BRPI1013942B1

BRPI1013942B1 - Sistema de resfriamento para uma ferramenta rotativa

Info

Publication number: BRPI1013942B1
Application number: BRPI1013942-7A
Authority: BR
Inventors: Jay Christopher Rozzi; John Kendall Sanders; Christian Henry Passow; Michael Phillip Day; Everett Edgar Archibald
Original assignee: 5Me Llc
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2020-03-24
Also published as: JP2012524669A; CA2759710C; CN102427906A; RU2522401C2; BRPI1013942A2; EP2421673A2; WO2010144180A3; EP2421673A4; JP5745503B2; KR101360858B1; IL215830A; IL215830A0; US20100272529A1; CN102427906B; US8215878B2; CA2759710A1; WO2010144180A8; WO2010144180A2; KR20120016103A; WO2010144180A4

Abstract

sistema de resfriamento para uma ferramenta rotativa um sistema de resfriamento indireto para uma ferramenta de corte rotativa usa um fluido refrigerante criogênico que é liberado para uma cavidade formada na superfície traseira do elemento de corte, provendo resfriamento próximo da borda de corte do elemento. devido ao fato de que a vazão total do fluido de trabalho é baixa (menor que 0.08 litro/ min/borda de corte), o fluido pode ser ventilado com segurança para a atmosfera a partir da cavidade, e, em consequência, nenhuma recuperação de fluido refrigerante especializado ou equipamento de ventilação é necessária. a cavidade pode ser formada com aletas para aumentar a transferência de calor entre o elemento de corte e o fluido refrigerante, e o fluido refrigerante pode adicionalmente ser pulverizado diretamente na superfície exterior do elemento para resfriar a interface ferramenta-apara. o sistema de resfriamento indireto pode ser usado para metais e compósitos difíceis de usinar, bem como a usinagem de materiais convencionais sem o uso de fluidos de corte tradicionais.

Description

“SISTEMA DE RESFRIAMENTO PARA UMA FERRAMENTA ROTATIVA” [001] Esta invenção foi concebida com suporte governamental nos termos dos Contratos No. N00421-04-P-0547 e N68335-06-C-0069 concedidos pelo Ministério da Marinha. O Governo possui certos direitos sobre a invenção.

Campo [002] Um sistema de resfriamento para a interface ferramenta-apara de uma ferramenta de corte rotativa usa tanto resfriamento indireto como direto da borda de corte por um fluido criogênico para possibilitar a usinagem de alta velocidade de ligas de titânio e outros materiais avançados com baixa condutividade térmica.

Fundamento [003] Os fluidos de corte têm sido usados em processos de usinagem por muitos anos para aumentar lubricidade, pulverizando o fluido refrigerante na zona de usinagem diretamente sobre a ferramenta de corte e a peça de trabalho. Isto tem o efeito de diminuir a fricção entre a apara e a ferramenta, o que, por sua vez, diminui a temperatura da ferramenta, aumenta vida útil da ferramenta e aperfeiçoa a qualidade dos componentes. Estes benefícios vêm com certos inconvenientes. Em operações de usinagem de alto volume, pelo menos 16% do custo de usinagem está associado com a aquisição, manutenção e descarte dos fluidos de corte. Este custo não leva em conta os riscos para saúde que os trabalhadores ficam expostos ao usar estes fluidos. O contato com fluidos de corte ou seus vapores pode causar enfermidades, tais como dermatites e doenças respiratórias. Alguns aditivos nos fluidos de corte podem ser cancerígenos.

[004] Nos últimos anos, devido a estes problemas, a indústria de usinagem de alto volume tem-se inclinado para a usinagem seca com objetivo de reduzir ou eliminar o uso de fluidos de corte. Entretanto, esta opção aumenta o consumo de combustível fóssil e o custo com energia devido ao fato de que máquinas maiores e mais potentes são necessárias para processar o material menos lúbrico. A usinagem seca também aumenta os custos por componente, consumindo mais ferramentas de corte e requerendo mais tempo de usinagem. O problema pode ser maximizado ao usinar titânio ou outros materiais de baixa condutividade térmica, uma vez que o calor produzido na interface ferramenta-apara não é prontamente

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2/12 conduzido a partir da interface pelo próprio material. Ademais, a usinagem seca não é viável para estabelecimentos pequenos, onde o capital para novas máquinas normalmente não está disponível.

[005] Esforços de pesquisa e patentes anteriores concentraram-se em resfriar internamente ou externamente o porta-ferramenta de corte, pulverizando nitrogênio líquido na zona de usinagem, usando fluidos refrigerantes de alta pressão, e a integração de um reservatório tipo tampa no topo do inserto de ferramenta de corte que é resfriado por nitrogênio líquido.

[006] O resfriamento interno e externo da ferramenta de corte foi experimentalmente testado usando tubos de calor. Alguns graus de resfriamento foram atingidos, mas a eficiência de transferência de calor do desenho é muito baixa. Nenhuma medição da redução de desgaste de flanco da ferramenta de corte foi feita, possivelmente devido ao baixo desempenho do sistema na bancada.

[007] O uso de jatos de alta pressão de fluido refrigerante para reduzir desgaste de ferramenta também foi analisado. Esta abordagem pode efetivamente diminuir desgaste de ferramenta, mas tem muitos inconvenientes. Primeiro, os jatos requerem fluido refrigerante pressurizado e uso de um grande compressor que consome energia elétrica, o que aumenta o custo e impacto ambiental do processo. Segundo, os jatos precisam ser aplicados a locais específicos no inserto de ferramenta de corte. Isto requer posicionamento preciso e repetitivo do jato de pequeno diâmetro e de alta pressão em relação à borda do cortador. Esta abordagem não é viável em uma ambiente de produção, onde a sobrecarga associada ao gerenciamento do jato líquido de alta pressão eleva rapidamente o tempo de usinagem e os custos. Terceiro, os jatos de alta pressão requerem vazões de líquido que são de uma a três ordens de magnitude maiores que o sistema de resfriamento divulgado neste documento. Este fato aumenta drasticamente o custo e o impacto ambiental do uso de jatos de alta pressão.

[008] Outra abordagem envolve a integração de um reservatório tipo tampa resfriado com nitrogênio líquido sobre o inserto de ferramenta de corte, e isto mostrou diminuir o desgaste de ferramenta para operações de torneamento por torno onde a ferramenta é estacio

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3/12 nária. Esta abordagem tem uma eficiência de transferência de calor relativamente baixa e requer vazões de criógeno que são duas a três ordens de magnitude maiores que a do presente desenho. Devido ao fato de que o reservatório está localizado sobre o inserto de ferramenta de corte, o dispositivo é de difícil utilização em um ambiente de produção. Para indexar ou mudar o inserto no torno de torneamento, o operador precisa remover e recolocar o reservatório, que está a temperaturas criogênicas. Estas operações requerem treinamento especial, aumentando custos, e aumentando risco para a saúde dos operadores. Por estas razões, é improvável que este tipo de sistema fosse usado em um ambiente de produção, especialmente com uma ferramenta rotativa.

Sumário do Dispositivo [009] Determinou-se que a liberação de fluido criogênico à interface ferramentaapara é útil a muitas aplicações, incluindo a usinagem de alta velocidade de ligas de titânio, a usinagem de alta velocidade de compósitos de matriz cerâmica, a usinagem de alta velocidade de compósitos de matriz de alumínio metal, bem como a usinagem ecológica de materiais convencionais sem o uso de fluidos de corte tradicionais. Como usado neste docu mento, o termo criógeno ou criogênico refere-se a um líquido, tal como nitrogênio líquido (LN2), que entra em ebulição a uma temperatura abaixo de aproximadamente 110 K (160°C) e é usado para obter temperaturas muito baixas. O principal benefício do uso de um líquido criogênico nesta aplicação é o uso do calor latente de vaporização do criógeno como um meio de remover calor proveniente da interface ferramenta-apara. Em contraposição a transferência de calor sensível, onde qualquer ganho de calor por um fluido de fase simples é acompanhado por um aumento de temperatura; a transferência de calor latente usa a mudança de fase isotérmica de um líquido saturado para vapor como um meio de absorver ca lor.

[010] A quantidade de criógeno necessária para resfriamento efetivo é em função da taxa de transferência de calor para a ferramenta durante usinagem. A geração de calor m volumétrica, ^q , associada com uma operação de usinagem é expressa como;

do onde ^ε, ^σ , e V são a taxa de esforço durante usinagem, a tensão de fluxo material, e o volume do material deformado, conhecido como a zona de cisalhamento

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4/12 primária, respectivamente. A constante ^ψ representa a fração da energia de deformação que é dissipada como aquecimento sensível. Para metais, o valor desta constante é 0.8 ou maior. A energia gerada na zona de cisalhamento primária pode ser manifestada como aquecimento da eventual apara após usinagem ou ser transferida para a ferramenta. A fração de calor que escoa para a ferramenta é em função da geometria da ferramenta, do material, das condições de usinagem, e de outras variáveis. Métodos estabelecidos (analítico e computacional) foram usados para estimular a taxa de transferência de calor máxima em cada borda de corte na ferramenta, ^q. Para a maioria das condições associadas com materiais avançados de usinagem, a taxa de transferência de calor foi de um máximo de 200 W por borda de corte. Na pressão atmosférica, o calor latente de vaporização de nitrogênio líquido (LN2) é de aproximadamente 180 Joules/gram. Isto implica em que apenas 0.07 L/min (ou 1.1 gram/sec) de LN2 é necessário para dissipar a energia térmica por borda de corte se ela puder ser liberada em estreita proximidade à borda de corte. Aproximadamente dez vezes a vazão de nitrogênio gasoso (GN2) seriam necessárias para remover a mesma quantidade de calor com uma diferença de temperatura de 10 K. Portanto, usando LN2 minimiza-se as exigências gerais de fluxo de fluido refrigerante.

[011] O criógeno é liberado a partir de uma fonte fixa, através de um tubo isolado a vácuo, e através de outro hardware montado dentro do fuso de máquina-ferramenta, antes de alcançar a ferramenta. O criógeno está em uma condição saturada à medida que ele deixa a fonte e escoa para a ferramenta. Uma condição saturada significa que qualquer entrada de calor ao criógeno à medida que ele escoa irá resultar na vaporização de parte do líquido para vapor. Um elemento essencial dos componentes que estão a montante da própria ferramenta é a minimização da transferência de calor para o criógeno proveniente do ambiente, também conhecida como vazamento de calor para o criógeno. O vazamento de calor não pode nunca chegar a zero; daí o fluxo após ele deixar a fonte é conhecido como um fluxo de duas fases, onde líquido e gás saem simultaneamente. Minimizar o vazamento de calor para o criógeno maximiza a fração de líquido no fluxo de duas fases, aumenta a quantidade de transferência de calor latente na borda do cortador, e reduz as vazões gerais necessárias para um resfriamento efetivo.

[012] O criógeno é liberado a canais usinados dentro de um porta-ferramenta rotativa para facilitar a remoção efetiva de calor partir da borda de corte. O criógeno viaja através

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5/12 destes canais para uma cavidade formada na superfície de trás do elemento de cortador, possibilitando resfriamento efetivo próximo à borda de corte do elemento. Devido ao fato de que a vazão total do criógeno é baixa (menos que 0.08 litros/min/borda de corte), o fluido pode ser ventilado com segurança para a atmosfera a partir da cavidade na porção traseira do inserto, e, como consequência, nenhuma recuperação de fluido refrigerante especializada ou equipamento de ventilação é necessária. Com base nas estimativas presentes, até 0.07 L/min/borda de corte é usado para transferência de calor latente, enquanto que 0.1 L/min/borda de corte absorve vazamentos de calor a montante. A qualidade de vapor do fluxo de duas fases entrando na borda de corte é, portanto, de aproximadamente 0.13. A necessidade de usar grandes vazões de criógenos (>1 L/min) e as exigências de ventilação associadas são limitações significativas associadas com a arte anterior. Na discussão precedente, o termo criógeno será usado para descrever o fluxo de fluido refrigerante através da ferramenta. Para o sistema descrito aqui, o termo criógeno é compreendido como sendo um fluxo de duas fases.

[013] A invenção é projetada para ser usada com fresas de topo padrão e outras ferramentas de corte rotativas; e, em consequência, ela pode ser facilmente integrada a operações de manufatura correntes.

Breve Descrição das Figuras de Desenho [014] A fig. 1 é uma vista de detalhes da extremidade de trabalho de uma fresa de topo e um inserto de ferramenta de corte.

[015] A fig. 2 mostra a face traseira do inserto mostrado na fig. 1.

[016] A fig. 3 mostra uma fresa de topo tendo resfriamento por criógeno direto e indireto da interface ferramenta-apara.

[017] A fig. 4 mostra a fresa de topo da fig. 3 com os insertos removidos.

[018] A fig. 5 e 6 são respectivamente vistas traseira e frontal de um inserto com cavidades para receber um criógeno.

[019] A fig. 7 é uma vista traseira de um inserto com cavidades tendo aletas formadas integralmente.

[020] A fig. 8 é um gráfico mostrando o efeito de velocidade de superfície sobre a viPetição 870190129250, de 06/12/2019, pág. 14/25

6/12 da útil de ferramenta usando diferentes técnicas de lubrificação e resfriamento.

[021] A fig. 9 é um gráfico mostrando a vida útil de ferramenta de uma ferramenta rotativa.

Descrição Detalhada do Modo de Realização Preferido [022] A fig. 1 mostra a extremidade de uma ferramenta de corte rotativa, tal como uma fresa de topo, geralmente designada pelo número de referência 10. Um inserto 12 pode ser preso em um recesso 14 na extremidade do corpo de ferramenta 11 por um parafuso 13. O inserto 12 tem uma borda de corte 15 que envolve o canto do inserto. A fresa particular mostrada tem dois recessos 14 para receber dois insertos 12 que são dispostos a 180 graus um do outro, embora fresas de topo tendo recessos para receber outros números de insertos sejam bem conhecidas na arte. Igualmente, as fresas de topo sulcadas que não têm quaisquer insertos, mas têm flautas formadas integralmente para cortar a peça de trabalho, ou elementos de corte que são soldados ou de outro modo afixados ao corpo de cortador, também são bem conhecidos na arte. Aqueles que praticam a arte de usinagem apreciarão que o sistema de resfriamento indireto conforme descrito aqui pode aplicar-se a qualquer ferramenta rotativa, com bordas de corte integrais ou afixadas, ou com insertos.

[023] Como mostrado na fig. 1, o inserto 12 é resfriado indiretamente tendo criógeno aplicado à face traseira do inserto, como descrito abaixo.

[024] O criógeno é liberado na ferramenta de corte rotativa 10 seja através do fuso ou por um porta-fluído refrigerante rotativo (não mostrado) que se acopla ao portaferramenta em que a fresa de topo 10 está montada. Um canal 17 é formado na fresa de topo 10 para entregar fluido refrigerante a uma saída 18 no recesso 14, de modo que o fluido refrigerante pode ser entregue à face traseira 16 do inserto 12. Uma saída de escape 19 é formado na porção frontal do inserto 12 para permitir que criógeno vaporizado (gás) seja ventilado para a atmosfera.

[025] A fig. 2 mostra a porção traseira do inserto 12 da fig. 1. Uma cavidade 21 é formada na face traseira 16 do inserto oposta à borda de corte 15, por exemplo, por usinagem de eletrodescarga (EDM), ou outro método de usinagem. A posição da cavidade 21 na face traseira 16 entrega o criógeno em estreita proximidade à borda de corte 15 do inserto.

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A área de superfície aumentada criada pela cavidade 21 dentro do inserto aumenta a transferência de calor entre o inserto e o criógeno que é entregue a cavidade a partir da saída 18. Um orifício de escape 22 é formado na cavidade 21 que está em comunicação com a saída de escape 19 mostrado na porção frontal do inserto.

[026] Em uso, com o inserto 12 no lugar, no recesso 14 da ferramenta, um criógeno é entregue através do canal 17 à saída 18 onde ele entra na cavidade 21 formada na face traseira do inserto. O criógeno remove calor do inserto, e a remoção de calor é mais pronunciada na região da borda de corte 15 do inserto, que está imediatamente adjacente à saída 18 onde o criógeno entra na cavidade 21. O criógeno vaporizado (gás) é descarregado da cavidade 21 pelo orifício de escape 22 na porção frontal do inserto. No caso de nitrogênio líquido, o fluxo de fluido refrigerante que é requerido é de aproximadamente 0.08 L/min para cada borda de corte em comparação com resfriamento por inundação usando fluido refrigerante convencional a uma vazão de 15 litros por minuto.

[027] As figs. 3 e 4 são vistas de detalhes de um modo de realização alternativo de uma fresa de topo 25 mostrando resfriamento de ferramenta de corte através do uso de orifícios de resfriamento direto e indireto. A fresa de topo 25 tem três recessos 32 para receber três insertos 26. O criógeno escoa de uma fonte adequada através de um canal isolado interno 27 na fresa de topo 25 em direção à ponta de corte da ferramenta, onde o fluxo se divide para formar um canal de resfriamento direto 28 e um canal de resfriamento indireto 29. São mostrados os canais de resfriamento apenas para um dos insertos 26, e canais similares são providos para os outros insertos 26. O canal de resfriamento direto 28 termina em uma abertura de jato 31 na fresa de topo, que está espaçada do inserto 26 e que pulveriza uma corrente 35 de criógeno diretamente na interface ferramenta-apara. O canal de resfriamento indireto 29 dirige o fluxo de fluido refrigerante para uma saída 33 que está posicionada no recesso de ferramenta 32, para dirigir o fluido refrigerante para a superfície traseira do inserto 26, como descrito acima com respeito às figs. 1 e 2.

[028] As figs. 5 e 6 mostram a parte de trás 39 e a parte da frente 43, respectivamente, de um inserto 36 que tem duas bordas de corte 37, apenas uma das quais será usada de cada vez. O inserto 36 tem duas cavidades geralmente retangulares 38 formadas na

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8/12 superfície traseira 39 do mesmo. Cada cavidade 38 é posicionada no inserto 36 para estar estreitamente adjacente a uma borda de corte 37, de modo a maximizar o efeito de resfriamento do criógeno que é aplicado à parte de trás do inserto. Um orifício de escape 41 é formado em cada cavidade 38 na face traseira 39 do inserto, que leva a uma saída de escape 42 na face frontal 43 do inserto, como mostrado na fig. 6, para ventilar criógeno aquecido da cavidade 38 para a atmosfera.

[029] A fig. 7 mostra uma forma alternativa de um inserto 45, em que cada cavidade 46 formada na face traseira 47 do inserto inclui aletas integradas 48. As aletas 48 provêm maior contato de área de superfície entre o criógeno e o inserto 45, visando aumentar mais a transferência de calor do inserto para o criógeno. Cada cavidade 46 inclui um orifício de escape (não mostrado) para permitir que criógeno seja ventilado para a atmosfera através de uma saída de escape formada na parte frontal do inserto.

Resultados de Teste [030] A usinagem foi realizada usando uma ferramenta de corte rotativa com resfriamento por inundação da arte anterior, e uma ferramenta de corte rotativa com insertos 12 usando o sistema de resfriamento indireto mostrado nas figs. 1 e 2. Cada configuração de ferramenta de corte foi usada para usinar quatro ranhuras em sucessão em um bloco de teste de titânio. Após o teste, os insertos 12 foram removidos e examinados quanto a desgaste de ferramenta. A extensão média da cicatriz de desgaste de flanco e a vida útil da ferramenta foram previstas usando padrão de indústria de 0.3 mm de desgaste como a quantidade de desgaste que poderia ser tolerada antes que a ferramenta tivesse que ser substituída. Este teste mostra um aumento de 478% na vida útil para inserto resfriado indiretamente, como mostrado nas figs. 1 e 2 em comparação com o inserto resfriado por inundaÇão.__________________________________________________________________________________________

Tabela 1. Resultados de Desgaste de Ferramenta provenientes de Experimentos de Usinagem de Titânio a uma Velocidade de Superfície de 200 ft/min

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Resfriamento de Ferramenta de corte Indireto Profundidade de Corte = 0.125 polegada ~0.16 L/min de LN2 Vida Útil da Ferramenta = 18.5 minutos

Resfriamento por Inundação Profundidade de Corte = 0.125 polegada 15 L/min de Fluido refrigerante Vida Útil da Ferramenta = 3.2 minutos

[031] Os resultados dos testes de vida útil da ferramenta para uma ferramenta rotativa com resfriamento indireto estão traçados na fig. 8 para o modo de realização mostrado nas figs. 3 e 4. Os testes foram realizados usando uma fresa de topo de três insertos de uma polegada conforme mostrado na fig. 3 cortando a .0625 de profundidade de corte que é 1.0 polegada de largura. O gráfico mostra que a velocidades de superfície próximas a 200 ft/min, o aumento na vida útil, com uma ferramenta tendo resfriamento indireto dos insertos com uma vazão de 0.23 Litros/min (aproximadamente 0.08 L/min/borda de corte para três bordas) em comparação com uma ferramenta com resfriamento por inundação convencional requerendo acima de 15 Litros/min de fluido refrigerante padrão, é similar ao aumento de vida útil de ferramenta mostrada com respeito a resultados de desgaste de ferramenta apresentados na Tabela 1 acima. Este aperfeiçoamento de desempenho reduz diretamente o custo de usinagem, possibilitando maiores velocidades de corte sem qualquer redução na vida útil da ferramenta, em comparação com um fluido refrigerante convencional. Este resultado demonstra a importância da resistência térmica local estar próxima da borda de corte do inserto. Usinando uma cavidade simples no inserto, como mostrado nas figs. 2 ou 5, sem quaisquer características de aumento de superfície, a vida útil é substancialmente aumentada.

[032] As medições de rugosidade de superfície, dureza e tensão residual de peças maquinadas foram feitas nas amostras de titânio fendidas usadas para testes de vida útil de ferramenta. Com relação a rugosidade de superfície, o teste demonstrou que a ferramenta de corte correspondente ao modo de realização mostrado na fig. 1 com uma vazão de 0.16 L/min de criógeno (aproximadamente 0.08 L/min/borda de corte para duas bordas) pelo menos iguala o desempenho de resfriamento por inundação com uma vazão de 15 Litros/min de fluxo de fluido refrigerante convencional no que se refere a rugosidade de superfície usi

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10/12 nada. Acredita-se que a ferramenta de corte com ferramental de inserto indireto pode aperfeiçoar de fato a condição de superfície da peça usinada a velocidades de corte mais altas.

[033] A dureza de superfície foi medida com um testador Rockwell no centro geométrico das fendas usinadas. Para todas as superfícies usinadas testadas, a dureza Rockwell C foi de aproximadamente 3 unidades de RC abaixo do material virgem não tensionado. Isto sugere que não existe correlação entre a dureza resultante e a metodologia de resfriamento de ferramenta de corte. Em consequência, a ferramenta de corte com ferramental de inserto indireto não teve efeito inesperado sobre a microestrutura de material do material da peça de trabalho.

[034] A distribuição de tensão residual foi medida usando difração de raios x. A tensão residual é um indicador de presença de fadiga durante vida útil. Os resultados para a ferramenta de corte com ferramental de inserto indireto indica que o resfriamento indireto não tem influência negativa sobre a distribuição de tensão residual próxima à superfície de peça usinada ou sobre presença de fadiga durante vida útil da peça quando comparado a resfriamento por inundação convencional.

[035] Um bloco de teste de titânio foi usinado para demonstrar a efetividade do modo de realização mostrado nas figs. 3 e 4. A usinagem foi realizada em um bloco temperado de fresa Ti6Al4V que é nominalmente de 2.75 por 8 por 21 polegadas, no qual dois recessos de profundidade paralela foram usinados usando um centro de usinagem CNC vertical. Cada um dos recessos tem dimensões de 2.5 por 3.55 por 20.6 polegadas. A finalidade deste teste foi demonstrar o desempenho da ferramenta resfriada indiretamente e produzir amostras de teste de fadiga de titânio. O exterior do bloco de titânio foi escumado em todos os seis lados. Durante a demonstração, foi realizada usinagem usando ferramenta resfriada indiretamente por 160 minutos (20 passos a 8 minutos cada) antes de trocar os insertos. Como uma comparação, ao usinar usando uma ferramenta padrão com resfriamento por inundação, a usinagem foi realizada por 46 minutos (21 passos a 2.2 min) antes de os insertos estarem gastos (0.3 mm de desgaste de flanco) no mesmo ponto que os insertos que foram resfriados indiretamente. Isto mostra que o resfriamento indireto dos insertos aumenta vida útil da ferramenta próximo a 3.5 vezes que o fluido refrigerante por inundação conven

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11/12 cional e insertos padrão. O teste de fadiga confirmou que testemunhos que foram usinados usando o método de resfriamento de inserto indireto possuem resistência a fadiga equivalente àqueles usinados usando um resfriamento por inundação convencional.

[036] A fig. 9 mostra que vida útil de ferramenta de uma ferramenta rotativa como mostrado na fig. 3 com o sistema de resfriamento indireto é aproximadamente de 600% maior que com resfriamento por inundação convencional. A vida útil de ferramenta é calculada como a quantidade de tempo antes de alcançar 0.3 mm de desgaste de flange médio. O 0.3 mm de medição de desgaste de flanco é consistente com a Seção 7 de ANSI/ASME B94.55M -1985 (Reafirmado em 1995) que define os critérios de vida útil de ferramenta aceitos na indústria e medições de desgaste de ferramenta.

[037] A fig. 9 é um gráfico de desgaste de flanco médio versus tempo de corte usando insertos padrão com resfriamento por inundação, e insertos modificados com o sistema de resfriamento indireto. A fig. 9 mostra que os insertos modificados com o sistema de resfriamento indireto têm menos desgaste que os insertos não modificados com fluido refrigerante de inundação padrão. Neste momento (cerca de três minutos) onde os insertos com fluido refrigerante de inundação alcançaram seus limites de vida útil de desgaste de flanco de 0.3-mm, o sistema de resfriamento indireto com insertos de cavidade quadrada simples estão com 0.05-mm de desgaste de flanco. Uma usinagem adicional usando o sistema de resfriamento indireto com insertos de cavidade quadrada simples mostra que após nove minutos, os insertos resfriados indiretamente alcançaram apenas a metade do limite de vida útil de flanco de 0.3-mm.

[038] A abordagem do sistema de resfriamento de ferramenta de corte indireto para usinagem de ligas de titânio substancialmente reduz a temperatura da ferramenta de corte e, desse modo, possibilita aumento significativo na velocidade de processamento. O sistema de resfriamento indireto de ferramenta de corte aperfeiçoa enormemente a comercialização de componentes de titânio e resultaria em um aumento no uso de titânio em outras aplicações.

[039] O desenho dirige o resfriamento para onde ele é necessário, principalmente no que se refere a usinagem de alta velocidade de titânio, ou seja, a borda de corte. Em assim

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12/12 fazendo, o resfriamento indireto como descrito reduz a temperatura da ferramenta de corte, sem necessariamente resfriar a peça que está sendo usinada. O resultado final é um aperfeiçoamento impressionante na velocidade de processamento, que diminui significativamente os custos de processamento.

[040] Tendo assim descrito a invenção, várias alterações e modificações ocorrerão àqueles que são versados na arte, cujas alterações e modificações estarão dentro do escopo da invenção conforme definida nas reivindicações apensas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de resfriamento para uma ferramenta rotativa tendo um corpo de ferramenta (11) e um elemento de corte (12, 26, 36, 45) tendo uma face frontal (43) e uma face traseira (16, 39, 47), o sistema CARACTERIZADO por compreender:

pelo menos uma área específica no corpo da ferramenta (11) para montagem do elemento de corte (12, 26, 36, 45);

um canal indireto (17, 29) no corpo de ferramenta (11) para conduzir um fluido refrigerante que está a uma temperatura que é menor que a temperatura ambiente para uma face traseira (16, 39, 47) do elemento de corte (12, 26, 36, 45);

uma cavidade (21,38, 46) formada na face traseira (16, 39, 47) do elemento de corte (12, 26, 36, 45) para receber o fluido refrigerante a partir do canal (17, 29); em que, o fluido refrigerante na cavidade (21, 38, 46) resfria o elemento de corte (12, 26, 36, 45); e, um orifício de escape (22, 41) na cavidade (21, 38, 46) e uma saída de escape (19, 42) formada na face frontal (43) do elemento de corte (12, 26, 36, 45), a saída de escape (19, 42) sendo acoplada ao orifício de escape (22, 41), em que, o fluido refrigerante escoando para dentro da cavidade (21, 38, 46) pode ser descarregado na atmosfera através da saída de escape (19, 42);

em que a cavidade é formada na face traseira (16, 39, 47) do elemento de corte (12, 26, 36, 45), em que o sistema de resfriamento usa uma vazão que é menor que dez por cento da vazão requerida para fluidos refrigerantes de inundação convencionais ao usinar a mesma peça de trabalho, e em que o fluido refrigerante é um fluxo de duas fases e usa o calor latente de vaporização do fluido refrigerante para remover calor a partir do elemento de corte (12, 26, 36, 45).
2. Sistema de resfriamento, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por compreender ainda aletas (48) formadas na cavidade (46), através da qual as aletas (48) aumentam a transferência de energia térmica a partir do elemento de corte (45) para o fluido refrigerante.
3. Sistema de resfriamento, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por

Petição 870190129250, de 06/12/2019, pág. 22/25

2/3 compreender ainda um criógeno compreendendo o fluido refrigerante.
4. Sistema de resfriamento, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluido refrigerante é capaz de reduzir a temperatura do elemento de corte (12, 26, 36, 45) ao usinar uma peça de trabalho usando uma vazão que é menor que dois por cento da vazão exigida para fluidos refrigerantes de inundação convencionais ao usinar a mesma peça de trabalho.
5. Sistema de resfriamento, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por compreender ainda:

uma abertura (31) no corpo da ferramenta (11) para pulverizar fluido refrigerante sobre o elemento de corte (12, 26, 36, 45); e, um canal de resfriamento direto (28) no corpo de ferramenta (11) para conduzir fluido refrigerante para a abertura (31), em que, o elemento de corte (12, 26, 36, 45) é resfriado por um fluido refrigerante sendo pulverizado sobre o elemento e por fluido refrigerante sendo aplicado à face traseira (16, 39, 47) do elemento.
6. Sistema de resfriamento, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de ferramenta de corte (12, 26, 36, 45) é um inserto de ferramenta de corte.
7. Sistema de resfriamento, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de ferramenta de corte (12, 26, 36, 45) é soldado ou de outro modo permanentemente afixado ao corpo de ferramenta (11).
8. Sistema de resfriamento, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de ferramenta de corte (12, 26, 36, 45) é integrado no corpo de ferramenta (11).
9. Sistema de resfriamento, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO por compreender ainda pelo menos dois recessos (14, 32) formados no corpo de ferramenta (11) para recebimento de um inserto (12, 26, 36, 45) e um inserto (12, 26, 36, 45) montado em cada recesso (14, 32), cada recesso (14, 32) tendo um canal de resfriamento indireto (17, 29) para conduzir fluido refrigerante à face traseira (16, 39, 47) do inserto (12, 26, 36, 45), em que, cada um dos insertos (12, 26, 36, 45) no corpo de ferramenta (11) é resfriado

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3/3 por resfriamento indireto.
10. Sistema de resfriamento, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO por compreender ainda:

pelo menos duas aberturas de jateamento (31) montadas no corpo da ferramenta (11) e espaçadas a partir dos insertos (12, 26, 36, 45); e um canal de resfriamento direto (28) acoplado a cada uma das aberturas de jateamento (31) para fornecimento de fluido refrigerante às aberturas de jateamento (31), em que, as aberturas de jateamento (31) pulverizam fluido refrigerante em direção aos insertos (12, 26, 36, 45) para resfriar diretamente os insertos (12, 26, 36, 45) enquanto os insertos (12, 26, 36, 45) são indiretamente resfriados pelo fluido refrigerante fornecido para a cavidade (21,38, 46) sobre a face traseira (16, 39, 47) dos insertos (12, 26, 36, 45).
11. Sistema de resfriamento, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a vazão do fluido refrigerante é de 1,33 cm³/s (0,08 L/min) para cada borda de corte (15, 37).