The cvd diamond technology, as an emerging technology, brings an wide field for application, as tribological, abrasive, thermal and optical devices and tools



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Anais do 47º
Congresso Brasileiro de Cerâmica

Proceedings of the 47th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

15-18/junho/2003 – João Pessoa - PB - Brasil



Brocas anelares de diamante CVD – Aplicação para perfuração de vidro boro-silicato

Marcelo Gozeloto 1,2 Vladimir J. Trava-Airoldi 3 Evaldo J. Corat 3 João Roberto Moro1

1- Mestrado em Engenharia e Ciência dos Materiais – Universidade São Francisco R. Alexandre R. Barbosa 45 CEP- 13251-900 joaomoro@saofrancisco.edu.br, 2 - Tyrolit do Brasil Ltda, Cabreúva – SP, 3 - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE – São José dos Campos SP

RESUMO: A tecnologia de crescimento de filmes de diamante CVD tem sido usada para a fabricação de ferramentas de corte especiais, tal como a broca anelar de diamante CVD, aplicadas para usinagem de materiais difíceis, como o vidro boro-silicato. Essa ferramenta é composta por um anel de molibdênio recoberto com diamante CVD, crescido através da técnica assistido por filamento quente. Experimentos mostraram que as brocas anelares de diamante CVD possuem melhores resultados técnicos de operação, quando comparadas com as brocas anelares comerciais, fabricadas com o diamante HPHT, tais como menor ruído operacional e furos obtidos sem defeitos em suas bordas.


PALAVRAS-CHAVE: Diamante CVD, ferramentas de corte, usinagem de vidro, brocas anelares.


Introdução
A tecnologia de crescimento de diamante CVD, como uma tecnologia emergente, possui um rol de propriedades superiores, o que possibilita um amplo campo de aplicações, tais como a preparação de superfícies resistentes à abrasão, dispositivos térmicos e ópticos e ainda a aplicação para a fabricação de ferramentas de corte. [ 1 ]

Pelo fato de o diamante CVD possuir a propriedade de ser crescido como um filme sobre superfícies de diferentes materiais, com formas geométricas diversas, torna-se possível a fabricação de ferramentas de cortes especiais, como as brocas anelares de diamante CVD, utilizadas para a usinagem de vidro boro-silicato.

As brocas anelares de diamante CVD demonstraram, durante a realização de experimentos, bons resultados operacionais, como um tempo menor para a realização da operação de usinagem (perfuração) de placas de vidro boro-silicato, menor ruído operacional, e a obtenção de furos sem defeitos de usinagem, tais como trincas e o estilhaçamento da borda, conhecido como “efeito borboleta”. Os resultados obtidos para as brocas anelares de diamante CVD, utilizadas para fazer furos sobre a superfície de placas de vidro boro-silicato com espessura de 10mm, foram comparados, qualitativa e quantitativamente, com os resultados conhecidos de aplicações de brocas anelares comerciais, fabricadas com o diamante HPHT, (high pressure, high temperature). [ 2 ]
A broca anelar de diamante CVD

Os primeiros estudos no Brasil para a construção de brocas anelares de diamante CVD ocorreram nos anos 90, e estes foram orientados para a fabricação de ferramentas aplicadas para a odontologia.[3 - 5]. Depois, alguns estudos foram realizados para se fabricar uma ferramenta capaz de usinar (perfurar) placas de vidro boro-silicato com resultados técnicos satisfatórios. A continuidade desses estudos originou um trabalho completo, descrito em uma dissertação de mestrado.[6]

A típica broca anelar de diamante CVD é o resultado da junção de duas partes: A) a primeira e mais importante, que é o anel fabricado em molibdênio, recoberto com diamante CVD em torno de sua periferia e topo e B) o corpo ou suporte metálico, sobre o qual é fixado o anel de molibdênio. A junção das duas partes é feita pela aplicação de adesivo, resistente a esforços mecânicos e agentes químicos.

A fotografia da figura 01 mostra o anel de molibdênio recoberto com diamante CVD.

O suporte metálico é usado para a fixação do anel de molibdênio. Este é fabricado com aço ABNT 1020. A fotografia da figura 02 mostra o suporte metálico já usinado e pronto para utilização.




3,0 mm


10mm



Fig. 01 - O anel de molibdênio. Fig. 02 - Suporte metálico
A fotografia da figura 03 mostra uma típica broca anelar de diamante CVD, acabada e pronta para realizar a operação de perfuração de placas de vidro boro-silicato.



10mm



Fig. 03 - Típica broca anelar de diamante CVD pronta para uso.

As características dimensionais das brocas anelares de diamante CVD apresentadas neste artigo são como segue:



a-) Diâmetro externo do anel: 7,0mm

b-) Diâmetro interno do anel: 4,0mm

c-) Altura do anel: 5,0mm

d-) Comprimento total: 50,0mm

Os filmes de diamante crescidos sobre as superfícies do anéis de molibdênio têm espessuras entre 75m a 45m. A maior concentração ocorreu sobre o topo do anel e imediatamente após essa região, até aproximadamente 2,0mm de distância do topo, ao redor dos diâmetros externos desses anéis. Os filmes de diamante foram obtidos pelo emprego da técnica de crescimento HFCVD – “hot filament chemical vapor deposition”. Os parâmetros utilizados para a realização dos crescimentos dos filmes de diamante basearam-se em experiências anteriores, realizadas pelos pesquisadores do laboratório de diamante e materiais relacionados do campus de Itatiba da Universidade São Francisco. [6 - 8]


TESTE COMPARATIVO DAS BROCAS

Realizamos uma simulação industrial, onde as brocas anelares de diamante CVD foram aplicadas segundo condições reais a que são submetidas as brocas anelares comerciais, modelo Expert, fabricadas com o diamante HPHT. Utilizamos o equipamento modelo DADO 1078, fabricado pela empresa italiana FORVET, que já é empregado para a realização de operações de perfurações em placas e objetos de vidro com brocas anelares de diamante HPHT.

A tabela 01 mostra os valores empregados para a realização dos ensaios com as brocas anelares comerciais e as brocas anelares de diamante CVD.
Tabela 01. Definição de parâmetros de corte


Parâmetro

Valor

  1. Pressão de corte

15,5 kgf/cm2

  1. Rotação da ferramenta

200 revoluções / minuto


  1. Vazão de refrigerante

1litro / min

A fotografia da figura 04, mostra a perfuração de uma placa de vidro com uma broca anelar de diamante CVD onde não se observam a formação do “efeito borboleta”.

A fotografia da figura 05 mostra a perfuração de uma placa de vidro boro-silicato onde ocorreu o “efeito Borboleta”. Esta perfuração foi realizada utilizando-se uma broca anelar de diamante HPHT, modelo Expert.

As brocas anelares de diamante CVD apresentaram dimensionais, resultantes da operação de perfuração, coerentes com a aplicação desse tipo de ferramenta. Esses dimensionais foram comparados com os dimensionais obtidos quando são utilizadas brocas anelares de diamante HPHT. Aqui classificamos essas brocas por letras que indicam, a composição química da liga metálica que compõe juntamente com o diamante HPHT o elemento de abrasão desses modelos de brocas anelares.





1,5mm



Fig. 04 - Fotografia de um furo em vidro boro-silicato com broca anelar de diamante CVD. Notamos claramente que não houve o “efeito borboleta”.



15mm


Fig. 05 - Fotografia de dois furos realizados com broca anelar de diamante HPHT. Observamos nitidamente o “efeito borboleta”.
O gráfico da figura 06 compara os resultados dimensionais conhecidos, obtidos pelo emprego das brocas anelares de diamante HPHT.

Os níveis de ruído que uma ferramenta de corte produz quando em operação são significativos e são considerados na escolha de uma ferramenta de corte. Atualmente a legislação trabalhista mundial toma em consideração aspectos que envolvam a saúde e segurança humana, o que, portanto, influencia a escolha de uma ferramenta a ser utilizada em processos industriais.

A tabela 02 compara os valores obtidos em decibéis com o emprego da broca anelar de diamante CVD e de diversas brocas anelares de diamante HPHT, obtidos durante a realização da operação de perfuração da placa de vidro boro-silicato.

As brocas anelares de diamante CVD que foram usadas neste trabalho apresentaram a quantidade média de 40 furos realizados, o que significa em torno de dez por cento dos furos que uma broca similar, fabricada com o diamante HPHT, disponível no mercado, pode realizar.

O desempenho das brocas anelares de diamante CVD pode aumentar drasticamente em função da melhoria da adesividade do filme de diamante CVD sobre a superfície do anel de molibdênio.




Fig. 06 - Gráfico de comparação do dimensional do furo.

Tabela 02 - Níveis de ruído.


Broca anelar

Menor valor

Valor médio

Maior valor

CVD

74

75

77

HPHT liga A

80

82

83

HPHT liga B

80

81

82

HPHT liga C

82

83

85

HPHT liga D

82

82

84

HPHT liga E

80

83

84

O tempo necessário para que as brocas anelares de diamante CVD perfurem uma placa de vidro boro-silicato de espessura de 10mm com diâmetro de 7,0mm está em concordância com os tempos que são obtidos quando são empregadas brocas anelares de diamante HPHT. A tabela 03 mostra os resultados obtidos e também compara esses tempos de processo.


Observamos que com a utilização das brocas anelares de diamante CVD, o tempo para a perfuração da placa de vidro boro-silicato foi um dos menores, ressaltando que para todas as brocas avaliadas e contidas na tabela 03 foram utilizadas as mesmas condições de processo, conforme tabela 01.
Tabela 03. – Tempo para perfuração da placa de vidro de 10mm de espessura.



Tipo de broca anelar

Quantidade de furos

CVD

1min05s

HPHT liga A

1min00s

HPHT liga B

2min10s

HPHT liga C

1min50s

HPHT liga D

1min30s

HPHT liga E

1min50s


CONCLUSÃO
Os experimentos realizados que envolveram brocas anelares de diamante CVD nos mostraram que, com esse tipo de ferramenta é possível obter-se furos em superfícies de placas de vidro boro-silicato, com qualidade superior aos furos obtidos pelo emprego de brocas anelares de diamante HPHT. A ausência do “efeito borboleta” sobre as bordas dos furos executados é muito interessante sob o ponto de vista técnico e inclusive econômico, pois o dano causado na borda do furo, quando não inviabiliza a utilização do artefato de vidro perfurado, faz necessária a aplicação de outras operações, aumentando os custos de fabricação, a fim de minimizar esse indesejável efeito.

A exatidão dimensional e tempo para a realização da operação de perfuração mostraram-se satisfatórios

O nível de ruído, durante a realização da operação de perfuração, mostrou-se muito favorável ao emprego das brocas anelares de diamante CVD, onde a cada dia, são tomadas maiores preocupações com o ambiente de trabalho e segurança operacional.

Entretanto, apesar de os resultados técnicos serem satisfatórios, a grande desvantagem das brocas anelares de diamante CVD é a sua vida útil.



Estudos referentes aos mecanismos de crescimento e adesividade do filme de diamante CVD sobre a superfície de materiais tais como o molibdênio continua a ser realizado, e destes são esperados resultados favoráveis que convirjam para o desenvolvimento e aprimoramento das brocas anelares de diamante CVD.
AGRADECIMENTOS
os autores gostariam de agradecer ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE, a Tyrolit do Brasil e ao técnico José Antonio Formenti Batista.


ReferÊncias bibliogrÀficas


  1. V. J. Trava-Airoldi, E. V. Corat, J. R. Moro, N. F. Leite and D. Vaniman. “CVD Diamond as a new material and its space application”. International astronautical federation, p. 01-09 (2000).




  1. M. Gozeloto, V.J Trava-Airoldi, E.J Corat, J.R. Moro. “CVD-Diamond drill for machining glass with fabrication process of low environmental impact”. XXII CEBRAVIC - Guaratingueta-SP Brasil; agosto 2001. Livro de resumos p. 73.

  2. V. J. Trava-Airoldi, E. J corat, E. Bosco, N. F. Leite. “Hot filament scaling-up for CVD diamond burr manufacturing. Surface & coating technology”, p. 76-77 ( 1995 ).

  3. V. J Trava-Airoldi, E. J. Corat, N. F. Leite, M. C. Nono, N. G. Ferreira, V. Baranauskas. “CVD-diamond burrs – development and application. Diamond and related materials”, p. 857-860. (1996).

  4. V. J. Trava-Airoldi, J. R. Moro, E. J. Corat, E. C. Goulart, A. P. Silva, N. F. Leite. “Cylindrical CVD diamond as a high-performance small abranding device. Surface & coatings technology”, p.108-109 ( 1998 ).

  5. M. Gozeloto, Dissertação de mestrado – “Brocas anelares de diamante CVD”, Universidade São Francisco. Itatiba –SP (2001).

  6. V. J. Trava Airoldi, A P. Da Silva, J. R. Moro, E. J. Corat. “Filmes finos de diamante CVD crescidos por deposição química da fase vapor” In.: IV encontro de pesquisadores da Universidade São Francisco - USF, 1996, Bragança Paulista. Livro de resumos do IV EPUSF. Editora USF, 196 v.1.

  7. O. K. Fuji. Dissertação de mestrado – “Crescimento de diamante CVD em substrato de molibdênio”. Universidade São Francisco – Itatiba SP (2001).

  8. J. R. Moro, E. J. Corat, V. J. Trava-Airoldi. “Estudos de crescimento de filmes finos e auto sustentados de diamante CVD em reator de grande porte”. Projeções, vol. 17 p. 117-120. (1999).


CVD-DIAMOND RING CORE BIT – APPLICATION FOR HOLING BORON-SILICATE GLASS


ABSTRACT: The technology for growing CVD-diamond layers has been used for fabrication of special cutting tools, applied for machining difficult materials, as boron-silicate-glass, as the CVD-diamond ring core bit. This tool, composed for a molybdenum ring, covered with CVD-diamond, growth through hot filament assistance technique. Experiments show that the CVD ring core bit possess better technique results, when compared with the commercial HPHT diamond ring core bit, as a minor


KEY WORDS: CVD-diamond, Cutting tools; glass machining; ring core bit.



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