Multi-functional WC-Co cutting tool - a multi-material engineering design

Abstract

A indústria das ferramentas de corte tem enfrentado vários desafios nos últimos anos, nomeadamente o desenvolvimento e cada vez maior utilização de materiais difíceis de maquinar, bem como a necessidade de reduzir custos de produção, alcançar taxas de produção mais elevadas e uma melhor qualidade superficial, cumprir normas ambientais mais rigorosas e o aumento da competitividade nesta indústria. Durante os processos de maquinagem, estima-se que aproximadamente 90% do trabalho mecânico aplicado na peça é transformado em energia térmica, gerando uma temperatura muito elevada na zona de corte e consequentemente, um desgaste acelerado da ferramenta, conduzindo assim a uma redução do seu tempo de vida útil e da qualidade do produto final, levando a elevados custos de operação. Neste contexto, de forma a superar estes problemas, apresenta-se esta tese de doutoramento focada no desenvolvimento de ferramentas de corte multi-funcionais à base de metal duro com capacidade de monitorizar a temperatura durante os processos de maquinagem, e simultaneamente, reduzir a temperatura na aresta de corte, através do aumento da capacidade de extração de calor, preservando as características convencionais destas ferramentas. Tendo em conta este objetivo, técnicas de fabricação avançadas, como modificação de superfície a laser e fusão a laser em leito de pó multi-material, foram usadas para fabricar novas soluções multi-funcionais que aproveitam a aplicação de diferentes materiais e estratégias em locais distintos para aprimorar a funcionalidade destas ferramentas de corte. Os resultados da validação em ambiente industrial mostraram que a introdução de microtexturas nas ferramentas de corte à base de metal duro a uma distância de 200 μm da aresta de corte é uma abordagem viável para melhorar o seu desempenho e tempo de vida, e que tecnologias de manufatura aditiva, nomeadamente fusão a laser em leito de pó multi-material, podem ser utilizadas para o fabrico de termopares tipo K e N embutidos em ferramentas de corte de metal duro para medição da temperatura de corte. Assim, as soluções disruptivas desenvolvidas durante esta tese de doutoramento podem contribuir para um novo nível de funcionalidade, adaptabilidade e customização na altamente competitiva indústria das ferramentas de corte.

The cutting tools industry has been facing several issues in recent years, namely the continuous development and ever-increasing use of difficult to machine materials, as well as the necessity to reduce production costs, achieve higher production rates with better surface quality, comply with stricter environmental norms and increasing global competition in this industry. During machining processes, it is estimated that approximately 90% of the mechanical work applied to the workpiece is transformed in thermal energy, generating a very high temperature in the cutting zone, consequently accelerating tool wear, thus reducing tool life and end-product quality, and leading to high operating costs. In this context, to overcome these issues, this PhD project focus on the development of multi-functional WC-Co cutting tools solutions for monitoring cutting temperature in real time during machining processes, as well as decreasing the cutting edge temperature by increasing its heat extraction capacity, while preserving the conventional characteristics of these tools. For that purpose, cutting-edge fabrication techniques, such as laser surface modification and multi-material laser powder bed fusion, were used to manufacture novel multi-functional solutions that take advantage of dissimilar materials and strategies in different locations to enhance WC-Co cutting tools functionality. Industrial validation results showed that the addition of micropatterns to WC-Co cutting tools at a distance to the cutting edge of 200 μm is a viable approach for enhancing these tools machining performance and tool life, and that additive manufacturing technologies, namely multi-material laser powder bed fusion can be used for manufacturing 3D printed embedded K-type and N-type thermocouples in WC-Co cutting tools for real time cutting temperature measurement. Therefore, the disruptive solutions developed during this PhD thesis can contribute to a new level of functionality, adaptability and tailorability in the highly competitive cutting tools industry.