BRPI0620677A2

BRPI0620677A2 - método para cortar um objeto a usinar, método para cortar um produto de madeira ou compósito de madeira

Info

Publication number: BRPI0620677A2
Application number: BRPI0620677-8A
Authority: BR
Inventors: Cornelius Johannes Pretorius; Peter Michael Harden; Tom Patrick Howard
Original assignee: Element Six Production Pty Ltd
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2011-11-22
Also published as: JP2009518193A; US20090148249A1; EP1960140A2; AU2006325088A1; WO2007069025A3; KR20080094664A; EP1960568A1; CA2633919A1; CN101336311A; US20090126541A1; KR20140002809A; WO2007069025A2; US20140251100A1; WO2007069029A1; KR20080087813A; WO2007069030A1; CN101336145A

Abstract

MéTODO PARA CORTAR UM OBJETO A USINAR, MéTODO PARA CORTAR UM PRODUTO DE MADEIRA OU COMPóSITO DE MADEIRA. Um componente de ferramenta de corte o qual tem uma camada ultrafina de material ultraduro ligada a um substrato de carboneto cimentado. A camada ultrafina de material ultraduro tem uma espessura nào maior que 0,2 mm. Esta ferramenta de corte é usada para cortar objetos a usinar sob condições de corte interrupto e de desbaste. Onde o objeto a usinar é um produto de madeira ou compósito de madeira, a invenção se estende para cortar tais objetos a usinar em geral. O material ultraduro é preferivelmente PCD ou PCBN.

Description

"MÉTODO PARA CORTAR UM OBJETO A USINAR, MÉTODO PARA CORTAR UM PRODUTO DE MADEIRA OU COMPÔSITO DE MADEIRA" Campo da invenção

Esta invenção refere-se a um método de corte e a um componente de ferramenta de corte ultraduro para uso em tal método.

Elementos de corte abrasivos ultraduros ou componentes de ferramenta utilizando estruturas compactas de diamante, também conhecidas como PCD, e estruturas compactas de nitreto de boro cúbico, também conhecidas como PCBN, são extensivamente utilizados em processos de perfuração, fresagem, corte e outras tais aplicações abrasivas. 0 elemento ou componente de ferramenta compreenderá geralmente uma camada de PCD ou PCBN ligada a um suporte, geralmente um suporte cimentado de.· carboneto. A camada de PCD ou PCBN pode apresentar uma aresta ou ponto de corte afiado ou uma superfície de corte ou abrasiva. Estruturas compactas abrasivas de diamante compreendem uma massa de partículas de diamante contendo uma quantidade substancial de ligações diretas diamante- diamante. Diamante poli-cristalino terá tipicamente uma segunda fase contendo um catalisador/solvente de diamante tal como cobalto, níquel, ferro ou uma liga contendo um ou mais de tais metais. Estruturas compactas cBN conterão geralmente também uma fase de ligação que é tipicamente um catalisador cBN ou contém catalisador semelhante. Exemplos de ligações de fases apropriadas são: alumínio, metais alcalinos, , cobalto, níquel, tungstênio e semelhantes.

Elementos de corte de diamante policristalino (PCD) são amplamente usados para a usinagem ce uma gama de metais e ligas assim como de materiais c.ompósitos de madeira altamente abrasivos. A indústria automotiva, a de aviação e a de marcenaria particularmente usam PCD para se beneficiar dos al~os níveis de pro lutividade, precisão e consistência que ^le prove. Ligas Ie alumínio, bimetais, ligas de cobre, plásticos de grafite reforçado e compósitos de matriz metálica são materiais típicos, maquinados com PCD na indústria metal mecânica. Placas de assoalhamento laminadas, placas de cimento, compensados, placas de partículas e madeira compensada são exemplos de produtos de madeira nesta classe. PCD é usado também em insertos para corpos perfuradores na indústria de perfuração de petróleo.

A falha de uma ferramenta devido ao desgaste progressivo é caracterizada pelo desenvolvimento de escoriações de desgaste em suas superfícies de operação. Áreas típicas em um inserto de ferramenta de corte onde se desenvolvem escoriações de desgaste incluem a face de inclinação, a face de flanco e a aresta delimitadora, e os aspectos do desgaste incluem o desgaste do flanco, o desgaste da cratera, desgaste do chanfro DOC, e o desgaste do chanfro da aresta delimitadora.

Para descrever numericamente o desgaste ocorrendo nas superfícies da ferramenta de corte, é usado um número de parâmetros. A marca de desgaste do flanco é a característica de desgaste de ferramenta mais importante. Em muitos casos, a marca de desgaste do flanco tem uma largura especialmente uniforme ao longo da porção média da parte reta da aresta de corte principal. A largura da marca de desgaste do flanco (VBBmax) é uma medida do desgaste de ferramenta apropriada e um valor pré-

determinado de VBBmax é considerado como um bom critério da vida útil da ferramenta [INTERNATIONAL STANDARD (ISO) 3685, 1993, Teste de vida útil de ferramenta com ferramentas de torneamento de um único ponto]. As forças de corte e as temperaturas tendem a aumentar quando aumenta VBsmax. Existe também uma tendência maior para a ocorrência de vibração e há uma redução na qualidade da superfície no material do objeto a usinar. Em aplicações de acabamento onde são usadas normalmente ferramentas de 35 corte de PCD e PCBN, o critério de desgaste do flanco é: VBBmax = 0.2-0.3mm. Em aplicação de desbaste, onde somente é usado normalmente carboneto, o critério de desgaste do flanço é 0.6mm e mais alto.

A fim de limitar o desgaste à camada de PCD e PCBN, todas as ferramentas atuais disponíveis comercialmente têm PCD/PCBN sinterizado (camadas duras) com espessura acima de 0.2mm. Estas grossas camadas duras, especialmente no caso de PCD, fazem com que elas sejam extremamente difíceis e caras de processar. Processos típicos usados para fabricar ferramentas de corte são: processos de usinagem por eletro-erosão (w-EDM), esmerilhação por descarga elétrica (EDG), esmerilhação mecânica, corte, lapidação e polimento a laser. Ferramentas de corte compreendendo PCBN, cerâmicas, cermets e carbonetos, normalmente, são mecanicamente esmerilhadas, com base na especificação final ISO 1832, enquanto ferramentas de corte compreendendo PCD são acabadas com processos EDG ou w-EDM.

Onde elementos PCD são mecanicamente esmerilhados, o custo da operação de esmerilhação pode ser até 80% do custo do elemento. Isto porque o PCD é muito mais duro e, portanto, mais difícil de esmerilhar que o carboneto. Tampouco é possível esmerilhar PCD nas mesmas máquinas esmerilhadoras que são usadas para esmerilhar PCBN, carboneto, ceramais (cermets) ou cerâmicas contendo componentes. PCD requer máquinas muito mais rígidas e somente uma aresta pode ser esmerilhada de uma vez, quando comparado com PCBN, cerâmica e carboneto, onde se pode esmerilhar 4 arestas de uma vez.

O custo mais alto de processamento junto com a inabilidade de esmerilhar PCD nas máquinas existentes para esmerilhar carbonetos, tem sido um dos maiores obstáculos restringindo a penetração do PCD nas aplicações tradicionais de carboneto. Usuários finais geralmente especificam um critério mínimo de vida útil de ferramenta (geralmente um turno) junto com certo tempo de ciclo, o qual depende da velocidade total da linha de produção. Como carboneto pode ser usado a baixas velocidades de corte, ferramenta para carboneto normalmente consiste de insertos múltiplos. 0 uso de múltiplos insertos permite manter a mesma alimentação por dente ou carga de cavaco, enquanto aumenta a velocidade necessária para produção. PCD e PCBN, entretanto, podem ser usados em velocidades de corte muito mais altas fazendo possível ou usar poucos insertos no corpo da ferramenta ou alcançar uma vida útil de ferramenta muito mais longa. Como os custos de ferramentas de carboneto são somente em torno de 10% os do PCD, a vida útil da ferramenta em PCD precisa ser 10 vezes mais longa que a do carboneto a fim de justificar o uso de PCD. Isto tem levado ao uso de ferramentas de PCD somente para aplicações muito severas e abrasivas assim como para aplicações de altos volumes onde ferramentas de carboneto são incapazes de atender o critério mínimo de vida útil de ferramenta.

Além disso, a baixa resistência ao cavaco do PCD comparada ao carboneto tem restrito seu uso ainda mais para somente aplicações de acabamento. Em aplicações de desbaste e interruptas (alta taxa de alimentação e profundidade de corte), onde a carga na aresta de corte é muito mais alta, o PCD pode quebrar facilmente causando que a ferramenta falhe prematuramente. Carboneto, por outro lado, desgasta mais rápido que o PCD, porém é mais resistente ao cavaco. Ao contrário de operações de acabamento, a tolerância dimensional não é crítica em operação de desbaste (VBBmax > 0.6 mm) o que significa que o desgaste da ferramenta não é tão crítico.

Entretanto, a resistência ao cavaco é importante em operações de desbaste e pode causar a falha prematura da ferramenta. Ainda, em aplicações menos severas, como MDF, ligas com baixo SiAl, compensado, etc. o desgaste não é geralmente um problema e o carboneto é preferido por razões econômicas.

Para que PCD e PCBN sejam considerados para aplicações típicas de carboneto, o processo tem que ser mais fácil e barato e ter uma alta resistência ao cavaco, enquanto ainda superando ao carboneto em termos de resistência ao desgaste.

Outra desvantagem das ferramentas de corte de PCD disponíveis atualmente é que não são desenhadas para maquinar materiais ferrosos. Quando se maquina ferro fundido, por exemplo, as forças de corte e assim a temperatura de corte na aresta de corte são muito maiores se comparadas com o maquinado de materiais não ferrosos.

Como o PCD começa a grafitizar aproximadamente a 700°C, seu uso se limita a baixas velocidades de corte quando usado para usinar materiais ferrosos, sendo não econômico em certas aplicações em comparação com ferramentas de carboneto.

A patente U.S. número 3,745,623 descreve um método para fazer uma componente de ferramenta compreendendo uma camada de PCD ligada a um substrato de carboneto cimentado. A espessura da camada de PCD pode ser de 0,75 mm até 0,012 mm. A componente de ferramenta é destinada a

prover uma forma menos cara de ferramenta de corte de diamante, para ser usada na usinagem de metais, plásticos, compósitos de grafite e cerâmicas onde é usado normalmente o diamante sintético ou natural mais caro.

A patente U.S. número 5,697,994 descreve uma ferramenta de corte para aplicações de marcenaria compreendendo uma camada de PCD sobre um substrato de carboneto cimentado. O PCD é geralmente provido com um material ligante adjuvante resistente a corrosão ou resistente a oxidação na fase de ligação. Um exemplo é provido onde a camada de PCD é de uma espessura de 0,3 mm.

A EP 1 053 984 descreve uma ferramenta de corte de estrutura compacta de diamante sinterizado ligada a um substrato de carboneto cimentado no qual a espessura da camada de diamante satisfaz uma relação particular com o substrato de carboneto. Camadas de estruturas compactas de diamante variando na espessura de 0,05 mm a 0,45 mm são divulgadas. Geralmente, os substratos de carboneto são finos, particularmente quando as camadas de diamante finas são usadas porque a espessura do substrato precisa ser combinada àquela do PCD.

Sumário da invenção

De acordo com a presente invenção, um método para corte de um objeto a usinar inclui as etapas de prover um componente de ferramenta o qual compreende um corpo compreendendo um substrato de carboneto cimentado e tendo pelo menos uma superfície de trabalho, a pelo menos uma superfície de trabalho apresentando uma aresta de corte ou área para o corpo, caracterizada pelo fato da pelo menos uma superfície de trabalho compreender material abrasivo ultraduro adjacente à aresta de corte ou área e se estendendo a uma profundidade não maior que 0,2 mm a partir da pelo menos uma superfície de trabalho e sendo que o substrato tem uma espessura de 1,0 até 40 mm, e efetuando um corte no objeto a usinar sob condições de usinagem interrupta e/ou de desbaste.

Em uma concretização preferida da invenção, o corpo do componente da ferramenta de corte compreende um substrato de carboneto cimentado e uma camada ultrafina de material ultraduro ligado a uma superfície principal do substrato, a camada ultrafina de material ultraduro tendo uma espessura entre 1,0 e 40 mm, a camada ultrafina definindo uma superfície de trabalho.

A invenção usa um componente de ferramenta de corte com uma camada ultrafina, ou seja, não maior que 0,2 mm em espessura ou profundidade, de material ultraduro para prover uma aresta de corte. Essa camada de material ultrafino é ligada a um substrato de carboneto cimentado.

0 componente de ferramenta é usado no corte de objetos a usinar sob condições de usinagem interrupta ou de desbaste. Essas são condições severas envolvendo cargas significativas sobre a aresta de corte e são bem conhecidas da técnica. É comum que materiais baratos tais como componentes de ferramenta de carboneto cimentado sejam usados em tais aplicações de corte. Componentes de ferramenta de material ultraduro são usados geralmente somente para aplicações de acabamento onde um acabamento fino é requerido e o custo do uso de material ultraduro pode ser justificado. A camada ultrafina de material ultraduro permite que o componente de ferramenta desta invenção seja manufaturado a um custo competitivo com componentes de ferramenta de carboneto cimentado, e oferece outras vantagens, tal como uma habilidade de auto-afiação, como é descrito posteriormente.

Geralmente, os objetos a usinar serão metais tais como metais ferrosos ou ligas ou metais duros ou ligas tais como as ligas de silício/alumínio, cerâmicas, compósitos, produtos de madeira ou compósitos de madeira.

A invenção se estende ao corte de um produto de madeira ou compósito de madeira, particularmente fresagem, serração ou torneamento usando um componente de ferramenta como descrito acima. A ação de corte pode ser contínua, por exemplo, torneamento, ou interrupta, por exemplo, fresagem ou serração.

Em uma concretização alternativa do componente de ferramenta, uma ou mais camadas intermediárias de um material mais brando que o material ultraduro é/são localizadas entre o substrato de carboneto cimentado e o material ultrafino. A camada ou as camadas intermediária(s) são preferivelmente baseadas sobre um material cerâmico ou metálico ou ultraduro que é mais brando que o material ultraduro.

Um aspecto importante da invenção é que o corte é realizado por ambos, o PCD e o substrato. Assim, as propriedades do substrato podem ser manipuladas e adaptadas para melhor processar o objeto a usinar e as condições de corte para uma aplicação particular.

Em outra concretização alternativa do componente de ferramenta de corte, o corpo compreende um substrato de carboneto cimentado tendo uma superfície de trabalho apresentando uma aresta ou área de corte para o componente de ferramenta e tendo uma pluralidade de ranhuras ou rebaixos se estendendo para o substrato a partir da superfície de trabalho, e uma pluralidade de tiras ou pedaços de material ultraduro localizado nas respectivas ranhuras ou rebaixos, o arranjo sendo tal que o material ultraduro se estende a uma profundidade não maior que 0,2 mm a partir da superfície de trabalho e forma uma parte da aresta ou área de corte do componente de ferramenta.

As tiras ou pedaços podem ser feitos todos de um material ultraduro tendo essencialmente as mesmas propriedades. Alternativamente, a propriedade do material ultraduro de algum dos pedaços ou tiras pode ser diferente da dos outros pedaços ou tiras.

A espessura da camada ultradura ou insertos é preferivelmente de 0,001 até 015 mm.

A espessura do substrato é de 1,0 mm até 40 mm. O material ultraduro é preferivelmente PCD ou PCDN, opcionalmente contendo uma segunda fase compreendendo um metal ou um composto metálico selecionado do grupo compreendendo alumínio, cobalto, ferro, níquel, platino, titânio, cromo, tântalo, cobre, tungstênio ou uma liga ou mistura dos mesmos. Breve descrição das figuras

A invenção será descrita agora com mais detalhes, somente a modo de exemplo, com referência às figuras que acompanham, nas quais:

A - Figura 1 é uma vista em perspectiva parcial de uma primeira concretização de um componente de ferramenta de corte da invenção;

A Figura 2 é uma vista em perspectiva parcial de uma segunda concretização de um componente de ferramenta de corte da invenção;

A Figura 3 é uma vista em perspectiva parcial de uma terceira concretização de um componente de ferramenta de corte da invenção; A Figura 4 é uma vista lateral esquemática de um componente de ferramenta de corte da invenção em uso, ilustrando o efeito auto-afiador do mesmo;

A Figura 5 é um gráfico ilustrando o efeito da espessura da camada dura sobre o desgaste de um componente de ferramenta de corte;

A Figura 6 é um gráfico comparando a progressão do desgaste de dois componentes de ferramenta de corte da invenção com dois componentes de ferramenta de corte da técnica anterior;

A Figura 7 é um gráfico comparando as forças radiais de dois componentes de ferramenta de corte da invenção com dois componentes de ferramenta de corte da técnica anterior durante um teste de corte em uma liga 18% SiAl; A Figura 8 é um gráfico comparando a progressão do desgaste de dois componentes de ferramenta de corte da invenção com dois componentes de ferramenta de corte da técnica anterior durante um teste de desbaste em uma liga 6% SiAl;

A Figura 9 é um gráfico ilustrando tempos de esmerilhação de vários componentes de ferramenta de corte da invenção em um esmeril com inserto Agathon;

A Figura 10 é um gráfico comparando resultados de resistência ao cavaco de dois componentes de ferramenta de corte da invenção com um componente de ferramenta de corte da técnica anterior em um teste de corte sobre uma liga 18% SiAl.

A Figura 11 mostra um gráfico que representa as probabilidades de sobrevivência de diferentes materiais a diferentes taxas de velocidades.

A Figura 12 é um gráfico mostrando o tamanho de cavaco sob condições de usinagem ligeiramente interrupta para duas ferramentas de corte de PCBN; e

A Figura 13 é um diagrama ilustrando a resistência a fratura para duas ferramentas de corte de PCBN.

Descrição das concretizações preferidas O objetivo da presente invenção é prover um componente de ferramenta de corte de PCD e/ou PCBN projetado com propriedades entre carboneto cimentado e PCD assim como entre carboneto cimentado e PCBN. Este componente de ferramenta de corte é usado em aplicações de corte as quais envolvem carga significativa sobre a aresta de corte, como é para ser encontrado nas aplicações de usinagem interrupta e de desbaste. Em operações de desbaste, um objetivo principal é alcançar alta taxa de remoção do substrato, tipicamente metal, e dureza é o requerimento crítico do material da ferramenta. Em operações de acabamento, o objetivo principal é um acabamento de alta qualidade da superfície do objeto a usinar e o requerimento crítico do material de ferramenta é a previsibilidade.

Uma concretização de um componente de ferramenta de corte será descrita agora com referência à Figura 1. Referindo- se a essa Figura, um componente de ferramenta de corte 10 compreende um substrato de carboneto cimentado 12 com uma camada ultrafina 14 de material ultraduro, a qual tem uma espessura não maior que, geralmente menos de 0,2 mm, preferivelmente entre 0,001-0,15 mm e sendo que o substrato tem uma espessura de 1,0 até 4 0 mm. Tal componente de ferramenta de corte é produzido por síntese de alta pressão a alta temperatura. A espessura da camada ultrafina dura 14 na aresta de corte 16 é o parâmetro crítico determinando as propriedades do material e permite o corte com ambas a camada dura superior 14 (PCD ou PCBN) e o substrato de carboneto 12. Resistência ao desgaste, resistência ao cavaco, forças de corte, habilidade de esmerilhação, habilidade EDM e estabilidade térmica são todas propriedades afetadas pela espessura da camada dura. Vários métodos para produzir ferramentas de corte de PCD e PCBN com substratos de carboneto cimentado existem e são bem conhecidos na indústria.

A camada dura ultrafina junto com o substrato mais brando resulta em um comportamento "auto-afiador" durante o corte, o qual por sua vez reduz as forças e temperatura na aresta de corte. A camada dura pode ser descrita como uma estrutura integralmente-ligada que é composta de uma massa de partículas abrasivas policristalinas, tais como diamante ou nitreto de boro cúbico, e uma segunda fase, a qual é usualmente um metal tal como cobalto, ferro, níquel, platino, titânio, cromo, tântalo, cobre ou uma liga ou mistura dos mesmos, como descrito em US 4,063,909 e US 4,601,423. A espessura da camada dura preferivelmente varia entre 0,001 - 0,15 mm, dependendo das propriedades requeridas para aplicações específicas. Referindo-se ao componente de ferramenta 30 da Figura 2, a camada dura ultrafina 32 pode também ser ligada a uma camada intermediária 34 de metal ou cerâmica, a qual por sua vez é ligada ao substrato de carboneto cimentado 36.

Alternativamente, referindo-se ao componente de ferramenta como ilustrado na Figura 3, a camada dura ultrafina também pode ser na forma de tiras 42 (camadas verticais) através da ferramenta de corte alternando com o material do substrato 44, onde a largura 46 das tiras está entre 10 e 50 micra. Outros arranjos, onde pedaços embutidos de material ultraduro são localizados no material do substrato, são contemplados também.

0 material do substrato pode ser selecionado de carbonetos de tungstênio, carbonetos de tântalo e carbonetos de nióbio e tem uma espessura entre 1,0 até 40 mm. Métodos para produzir carbonetos cimentados são bem conhecidos na indústria. Devido a que o corte é realizado com ambos o material ultraduro e o carboneto, a seleção do substrato é outra variável que pode ser mudada a fim de alterar as propriedades do elemento de corte satisfazer diferentes aplicações.

Em algumas aplicações, pode ser preferível prover um substrato tendo uma superfície perfilada ou modelada, o qual resulta em uma interface com o formato ou perfil complementar. Desde uma perspectiva de processabilidade, um aspecto importante da invenção é a camada dura ultrafina a qual reduzirá o custo de processamento de ferramentas de corte de PCD e PCBN.

Em termos de desempenho o aspecto critico da invenção é ajustar a espessura da camada dura de modo que possam ser alcançadas as propriedades desejadas e também para garantir que aconteça um efeito "auto-afiador" durante o corte. Isto poderia significar adicionar uma camada intermediária mais branda exatamente abaixo do PCBN ou PCD. Isto significa que quando o desgaste progride através da camada dura em algum estágio durante o processo de corte, o corte será feito por ambas a camada dura e o substrato e/ou a camada intermediária. Ferramentas convencionais todas têm uma camada dura de espessura acima de 0,2 mm, e por isso o substrato nunca entra em contato com o objeto a usinar (uma vez que o critério de vida útil de ferramenta é VBBmax = 0,2 - 0,3 mm) e as propriedades e comportamento da ferramenta são somente as da camada dura.

Como ilustrado na Figura 4, enquanto o corte é feito pela camada dura 14, a taxa de desgaste será aquela da camada dura. Assim que o desgaste se estende para o substrato de carboneto 12 e o corte é feito por ambos a camada dura e o carboneto, a taxa de desgaste aumentará para incluir ambas, aquela do substrato e a da camada dura. Assim, quanto maior a espessura da camada dura, mais longo será o controle da taxa de desgaste através da resistência ao desgaste da camada dura e mais longa a vida útil da ferramenta, como ilustrado na Figura 5. Ter uma camada dura ultrafina onde é feito o corte por ambos a camada dura e o carboneto fornece uma resistência ao desgaste entre a do carboneto e a da camada dura. Variando a espessura da camada dura (entre 0,001 - 0,15 mm) é possível mudar as propriedades e a vida da ferramenta do material para o que seja requerido para uma aplicação específica. Isto permite prover produtos característicos para aplicações específicas. Quanto mais fina a camada dura, mais próximas estarão as propriedades da ferramenta de corte das do substrato. Entretanto, devido ao efeito "auto-afiador" da ferramenta de corte projetada, o processo de corte e a taxa de desgaste são dominados pela camada dura.

Um benefício de cortar com ambos a camada dura ultrafina 14 e o substrato 12 é o efeito "auto-afiador" que isso tem sobre a ferramenta. Como ilustrado na Figura 4, pode- se observar que por ser o material do substrato 12 mais brando que a camada dura superior 14, ele desgasta muita mais rápido que a camada dura 14, formando um "lábio" 18 entre a camada dura e a camada inferior na aresta 16.

Isto permite que a ferramenta corte predominantemente com a camada dura superior 14, minimizando a área de contato com o objeto a usinar, o que resulta finalmente em menores forças e temperaturas na aresta de corte 16. Também significa que quando a ferramenta desgasta, ela mantém um ângulo de incidência ((X) permitindo que esta corte mais eficientemente. Este comportamento do desgaste é ideal para aplicações de desbaste e usinagem de compósitos de madeira, especialmente em aplicações de lâmina de serra onde as tolerâncias dimensionais não são tão críticas. Também é benéfico em aplicações de perfuração com óleo onde um corte afiado resulta em um menor peso sobre a broca e maiores taxas de penetração. Também será benéfico na usinagem de materiais ferrosos com PCD onde as forças devem ser mantidas em um mínimo para prevenir a grafitização. Camadas ultrafinas de diamante podem ser usadas também para a usinagem de acabamento de materiais mais brandos, como cobre onde o desgaste nunca se estende para o carboneto.

Outro benefício das camadas duras ultrafinas é a melhorada resistência ao cavaco que elas dão à ferramenta. Camadas mais grossas têm altos estresses residuais e são mais susceptíveis a lascar e fraturar. Ademais, se ocorre o desprendimento de lascas, o substrato de carboneto deterá a fenda e impedirá que se torne maior que a espessura da camada dura superior. Uma camada fina de PCD possuirá também altas porcentagens de cobalto, devido ao processo de infiltração de retorno a partir do substrato durante a síntese, aumentando sua resistência a fratura.

Efeito sobre a processabilidade:

Todo processamento (EDM, EDG, esmerilhação) é mais fácil e rápido quando a camada dura superior se torna mais fina. Ter camadas duras ultrafinas encurtará os tempos de processamento e permite que materiais como o PCD sejam a base em equipamento convencional de esmerilhação com carboneto. Isto abre a porta de novas aplicações para o PCD na usinagem de metal e madeira. Em ferramentas de corte de PDC convencionais 80% do custo do inserto pode ser atribuído à esmerilhação, enquanto com o material projetado da invenção este custo é reduzido para aproximadamente 5 - 10% do custo total, fazendo do produto projetado uma ferramenta de corte muito mais viável.

Como explicado anteriormente, estruturas compactas de PCD e PCBN são manufaturadas com camadas de diamante com espessuras > 0,2 mm a fim de que o corte seja feito somente pela camada dura. Porém, durante a síntese de tais camadas grossas, a estrutura compacta freqüentemente se arqueia devido às diferenças de expansão térmica entre aquele PCD ou PCBN e o substrato de carboneto. Isto resulta em processamento adicional (esmerilhação mecânica, EDG ou polimento) para fazer com que a estrutura compacta volte a ser plana. Com camadas duras ultrafinas, o arqueamento do disco é minimizado e o processamento adicional não é necessário. Isto permite a produção de estruturas compactas de PCD ou PCBN em formato de quase-rede.

A invenção será agora discutida, somente a modo de exemplo, com referência aos seguintes exemplo não limitantes: Exemplo 1: Acabamento de 18% SiAl

A resistência à abrasão das respectivas ferramentas de corte projetadas de PCD ultrafinas de 0,2 mm (0,2 mm de PCD) e 0,1 mm (0,1 mm de PCD) foi avaliada no torneamento de um objeto a usinar de 18% SiAl e comparada com uma ferramenta com camada de 0,5 mm de PCD (0,5 mm PCD) assim como com uma classe de carboneto disponível comercialmente (HM10(HW)) recomendada para o torneamento de Al. Este é um objeto a usinar altamente abrasivo e pode ser usinada usualmente somente com ferramentas de diamante. As condições de teste foram escolhidas para simular a operação de acabamento e são como segue:

- velocidade de corte: 500 m/min

- taxa de alimentação: 0,1 mm/ver

- profundidade de corte: 0,2 5 mm

- classe de PCD: CTB010

Da Figura 6, é evidente que a classe de carboneto (HM10(HW)) não e apropriada para o maquinado de ligas 18% SiAl. Como esperado o PCD grosso de 0,5 mm tem a mais baixa taxa de desgaste seguido pela variante de 0,2 mm de grossura e depois pela variante de 0,1 mm de grossura. Na ferramenta de corte de PCD com 0,5 mm de grossura, o corte é realizado somente com a camada de PCD, enquanto na variante de 0,2 mm e na de 0,1 mm ambos, a camada de PCD e o substrato de carboneto entram em contato com o objeto a usinar. Na variante de 0,2 mm, a área de contato (marca de desgaste) se estende para o carboneto em aproximadamente 3 5 minutos e a taxa de desgaste começa a aumentar. Até os 3 5 minutos a taxa de desgaste é somente aquela da camada de PCD. Na variante de 0,lmm o desgaste alcança o carboneto em aproximadamente 5 minutos. Isto significa que para aplicações de acabamento onde as tolerâncias e, portanto o desgaste são críticos, a taxa de desgaste requerida pode ser projetada na ferramenta de corte variando-se a espessura da camada dura de PCD. As linhas tracejadas representam o critério de vida útil esgotada ("end-off") para uma operação de acabamento. Como o carboneto é muito mais brando que o PDC ele se desgasta completamente quase instantaneamente no contato com o objeto a usinar, deixando predominantemente a camada de PCD fazendo o corte. No caso da ferramenta de carboneto (HM10(HW)), toda a profundidade de corte foi usada após somente 3 minutos e nenhum outro corte pode ser feito.

A Figura 7 mostra um gráfico comparando a força radial da camada de PCD de 0,5 mm, 0,2 mm e 0,1 mm de espessura. É evidente que a força para camadas de PCD de 0,5 mm de espessura continua aumentando a medida que a marca de desgaste se torna maior. Entretanto, devido ao efeito "auto-aferidor", para as variantes de PCD de 0,2 mm e 0,1 mm de espessura as forças são muito menores. Isto sugere que essas ferramentas serão ideais em aplicações de desbaste assim como em aplicações onde as tolerâncias não são tão críticas. Significa também que devido ás forças menores essas ferramentas poderiam ser capazes de usinar em velocidades de corte mais altas que o PCD convencional de 0,5 mm de espessura.

Exemplo 2: desbaste de SiAl 6%

Para avaliar a habilidade de desbaste das ferramentas projetadas, foi realizado um teste de torneamento em uma liga de 6% SiAl. As condições de usinagem foram as seguintes:

- velocidade de corte: 800 m/min

- taxa de alimentação: 0,5 mm/rev

- profundidade de corte: 0,5 mm

- classe de PCD: CTB010

Em uma operação de desbaste as tolerâncias do objeto a usinar e com isso o desgaste da ferramenta de corte não são tão críticas como nas operações de acabamento, mas sim a resistência ao cavaco e a força de corte (vibração). A Figura 8 mostra um gráfico comparando as forças radiais de diferentes variantes. Como no exemplo de acabamento, o gráfico demonstra que assim que o desgaste das variantes de 0,2 mm de PCD e 0,1 mm de PCD se estende para o carboneto (como refletido pelas respectivas linhas tracejadas) a força radial não aumenta mais. Isto sugere que, para aplicações de desbaste, materiais com espessuras mais finas de PCD (< 0,1 mm) deveriam cortar mais eficientemente. Novamente, diferentes ferramentas de corte com PCD podem ser projetadas para se adequar a aplicações específicas variando-se a espessura da camada dura ultrafina na aresta de corte.

Exemplo 3: habilidade de esmerilhação mecânica

A fim de demonstrar a habilidade para esmerilhar materiais de camadas de PCD de espessura ultrafina em esmeris de carbonetos existentes, ferramentas de corte tendo, respectivamente camadas de 0,1 mm e 0,2 mm de PCD, foram comparadas com uma ferramenta de corte com 0,5 mm de espessura de PCD. As ferramentas foram todas assentadas em um inserto de esmeril Agathon 250 quadrado de 10,15 χ 10,15 a SPMN 090108F nas seguintes condições:

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Não foi possível a usinagem da ferramenta de corte com camada de 0,5 mm de PCD neste esmeril. Depois de 75 minutos de esmerilhação, o teste foi parado. A Figura 9 claramente demonstra que é factível esmerilar ferramentas de corte com camada de PCD ultrafina nos insertos de esmeris de carboneto/PCBN existentes. 0 PCD de 0,1 mm de espessura pode ser assentado a taxas mais rápidas que o PCBN.

Exemplo 4: Resistência ao cavaco em SiAl 18%

A resistência ao cavaco foi avaliada realizando testes de fresagem de arestas em uma liga de 18% SiAl. A fim de promover a formação de cavacos, foi usado um ângulo de folga grande nas ferramentas. As condições de teste foram as seguintes: - velocidade de corte: 500 m/min

- alimentação por dente: 0,5 mm

- profundidade de corte: 2 mm

- ângulo de folga: 18deg

- Largura de corte: 15 mm

- classe de PCD: CTB010

A Figura 10 mostra o tamanho médio de cavaco de cada variante junto com o intervalo de confiança de 95% para 8 testes. Está claro que o tamanho médio de cavaco e a dispersão do tamanho médio de cavaco são os menores para a ferramenta com PCD ultrafino de 0,1 mm (0,1 mm de PCD). Uma vez que os cavacos foram todos menores que 200 micra, não se observaram diferenças significativas entre a camada de 0,5 mm de PCD (0,5mm de PCD) e a camada de 0,2 mm de PCD (0,2 mm de PCD).

Exemplo 5: Catastrófica resistência a fratura usinando estrutura compacta de ferro fundido grafitado (CGI). Como a fratura catastrófica tem uma natureza estocástica com dados geralmente seguindo uma distribuição não normal, estatísticas de Weibull foram usadas para estimar a resistência a fratura. Com análise de Weibull, a resistência a fratura característica (α) assim como o parâmetro de forma (β) podem ser calculados. Neste teste particular, a resistência a fratura característica, chamada α , representa a alimentação por dente na qual 63% do produto falhará. Estes dois parâmetros (α e β) são então usados para calcular a confiabilidade dos dois produtos usando a seguinte equação:

<formula>formula see original document page 19</formula>

Onde χ é alimentação por dente para a qual a falha ocorre.

Uma operação de fresagem interrupta foi realizada pelo qual foram escolhidas as condições e o objeto a usinar para minimizar qualquer evento de desgaste e em troca promover a fratura. A alimentação por dente foi aumentada de 0,1 a 0,2 a 0,3 etc. até que foi observada a falha catastrófica do nariz. A alimentação por dente representa a carga na aresta de corte e, portanto, é um indicador apropriado da resistência a fratura. As condições de teste que foram usadas são as seguintes:

- material do objeto a usinar: GJC 400 (>95% perlita, 10% nodosidade)

- velocidade de corte: 200 m/min

- alimentação por dente: variada

- DOC: 1 mm

- WOC: % bloco

- ângulo de folga: 18 deg

- ângulo de corte: 0 deg

A Figura 11 mostra um gráfico de sobrevivência o qual ilustra as probabilidades de sobrevivência de cada material a diferentes taxas de alimentação. Pode-se observar que FGPCD 01 (PCD de grão fino) tem uma probabilidade de sobrevivência muito alta a diferentes taxas de alimentação que o FGPCD 05. As resistências a fratura características calculadas com Weibull para os dois materiais são como segue:

- FGPCD 05 = 0,577

- FGPCD 01 = 0,774

Isto sugere que a camada de 0,1 mm tem uma resistência a fratura 34% mais alta que a camada de 0,5 mm. A partir disto é evidente que a resistência a fratura pode ser projetada usando camadas com diferentes espessuras de PCD.

Exemplo 6: Teste de usinagem levemente interrupta

"perfurada" AISI434 0

O teste é tido como sendo muito representativo da usinagem dura. Dois componentes de ferramenta de corte de PCBN do tipo descrito acima foram usados no teste. Um tinha uma camada de PCBN ultrafina de 0,1 mm de espessura e o outro uma camada de PCBN de 0,5 mm de espessura. O tamanho máximo de cavaco foi registrado. As condições de teste foram as seguintes: <table>table see original document page 21</column></row><table>

Do gráfico da Figura 12 pode-se observar que o PCBN ultrafino exibe menos fratura que a camada mais grossa de 0,5 mm. Como foi o caso com o PCD, o cavaco atual na aresta é "detido" uma vez que a trajetória da fratura alcança o carboneto. De ai em diante o desgaste é a característica crítica e não a fratura.

Exemplo 7: exemplo de desbaste: catastrófica resistência a fratura usinando ferro fundido grafitado (CGI) Uma operação de fresagem interrupta foi realizada usando os dois mesmos componentes de ferramenta de corte de PCBN do exemplo 6 para o qual as condições e o objeto a usinar foram escolhidos de modo a minimizar qualquer evento de desgaste e em troca promover a fratura. A alimentação por dente foi aumentada de 0,1 a 0,2 a 0,3 etc. até que a falha catastrófica do nariz foi observada. A alimentação por dente representa a carga na aresta de corte e é, portanto, um indicador apropriado da resistência a fratura. As condições de teste usadas são as seguintes:

- material do objeto a usinar: GJC 400 (>95% perlita, 10% nodosidade)

- velocidade de corte: 300 m/min

- alimentação por dente: variada

- DOC: 1 mm

- WOC: V1 bloco

- ângulo de folga: 18 deg

- ângulo de corte: 0 deg

Do diagrama wBox plot" da Figura 13 aparece que a camada 01 tem uma resistência a fratura mais alta que camada 05. Como esses dados não são normalmente distribuídos, foi realizado um teste estatístico de Kuskal-Wallis a fim de avaliar se esta melhoria é significante. Como o valor P é menor que 0,05, podemos concluir que a camada fina é significativamente mais resistente a fratura que a camada de 0,5 mm.

Teste Kruskal-Wallis: falha Fz versus material da ferramenta

Teste Kruskal-Wallis em falha Fz

<table>table see original document page 22</column></row><table>

H = 4,36 DF =1 P=O,037

H = 4,50 DF =1 P= 0,034 (ajustado para postos)

Claims

1. Método para cortar um objeto a usinar, incluindo as etapas de prover um componente de ferramenta o qual compreende um corpo compreendendo um substrato cimentado de carboneto e tendo pelo menos uma superfície de trabalho, a pelo menos uma superfície de trabalho apresentando um canto de corte ou área para o corpo, caracterizado pelo fato da pelo menos uma superfície de trabalho compreender material abrasivo ultra duro adjacente ao canto de corte ou área e se estendendo a uma profundidade não maior que 0,2 mm a partir da pelo menos uma superfície de trabalho e sendo que o substrato tem uma espessura de 1,0 até 40 mm, e efetuando um corte no objeto a usinar sob condições de corte de desbaste e/ou interrompidas.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do objeto a usinar ser um objeto a usinar de metal, compósito ou cerâmico.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do objeto a usinar ser um objeto a usinar de madeira ou compósito de madeira.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato do corte ser efetuado por fresagem ou serração.

5. Método para cortar um produto de madeira ou compósito de madeira, incluindo as etapas de prover um componente de ferramenta o qual compreende um corpo compreendendo um substrato cimentado de carboneto e tendo pelo menos uma superfície de trabalho, a pelo menos uma superfície de trabalho apresentando um canto de corte ou área para o corpo, caracterizado pelo fato da pelo menos uma superfície de trabalho compreender material abrasivo ultra duro adjacente ao canto de corte ou área e se estendendo a uma profundidade não maior que 0,2 mm a partir da pelo menos uma superfície de trabalho e sendo que o substrato tem uma espessura de 1,0 até 40 mm, e efetuando um corte no objeto a usinar.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do corte ser efetuado por fresagem, torneamento ou serração.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato do canto de corte ou área se estender a uma profundidade de 0,001 até 0,15 mm a partir da pelo menos uma superfície de trabalho.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato do corpo do componente da ferramenta de corte compreender um substrato cimentado de carboneto e uma camada ultrafina de material ultraduro soldados à uma superfície major do substrato, a camada ultrafina tendo uma espessura não maior que 0,2 mm e a superfície de trabalho apresentando um canto de corte ou área para o componente de ferramenta de corte.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato da camada ultrafina ter uma espessura de 0,001 até 0,15 mm.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de uma ou mais camadas intermediárias estar localizadas entre o substrato e o material ultraduro, a camada intermediária ou camadas sendo de um material que é mais brando que o material ultraduro.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 10, caracterizado pelo fato da camada intermediária ou camadas ser feita de uma cerâmica, de um metal ou de um material ultraduro.

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato do corpo da ferramenta de corte compreender um substrato cimentado de carboneto tendo uma superfície de trabalho apresentando um canto de corte ou área para o componente da ferramenta de corte e tendo uma pluralidade de ranhuras ou encaixes, o arranjo sendo tal que o material ultraduro se estende a uma profundidade não maior que 0,2 mm a partir da superfície de trabalho e forma uma parte do canto de corte ou área do componente da ferramenta de corte.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato das faixas ou peças serem todas feitas de um material ultraduro da mesma, ou essencialmente da mesma propriedade.

14. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato do material ultraduro de algumas das faixas ou peças diferir daquele de outras faixas ou peças.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 14, caracterizado pelo fato do material ultraduro ser PCD ou PCBN.

16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 15, caracterizado pelo fato do corte no objeto a usinar ser efetuado por ambos o canto de corte de material ultraduro ou área e o substrato cimentado de carboneto.

17. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser substancialmente como descrito aqui com referência a qualquer um dos exemplos.

18. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser substancialmente como descrito aqui com referência a qualquer uma das figuras 1 até 5 dos desenhos que acompanham.