Produção e caracterização de ferramentas de corte obtidas por tecnologia laser

Abstract

A indústria das ferramentas de corte enfrenta atualmente grandes desafios uma vez que nos últimos anos, novos materiais com elevada dureza e baixa condutividade térmica estão, cada vez mais, a ser utilizados. Este panorama leva a que seja necessário desenvolver novas soluções usando materiais e processos de fabrico inovadores. A baixa condutividade térmica destes materiais resulta num rápido aumento da temperatura na zona de corte durante o processo de maquinagem induzindo assim uma taxa de desgaste rápida na ferramenta de corte, reduzindo a sua vida útil. Deste modo, a temperatura na aresta de corte desempenha um papel crucial durante o processo de maquinagem, procurando esta indústria novas formas para a reduzir eficazmente. A adição de materiais condutores à ferramenta de corte pode aumentar a sua condutividade térmica, permitindo reduzir a temperatura na aresta de corte e consequentemente o seu desgaste, aumentando o seu tempo de vida útil. Este trabalho consiste no desenvolvimento e produção de ferramentas de corte de metal duro (WC-Co) com canais de escoamento de calor que permitam aumentar a capacidade de extração de calor destas ferramentas. Este trabalho foi realizado em colaboração com a empresa PALBIT S.A. que pretende incorporar nas suas ferramentas de corte soluções que reduzam estes problemas. Inicialmente foram desenvolvidos vários designs para os canais de escoamento, cuja eficácia quanto à extração de calor foi aferida por via de simulação numérica. Partindo de compactos a verde, foi selecionada a tecnologia laser para a maquinagem dos canais de escoamento de calor, devido à versatilidade desta tecnologia. Após a maquinagem a laser estes compactos foram sinterizados e subsequentemente os canais de escoamento de calor foram preenchidos com materiais condutores. Os parâmetros de processamento utilizados na maquinagem a laser, especialmente a potência, velocidade de varrimento e espaçamento entre linhas, foram aferidos, uma vez que influenciam significativamente o processo de maquinagem, nomeadamente a qualidade do acabamento superficial, bem como a capacidade de remoção de material por parte do laser. A condutividade térmica das ferramentas desenvolvidas e produzidas foi obtida a partir da medição da resistividade elétrica a quatro pontos, usando a equação de Wiedemann-Franz. Os resultados mostraram que a adição de materiais condutores permite aumentar a condutividade térmica do metal duro em 110 e 130 % quando se adiciona cobre ou alumínio, respetivamente.

The cutting tool industry is currently facing major challenges as new materials with high hardness and low thermal conductivity are increasingly being used in recent years. This scenario leads to the need to develop new solutions using innovative materials and manufacturing processes. The low thermal conductivity of these materials results in a rapid increase in temperature in the cutting zone during the machining process, thereby inducing a rapid wear rate on the cutting tool, reducing its life time. In this way, the temperature at the cutting edge plays a crucial role during the machining process, seeking this industry new ways to effectively reduce it. The addition of conductive materials to the cutting tool can increase its thermal conductivity, allowing to reduce the temperature at the cutting edge and consequently its wear, increasing its life time. This work addresses the development and production of carbide cutting tools (WC-Co) having heat transfer channels to increase the heat extraction capacity of these tools. This work was performed in collaboration with the company PALBIT S.A., that intends to integrate in their cutting tools the solutions that allow to reduce the abovementioned problems. Initially, several designs were developed for the channels, whose efficiency in the extraction of heat was measured by means of numerical simulation. Starting from a green body, laser technology was selected for the machining of these heat transfer channels, due to the versatility of this technology. After laser machining, these compacts were sintered and subsequently the heat transfer channels were filled with conductive materials. The processing parameters used for the laser machining, especially the power, scanning speed and line spacing, were evaluated as they significantly influence the machining process, namely the surface finish quality as well as the ability of the laser to remove material. The thermal conductivity of the tools developed and produced was obtained by measuring the electrical resistivity at four points, using the Wiedemann-Franz equation. The results showed that the addition of conductive materials allows to increase the thermal conductivity of hard metal by 110 and 130% when copper or aluminum is added, respectively.