AULA 26 PROCESSO DE FURAÇÃO: ESFORÇOS DE CORTE & AVANÇO MÁXIMO PERMISSÍVEL

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1 AULA 26 PROCESSO DE FURAÇÃO: ESFORÇOS DE CORTE & AVANÇO MÁXIMO PERMISSÍVEL

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3 PROCESSO DE FURAÇÃO: ESFORÇOS DE CORTE & AVANÇO MÁXIMO PERMISSÍVEL 26.. Introdução A importância do conhecimento dos esforços de corte no processo de furação está relacionada com a determinação dos fenômenos que ocorrem na região de formação do cavaco, para a explicação de mecanismos de desgaste e como critério para a determinação da usinabilidade de um material. Durante a furação, verificam-se as seguintes resistências à penetração da broca devidas ao: corte do material nas duas arestas principais; corte e esmagamento do material na aresta transversal; atrito das guias com a parede do furo e entre a superfície de saída da broca e o cavaco. Uma broca helicoidal é submetida basicamente aos esforços de torção e compressão. Se os esforços em cada aresta principal de corte da broca não forem iguais (devido, principalmente, a uma afiação desigual das duas arestas), surgirá uma resultante radial diferente de zero (F p F p2 0), que provocará flexão na broca, podendo levá-la à ruptura. Em brocas de pequeno diâmetro (D 3,5 mm), a flambagem também deve ser levada em consideração. Quanto maior o esforço a que a broca é submetida, mais a furadeira é solicitada e maior é o risco de a broca se quebrar. Assim, baseando-se nos esforços de corte e nas características da ferramenta de corte e da máquina-ferramenta, é possível determinar o avanço máximo permissível para a realização de um desejado furo, acima do qual a furadeira não consegue mais realizar o corte e/ou a broca se rompe Esforços de Corte em Furação A Força de Usinagem (F) que atua sobre a cunha cortante durante a furação pode ser decomposta em três componentes (Fig. 26.): força de corte (F c ), força de avanço (F f ) e a força passiva (F p ). Figura 26. Componentes ortogonais da força de usinagem em furação Força de Corte (F c ): predominantemente responsável pelo momento de torção (M t ) que atua na furação. O atrito das guias da broca e dos cavacos na parede do furo também contribui para o aumento de M t. Esta contribuição depende da qualidade da afiação e do fluido de corte utilizado.

4 98 Força de Avanço (F f ): decorrente da atuação da aresta transversal (corte deficiente e esmagamento do material) e da resistência ao corte (penetração) do material usinado. Esta força também recebe pequena contribuição do atrito do cavaco nos canais da broca. Vale salientar que, quando as arestas principais da broca não estão igualmente afiadas, os esforços são diferentes de uma aresta principal para outra, podendo causar flexão na ferramenta. Força Passiva (F p ): atuante em uma parcela da aresta principal de corte, a F p tem sentido oposto à força passiva atuante na outra. Presumindo-se que a geometria da ponta da broca tenha sido construída corretamente, a resultante é nula (F p F p2 = 0). Ela é desprezível quando comparada com as forças de corte (F c ) e as forças de avanço (F f ). Uma broca helicoidal durante o corte é basicamente submetida a esforços de torção (devido à rotação da broca) e esforços de compressão (devido ao avanço da broca). Assim, para se estimar os esforços de um processo de furação, basta calcular o M t e a F f do processo. No processo de furação com brocas helicoidais de aço-rápido, as componentes ortogonais da força de usinagem (avanço F f e passiva F p ) e o momento de torção (M t ) seguem os seguintes comportamentos (Fig. 26.2): A F f (verde) e o M t (vermelho) são diretamente proporcionais à largura máxima da marca de desgaste de flanco da broca (VB max ). A elevação da F f e do M t não possui repetitividade para a mesmo valor de VB max. A F p (azul) resultante não mostra variação com o desgaste (mantém-se em aproximadamente 00 N), pois o desgaste simultâneo das duas arestas principais de corte compensa o seu efeito. Apenas diferenças de desgaste podem ser reconhecidas. Figura 26.2 Forças de avanço (F f ), passiva (F p ) e momento torçor (M t ) em função da marca de desgaste (VB max )

5 99 A participação percentual das arestas principais de corte, da aresta transversal e dos atritos no momento de torção e na força de avanço oscila entre os fatores apresentados na Tabela 26.. Tabela 26. Participação das arestas da broca helicoidal nos esforços de corte em furação ARESTAS PRINCIPAIS ARESTA TRANSVERSAL ATRITOS Momento Torçor (M t ) 77 a 90% 3 a 0% 3 a 5% Força de Avanço (F f ) 35 a 60% 40 a 60% 2 a 5% O ângulo de saída () das brocas helicoidais diminui no sentido da periferia para o centro da broca, sendo que se têm ângulos muito negativos próximos ao centro. Este fato, somado aos baixos valores de velocidade de corte e à presença da aresta transversal, faz com que as condições de corte nessa região sejam bem desfavoráveis. Por isso, a força de avanço F f (força de penetração da broca) fica elevada, gerando deformação (flexão e flambagem) da broca (principalmente para brocas com diâmetro pequeno) e do eixo-árvore (principalmente para máquinas-ferramenta pouco rígidas) e, por conseguinte, desvios de forma e de posição do furo (ovalização e excentricidade). A deformação plástica do material no fundo do furo aumenta ainda mais a força de avanço necessária (encruamento em materiais dúcteis). Por causa disso, faz-se necessário minimizar o problema do corte no centro do furo. Uma das ações mais adotadas é o chanframento da aresta transversal de corte, que além de diminuir o tamanho da aresta principal, aumenta o valor de nessa região. Uma segunda opção é a execução de um pré-furo com diâmetro maior que o comprimento da aresta transversal (soluciona o problema, mas aumenta os custos pela introdução de uma operação extra) Equações empíricas para o cálculo dos esforços em furação Como em todos os processos de usinagem, diversos são os fatores que influem nos esforços de corte durante a furação, dentre eles: o avanço, a profundidade de corte, a velocidade de corte, a geometria da ferramenta, o material da ferramenta, o material da peça etc. Para que as equações experimentais que possam estimar os valores destes esforços sejam determinadas, é necessário que o número de parâmetros de influência no processo seja reduzido, a fim de ter uma equação possível de ser usada. Assim, os pesquisadores KRONENBERG (Eq. 26.) E H. DAAR (Eq a 26.4) desenvolveram equações baseadas no diâmetro (D) do furo, no avanço (f) e no material da peça para brocas. Os demais fatores estão implícitos nas constantes definidas. Para furação em cheio: Momento torçor [Nmm]: Força de avanço [N]: x y Mt C D f (26.) x2 y2 Ff C2 D f (26.2) Para furação com um pré-furo de diâmetro d : M C D D d f Momento torçor [Nmm]: t 3 Força de avanço [N]: f 4 2 x3 x3 x3 y3 (26.3) F C D D d f x4 x4 x4 y4 (26.4)

6 200 Os valores das constantes do material da peça (C, x e y) das Equações 26. a 26.4 são apresentados nas Tabelas 26.2 e Tabela 26.2 Coeficientes para a obtenção do momento torçor (M t ) Aço FURAÇÃO EM CHEIO FURAÇÃO COM PRÉ-FURO C x y C 3 x 3 y ,05 0,86 27,90 0, ,22 0,76 236,60 0, ,05 0, ,0 0, ,0 0,77 98,70 0, ,87 0,77 26,90 0, ,97 0, ,50 0,30 VM ,77 0,72 23,90 0,30 VND 257 2,3 0,78 369,90 0,22 VS ,33 0, ,50 0,3 Tabela 26.3 Coeficientes para a obtenção da força de avanço (F f ) FURAÇÃO EM CHEIO FURAÇÃO COM PRÉ-FURO Aço C 2 x 2 y 2 C 4 x 4 y ,02 0, ,90 0, ,32 0, ,20 0, ,07 0, ,60 0, ,32 0, ,40 0, ,2 0, ,60 0, ,4 0,66 632,20 0,46 VM ,30 0, ,50 0,46 VND 540,29 0, ,60 0,32 VS 60 49,35 0, ,20 0, Equação de Kienzle para Furação A Equação de Kienzle oferece resultados mais precisos para o cálculo do momento de torção, pois leva em consideração a variação de k s com a espessura do cavaco na obtenção da força de corte (F c ). Assim, a força F c para cada aresta na furação em cheio é dada por: Vide Aula 20: F K b h z c s (20.3) Em que: Largura do cavaco: ap D b sen( ) 2sen( /2) r (26.5)

7 20 f Espessura do cavaco: h fzsenr sen( /2) (26.6) 2 Vale lembrar que a largura do cavaco na furação com pré-furo de diâmetro d é dada por: Largura do cavaco: a p (D d) b sen( ) 2sen( /2) r (26.7) Os valores de z e K s para os materiais ensaiados por KIENZLE são obtidos na Tabela 20.. Para furação em cheio e com pré-furo com diâmetro d, o momento torçor M t [Ncm] fica: Em cheio: Com pré-furo: M M F D 20 c t (26.8) F (D d) 20 c t (26.9) Já a força de avanço é calculada pelas Equações (26.0) e (26.): Em cheio: Ff ka Df sen(σ/2) 2 (26.0) Com pré-furo: Ff k a (D d) f sen(σ/2) 2 (26.) Onde k a [N/mm 2 ] é a pressão específica de corte na direção normal à aresta de corte, no plano de referência. Em brocas pode-se tomar, em primeira aproximação, k a = k s 4 a 6 rt. Na determinação do avanço máximo permissível em furação dar-se-á preferência às equações para furação em cheio de KRONENBERG (Eq. 26.) e DAAR (Eq. 26.2) Avanço Máximo Permissível em Furação Baseando-se nas Equações (26.) e (26.2) e nas características da ferramenta de corte e da máquina, é possível determinar o avanço máximo permissível para a realização de um desejado furo, acima do qual a máquina-ferramenta (furadeira) não consegue mais realizar o corte e/ou a broca se rompe. Três são os fatores limitantes: Material da broca. Rigidez da máquina-ferramenta. Potência do motor do eixo-árvore Material da broca A tensão admissível para uma broca tipo N (normal) de aço-rápido é adm 245 N/mm 2. A tensão ideal resultante da ação conjunta do momento torçor e da força de avanço é dada por:

8 ,4 Mt 245 D i 3 adm Mt 6,73 D D 36,4 Assim, tem-se para a furação em cheio (situação mais crítica) a seguinte situação: 3 3x 6,73 D y fmax C (26.2) Desta forma, utilizando-se um valor de avanço menor ou igual ao dado pelas equações supramencionadas, garante-se que a broca não vai romper. O avanço máximo calculado dessa forma é válido para brocas de diâmetros médios e pequenos. Para brocas de grandes diâmetros, certamente devem-se levar em consideração a resistência e a rigidez da máquina (vide Fig. 24.4). No caso de brocas de metal-duro, como estas apresentam maiores homogeneidade, dureza, resistência à compressão e resistência ao desgaste a quente, a tensão admissível para uma broca tipo N (normal) desse material chega a ser cinco vezes maior que a de uma broca de aço-rápido ( M 3 t 33,7 D ). Por isso, também neste caso devem ser levadas em consideração a resistência e a rigidez da máquina Rigidez da máquina-ferramenta Toda máquina de furar tem um limite para a força de penetração que pode executar. Acima deste limite, ela não consegue prosseguir o movimento de avanço da broca. Em furadeiras radiais, costuma-se tomar a força máxima (F furadeira ) como aquela que produz no braço da máquina uma flecha por flambagem de,5 mm por metro de braço. Desta forma, tem-se para a furação em cheio (situação mais crítica): F C D f F f x2 y2 y2 furadeira f 2 furadeira max 2 x2 C2 D F F y2 furadeira fmax 2 x2 C2 D (26.3) A Figura 26.3 mostra um diagrama com a variação do avanço máximo permissível (f max ) em função do diâmetro (D) da broca para a furação dos aços ABNT 020 e ABNT 085, levando-se em consideração a resistência da broca na furação em cheio ( adm 245 N/mm 2 ) e a força de penetração máxima da máquina (F furadeira = 24,3 kn). Observa-se no diagrama que para a furação do aço ABNT 020 (azul) com uma broca de açorápido, a resistência da broca é a limitação para D 33,5 mm, enquanto que para D 33,5 mm, a limitação passa a ser a força de avanço da máquina. Já para o aço ABNT 085 (vermelho), a limitação em relação à resistência da broca é para D 26,6 mm, pois o material com maior teor de carbono (maior dureza) restringe a aplicação. O avanço máximo para os dois materiais vale f max 0,63 mm/volta e f max = 0,46 mm/volta, respectivamente. Para ilustrar, as linhas tipo traço dois pontos em azul claro e laranja representam as curvas para a resistência da broca de metal-duro na furação dos aços ABNT 020 e ABNT 085, respectivamente, mostrando que avanços altos podem ser aplicados mesmo com brocas de pequenos diâmetros.

9 Avanço Máximo [mm/volta] 203 2,8 Furação dos Aços 020 e Força de avanço máxima = 24,3 kn Res. Broca (ABNT 020) Res. Broca (ABNT 085) Ffuradeira (ABNT 020) Ffuradeira (ABNT 085),6,4,2 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,63 0,46 26,6 33, Diâmetro da Broca [mm] Figura 26.3 Avanço máximo permissível versus diâmetro da broca Potência do motor do eixo-árvore A potência máxima de corte disponível no eixo-árvore de uma furadeira (P cdisp ) pode ser dada por: P cdisp 2 Mt max D n Fcmax vc P D 000 motor Levando-se em consideração a furação em cheio: M n 9550 P P C D f n t max motor x y motor max P y motor fmax3 x n C D (26.4) Conclusão O avanço máximo permissível para a realização de um desejado furo deve levar em consideração os três fatores limitantes (material da broca f max, rigidez da máquina-ferramenta f max2 e potência do motor do eixo-árvore f max3 ). Consequentemente, deve-se escolher o menor dentre os três valores de avanço f max obtidos. Para exemplificar, observando a Figura 26.3, nota-se que praticamente não há limitação de furadeira e broca quando se trata de ferramenta de metal-duro. No entanto, a limitação recairá sobre a potência do motor do eixo-árvore e a rotação disponível na máquina-ferramenta.