ITTO20060724A1

ITTO20060724A1 - Utensile e metodo di fresatura, in particolare per la fresatura di materiali compositi

Info

Publication number: ITTO20060724A1
Application number: IT000724A
Authority: IT
Inventors: Falchero; Galota; Mancina
Original assignee: Alenia Aeronautica Spa
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2008-04-10
Also published as: EP2076347A1; ES2630397T3; EP2076347B1; US20090311055A1; WO2008044115A1

Description

Descrizione

"Utensile e metodo di fresatura, in particolare per la fresatura di materiali compositi",

Campo dell'invenzione

La presente invenzione riguarda un utensile particolarmente adatto per la fresatura di materiali fortemente abrasivi quali per esempio materiali compositi formati da fibre di carbonio annegate in una resina epossidica.

L'invenzione riguarda inoltre un metodo per l'utilizzo di tale utensile di fresatura.

Stato della Tecnica

Nelle lavorazioni per asportazione di truciolo di materiali compositi comprendenti fibre di carbonio impregnate con resine epossidiche, si incontrano diverse criticità.

Alcune di esse sono legati a problemi di raffreddamento della zona di taglio: la temperatura del materiale composito nella zona di taglio deve essere mantenuta al disotto di valori relativamente bassi -indicativamente nell'intorno di 180°C-, per evitare che, superando la temperatura di polimerizzazione, si bruci la matrice epossidica, deteriorando le caratteristiche meccaniche del composito. Il raffreddamento della zona di taglio spesso è però complicato dall'impossibilità di usare lubrificanti e liquidi di raffreddamento, che inquinerebbero il materiale composito da lavorare. Altre difficoltà sono la notevole abrasività dei materiali compositi summenzionati e delle polveri che si sviluppano, al posto dei trucioli, durante la lavorazione all'utensile: ciò causa una veloce usura dei taglienti degli utensili.

Uno scopo della presente invenzione è fornire un utensile, un dispositivo e un metodo, per una efficiente lavorazione all'utensile di materiali compositi fortemente abrasivi quali per esempio materiali compositi comprendenti fibre di carbonio impregnate con resine epossidiche.

Sommario dell'invenzione

Tale scopo viene conseguito, secondo un primo aspetto della presente invenzione, con un utensile di fresatura avente le caratteristiche secondo la rivendicazione 1.

In un secondo aspetto della presente invenzione, tale scopo viene conseguito con un metodo per la fresatura di un materiale composito avente le caratteristiche secondo la rivendicazione 21.

I vantaggi conseguibili con la presente invenzione risulteranno più evidenti, al tecnico del settore, dalla seguente descrizione dettagliata di alcuni esempi di realizzazione particolare a carattere non limitativo, illustrati nelle seguenti figure schematiche.

Elenco delle Figure

Figura 1 mostra, in vista prospettica, una prima forma di realizzazione di un utensile di fresatura secondo la presente invenzione;

Figura 2 mostra una vista in sezione dell'utensile di Figura 1, secondo il piano di sezione A-A;

Figura 3 mostra una vista laterale dell'utensile di Figura 1;

Figura 4 mostra un dettaglio, in sezione secondo un piano di sezione perpendicolare all'asse di rotazione AR dell'utensile, di un inserto di taglio dell'utensile di Figura 1;

Figura 5 mostra, secondo una prima vista laterale, una seconda forma di realizzazione di un utensile di fresatura secondo la presente invenzione;

Figura 6 mostra, in vista laterale secondo una direzione ortogonale a quella di Figura 5, l'utensile di Figura 5;

Figura 7 mostra l'utensile di Figura 5 in una vista secondo l'asse di rotazione dell'utensile stesso. Descrizione dettagliata

Le Figure 1-4 sono relative a una prima forma di realizzazione di un utensile di fresatura secondo la presente invenzione.

Tale utensile, indicato con il riferimento complessivo 1, comprende un supporto portataglienti 3 avente, nel presente esempio, la forma di uno stelo oblungo. Sul supporto 3 è fissata una coppia di inserti di taglio 5, su ciascuno dei quali è ricavato un tagliente laterale 7 e un tagliente frontale 9. I taglienti laterali 7 consentono all'utensile 1 di fresare sui fianchi, per esempio per lavorazioni di contornatura e rifilatura; i taglienti laterali 9 consentono invece all'utensile 1 di fresare avanzando lungo il suo asse di rotazione AR; l'utensile 1 è cioè in grado di eseguire fresature sia a taglio periferico, che a taglio frontale. Secondo un aspetto della presente invenzione, l'utensile 1 è provvisto di canali di lavaggio 11, 13 attraverso i quali un opportuno fluido -preferibilmente, ma non necessariamente, aria- può percorrere l'interno del supporto portataglienti 3 e fuoriuscire da più fori di sbocco 15 in prossimità di e affacciati sulle facce di taglio 17 degli inserti di taglio 5, in modo da investire -possibilmente direttamente- tali facce di taglio e lavarle con dei getti di aria compressa, o di altri fluidi, e allontanare rapidamente dai taglienti 7, 9 le polveri prodottesi durante la lavorazione. In questo modo si evita che le polveri notevolmente abrasive, permanendo troppo a lungo negli spazi tra i taglienti e la superficie del materiale composito da essi tagliata, usurino e deteriorino rapidamente i taglienti 7, 9; inoltre si ottiene una rugosità più fine, o comunque una migliore finitura superficiale, delle superfici tagliate; si ritiene infatti che le polveri peggiorino la rugosità della superficie tagliata. Il sistema di raffreddamento ed evacuazione delle polveri dall'interno dell'utensile 1 si è rivelato più efficace di sistemi con getti d'aria dall'esterno, che altre società stavano sperimentando ai tempi del concepimento e sviluppo della presente invenzione.

Nell'esempio di realizzazione delle Figure 1-4, l'utensile 1 è percorso internamente da un canale longitudinale 11 -che si estende coassialmente e longitudinalmente all'utensile 1 stesso e al suo asse di rotazione AR- e da due canali trasversali 13, che si diramano dal canale longitudinale 11 trasversalmente all'utensile 1 e al suo asse di rotazione AR. I canali 11 e 13 vengono anche indicati, nella presente descrizione, come "canali di lavaggio". Nell'esempio di realizzazione delle Figure 1-4, i canali trasversali 13 sboccano all'esterno dell'utensile 1 con quattro fori di sbocco 15, in prossimità di e affacciati sulle facce di taglio 17 degli inserti di taglio 5.

Preferibilmente i canali trasversali 13 in prossimità dei fori di sbocco 15, e i fori di sbocco stessi, hanno un diametro variabile indicativamente tra 05 e 8 mm e, più preferibilmente, tra 1 mm e 4 mm.

Preferibilmente, il numero NF dei fori di sbocco 15 che lavano una determinata faccia di taglio 17 viene determinato sulla base della seguente formula:

(1) NF = α X LT

dove LT è la lunghezza del tagliente laterale 7 (Figura 3) espressa in millimetri, e α è un fattore moltiplicativo variabile tra 0,04 e 0,4 e, più preferibilmente, tra 0,08 e 0,18.

Preferibilmente il diametro DFO di ciascun foro di sbocco 15 viene determinato sulla base della seguente formula:

(2) DFO = α X DFR

dove DFR è il diametro di taglio della fresa (Figura 2), cioè il diametro del cilindro descritto dai taglienti laterali 7 in condizioni di progetto, durante la lavorazione.

Preferibilmente il foro di sbocco 15 più prossimo all'estremità dell'utensile 1 è posizionato a una distanza DEX (Figura 3), lungo l'asse di rotazione AR, da tale estremità libera, sostanzialmente compresa tra due terzi e un quarto del diametro di taglio della fresa. Più preferibilmente, tale distanza DEX è sostanzialmente non inferiore a un terzo del diametro di taglio della fresa.

Preferibilmente due fori di sbocco 15 adiacenti sono separati da un interasse DFS (Figura 3) sostanzialmente non minore di un quarto della lunghezza LT del tagliente laterale 7.

I taglienti laterali 7 e/o frontali 9 degli inserti di taglio 5 sono ricavati su uno strato di materiale di taglio 19 (Figura 4) che, preferibilmente, è diamante policristallino -anche indicato, nel gergo tecnico, come PCD, polycrystalline diamond, o PDC, polycristalline diamond compact- o di carburo di tungsteno (WC). Preferibilmente tale strato 19 comprende micropolveri di diamante sintetico con una granulometria variabile da 2 a 30 millesimi di mm.

La scelta di tale materiale e di tale granulometria risulta migliorare notevolmente la durata della vita operativa dell'utensile 1.

Lo strato 19 di diamante policristallino ha uno spessore preferibilmente non inferiore a 0,1 mm e, più preferibilmente, non inferiore a 0,4 mm (per esempio variabile tra 0,4 mm e 1,5 mm).

Preferibilmente tale strato 19 di diamante policristallino è sinterizzato su uno strato sottostante 21 di carburo di tungsteno, e lo spessore totale dei due strati di diamante policristallino 19 e di carburo di tungsteno 21 varia preferibilmente da 0,8 mm a 3,2 mm.

Preferibilmente gli inserti di taglio 5, composti dallo strato di diamante policristallino 19 e dallo strato di carburo di tungsteno 21, sono fissati sul supporto portataglienti 3 tramite brasatura e, preferibilmente, il supporto portataglienti 3 è realizzato anch'esso in carburo di tungsteno.

Il fissaggo tramite sinterizzazione dello strato di diamante policristallino 19 sul substrato di carburo di tungsteno 21, e il fissaggio tramite brasatura degli inserti di taglio 5 sul supporto 3 contribuiscono ad allungare la vita operativa dell'utensile 1: tali sistemi di fissaggio infatti permettono di ottenere un assieme più solido, compatto e monolitico, riducendo vibrazioni e movimenti indesiderati e facendo lavorare i taglienti dell'utensile in condizioni più simili a quelle di progetto. Inoltre essi, eliminando o riducendo notevolmente -rispetto per esempio a un sistema di fissaggio degli inserti di taglio 5 puramente meccanico- le fessure e gli spazi vuoti tra gli inserti di taglio 5 e il supporto 3, consentono una migliore trasmissione del calore per conduzione dall'esterno verso l'interno dell'utensile 1, dove passano i canali di lavaggio, aumentando l'effetto raffreddante dei canali. Allo stesso tempo il raffreddamento del diamante policristallino, o altro materiale di taglio, ne aumenta la resistenza all'abrasione.

Combinando gli accorgimenti di cui sopra, in particolare combinando canali di lavaggio interni all'utensile di fresatura con la scelta di materiali sopra descritta -in particolare di diamante policristallino come materiale di taglio-, è stato possibile aumentare anche del 1500-2000% o più la vita operativa di un utensile 1, rispetto a utensili in carburo di tungsteno integrali non raffreddati, di tipo noto: infatti, mentre con tali utensili noti, e rispettando predeterminati requisiti di qualità, non si è mai raggiunta una vita operativa superiore ai 2 metri di taglio, con gli utensili sopradescritti di diamante policristallino raffreddati, secondo l'invenzione, si sono raggiunte vite operative anche di 40 metri di lunghezza di taglio; allo stesso tempo, nella zona di taglio si è riusciti a mantenere la temperatura inferiore a 180°C -cioè alla temperatura di polimerizzazione del materiale composito fresato- con un flusso di aria di raffreddamento.

Le Figure 5-7 sono relative a una seconda forma di realizzazione di un utensile di fresatura secondo la presente invenzione. In questa seconda forma di realizzazione l'utensile 1' è provvisto di due fori di sbocco 15' predisposti per emettere dei getti d'aria -o di altro fluido di pulizia- verso le facce di taglio 17' longitudinalmente all'asse di rotazione dell'utensile 1', anziché trasversalmente come avviene nella forma di realizzazione delle Figure 1-4. Preferibilmente all'interno dell'utensile 1' vengono ricavati due canali di lavaggio 11', uno per ciascun foro di sbocco 15'. Preferibilmente, tali canali 11' sono longitudinali all'asse di rotazione Ar dell'utensile, il più possibile rettilinei e non coassiali con l'asse di rotazione AR -mentre, nell'esempio di realizzazione delle Figure 1-4, il canale di lavaggio 11 è coassiale all'asse di rotazione AR. La scelta die materiali e il loro sistema di fissaggio sull'utensile 1' sono preferibilmente gli stessi della forma di realizzazione delle Figure 1-4. La Richiedente ha riscontrato che anche con questa seconda forma di realizzazione si ottiene un buon raffreddamento dell'utensile 1' e una efficace rimozione delle polveri di fresatura dalla zona di taglio, ma non tanto quanto con la disposizione dei fori di sbocco della forma di realizzazione delle Figure 1-4: nella forma di realizzazione delle Figure 1-4, il fatto che i fori di sbocco 15 orientino i getti di aria -o altro fluido di pulizia- in direzioni trasversalmente all'asse di rotazione AR sembra rendere più efficace l'evacuazione di sfridi, trucioli e polveri dalla zona di taglio.

In un suo secondo aspetto, la presente invenzione riguarda un metodo per la fresatura di un materiale composito comprendente un materiale di rinforzo annegato in una matrice polimerica. In una forma di realizzazione particolare di tale metodo, il materiale di rinforzo del materiale composito è formato da fibre di carbonio, e tali fibre sono annegate in una matrice di resina epossidica; tale materiale composito viene fresato con l'utensile 1 o 1' precedentemente descritto, iniettando aria compressa nei canali di lavaggio 11, 13 o 11'.

Gli esempi di realizzazione precedentemente descritti sono suscettibili di diverse modifiche e variazioni pur senza fuoriuscire dall’ambito di protezione della presente invenzione.

Per esempio il numero degli inserti di taglio 5, 5' può essere chiaramente minore o maggiore di due. In sostituzione del diamante policristallino si possono usare anche altri materiali di taglio, come per esempio carburo di tungsteno, nitruro di boro cubico, carburo di silicio, carburo di boro, boruro di titanio, nitruro di titanio, nitruro di alluminio, nitruro di boro cubico, nitruro di silicio, allumina, SiAlON altri opportuni carburi o nitruri ancora.

Gli inserti di taglio 5, 5' possono essere fissati anche meccanicamente -per esempio con viti o sistemi a incastro- ai supporti 3, 3' e, a tal proposito si precisa che nella presente descrizione l'espressione "inserti di taglio" comprende corpo taglienti fissati a un supporto portataglienti non solo tramite brasatura, saldatura, sinterizzazione o incollaggio, ma anche tramite sistemi di fissaggio meccanico reversibili e no o altri sistemi di fissaggio ancora. Come fluido di lavaggio, oltre che aria, si può usare azoto, altri gas inerti o, ancora più in generale, opportuni aeriformi -gas, vapori o aerosols- o liquidi. Altre modifiche ancora sono chiaramente possibili.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Utensile di fresatura (1, 1') predisposto per fresare ruotando attorno a un asse di rotazione (AR) predeterminato, e comprendente: -un tagliente laterale (7, 7'), disposto sostanzialmente sui fianchi dell'utensile (1, 1'); -una faccia di taglio (17), sulla quale gli eventuali sfridi, trucioli o polveri prodotti dall'utensile (1, 1') si formano e scorrono durante la lavorazione; -un canale di lavaggio (11, 13, 11') ricavato all'interno dell'utensile (1, 1') e predisposto per essere percorso da un fluido di pulizia; dove il canale di lavaggio (11, 13, 11') sbocca, all'esterno dell'utensile (1, 1'), con un foro di sbocco (15, 15') affacciato sulla faccia di taglio (17) in modo che il fluido di pulizia investa la faccia di taglio (17) allontanando dal tagliente laterale gli eventuali sfridi, trucioli o polveri prodotti dall'utensile (1, 1') durante la lavorazione.
2. Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 1, comprendente un tagliente frontale (9, 9'), disposto in testa all'utensile (1, 1'), e un foro di sbocco (15, 15') affacciato sulla faccia di taglio (17) in modo che il fluido di pulizia investa la faccia di taglio (17) allontanando dal tagliente frontale gli eventuali sfridi, trucioli o polveri prodotti dall'utensile (1, 1') durante la lavorazione.
3. Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 1 o 2, dove almeno uno tra il tagliente laterale (7, 7') e il tagliente frontale (9, 9') è ricavato su uno strato (19) di un materiale di taglio comprendente uno o più materiali scelti dal seguente gruppo: diamante, diamante policristallino, carburi, nitruri, carburo di tungsteno, carburo di silicio, carburo di boro, boruro di titanio, nitruro di titanio, nitruro di alluminio, nitruro di boro cubico, nitruro di silicio, allumina.
4. Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 3, dove lo strato (19) del materiale di taglio è ottenuto per sinterizzazione.
5. Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 4, dove lo strato (19) del materiale di taglio è ottenuto per sinterizzazione di polveri di diamante di granulometria variabile tra circa 2 e circa 30 millesimi di mm.
6. Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 4 o 5, dove lo strato (19) del materiale di taglio è ottenuto per sinterizzazione su un sottostante strato (21) di carburo di tungsteno.
7. Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 6, dove l'assieme formato dallo strato del materiale di taglio (19) e dal sottostante strato (21) di carburo di tungsteno è fissato su un supporto portataglienti (3), e il supporto portataglienti (3) è in un materiale sinterizzato.
8. Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 7, dove il materiale sinterizzato del supporto portataglienti (3) comprende carburo di tungsteno.
9. Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 7 o 8, dove l'assieme formato dallo strato del materiale di taglio (19) e dal sottostante strato (21) di carburo di tungsteno è fissato sul supporto portataglienti (3) tramite brasatura.
10.Utensile (1, 1') secondo una o più rivendicazioni precedenti, dove il foro di sbocco (15) è predisposto per dirigere un getto di fluido di pulizia trasversalmente all'asse di rotazione (AR) dell'utensile (1).
11.Utensile (1, 1') secondo una o più rivendicazioni da 1 a 9, dove il foro di sbocco (15) è predisposto per dirigere un getto di fluido di pulizia longitudinalmente all'asse di rotazione (AR) dell'utensile (1).
12. Utensile (1, 1') secondo una o più rivendicazioni precedenti, dove il foro di sbocco (15, 15') ha un diametro compreso tra circa 0,5 e 8 millimetri.
13.Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 12, dove il foro di sbocco (15, 15') ha un diametro compreso tra circa 1 e 4 millimetri.
14. Utensile (1, 1') secondo una o più rivendicazioni precedenti, dove il tagliente laterale (7, 7'), ruotando attorno all'asse di rotazione (AR) dell'utensile (1, 1'), è tale da descrivere sostanzialmente un cilindro avente diametro DFR, e il foro di sbocco (15) ha un diametro (DFO) compreso tra circa 0,04 volte e 0,4 volte il diametro DFR.
15. Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 14, dove il foro di sbocco (15) ha un diametro (DFO) compreso tra circa 0,08 volte e 0,18 volte il diametro DFR.
16.Utensile (1, 1') secondo una o più rivendicazioni precedenti, dove il numero (NF), dei fori di sbocco (15) predisposti per dirigere getti del fluido di pulizia sulla faccia di taglio (17), è compreso tra 0,04 volte e 0,4 volte la lunghezza (LT) per la quale il tagliente laterale (7, 7') si estende lungo l'asse di rotazione (AR) dell'utensile (1, 1').
17. Utensile (1, 1') secondo la rivendicazione 16, dove il numero (NF), dei fori di sbocco (15) predisposti per dirigere getti del fluido di pulizia sulla faccia di taglio (17), è compreso tra 0,08 volte e 0,18 volte la lunghezza (LT) per la quale il tagliente laterale (7, 7') si estende lungo l'asse di rotazione (AR) dell'utensile (1, 1').
18.Utensile (1, 1') secondo una o più rivendicazioni precedenti, dove il foro di sbocco (15) più prossimo a una delle estremità dell'utensile (1) si trova a una distanza (DEX), da tale estremità, sostanzialmente compresa tra due terzi e un quarto del diametro DFR del cilindro descritto dal tagliente laterale (7, 7') ruotando attorno all'asse di rotazione (AR) dell'utensile (1, 1').
19. Utensile (1, 1') secondo una o più rivendicazioni precedenti, comprendente un numero di taglienti laterali (7, 7') variabile da due a dodici.
20. Utensile (1, 1') secondo una o più rivendicazioni precedenti, comprendente un numero di fori di sbocco (15) variabile tra uno e sei per ogni faccia di taglio (17).
21. Metodo per la fresatura di un materiale composito comprendente un materiale di rinforzo annegato in una matrice polimerica, dove il metodo comprende le seguenti operazioni: -predisporre un utensile di fresatura (1, 1') secondo una o più rivendicazioni precedenti; -fresare il materiale composito con l'utensile (1, 1') iniettando un fluido di pulizia in un canale di lavaggio (11, 13, 11') ricavato all'interno dell'utensile (1, 1'), in modo da allontanare da un tagliente laterale (7, 7') e/o da un tagliente frontale (9, 9') gli eventuali sfridi, trucioli o polveri prodotte durante la fresatura.
22. Metodo secondo la rivendicazione 21, dove il fluido di pulizia è scelto dal seguente gruppo: un liquido, un fluido aeriforme, un gas, un vapore, aerosol, aria, azoto, un gas inerte.
23. Metodo secondo la rivendicazione 21 o 22, dove il materiale di rinforzo comprende fibre di carbonio.
24. Metodo secondo una o più rivendicazioni da 21 a 24, dove la matrice polimerica comprende una resina epossidica.