PT105628B - Processo de abertura de canais internos contínuos em componentes maciços sem alteração da cota de superfície processada e respectiva ferramenta modular ajustável - Google Patents

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE AO PROCESSO DE ABERTURA DE CANAIS INTERNOS CONTÍNUOS EM COMPONENTES MACIÇOS POR FRICÇÃO LINEAR E UMA FERRAMENTA QUE O PERMITE REALIZAR. A INOVAÇÃO CONSISTE NO FACTO DO MATERIAL EM PROCESSAMENTO, PARA ALÉM DE SER PUXADO DO INTERIOR DO BLOCO MACIÇO PARA A SUPERFÍCIE EM PROCESSAMENTO, SER CONTINUAMENTE CONDUZIDO DO INTERIOR DO BLOCO MACIÇO PARA O EXTERIOR DA FERRAMENTA, PERMANECENDO A SUPERFÍCIE PROCESSADA NA SUA COTA ORIGINAL, COM UMA ÚNICA UTILIZAÇÃO DA FERRAMENTA. COM ESTA FERRAMENTA, O MATERIAL ORIGINÁRIO DO INTERIOR DO BLOCO MACIÇO PODE FICAR NA FORMA DE REBARBA, OU SER, EM ACTO CONTÍNUO, CORTADO POR UM SISTEMA DE CORTE POR ARRANQUE DE APARA. A CONCEPÇÃO MODULAR DA FERRAMENTA PERMITE SUBSTITUIR COMPONENTES E TESTAR A INFLUÊNCIA DE DIFERENTES COMBINAÇÕES DE PARÂMETROS GEOMÉTRICOS.

Description

DESCRIÇÃO

Processo de Abertura de Canais Internos Contínuos em

Componentes Maciços Sem Alteração da Cota da Superfície

Processada e Respetiva Ferramenta Modular Ajustável

Campo da invenção

A presente invenção refere-se ao processo de abertura de canais internos contínuos por fricção linear em componentes maciços e respetiva ferramenta modular ajustável e refrigerável e tem aplicações em Engenharia Mecânica, mais especificamente em Tecnologia Mecânica de Fabrico e em Processamento no Estado Sólido.

Campo técnico em que a invenção se insere

A presente invenção refere-se ao processo de abertura de canais internos contínuos em componentes maciços com formação de rebarba removível, ao longo de qualquer caminho e sem alteração da cota da superfície processada e respetiva ferramenta modular ajustável.

Estado da técnica

A produção de canais internos contínuos com formas variáveis é uma capacidade inovadora no âmbito das tecnologias mecânicas de produção que vem permitir desenvolvimentos relevantes em muitos produtos e aplicações.

Este novo conceito permite, por exemplo, realizar sistemas de arrefecimento/aquecimento otimizados com canais a acompanhar de forma contínua, mesmo para geometrias complexas, as zonas alvo de permuta de calor.

Muitas outras aplicações poderão surgir, nomeadamente para:

i) produção de componentes estruturais, multicelulares ou compósitos, com melhor desempenho resistência/peso;

ii) passagem de cablagens no interior de estruturas metálicas com aplicação nas indústrias automóvel e aeronáutica.

Já existem diversas técnicas, de aplicação perfeitamente consagrada, de furação e corte aplicadas na realização de canais internos em blocos maciços. De entre estas técnicas destacam-se:

i) técnicas de base mecânica como é o caso da furação com brocas e/ou fresas;

ii) técnicas eletroquimicas, como a eletroerosão.

Apesar de serem técnicas de fabrico de elevada produtividade, nenhuma destas técnicas permite variações continuas do caminho e/ou da forma do canal no interior de blocos maciços.

De entre as múltiplas técnicas de prototipagem rápida, existem algumas que permitem a produção de canais internos, no entanto, têm baixa produtividade e tipicamente os produtos resultantes não têm propriedades químicas, elétricas e de resistência mecânica que permitam a sua utilização como produto final.

Assim, o processo de abertura de canais internos por fricção linear, inventado e com uma aplicação patenteada em Abril de 2008 (patente US 7,354,657 B2, 8 de Abril de 2008; Mishra, Rajiv S.), vem apresentar uma solução relevante no complemento das tecnologias de produção mecânica existentes. No entanto, o conceito apresentado apenas permite transferir/puxar o material do interior do bloco maciço para a superfície em processamento, alterando a cota original e afetando o acabamento original da superfície processada [1].

A presente invenção permite realizar o processo de abertura de canais internos por fricção linear com um conceito inovador em que o material, para além de ser puxado do interior do bloco maciço para a superfície em processamento, é continuamente conduzido do interior do bloco maciço para o exterior da base da ferramenta, por açao conjugada e complementar entre o pino e a base da ferramenta, permanecendo a superfície processada na sua cota original. Na presente invenção, o material originário do interior do bloco maciço pode ficar na forma de rebarba ou ser, em ato contínuo, cortado por um sistema de corte por arranque de apara.

A presente invenção além de permitir realizar de forma inovadora o conceito original do processo de abertura de canais internos por fricção linear, baseia-se num conceito modular que permite substituir componentes e testar a influência de diferentes combinações de parâmetros geométricos.

Já existem outras patentes sobre ferramentas modulares para tecnologias mecânicas de produção por fricção linear em estado sólido, nomeadamente para soldadura e processamento metalúrgico, como por exemplo: PT 104072, US 6,994,242 B2, US 2006/0032891 Al, US 7,275,675 Bl, US 7,383,975 B2, EP 1 077 787 Bl, WO 01/28732 Al. No entanto, a presente invenção é diferente de todas as outras já existentes, pois os seus componentes de pino e base vão promover ações opostas de fluxo de material relativamente aos conceitos de soldadura e processamento metalúrgico e incorpora um sistema de corte contínuo de arranque da apara resultante do fluxo de material proveniente do interior do bloco maciço, onde está a ser aberto o canal.

A presente invenção é inovadora permitindo tornar o processo de abertura de canais internos por fricção linear, mais eficaz, versátil e menos dispendioso.

Resumo da invenção

A presente invenção refere-se ao processo de abertura de canais internos contínuos por fricção linear e respetiva ferramenta modular ajustável e refrigerável.

processo, por via de ação da ferramenta, tem a capacidade de produzir canais internos contínuos em componentes maciços, ao longo de qualquer caminho e deixando a superfície de processamento na cota original apenas com uma única utilização da ferramenta. A ferramenta, animada de movimento de rotação e de translação (avanço linear), força a remoção, para o seu exterior, de material do interior de uma zona maciça permanecendo a superfície processada na sua cota original devido à interação entre o material em processamento e os principais componentes da ferramenta.

Descrição detalhada da invenção

A presente invenção consiste num processo de abertura de canais internos, contínuos em componentes maciços, por fricção linear ao longo de qualquer caminho permanecendo um canal aberto ou fechado e a superfície de processamento na cota original com uma única utilização da ferramenta e respetiva ferramenta modular ajustável e refrigerável, de conceção modular descartável, que permite diferentes combinações de parâmetros geométricos pino+base e porta pastilha+pastilha de corte.

Descreve-se, em seguida, as etapas do processo de abertura de canais internos contínuos, em componentes maciços, por fricção linear:

Um único componente maciço (por exemplo, uma única placa de uma liga de alumínio) é fixo à mesa de trabalho do equipamento (9) a ser utilizado, por via de grampos de aperto vertical. A fixação do componente impede o movimento do mesmo relativamente à mesa de trabalho. Uma ferramenta não consumível, contendo uma base plana estriada ajustável (2) e um pino cilíndrico roscado ajustável (3), produzida num material mais duro (por exemplo, aço) do que o componente a ser processado (placa de alumínio), é fixa ao equipamento (9) e colocada em rotação. 0 pino cilíndrico roscado ajustável (3) e não consumível, com altura máxima igual ao seu diâmetro, em rotação, penetra axialmente no componente a ser processado com uma velocidade linear máxima de penetração de 0.lmm/s. 0 pino cilíndrico roscado ajustável (3) penetra até uma profundidade definida por: h-h, onde h representa a altura do pino cilíndrico roscado ajustável (3), medida a partir da base plana da base ajustável (2) da ferramenta e h_e a altura das estrias em espiral maquinadas na base ajustável (2) da ferramenta. Estabelecido o contacto entre a(s) estria(s) da base ajustável (2) da ferramenta e o componente a ser processado, a ferramenta é mantida em rotação durante um período de 3 a 10 segundos de modo a que sejam estabelecidas as condições termomecânicas adequadas para a realização da processo. Findo o período mencionado, a ferramenta, em rotação, inicia o movimento linear de avanço relativamente ao componente a ser processado. A ação conjugada dos movimentos de rotação, horário ou anti-horário, e de translação da ferramenta combinada com a geometria da rosca do pino cilíndrico roscado ajustável (3) , direita ou esquerda, respetivamente, faz com que o material, no estado visco-plástico, na vizinhança do pino cilíndrico roscado ajustável (3), no interior do componente em processamento, seja transportado axialmente, do interior para o exterior do componente em processamento, por via dos filetes da rosca do pino cilíndrico roscado ajustável (3), no sentido da base ajustável (2) da ferramenta, formando o canal interno. A base ajustável (2) da ferramenta recebe, na zona central, o material transportado pelos filetes da rosa do pino cilíndrico roscado ajustável (3), proveniente do interior do componente em processamento e transporta radialmente esse material, do centro para a sua periferia, por acção das suas estrias colocadas em espiral. 0 material proveniente do interior do componente em processamento, transportado, numa primeira fase, pelos filetes da rosca do pino cilíndrico roscado ajustável (3) e, numa segunda fase, pela(s) estria(s) da base ajustável (2), é libertado na periferia da base ajustável (2) sob a forma de apara ou de rebarba. Após executar a trajetória previamente definida, a ferramenta, em rotação, é retirada do componente processado.

A ferramenta permite o processamento de componentes com diferentes espessuras, por via do comprimento do pino cilíndrico roscado ajustável (3) ser ajustável, permite efetuar diferentes acabamentos superficiais dado a base ajustável (2) suportar porta-pastilhas (4) com diferentes geometrias o que possibilita a utilização de pastilhas de corte (5) com diferentes geometrias capazes de efetuarem diferentes acabamentos superficiais e possibilita a refrigeração forçada direta do corpo da ferramenta (1) e pino cilíndrico roscado ajustável (3), e indireta dos restantes componentes, por meio da circulação de um fluido refrigerante.

principal objetivo desta invenção é realizar a abertura de canais internos contínuos, por fricção linear, permanecendo a superfície processada na cota original, permitindo a utilização imediata do componente.

Optou-se por uma configuração modular descartável visto a diferente configuração dos canais e respetiva localização no interior dos componentes maciços variar com grande frequência. Tal facto implica a necessidade de utilizar uma vasta gama de combinações de parâmetros geométricos: pino cilíndrico roscado ajustável (3) + base ajustável (2) e de proceder, simultaneamente, ao acabamento superficial dos componentes processados, fazendo uso da(s) pastilha (s) de corte (5) incorporada(s).

A interação entre a superfície exterior do pino cilíndrico roscado ajustável (3) e o material em processamento faz com que uma determinada quantidade de material sujeito à ação do pino cilíndrico roscado ajustável (3), seja puxado axialmente, desde a sua extremidade, na direção da base ajustável (2); a interação entre a base ajustável (2) e o material em processamento promove o movimento radial, do material em processamento, do centro da base ajustável (2) para a sua periferia e o material em processamento que sai radialmente da periferia da base ajustável (2) é ou pode ser imediatamente cortado pelas pastilhas de corte (5) e removido para fora da zona processada pela ação do conjunto porta-pastilha (4), pastilha de corte (5) e face lateral da base ajustável (2).

Esta ferramenta foi concebida tendo por base alguns critérios impostos por requisitos de funcionamento que se consideram mandatários, nomeadamente:

1) Modularidade das geometrias base ajustável (2) e pino cilíndrico roscado ajustável (3) para permitir a abertura de canais com elevada diversidade de parâmetros usando a mesma ferramenta;

2) Modularidade das geometrias porta-pastilha (4) e pastilha de corte (5) para permitir diferentes acabamentos superficiais do bloco maciço usando a mesma ferramenta;

3) Refrigeração forçada da ferramenta, de preferência com contacto direto do fluido refrigerante com o elemento mecânico e termicamente mais solicitado: pino cilíndrico roscado ajustável (3), permitindo a aplicação da ferramenta na abertura de canais em materiais mais resistentes, que consequentemente envolvem maior entrega calorífica;

4) Afinação controlada do comprimento saliente do pino cilíndrico roscado ajustável (3), de forma contínua ou discreta com incrementos iguais ou inferiores a lOOqm, para permitir a abertura de canais com diferentes localizações/profundidades no interior dos componentes maciços;

5) Ajuste do comprimento saliente do pino ajustável (3), no sentido ascendente ou descendente, sem necessidade de desmontar a ferramenta da pinça do equipamento, para aumentar a rapidez das afinações, e sem alteraçao do comprimento total da ferramenta, para manter a referência da posição da extremidade do pino cilíndrico roscado ajustável (3) relativamente à base da mesa de suporte dos componentes a processar;

Afinaçao da altura da pastilha de relativamente à base da base da ferramenta, de forma a controlar a quantidade de apara a eliminar, para permitir diferentes acabamentos superficiais dos componentes a processar;

7) Ajuste da altura da pastilha de corte (5), no sentido ascendente ou descendente, sem necessidade de desmontar a ferramenta da pinça do equipamento, para aumentar a rapidez das afinações sem prejuízo de nenhum dos restantes parâmetros de controlo do processo;

Ser robusta e compacta com elevada resistência mecânica em funcionamento e em montagem/desmontagem, de preferência com os elementos roscados nao sujeitos completamente aos esforços envolvidos, para garantir a sua longevidade e o seu correto funcionamento;

rígida, nao consumível e os componentes em contacto com os materiais a serem processados apresentarem um desgaste inferior a

ΙΟΟμιη durante a execução do trabalho.

Atendendo à necessidade de satisfazer simultaneamente estes requisitos, concebeu-se a presente invenção, que é constituída por 8 componentes para os quais se adotou a seguinte nomenclatura: corpo da ferramenta (1), base pino cilíndrico porta-pastilha pastilha de corte (5), pernos de base do porta-pastilha de do pino perno de fixaçao do corpo (10) ao equipamento (9).

Descreve-se seguidamente o modo de funcionamento da nova ferramenta:

componente estrutural que serve de suporte aos restantes componentes, e que permite a adaptaçao a uma pinça de um equipamento (9) . O corpo da apresenta uma geometria de simetria axial constituída por um veio principal, com uma zona superior preparada para a fixaçao a uma pinça exterior do equipamento. Ao longo desta zona superior existe um furo interior para a introdução de um canal de refrigeração proveniente do equipamento (9) .

Na zona inferior do corpo da ferramenta (1) existe um furo roscado ao longo do eixo axial da ferramenta, que comunica com o furo interior de refrigeração. Neste furo roscado é feita a ligação aparafusada do pino cilíndrico roscado

ajustável (3),	garantindo a	sua	f ixaçao,	o	seu	ajuste
vertical e a	estanqueidade	do	interior	do	corpo da
ferramenta (1) .
Na zona infer	ior do corpo	da	ferramenta	(D	, onde

interiormente existe o furo roscado, existe exteriormente uma zona roscada com seis facetas verticais planas dispostas com distâncias angulares iguais (60 graus) e à mesma distância radial do eixo axial, garantindo a ligação aparafusada da base ajustável (2), permitindo o seu ajuste vertical e assegurando a concentricidade dos componentes corpo da ferramenta (1), pino cilíndrico roscado ajustável (3) e base ajustável (2).

O corpo da ferramenta (1) inclui, na zona inferior, um furo radial roscado passante, no qual é apertado o perno de fixação (8) do pino cilíndrico roscado ajustável (3) contra a superfície superior plana do pino cilíndrico roscado ajustável (3), impedindo a sua rotação.

A base ajustável (2) apresenta um corpo constituído por uma base e por uma parede cilíndrica perpendicular à base contendo um determinado número de facetas perpendiculares à base para receção dos porta-pastilhas (4) . O número de facetas é igual ao número de estrias em espiral da base ajustável (2). A base ajustável (2) tem uma superfície interior roscada de passo de precisão para ligação com o corpo da ferramenta (1) . Cada uma das superfícies planas perpendiculares à base contém um furo roscado onde pode ser fixado o porta-pastilha (4) . No topo de cada uma das paredes laterais existe um canal para escoamento da apara que é cortada pela pastilha de corte (5). A base ajustável (2) contém um furo central, passante, concêntrico com o eixo axial da ferramenta, por onde passa com folga reduzida o pino cilíndrico roscado ajustável (3). Na coroa circular da superfície inferior da base existe uma morfologia especial, constituída por uma, ou mais, estrias em espiral, a qual expulsa para o exterior (do centro para a periferia da base), sob a forma de rebarba, o material proveniente do interior do componente em processamento. A(s) estria(s) em espiral apresenta(m) um perfil trapezoidal retangular cuja base maior está em contacto com a base plana da coroa circular da superfície inferior da base ajustável (2) e a base menor é igual a 1/3 da altura do trapézio retângulo. A altura da(s) estria(s) em espiral pode variar desde um mínimo de 0.5mm até um máximo de lmm.

Na parede cilíndrica da base ajustável (2), existem seis furos roscados passantes, colocados com espaçamentos angulares iguais, com divisões de 1/6 de volta (60 graus) permitindo um ajuste discreto do componente (2) ao corpo da ferramenta (1) . Esta solução possibilita em simultâneo o forte constrangimento do pino cilíndrico roscado ajustável (3) e o ajuste vertical do seu comprimento saliente. O ajuste é baseado na rotação da base ajustável (2) com sucessivos incrementos entre os pernos de fixação (6) e as facetas verticais planas da zona inferior do corpo da ferramenta (1).

O pino cilíndrico roscado ajustável (3) apresenta uma geometria cilíndrica com uma extremidade inferior de morfologia roscada adaptada à abertura de canais internos por fricção linear em componentes maciços que conjugada com os movimentos de rotação e de avanço linear da ferramenta promove o fluxo vertical ascendente de material (em direção da base ajustável (2)) . A zona superior é roscada para se fazer a ligação aparafusada à zona inferior do corpo da ferramenta (1). Na zona da ligação roscada do pino ajustável (3) existe um furo cego interior ao longo do eixo da ferramenta, para aumentar a eficácia da sua refrigeração forçada. Existe uma faceta na zona superior roscada do pino cilíndrico roscado ajustável (3), contra a qual é apertado o perno de fixação (8) do pino cilíndrico roscado ajustável (3), impedindo a sua rotação.

porta-pastilha (4) ajustável apresenta uma geometria adaptada à receção da pastilha de corte (5) e contém um furo cego roscado onde é apertado o parafuso de fixação da pastilha de corte (5) e um rasgo lateral onde é apertado o parafuso de fixação (7) do porta-pastilha (4) contra a faceta lateral plana da base ajustável (2), que permite regular a altura da pastilha de corte (5) relativamente à base da base ajustável (2).

A pastilha de corte (5) apresenta uma geometria adequada para corte por arranque de apara, contém um furo central através do qual passa o parafuso de fixação da pastilha de corte (5) . A pastilha de corte (5) deve ser posicionada junto à extremidade inferior da base ajustável (2) na zona de saída do material/rebarba proveniente do interior do componente em processamento.

A presente invenção pode ser utilizada em diversas aplicações:

• Produzir sistemas de arrefecimento/aquecimento otimizados com canais a acompanhar de forma equidistante as zonas alvo de permuta de calor, mesmo para geometrias complexas. Exemplos de aplicação: sistemas de refrigeração de moldes, permutadores de calor, bombas de calor, blocos de motor de explosão e elétricos;

• Permitir a passagem de cablagens no interior de estruturas metálicas com aplicação nas indústrias automóvel, aeronáutica e ferroviária;

• Produzir componentes estruturais, multicelulares ou compósitos, por exemplo, com melhor desempenho resistência/peso.

Descrição das figuras

A Figura 1 representa uma superfície original (a) e a comparação entre o conceito original do processo de abertura de canais internos por fricção linear (b) e o novo conceito resultante da utilização desta invenção (c) . No novo conceito pretende-se salientar que o módulo de corte (porta-pastilha + pastilha de corte) pode ou não ser incorporado e ilustra-se o resultado de ambas as opções.

A Figura 2 representa uma vista tridimensional de conjunto da ferramenta para abertura de canais internos por fricção linear.

A Figura 3 representa uma vista em corte longitudinal de desenho de conjunto da ferramenta para abertura de canais internos por fricção linear montada na pinça do equipamento.

A Figura 4 representa uma vista tridimensional de desenho de conjunto mostrando em pormenor a geometria da base ajustável (2) e a montagem do porta-pastilha (4) na ferramenta para abertura de canais internos por fricção linear.

A Figura 5 representa duas vistas de topo de desenho de conjunto da ferramenta para abertura de canais internos por fricção linear mostrando a relação de igualdade entre o número de estrias em espiral da base ajustável (2) e o número de porta-pastilhas (4) e respetivas pastilhas de

corte (5)

montados na ferramenta.

A Figura 6 representa uma vista tridimensional em corte transversal de desenho de conjunto da ferramenta para

abertura	de canais internos por fricção linear mostrando em
pormenor	o mecanismo de fixação da base ajustável (2) ao
corpo da	ferramenta (1).
A Figura	7 representa duas vistas longitudinais de desenho

de conjunto da ferramenta para abertura de canais internos por fricção linear mostrando a capacidade e flexibilidade da ferramenta em permitir a montagem de porta-pastilhas (4) e respetivas pastilhas de corte (5) de diferentes geometrias.

Referências Bibliográficas [1] Balasubramanian, N., Mishra, N., Krishnamurthy, K., Friction stir channeling: Characterization of the channels, Journal of Materiais

Processing Technology, 2008.

Claims (4)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Processo de abertura de canais internos contínuos, ao longo de qualquer caminho, realizado por via de uma ferramenta, não consumível, em rotação caracterizado pelas seguintes etapas:

   a) o pino cilíndrico roscado ajustável (3), com altura máxima igual ao seu diâmetro, penetra axialmente no componente a ser processado com uma velocidade linear máxima de penetração de 0.lmm/s até uma profundidade definida por h_p-h_e-,

   b) com o pino na profundidade definida por h_p-h_e, a ferramenta mantida em rotaçao durante um período de 3 segundos;

   inicia-se o movimento linear de avanço da ferramenta relativamente ao componente ser processado;

   d) os filetes da rosca do pino cilíndrico roscado o material axialmente, do interior para o exterior do componente em processamento, no sentido da base ajustável da ferramenta, formando o canal;

   base ajustável da ferramenta transporta(m) radialmente, do para a periferia, o material transportado centro pelos filetes da rosca do pino cilíndrico roscado ajustável (3) deixando o componente processado na sua cota original.
2. 2. Processo de abertura de canais internos contínuos, ao longo de qualquer caminho, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por as etapas serem feitas num único componente, constituído por um único material.
3. 3. Processo de abertura de canais internos contínuos, ao longo de qualquer caminho, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por a etapa de transporte radial do material processado ser realizada por estrias em espiral com altura mínima de 0.5mm e máxima de lmm e com perfil trapezoidal retangular de base menor igual a 1/3 da altura.
4. 4. Utilização do processo de abertura de canais internos contínuos definido nas reivindicações anteriores, caracterizado por ser aplicável em:

   sistemas de refrigeração de moldes;

   b) sistemas de permutadores de calor, bombas de calor, blocos de motor de explosão e elétricos;

   passagem de cablagens no interior de estruturas metálicas nas indústrias automóvel, aeronáutica e ferroviária;

   d) produção de componentes estruturais, multicelulares ou compósitos.