BRPI0713514A2

BRPI0713514A2 - broca helicoidal revestida de diamante, bicanelada e ponta bipartida

Info

Publication number: BRPI0713514A2
Application number: BRPI0713514-9A
Authority: BR
Inventors: Karthikeyan Sampath; Wangyang Ni
Original assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2012-01-31
Also published as: RU2009106075A; CN101484263B; JP2009544481A; RU2431548C2; WO2008013725A2; CN101484263A; EP2043803A2; US20080019787A1; CA2654976A1; EP2043803A4; WO2008013725A3

Abstract

<UM>BROCA HELICOIDAL REVESTIDA DE DIAMANTE, BICANELADA E PONTA BIPARTIDA<MV>. Expõe-se uma broca (10) revestida de diamante, capaz de perfurar furos em materiais compostos reforçados com fibras. A broca (10) é feita de um substrato de carboneto de tungstênio (WC) com cobalto cementado (Co) em uma faixa entre de cerca de 3 até 10%, em peso, e um revestimento de diamante dotado de uma espessura em uma faixa entre 3 até 20 micrómetros. A broca (10) inclui uma haste (11), um eixo longitudinal e inclui duas caneluras (14 e 16) sob um ângulo de avanço (18) que se encontra em uma faixa entre 25 e 35 graus com relação ao eixo (12) . Uma largura de margem (24) é mantida entre de cerca de 5 até 10 por cento do diâmetro de broca (22) . Um diâmetro de tolerância de corpo (26) é mantido pelo menos entre cerca de 92 a 96 por cento do diâmetro da broca (22) . Uma espessura de alma (28) antes da divisão tem cerca de 20 a 30 por cento do diâmetro (22) da broca. Um ângulo de abertura ou ângulo de alívio de borda (36) tem entre cerca de 10 e 20 graus. Um ângulo de borda de incisão (42) está entre cerca de 105 e 120 graus. Um comprimento de borda de incisão (43) é de até cerca de 0,035mm. Um ângulo de ruptura (44) tem entre de cerca de 130 e 150 graus. Um ângulo de entalhe (46) está entre de cerca de 30 e 40 graus com relação ao eixo de broca (12) . Um ângulo de inclinação de entalhe (48) está situado entre de cerca de -5 e 10 graus. Um ângulo de ponto de fendimento (34) está entre de cerca de 70 e 100 graus, e preferentemente de cerca de 90 graus.

Description

BROCA HELICOIDAL REVESTIDA DE DIAMANTE, BICANELADA E PONTA BIPARTIDA

Antecedentes da Invenção

0 plástico reforçado com fibras de carbono (CFRP) consiste de uma ampla gama de materiais compos- tos com diferentes tipos de fibras, orientação de fi- bras, teor de fibras e materiais de matriz. Nos últi- mos anos, o uso de materiais compostos reforçados com fibras tem crescido constantemente em muitas indús- trias. Por exemplo, os materiais compostos de CFRP en- contraram aplicações cada vez maiores em indústrias ae- roespaciais e automotivas devido à sua alta resistência especifica e rigidez especifica. Na medida em que o uso desses materiais se expande, haverá uma necessidade crescente para um método de custo efetivo para produzir furos de alta qualidade em tais materiais com dimensões que estejam dentro de estreitas tolerâncias.

Entretanto, os materiais compostos de CFRP apresentam problemas enormes na usinagem. Atualmente, o mercado está dominado por brocas de diamante poli- cristalino (PCD). Defeitos típicos depois da perfura- ção utilizando-se brocas de PCD convencionais incluem fragmentação, arranque de fibras, queima e assemelha- dos, tais como ilustrados na Figura 8.

Reconheceu-se que a fragmentação e arran- que de fibras são causados pelo empuxo da ferramenta. A geometria da broca é considerada como um dos fatores mais importantes que afetam o desempenho da broca. A- lém disso, devido à alta resistência do reforço de fi- bra, o CFRP é extremamente abrasivo, o que requer fer- ramentas que sejam dotadas de excelente dureza.

Assim, existe uma necessidade em propor- cionar-se uma broca que reduza ao mínimo os defeitos de furo de saída quando são usinados materiais compostos de CFRP.

Sumário Breve da Invenção

Sucintamente, de acordo com esta invenção, proporciona-se uma broca helicoidal bicanelada de ponta bipartida para usinar material composto reforçado com fibras. A broca é dotada de um ângulo de alívio de borda entre cerca de 10 e 20 graus; um ângulo de incli- nação de entalhe entre cerca de -5 e 10 graus; um com- primento de borda de incisão de até cerca de 0,035 mm; um ângulo de borda de incisão entre cerca de 105 e 120 graus; um ângulo de ruptura entre de cerca de 130 e 150 graus; e um ângulo de ponta entre cerca de 70 e 100 graus.

Em outra concretização, uma broca helicoi- dal revestida de diamante de ponta bipartida para usi- nar material composto reforçado por fibras feita de um substrato compreendido de carboneto de tungstênio ce- mentado com cobalto em uma faixa situada entre cerca de 3 a 10%, em peso, em que a dita broca é dotada de um ângulo de ponta de cerca de 90 graus.

Ainda em outra concretização, uma broca helicoidal revestida de diamante, bicanelada, de ponta bipartida, para usinagem de material composto reforçado por fibra dotada de um ângulo de alivio de borda situa- do entre cerca de 10 e 20 graus; um ângulo de inclina- ção de entalhe situado entre de cerca de -5 e 10 graus; um comprimento de borda de incisão menor do que cerca de 0,035 mm; um ângulo de ponta situado entre de cerca de 70 e 100 graus; um ângulo de avanço entre de cerca de 25 e 35 graus; uma espessura de alma na ponta antes da divisão que tem entre de cerca de 20 e 30 por cento de um diâmetro de broca; um ângulo de entalhe entre de cerca de 30 e 40 graus com relação a um eixo longitudi- nal da broca; um ângulo de borda de incisão situado en- tre de cerca de 105 e 120 graus; um ângulo de ruptura entre de cerca de 130 e 150 graus; um diâmetro de tole- rância de corpo entre de cerca de 92 e 96 por cento do diâmetro da broca; e uma largura de margem entre de cerca de 5 até 10 por cento do diâmetro da broca.

Descrição Breve dos Desenhos

Outros aspectos da presente invenção, bem como as vantagens decorrentes dos mesmos, tornar-se-ão mais evidentes a partir da descrição detalhada seguinte realizada com referência aos desenhos, nos quais:

A Figura 1 é uma vista em perspectiva par- cial de uma broca para usinar materiais compostos re- forçados por fibras, de acordo com uma concretização da invenção.

A Figura 2 é uma vista lateral parcial da broca da Figura 1 mostrando um ângulo de ponta. A Figura 3 é outra vista lateral parcial da broca da Figura 1 mostrando um ângulo de alivio.

A Figura 4 é uma vista lateral ampliada da broca da Figura 1 mostrando o ângulo de inclinação de entalhe.

A Figura 5 é uma vista extrema da broca da Figura 1 mostrando um ângulo de ruptura, espessura de alma e espessura de margem.

As Figuras 6(a) e 6(b) comparam a qualida- de de furo produzido por uma broca revestida de diaman- te de 5 ym da invenção e uma broca de PCD convencional quando, respectivamente, quando perfuram um material composto do tipo A CFRP.

A Figura 7 compara a qualidade de furo produzido por uma broca de PCD convencional e uma broca revestida de diamante da invenção quando perfura um ma- terial composto do tipo B CFRP; e

A Figura 8 mostra defeitos típicos que são formados depois da perfuração utilizando-se brocas de PCD convencionais.

Descrição Detalhada da Invenção

Com referência às Figuras 1-5, em que ca- racteres de referência iguais representam elementos i- guais, uma broca helicoidal revestida de diamante, de duas caneluras, antes da ruptura, está ilustrada de um modo geral em 10 de acordo com uma concretização da in- venção. Preferentemente, a broca 10 é preparada a par- tir de um substrato de carboneto de tungstênio (WC) com cobalto cementado (Co) em uma faixa entre de cerca de 3 até 10%, em peso, e um revestimento de diamante dotado de uma espessura na faixa situada entre de cerca de 3 até 20 μm, depositado mediante utilização de um proces- so de deposição a vapor (CVD) químico. 0 raio de afia- ção (ou raio de borda de corte) está entre cerca de 5 até 30 micrômetros depois do revestimento.

A broca 10 tem uma haste 11, um eixo lon- gitudinal 12 e inclui dois sulcos, 14 e 16, em um ângu- lo de avanço 18 que está situado na faixa entre cerca de 25 e 35 graus com relação ao eixo longitudinal 12. Uma largura de margem 24 é mantida entre de cerca de 5 até 10 por cento do diâmetro da broca 22. A diâmetro de tolerância de corpo 26 é mantido entre cerca de 92 a 96 por cento do diâmetro da broca 22. Uma espessura de alma 28 (a distância entre as bordas de corte 38 e 40) na ponta 30 (antes da ruptura) tem cerca de 20 a 30 por cento do diâmetro da broca 22. 0 ângulo de ponta 34 está entre de cerca de 70 e 100 graus, e preferencial- mente de cerca de 90 graus. Um ângulo de abertura ou ângulo de alívio de borda 36 está entre cerca de 10 e 20 graus. Um ângulo de borda de incisão 42 está entre de cerca de 105 e 120 graus. Um comprimento de borda de incisão 43 é menor do que cerca de 0,035 mm. Um ân- guio de ruptura 44 (ângulo de borda de corte secundá- ria) está entre de cerca de 130 e 150 graus. Um ângulo de entalhe 46 está entre de cerca de 30 e 40 graus com relação ao eixo de broca 12. Um ângulo de inclinação de entalhe 48 situa-se entre de cerca de -5 e 10 graus.

Geometria da Broca

A geometria da broca 10 da invenção foi testada e comparada com um número de diferentes geome- trias tais como listadas na Tabela I. Os resultados da comparação mostram que a geometria da ponta de haste e esporão e a geometria de broca de ponta quebrada de 90 graus demonstraram os resultados da dimensão de defeito de furo de menor saida. Entretanto, a broca de ponta de haste e esporão teve emissões de cavacos e, portan- to, teve uma vida de ferramenta reduzida. Entretanto, a broca de ponta de haste e esporão é mais difícil de esmerilhar, e suas bordas aguçadas tornam-na inadequada para revestimento. Assim, a geometria de broca de pon- ta quebrada de 90 graus demonstrou o melhor desempenho e resultados gerais.

Tabela I. Brocas de Diferente Geometria e Correspon- dente Dimensão de Defeito de Furo

<table>table see original document page 7</column></row><table> REVESTIMENTOS DE DIAMANTE DE CVD

Avaliou-se o desempenho da broca 10 da in- venção em dois tipos de materiais compostos de plástico reforçado com fibras de carbono (CFRP) (ou seja, tipo A e B) que estão sendo usados em revestimentos de aerona- ves. Em particular, empregou-se nesta avaliação a geo- metria de broca de ponta bipartida de 90 graus. Reves- timentos de diamante com duas espessuras diferentes fo- ram depositados no substrato de broca feito de carbone- to de tungstênio (WC) com 6% em peso de cobalto (Co) mediante utilização de um método de deposição a vapor químico (CVD). Será apreciado que a invenção não fica limitada pelo percentual em peso particular de cobalto e que a invenção pode ser praticada com um substrato de WC com cobalto cementado em uma faixa entre cerca de 3 a 10%, em peso, de cobalto. A broca de diamante poli- cristalino (PCD) convencional é atualmente o produto predominante no mercado para a perfuração de CFRP. O raio da aresta de corte e o empuxo quando se perfura o primeiro furo estão listados na Tabela II. Conforme ilustrado na Tabela II, a geometria da broca de ponta bipartida de 90 graus produziu menor empuxo e aresta de corte mais viva ou definida, o que é benéfico para a qualidade do furo, tal como foi observado pelos inventores. Tabela II. Geometria de Broca, Raio de Aresta de Corte e Empuxo

<table>table see original document page 9</column></row><table>

As Figuras 6(a) e (b) comparam a qualidade de furo produzido por uma broca revestida de diamante de 5 um da invenção e uma broca de diamante policrista- lino convencional (PCD) quando da perfuração de um ma- terial composto de plástico reforçado por fibra de car- bono (CFRP) do tipo A, respectivamente. Conforme ilus- trado, a broca revestida de diamante de 5 μm da inven- ção produziu resultados inesperados de qualidade de fu- ro muito melhor do que a broca de PCD convencional.

Além disso, a broca revestida de diamante de 5 pm da invenção produziu resultados inesperados pelo desempe- nho superior à broca de PCD convencional na vida da ferramenta (97 furos versus 50 furos). Como uma compa- ração, a broca de WC-6%, peso, não revestida pode exe- cutar somente 10 furos de qualidade devido ao desgaste abrasivo severo provocado pelas fibras de carbono.

Será apreciado que a broca da invenção não fica limitada pela espessura do revestimento de diaman- te. Por exemplo, a broca da invenção pode ser feita de um substrato de WC com uma espessura de revestimento de diamante numa faixa entre cerca de 3 a 20 μm. Além disso, será apreciado que a broca da invenção pode ser realizada com um raio da aresta de corte numa faixa si- tuada entre cerca de 5 e 30 μm.

A Figura 7 estabelece a comparação da qua- lidade do furo produzido pela broca de PCD e brocas re- vestidas de diamante quando da perfuração de um materi- al composto tipo B CFRP. As brocas revestidas de dia- mante de 5 μm e 12 μm produziram resultados inesperados por superarem o desempenho da broca de PCD convencional na qualidade do furo e tempo de vida da ferramenta. Tal como descrito anteriormente, a broca helicoidal bicanelada, com ponta bipartida, 10 da in- venção com um substrato de WC-6%, peso, de Co e um re- vestimento de diamante, seja ele de 5 μm ou de 12 μm, produziu resultados inesperados pelo desempenho superi- or a uma broca de diamante policristalino (PCD) conven- cional quando usinando material composto reforçado de fibras, tal como material composto de plástico reforça- do por fibras de carbono (CFRP) do Tipo A e B. Além disso, a invenção não fica limitada a uma broca para usinar material composto de CFRP. Por exemplo, a broca da invenção pode ser usada para usinar material refor- çado por fibra de vidro, e assemelhados. Além disso, abroca da invenção pode ser usada em ambientes secos ou úmidos.

Os documentos, patentes e pedidos de pa- tentes referidos neste contexto ficam incorporados nes- te caso por referência.

Embora a invenção fosse descrita especifi- camente em conexão com determinadas concretizações es- pecificas da mesma, deve ficar entendido que isto é me- ramente ilustrativo e não limitativo, e devendo o esco- po das reivindicações em anexo ser considerado tão am- piamente quanto a técnica anterior o permita.

Claims

1. Broca helicoidal revestida de diaman- te, bicanelada e ponta bipartida, para usinar material composto reforçado por fibras, caracterizada por ser dotada de um ângulo de alivio de borda entre cerca de 10 e 20 graus; um ângulo de inclinação de entalhe entre cerca de -5 e 10 graus; um comprimento de borda de in- cisão menor do que cerca de 0, 035 mm; e um ângulo de ponta entre cerca de 70 e 100 graus.

2. Broca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o ângulo de ponta ser de cerca de 90 graus.

3. Broca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por incluir ainda um ângulo de avanço das ditas caneluras entre cerca de 25 e 35 graus.

4. Broca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por incluir ainda uma espessura de al- ma no ponto antes da ruptura entre cerca de 20 e 30 por cento de um diâmetro de broca.

5. Broca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por incluir ainda um ângulo de entalhe entre cerca de 30 e 40 graus com relação a um eixo lon- gitudinal da dita broca.

6. Broca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por incluir ainda um ângulo de borda de incisão entre cerca de 105 e 120 graus.

7. Broca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por incluir ainda um ângulo de ruptura entre cerca de 130 e 150 graus.

8. Broca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por incluir ainda um diâmetro de tole- rância de corpo entre cerca de 92 e 96 por cento de um diâmetro de broca.

9. Broca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por incluir ainda uma largura de mar- gem entre cerca de 5 até 10 por cento de um diâmetro de broca.

10. Broca helicoidal revestida de diaman- te, de ponta bipartida, para usinar material composto reforçado por fibras, caracterizada por ser feita de um substrato de carboneto de tungstênio cementado com co- balto na faixa situada entre cerca de 3 até 10%, em peso, em que a dita broca é dotada de um ângulo de pon- ta de cerca de 90 graus.

11. Broca, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por o revestimento de diamante ser dotado de uma espessura na faixa situada entre cerca de 3 até 20 μm.

12. Broca, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada por a espessura do revestimento de diamante ser cerca de 5 μm.

13. Broca, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada por a espessura do revestimento de diamante ser cerca de 12 μm.

14. Broca, de acordo com a reivindicação -10, caracterizada por incluir ainda um raio de afiação situado entre cerca de 5 até 30 micrômetros.

15. Broca, de acordo com a reivindicação -10, caracterizada por o cobalto ser cerca de 6%, em peso.

16. Broca, de acordo com a reivindicação -10, caracterizada por incluir ainda um ângulo de alivio de borda situado entre de cerca de 10 e 20 graus; um ângulo de inclinação de entalhe situado entre cerca de - 5 e 10 graus; e um comprimento de borda de incisão me- nor do que cerca de 0,035 mm.

17. Broca, de acordo com a reivindicação -16, caracterizada por incluir ainda duas caneluras do- tadas de um ângulo de avanço entre de cerca de 25 e 35 graus.

18. Broca, de acordo com a reivindicação -16, caracterizada por incluir ainda uma espessura de alma na ponta antes da ruptura entre de cerca de 20 e por cento de um diâmetro de broca.

19. Broca, de acordo com a reivindicação -16, caracterizada por incluir ainda um ângulo de enta- lhe situado entre de cerca de 30 e 40 graus com relação a um eixo longitudinal da dita broca.

20. Broca, de acordo com a reivindicação -16, caracterizada por incluir ainda um ângulo de borda de incisão situado entre de cerca de 105 e 120 graus.

21. Broca, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por incluir ainda um ângulo de ruptu- ra situado entre de cerca de 130 e 150 graus.

22. Broca, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por incluir ainda um diâmetro de to- lerância de corpo situado entre de cerca de 92 e 96 por cento de um diâmetro de broca.

23. Broca, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por incluir ainda uma largura de mar- gem entre de cerca de 5 até 10 por cento de um diâmetro de broca.

24. Broca helicoidal revestida de diaman- te, bicanelada e ponta bipartida, para usinar material composto reforçado por fibras, caracterizada por ser dotada de um ângulo de alivio de borda entre cerca de 10 e 20 graus; um ângulo de inclinação de entalhe entre cerca de -5 e 10 graus; um comprimento de borda de in- cisão menor do que cerca de 0, 035 mm; um ângulo de ponta entre cerca de 70 e 100 graus; um ângulo de a- vanço entre de cerca de 25 e 35 graus; uma espessura de alma na ponta antes da ruptura situado entre de cerca de 20 e 30 por cento de um diâmetro de broca; um ângulo de entalhe situado entre de cerca de 30 e 40 graus com relação a um eixo longitudinal da dita broca; um ângulo de borda de incisão entre de cerca de 105 e 120 graus; um ângulo de ruptura entre de cerca de 130 e 150 graus; um diâmetro de tolerância de corpo entre cerca de 92 e 96 por cento do diâmetro da broca; e uma largura de margem entre de cerca de 5 até 10 por cento do diâmetro da broca.

25. Broca, de acordo com a reivindicação 24, caracterizada por o revestimento de diamante ser dotado de uma espessura em uma faixa situada entre de cerca de 3 até 20 μm.

26. Broca, de acordo com a reivindicação 25, caracterizada por a espessura do revestimento de diamante ser cerca de 5 μm.

27. Broca, de acordo com a reivindicação 25, caracterizada por a espessura do revestimento de diamante ser cerca de 12 μm.