AULA 24 PROCESSO DE FURAÇÃO: BROCAS

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1 AULA 24 PROCESSO DE FURAÇÃO: BROCAS

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3 PROCESSO DE FURAÇÃO: BROCAS Introdução As brocas são as ferramentas de abertura de furos que, em geral, possuem de 2 a 4 arestas de corte (gumes) que formam o ângulo de ponta ( ) e sulcos (em geral, helicoidais) por onde escoa o cavaco. O ângulo de ponta vale 90 o 150 o de acordo com a dureza do material a furar, sendo o ângulo de 118 o o mais comum de se encontrar. A Figura 24.1 mostra exemplos de brocas helicoidais de metal-duro. Figura 24.1 Brocas de metal-duro Sandvik Coro-Drill Delta-C Tipos de Brocas A ferramenta mais antiga para a abertura de furos é a broca chata, obtida pelo processo de achatamento a quente de uma parte de uma barra cilíndrica (Fig. 24.2a). Ela é formada por duas arestas principais de corte formando o ângulo. São utilizadas em furações pouco profundas em materiais frágeis, como ferro fundido, bronze e latão. Possuem momento de torção (torque) limitado. As brocas helicoidais de aço-rápido (Fig. 24.2b) são as ferramentas mais usadas na execução de furos. Os tipos de broca mais comuns são: cilíndrica, de centro, calçada com pastilha e múltipla. A broca de centro (Fig. 24.3a) tem a função de iniciar o furo de uma peça, isto é, fazer um pequeno furo para que a ponta da broca não saia da posição desejada. Sua alta rigidez impede que ocorra flambagem e que o furo seja executado fora do local correto, já que ela possui um diâmetro relativamente grande em relação ao seu comprimento. As brocas de aço-rápido calçadas com inserto (Fig. 24.3b) de maior resistência a quente são indicadas para furação de materiais de maior dureza e/ou para obter-se rendimentos superiores. Observase que a as pastilhas são soldadas ao corpo da broca, fazendo a função da aresta cortante. Similares às brocas calçadas há as brocas com pastilhas intercambiáveis (brocas com dentes postiços), largamente utilizadas em altas produções e em máquinas CNC, devido à rapidez e simplicidade em se manter a aresta cortante (gume) afiada. A Figura 24.4 apresenta uma aplicação desta ferramenta.

4 178 (a) (b) Figura 24.2 (a) Broca chata; (b) Elementos básicos de uma broca helicoidal. (a) (b) Figura 24.3 (a) Broca de centro; (b) Broca calçada com inserto soldado. Figura 24.4 Exemplo de aplicação de broca com pastilhas de metal-duro (AB Sandvik Coromant). As brocas múltiplas ou escalonadas (Fig. 24.5) são especialmente afiadas para executar furos complexos em apenas uma operação. Como se pode observar, as possibilidades são muito grandes. Sua aplicação é voltada para grandes produções onde o custo de preparação de brocas especiais acaba se diluindo na execução de grandes lotes em tempos mais reduzidos. Figura 24.5 Brocas múltiplas ou escalonadas.

5 179 As brocas canhão, que tem um único fio cortante são indicadas para execução de furos profundos, entre 10 e 100 vezes o seu diâmetro. A Figura 24.6 ilustra estas brocas especiais. Figura 24.6 Exemplo de brocas canhão (AB Sandvik Coromant). Também se devem citar as brocas com canais internos para fluido lubrirrefrigerante. Como pode-se observar na Figura 24.7a (vide detalhe na Fig. 24.6), o refrigerante é enviado diretamente para a região de formação do cavaco, evitando o superaquecimento da ferramenta e auxiliando na remoção de cavacos. Permite ainda a usinagem de furos relativamente profundos em um único aprofundamento. Existem também as brocas anulares (também chamadas de serra-copo), como na Figura 24.7b, que permitem executar furos de grandes diâmetros com menor geração de cavaco. Esta broca remove apenas um anel de material, e a cápsula resultante pode até ser utilizada como matéria-prima. (a) (b) Figura 24.7 (a) Brocas com canais internos para lubrificação/refrigeração; (b) Broca anular Geometrias de Broca A Figura 24.8 mostra os componentes básicos de uma broca helicoidal definidos como: Diâmetro (D): é medido entre as duas guias da broca. Em geral tem tolerância dimensional h8. Sulcos helicoidais: criar espaço para a remoção de cavacos. Duas arestas principais de corte: corte direto do cavaco (flancos principais); o ângulo formado entre as duas arestas principais é chamado ângulo de ponta ( ). Aresta transversal de corte: situado na ponta, liga as arestas principais de corte. Guias e rebaixos: a guia é o 1º flanco secundário e o rebaixo o 2º flanco secundário (superfície secundária de folga).

6 180 Figura 24.8 Componentes básicos de uma broca helicoidal. Haste cônica ou cilíndrica: destina-se à fixação da broca na máquina. Em brocas de diâmetro D até 15 mm, usam-se em geral brocas de haste cilíndrica e a fixação à máquina se dá por mandril. Em brocas de diâmetros superiores a 15 mm, prefere-se prender a broca a um cone Morse, que por sua vez é preso à máquina, o que possibilita maior força de fixação. Núcleo: parte interior da broca de diâmetro igual a 0,16 D. Serve para conferir rigidez à broca. Guias: a superfície externa de uma broca helicoidal apresenta duas regiões (uma em cada aresta de corte) que têm diâmetro maior que o das paredes da broca. Tais regiões são denominadas guias. Têm duas funções básicas: (a) guiar a broca dentro do furo; (b) evitar que toda a parede externa da broca atrite com as paredes do furo, diminuindo assim os esforços necessários à furação. Canais helicoidais: são as superfícies de saída da ferramenta. Os ângulos de hélice ( ) serão discutidos na seção 3.2. O comprimento do canal helicoidal também pode variar dependendo do diâmetro da broca e do comprimento do furo que se deseja. Além das brocas normais (tipo N, H e W), existe uma infinidade de outros tipos: para furos profundos, brocas extracurtas (onde uma maior rigidez é necessária), brocas escalonadas (para furos passantes escalonados), brocas de calibração (calibrar ou alargar furos fundidos, pré-estampados ou pré-furados) etc. O tamanho da ferramenta corresponde à primeira restrição ao processo de furação; este engloba o menor e o maior diâmetro disponíveis. As características de uma broca, além de sua forma, são: dimensão, material e os ângulos (de ponta, de folga e de hélice ), mostradas na Figura (a) (b) (c) Figura 24.9 Ângulos de uma broca helicoidal: (a) ângulos de ponta ( = 118 ) e posição ( r = 59 ); (b) ângulo de folga ( = 9~15 ); (c) ângulo de hélice (no diâmetro externo, = 40 ).

7 181 O ângulo de ponta ( ) corresponde ao ângulo formado pelas arestas principais da broca, que devem ter o mesmo comprimento. Este também é determinado pela dureza do material que será usinado. O ângulo de folga ( ) tem a função de reduzir o atrito entre a broca e a peça e facilitar sua pene-tração no material; vale 9 o 15 o. Também deve ser determinado de acordo com o material da peça a ser furada. Quanto mais duro o material, menor deve ser. O ângulo de hélice ( ) auxilia no desprendimento do cavaco. Coincide, no diâmetro externo da broca, ao ângulo de saída ( ). Determinado de acordo com o material a ser usinado. Quanto mais duro o material menor deve ser. As brocas helicoidais são classificadas pelo seu diâmetro externo (D) e pelo seu ângulo de hélice ( ) ou saída ( ). De maneira geral, as brocas normalizadas são classificadas como W, N e H (Fig ): Brocas tipo W: indicadas para materiais macios e/ou que produzem cavaco longo. Utiliza-se 130 o para usinagem de alumínio, zinco, cobre, madeira e plástico. Brocas tipo N (normal): indicadas para materiais de tenacidade e dureza normais (medianos). Aplicase 118 o em aço macio, f o f o maleável, latão e níquel e 130 o para aço de alto carbono. Brocas tipo H: indicadas para materiais duros e frágeis e/ou que produzam cavaco curto (descontínuo). Em geral, utiliza-se 80 o para materiais prensados, ebonite, náilon, PVC, mármore e granito; 118 o em ferro fundido duro, latão, bronze, Baquelite 1 e Celeron 2 ; 140 o para aços de alta liga. (a) (b) (c) Figura Classificação das brocas normalizadas: (a) tipo H; (b) tipo N; (c) tipo W Quando uma broca comum não proporciona um rendimento satisfatório em um trabalho específico e a quantidade de furos não justifica a compra de uma broca especial, podem-se fazer algumas modificações nas brocas tipo N e obter resultados melhores: Pode-se aumentar o ângulo da ponta ( ), tornando-o mais obtuso (acima de 118 o ) e melhorando os resultados na furação de materiais duros, como aços de alto carbono (Fig a). 1 BAQUELITE é uma resina sintética, quimicamente estável e resistente ao calor, que foi o primeiro produto plástico. Trata-se da junção do fenol com o formaldeído (aldeído fórmico), formando um polímero chamado polifenol. 2 CELERON é um fenólico com base em tecido de algodão, formando um material denso obtido a partir da aplicação de calor e pressão sobre o tecido impregnado. O tecido de algodão garante maior resistência mecânica. Resiste a óleos, graxas, água do mar, corrosão e mudanças bruscas de temperatura. É um material isolante de baixa tensão e de fácil usinagem. Aplicações: buchas, anéis, mancais, guias...

8 182 Na furação de chapas finas têm-se frequentemente duas dificuldades: furos não redondos e muitas rebarbas. A reafiação da broca, para que fique com um ângulo de ponta ( ) bastante obtuso (acima de 130 o ), reduz bastante estes problemas (Fig b). Para a usinagem de ferro fundido, recomenda-se utilizar uma broca com ângulo de ponta = 118 o com as partes externas das arestas de corte (gumes) afiadas com aproximadamente 90 o entre elas em cerca de 1/3 do comprimento (Fig c). (a) (b) (c) Figura Modificações nas brocas tipo N: (a) aumento de acima de 118 o ; (b) aumento de acima de 130 o ; (c) chanframento da aresta de corte Afiação de Brocas A afiação da ponta da broca é realizada através de ferramentas abrasivas para a construção e manutenção das arestas de corte das brocas para que estas possam ser utilizadas no processo de furação. A afiação é um dos fatores responsáveis pela qualidade dos furos e uma geometria adequada de afiação reduz os esforços de corte na furação. O tipo de afiação de broca mais conhecido e aplicado é a afiação em cone de revolução ou simplesmente afiação cônica. Este tipo de afiação apresenta como vantagem a facilidade de fabricação e o seu bom comportamento na furação da maioria dos materiais usinados. O desempenho das brocas helicoidais evoluiu de forma significativa com o surgimento de novos procedimentos e afiações, tais como: afinação da aresta transversal (Fig a); correção do ângulo de saída com afinação da aresta transversal (Fig b); afiação cruzada (Fig c); afiação com ângulo de ponta duplo (Fig d); afiação com ponta de centragem (Fig e); afiação em S (Fig f). (a) Forma A (b) Forma B (c) Forma C (d) Forma D (e) Forma E (f) Forma S Figura Afiações da ponta da broca. Para a furação de materiais de difícil corte, novas geometrias têm sido desenvolvidas para facilitar a remoção dos cavacos da região de corte e reforçar as arestas e as pontas da broca. Estas brocas com novas geometrias possuem, além da aresta transversal de corte afinada pela afiação cruzada, pequenos

9 183 chanfros nas extremidades das arestas de corte ou ainda a ponta em forma de raio. Estas novas afiações para brocas ganharam impulso com o desenvolvimento das máquinas de comando numérico, uma vez que estas afiações exigem geometrias complexas com estreita tolerância geométrica e dimensional Materiais de Broca Com a utilização de Centros de Usinagem CNC no processo de furação, vários desenvolvimentos têm ocorrido com os materiais das brocas, podendo-se citar: Broca de aço-rápido revestidas com TiN: possibilitou um substancial aumento da velocidade de corte e/ou vida da ferramenta em relação à broca de aço-rápido sem revestimento (Fig a). Broca inteiriça de metal-duro: quando o furo é pequeno (D 20 mm) e a máquina possui rotação, rigidez e potência suficientes, esta broca é uma boa alternativa (Fig b). Broca com pastilhas intercambiáveis de metal-duro: brocas deste tipo são inviáveis quando seu diâmetro D é pequeno (dificuldade na fixação de insertos). Porém, para brocas com D médio, essa é uma boa opção desde que, novamente, a máquina propicie sua utilização (vide Fig. 24.4). Brocas especiais: quando o furo tem diâmetro D muito grande e/ou comprimento L muito grande em relação à D (L/D grande), estes tipos de brocas podem ser usados (vide Fig. 24.6). (a) (b) Figura Exemplo de brocas AB Sandvik Coromant: (a) de aço-rápido revestidas com TiN; (b) inteiriças de metal-duro Vida da Broca Vida de uma broca é o tempo que a mesma trabalha efetivamente, até perder a sua capacidade de corte, dentro de um critério previamente estabelecido. Atingindo este tempo, a broca deve ser reafiada ou substituída. Logo a vida da broca é o tempo entre duas afiações sucessivas necessárias, no qual ela trabalha efetivamente. A perda da capacidade de corte é avaliada geralmente através de um valor limite de uma grandeza de desgaste medida na ferramenta ou na peça (através da rugosidade ou variação de diâmetro). A rugosidade e o diâmetro da peça sofrem outras influências além do desgaste da ferramenta, devido às alterações térmicas, elásticas e comportamento dinâmico do sistema MFP (máquina, ferramenta e peça). Somente em processos de acabamento justifica-se um monitoramento da peça (ao lado de um da ferramenta). Em geral, nos processos de desbaste (onde se inclui a furação) as tolerâncias dimensionais e rugosidade têm menor importância, sendo os limites de desgaste definidos pela solicitação térmica e/ou mecânica máxima da ferramenta.

10 184 Na furação podem ser adotados diversos critérios de fim de vida para a broca. O colapso da ferramenta (destruição da ponta) pela soldagem por fricção (caldeamento) no fundo do furo e consequente quebra, no entanto, só é utilizado por alguns pesquisadores para caracterizar uma situação final bem definida e em testes de recepção de materiais. Quando o objetivo é a reutilização da broca por reafiação, a marca de desgaste nos flancos principais, secundários e de quina são tomados como referência. Por vezes considera-se o critério de fim de vida baseado no desgaste de flanco (0,4 mm VB 0,8 mm), no desgaste das guias VB NS e na profundidade de cratera KT. O desgaste total da broca compreende os desgastes de flanco (superfície de folga), das guias, de cratera, de quina e da aresta (ou gume) transversal (Fig ). Como os mais comumente encontrados são os dois primeiros (VB e VB NS ), justifica-se a escolha destes para estabelecer o critério de fim de vida da broca. Em geral, as brocas devem apresentar VB 0,3 mm, medido no maior ponto. Figura Tipos de desgastes em brocas helicoidais Os desgastes mais importantes para uma broca helicoidal são os desgastes da quina e da guia da broca. Na quina, a velocidade de corte atinge o valor máximo, resultando em uma maior carga térmica. Como consequência, a quina sofre um arredondamento que se estende até a guia. As guias são então exigidas pelo atrito, podendo até chegar a atuar como uma aresta cortante. Os desgastes de quina e de guia têm influência sobre a superfície gerada pela broca, ou seja, o diâmetro do furo e a qualidade da superfície. O desgaste da guia deve ser completamente eliminado pela reafiação da broca. O valor admissível para o desgaste da guia, portanto, é determinado pelos custos da ferramenta e de reafiação; no entanto, depende de uma análise econômica detalhada. Recomenda-se que o desgaste de guia não ultrapasse 0,08 D ou 2,55 mm (o menor dos dois valores). No flanco de ambas as arestas principais de corte desenvolvem-se grandes marcas de desgaste, que aumentam à medida que a broca aproxima-se do seu fim de vida. Quanto maior a velocidade de corte, maiores serão as marcas de desgaste da periferia da broca em relação ao centro. Para maiores valores de avanço ocorre o inverso. O desgaste da aresta transversal de corte é basicamente mecânico devido ao ângulo de saída negativo ( 60 o ) e às baixas velocidades de corte, levando a uma grande flutuação da operação de corte. Este desgaste tem um efeito de autoafiação da aresta cortante, o que é compensado pala formação da APC devido à baixa velocidade de corte. O desgaste de cratera ocorre na face da ferramenta e coincide com a região de temperaturas mais elevadas na cunha da ferramenta, de forma que ele é causado tanto por fenômenos correlacionados com a temperatura, como também por mecanismos abrasivos mecânicos. Um desgaste de cratera excessivo enfraquece a aresta de corte e aumenta o risco de quebra.

11 185 Avarias da aresta de corte (lascamentos; fissuras transversais e longitudinais; deformação plástica) são decorrentes de solicitações térmicas e mecânicas excessivas. Elevadas forças de corte podem levar a microlascamentos e lascamentos da aresta ou da quina, principalmente quando o ângulo (ou ) é pequeno ou o material da peça é frágil. Nestes lascamentos a linha de fissura é definida pela direção da força de usinagem. Interrupções de corte também podem provocar lascamentos, sobretudo na usinagem de materiais tenazes que apresentam cavacos que facilmente caldeiam ou soldam na face da broca. Microlascamentos ocorrem na usinagem de materiais duros e com inclusões duras. O material de broca mais susceptível a estes tipos de solicitações localizadas é o metal-duro, principalmente nos processos com seções de usinagem muito pequenas (p. ex.: alargamento e brochamento). Solicitações alternantes (corte interrompido) levam à fadiga térmica e mecânica da cunha. As rápidas variações da força de usinagem podem levar a fissuras transversais. Na furação com brocas de pequeno diâmetro (D < 3 mm) e na furação profunda (L 2,5 D), é comum a quebra da ferramenta devido ao trancamento de cavacos e furação torta, levando a um fim de vida prematuro da ferramenta. A Figura ilustra alguns dos principais problemas que ocorrem em brocas. Aresta postiça de corte Desgaste de flanco excessivo Desgaste de cratera Deformação plástica Desgaste da aresta transversal Lascamento na quina Lascamento na aresta principal Trincas térmicas nas guias Quebra Figura Principais falhas na ferramenta de corte (Sandvik Coromant). Durante a usinagem, a broca helicoidal encontra-se sujeita aos esforços axiais, de flexão e de torção. O torque estático necessário para a quebra da broca helicoidal é bem superior aos momentos que atuam durante a usinagem normal; porém, o desgaste da broca leva às oscilações do torque que ultrapassam o limite de resistência à fadiga da broca. Portanto, a quebra ou o lascamento de uma broca, normalmente ocorre devido ao esforço alternante ocasionado pelo desgaste da guia e quina.

12 186 Os possíveis danos causados por uma quebra parcial ou total de uma broca são: danificações dos rolamentos do eixo-árvore e dos elementos de transmissão (polias, correias, acoplamentos) da máquina; destruição dos elementos de fixação da broca (pinça, mandril) e danificação das conexões (cone Morse, ABS, HSK); incrustação de pedaços de metal na peça; danificação do dispositivo de fixação e do local de colisão da peça. Em máquinas supervisionadas, estes danos podem ser evitados, pois ocorrem dentro do intervalo de reação do operador; porém, em máquinas automáticas, danos maiores ocorrem se não houver nenhum dispositivo de proteção. Fazendo uma análise rigorosa dos desgastes da broca, é possível concluir: se o tipo de broca, se as condições de corte, ou ainda, se a afiação da ponta está correta para a tarefa em execução. Assim: Achatamento da aresta transversal de corte: indica que o avanço (f) está excessivo. Deterioração excessiva das quinas: indica uma velocidade de corte (v c ) muito elevada. Marca de desgaste uniforme nos flancos (superfície de folga): mostra que o avanço (f) e a velocidade de corte (v c ) estão corretos. Grande aderência de material na face (superfície de saída) indica que o ângulo de saída ( ) da broca é muito pequeno para o material que está sendo furado. Leve adesão de material no flanco ou polimento da superfície, perto da ponta da broca: indica que o ângulo de folga ( ) está muito pequeno ou que o avanço (f) escolhido é muito grande. Adesão de material nas guias: indica ou que a broca não tem redução de diâmetro em direção à haste, ou que ocorrem forças transversais pela afiação assimétrica das arestas principais de corte. Adesão de material no final dos canais da broca: indica que o comprimento da hélice é muito pequeno. Frequentes saídas da broca, para remoção do cavaco, podem eliminar o problema.