Optimização da superfície de ferramentas para o corte de aglomerados de partículas de madeira

Abstract

Neste estudo foi demonstrado que a solução para um corte eficaz de materiais derivados de madeira passa por um compromisso entre uma boa adesão do revestimento ao substrato, uma boa dureza do revestimento, uma boa resistência do revestimento à corrosão, mas sobretudo uma excelente resistência ao impacto, em particular nas operações de corte interrompido. De todos os revestimentos monolíticos estudados (sistemas à base de Me1-W-N ou Ti-Me2-N, com Me1=Cr ou Ti e Me2=Cr ou Al) o melhor desempenho para a aplicação em causa resultou da adopção de sistemas à base de W. O Ti-W-N (HVmax=51 GPa; Lc2max>80 N) foi o revestimento que durante os ensaios de corte real de derivados de madeira apresentou melhor desempenho, contudo, o Cr-W-N (HVmax=43 GPa; Lc2max>80 N ) teve apenas um comportamento ligeiramente inferior ao Ti-W-N e sem dúvida muito superior ao dos restantes sistemas estudados. As melhores soluções de revestimentos monolíticos foram obtidas para as seguintes espessuras: Ti-W-N = 0,5 micrones ou 2 micrones de espessura e Cr-W-N = 0,5 micrones de espessura. Todavia, por forma a aumentar a resistência aos efeitos do impacto que ocorrem no início da operação de corte e que são fatais em relação ao substrato, conduzindo à formação de perdas variáveis de material na aresta de corte, foram depositados filmes multicamada de período longo, constituídas por uma sequência de camadas de material cerâmico alternadas com camadas menos duras que funcionam como fusíveis durante a aplicação de esforços elevados, com o objectivo de inibir a propagação de fissuras ao longo do revestimento, sem perder a rigidez do conjunto, à semelhança dos compósitos laminados naturais e artificiais. Dos revestimentos multicamada estudados (Ti-W-N/Me3, com Me3=Cu ou Ag ou Ti-W; Ti-Al-N/Me4, com Me4= Al ou Ag ou Ti; Cr-W-N/ Me5, com Me5=Cr-W) os que correspondem à melhor simbiose de propriedades necessárias ao bom desempenho em corte são os revestimentos multicamada de período longo de, Ti-W-N/Ti-W (3 e 9 camadas) e Cr-W-N/Cr-W (3 e 5 camadas), não só pelas boas propriedades mecânicas que possuem (dureza, módulo de elasticidade, adesão, etc.) mas também, de um modo geral, por demonstrarem serem eficientes durante o corte de materiais derivados da madeira. Os revestimentos Cr-W-N/Cr-W (3 camadas) são aqueles que induzem na ferramenta de corte o melhor desempenho, permitindo aumentar cerca de 500% o número de metros cortados de derivados de madeira. Este estudo, à base de ensaios reais de corte e realizados com parâmetros de corte idênticos aos industriais, permite que as novas soluções encontradas sejam integradas, com sucesso, na indústria do corte de madeira e seus derivados. No âmbito desta dissertação, para que a análise da experimentação fosse possível, foi também implementada uma nova metodologia de avaliação do desgaste das ferramentas de corte, em particular para ferramentas revestidas, que interliga as principais variáveis de medição de desgaste, minimizando a dificuldade de análise dos resultados e os custos da experimentação.

In this study it was demonstrated that the solution for an effective cutting of wood-based products pass trough a proper compromise between a good coating adhesion to the substrate, a good coating hardness, a good coating corrosion resistance, but above all trough a good coating impact resistance, specially during interrupted cutting operations. From all monolithic coatings studied (systems of type Me1-W-N or Ti-Me2-N, with Me1=Cr or Ti and Me2=Cr or Al) the best performance, for the application in cause, was obtained with systems based on W. The Ti-W-N (HVmax=51GPa; Lc2max>80N) was the coating that during real cutting of wood-based products presented better performances, however, the Cr-W-N coating (HVmax=43GPa; Lc2max>80N) has just a lightly inferior performance and clearly superior to the other coatings studied. The best solution of monolithic coatings was obtained for the following coating thicknesses: Ti-W-N = 0,5 microns or 2 microns thickness and Cr-W-N = 0,5 microns thickness. Nevertheless, in order to increase the impact resistance that occurs in the beginning of the cutting operations and that are fatal in what concerns to the substrate, which leads to variable material loss of the cutting edge, it was deposited long period multilayer coatings, based on a sequence of ceramic material layers alternated with less hard monolayers which works as a fuse during high forces applied, with a fissure propagation like laminated composites. From the study of multilayer coatings (multilayers based on Ti-W-N/Me3, with Me3=Cu or Ag or Ti-W; Ti-Al-N/Me4, with Me4= Al or Ag or Ti; Cr-W-N/ Me5, with Me5=Cr-W) the best results are achieved with multilayer coatings based on Ti-W-N/Ti-W (3 and 9 layers) and Cr-W-N/Cr-W (3 and 5 layers), not only because they possess good mechanical properties (hardness, module of elasticity, adhesion, etc.) but also because, globally, they demonstrate to be efficient during the cutting of wood-based products. The best result was achieved by the deposition of multilayer coatings based on Cr-W-N/Cr-W (3 layers) which increased 500% the number of the cutting meters. This study, based on real cutting tests and applied with identical cutting parameters as used in the industry, allows to say that this new solutions found in this work can be implemented with success in the industries that involve the cutting of wood-based products. Trough this thesis, in order to evaluate the wear of the cutting tools it was also implemented a new methodology, which links the principal wear measured variables, minimizing the difficulty to analyse the experimental results and the costs.