é o ângulo de posicionamento da ferramenta ou ângulo lateral da aresta de corte. O ângulo lateral da aresta de corte é definido como o ângulo entre a aresta de corte e a superfície lateral do porta ferramentas. Na dada situação o, o conjunto entre ferramenta de corte e porta ferramentas apresenta θ = 1° e α = 6°. Tal relação apresenta o valor do coeficiente global de atrito, não podendo indicar apenas o atrito em determinada região, que como já apresentado, pode ter origem na superfície de flanco, ponta ou superfície de saída da ferramenta de corte.[038] The cutting forces were taken in each test and were represented through their average values for each pass until the end of the tool life. The values of the cutting forces measured during the tests were applied to quantify the friction coefficient between chip and tool, as proposed in Equations 1, 2 and 3:
Fat= (Fxy + Fztana)cosa (1)
Fn = (Fz — Fxy tan a) cos a (2)

where, Fat is the friction force, FN is the force in the direction normal to the rake surface, and Fxy = Fx/sin(90 - θ), α is the rake angle, and θ is the tool positioning angle or angle side of the cutting edge. The cutting edge side angle is defined as the angle between the cutting edge and the side surface of the tool holder. In the given situation o, the set between cutting tool and tool holder presents θ = 1° and α = 6°. This relationship presents the value of the global coefficient of friction, and cannot indicate only the friction in a certain region, which, as already presented, can originate from the flank surface, tip or exit surface of the cutting tool.

[039] A norma ISO 3685 estabelece que um dos critérios para o final de vida da ferramenta de corte é o desgaste de flanco médio de 0,3 mm (VBB). Durante os ensaios, o desgaste foi medido até alcançar o valor limite de 0,3, ou a operação interrompida caso ocorresse algum falha catastrófica na ferramenta. A medição foi realizada através de dados obtidos por imagens realizadas em microscópio ótico (Nikkon SMZ 800) acoplado a uma câmera digital.[039] The ISO 3685 standard establishes that one of the criteria for the end of life of the cutting tool is the average flank wear of 0.3 mm (VBB). During the tests, the wear was measured until it reached the limit value of 0.3, or the operation was interrupted if a catastrophic failure occurred in the tool. The measurement was performed through data obtained from images taken with an optical microscope (Nikkon SMZ 800) coupled to a digital camera.

[040] Os resultados avaliados foram comparados em função da aplicação de torneamento com lubrirefrigeração convencional e o presente invento. Os parâmetros de corte aplicados foram fixados em velocidade de corte de 100 m/min, avanço de 0,2 mm/rev e profundidade de corte de 1mm. A seguir, apresentamos os resultados em termos de vida de ferramenta e forças de corte.[040] The evaluated results were compared depending on the application of turning with conventional lubrication and cooling and the present invention. The cutting parameters applied were set at a cutting speed of 100 m/min, feed of 0.2 mm/rev and cutting depth of 1 mm. Next, we present the results in terms of tool life and cutting forces.

Results about cutting force and friction

[041] A aplicação de ar comprimido como proposta neste invento afetou significativamente as condições de usinagem principalmente pela redução na temperatura e alteração na formação do cavaco. Na Figura 3 estão contidos os esforços de corte médios obtidos experimentalmente para a condição convencional e a apresentada neste invento Como visto, reduções significativas nas três componentes de esforços foram atingidas. Com a contra pressão formada ao cavaco juntamente a baixa temperatura pela qual o jato de ar comprimido foi aplicado, o cavaco alterou sua forma de contínuo para espiral. A presença de um cavaco contínuo gera maior área de contato e dificuldades para a usinagem, podendo gerar acidentes e danos ao processo. No uso de jatos de ar comprimido provindo de micro canais na região texturizada da ferramenta de corte, o cavaco foi rapidamente resfriado, alterando sua forma e por consequência reduzindo o contato e forças de corte.[041] The application of compressed air as proposed in this invention significantly affected the machining conditions mainly by reducing the temperature and changing the chip formation. Figure 3 shows the average shear forces obtained experimentally for the conventional condition and the one presented in this invention. As seen, significant reductions in the three components of forces were achieved. With the back pressure formed to the chip along with the low temperature at which the compressed air jet was applied, the chip changed its shape from continuous to spiral. The presence of a continuous chip generates a larger contact area and difficulties for machining, which can lead to accidents and damage to the process. Using compressed air jets from micro channels in the textured region of the cutting tool, the chip was quickly cooled, changing its shape and consequently reducing contact and cutting forces.

Results of cutting tool life analysis.

[042] A Figura 4 apresenta o perfil de desgaste para as condições convencionais e a aplicada no presente invento. A ferramenta convencional atingiu seu final de vida ao remover aproximadamente 150 cm3 de material, enquanto a ferramenta de corte texturizada dotada do presente invento removeu aproximadamente 220 cm3 de material, apresentando um aumento de aproximado de 46% no volume de material removido. A melhor condição de formação de cavaco que resultou em reduções nas forças de corte auxiliou na redução do desgaste da ferramenta de corte. Em primeiro lugar, uma menor região de contato entre cavaco e ferramenta permite que apenas uma menor parcela da temperatura do cavaco seja transferida por condução para a ferramenta de corte. Em segundo lugar, o fluxo de ar frio presente em um micro canal na região de corte texturizada pode remover e refrigerar rapidamente a ferramenta de corte. Tais pontos reduzem o desgaste por excesso de temperatura, como a adesão e a perda da dureza da ferramenta de corte por meio do aumento da temperatura.[042] Figure 4 shows the wear profile for the conventional conditions and the one applied in the present invention. The conventional tool reached its end of life by removing approximately 150 cm3 of material, while the textured cutting tool provided with the present invention removed approximately 220 cm3 of material, showing an increase of approximately 46% in the volume of material removed. The improved chip formation condition that resulted in reductions in cutting forces helped to reduce cutting tool wear. First, a smaller contact region between chip and tool allows only a smaller portion of the chip temperature to be transferred by conduction to the cutting tool. Second, the flow of cold air present in a micro channel in the textured cutting region can quickly remove and cool the cutting tool. Such points reduce over-temperature wear, such as adhesion and loss of hardness of the cutting tool through increased temperature.

[043] Deste modo, a aplicação do presente invento pode presente invento pode promover uma condição viável para o corte a seco, sem a presença de fluidos líquidos de usinagem. No entanto, é de conhecimento que o ar atmosférico, como o aplicado de forma comprimida, apresenta alto volume de nitrogênio. O nitrogênio, por sua vez, é altamente eficaz em termos de redução de atrito, sendo o mesmo utilizado como aditivo em fuidos de corte. Desta forma, justifica-se a aplicação de ar comprimido puro na interface de corte.[043] In this way, the application of the present invention can promote a viable condition for dry cutting, without the presence of liquid machining fluids. However, it is known that atmospheric air, such as compressed air, has a high volume of nitrogen. Nitrogen, in turn, is highly effective in terms of friction reduction, being used as an additive in cutting fluids. In this way, the application of pure compressed air at the cutting interface is justified.

[044] Aponta-se a região texturizada pode se apresentar em micro/nano furos, micro/nano ranhuras, ou qualquer micro/nano geometria que promova melhor interação tribológica entre cavaco e ferramenta de corte, assim como podem ser aplicados diversos materiais e geometrias de ferramentas de corte e porta ferramentas.[044] The textured region can be presented in micro/nano holes, micro/nano grooves, or any micro/nano geometry that promotes better tribological interaction between chip and cutting tool, as well as different materials and geometries can be applied of cutting tools and tool holders.

[045] A promoção da usinagem à seco vista nesta invento é ponto de fundamental caráter inovador, visto que garante uma aplicação viável entre ferramenta de corte texturizada e lubri-refrigeração por ar refrigerado por meio de um micro canal interno a ferramenta de corte.[045] The promotion of dry machining seen in this invention is a point of fundamental innovative character, since it guarantees a viable application between textured cutting tool and air-cooled lubrication through a micro channel internal to the cutting tool.

Claims

MICRO CHANNEL COMPRESSED AIR LUBRICATION APPARATUS IN TEXTURED CUTTING TOOL, characterized by having at least one cutting tool (1) with textured region (2) and at least one micro channel (3) internal to the cutting tool, together with a tool holder (4), vortex tube (5), air compressor (6), compressed air pipe (7) and the refrigerated compressed air pipe (8), in which the compressed air is generated in (6) ), where it goes through (7) to (5) where by pressure difference it is cooled, and goes through (8), passing through (4) and being expelled in (2) through (3) contained in (1).

APPARATUS, according to claim 1, characterized in that (8) it is made of insulating material.

APPARATUS, according to claims 1 and 2, characterized in that the type and production capacity of compressed air (6) is compatible with the pressure and flow required for the machining process, and may be (6) of the alternative type with pistons , membranes, screw, lobes, or any type compatible with the process.

USE OF THE APPARATUS, as defined in claims 1 to 3, characterized in that as a lubrication-cooling system with compressed air by micro channel in a textured cutting tool, the application of a jet of cooled compressed air under the chip by means of a micro channel contained in the cutting tool in the textured contact region.