AULA 23 PROCESSO DE FURAÇÃO: GENERALIDADES

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1 AULA 23 PROCESSO DE FURAÇÃO: GENERALIDADES

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3 PROCESSO DE FURAÇÃO: GENERALIDADES Introdução Na indústria metal mecânica há diversas formas de se obter furos em peças. Podem-se destacar os seguintes meios: puncionamento, fundição, forjamento, serra-copo, eletroerosão, oxiacetileno e por meio de brocas. Alguns destes meios são apresentados na Figura Será focada a atenção apenas na obtenção de furos através do uso de brocas, pois é o meio mais largamente utilizado na indústria, devido à sua versatilidade, baixo custo envolvido e também a simplicidade de operação. Punção Eletroerosão Feixe de energia Remoção química Broca helicoidal Figura 23.1 Formas de obtenção de furos em peças. Furação é um processo de usinagem remoção de cavaco onde o movimento de corte é circular e o movimento de avanço é linear na direção do eixo de rotação da ferramenta de corte (broca). Este é um dos processos mais usados na indústria manufatureira, já que a grande maioria das peças de qualquer tipo de indústria tem pelo menos um furo, e somente uma parcela muito pequena destas peças já vem com furo pronto do processo de obtenção da peça bruta (fundição, forjamento etc.). Em geral, as peças têm de ser furadas em cheio ou terem seus furos aumentados através deste processo. As brocas utilizadas na furação podem ser de vários tipos: brocas de centro; brocas calçadas; brocas helicoidais; brocas canhão (para furos profundos) etc. A furação com brocas é uma operação de desbaste, havendo necessidade de outra operação para acabamento tal como retificação, mandrilamento, alargamento etc. Na furação devem ser observados os seguintes fatores: (a) diâmetro do furo; (b) profundidade do furo; (c) tolerâncias de forma e de medidas; (d) volume de produção. Apesar da sua importância, o processo de furação foi pouco modernizado até alguns anos atrás. As ferramentas de outros processos (p. ex.: torneamento, fresamento) progrediram rapidamente com a introdução de novos materiais para ferramentas (metal-duro, cerâmica, CBN, diamante). Por outro lado, na furação, a ferramenta mais usada é ainda a broca helicoidal de aço-rápido. A principal razão para tal atraso está no diâmetro do furo. Exemplificando, uma broca de 10 mm para ser aplicada com velocidades de corte (v c ) compatíveis ao metal-duro ( 200 m/min) precisaria de uma rotação da ordem de 6400 rpm, bastante alta para furadeiras convencionais. Nos últimos anos tem crescido a utilização de centros de usinagem CNC, que propiciam rotações bem superiores aos 6400 rpm citados. As condições de operação em processos de furação são severas:

4 170 A velocidade de corte (v c ) não é uniforme e varia desde zero no centro do furo até o máximo na periferia da broca. O meio lubrirrefrigerante, que deve atuar na lubrificação, na refrigeração, como também no transporte/retirada de cavacos do furo, chega com dificuldade às arestas de corte (gumes) da ferramenta, onde sua ação é mais necessária Movimentos e Grandezas Os movimentos envolvidos na operação de furação são movimentos relativos entre a peça e um ou mais gumes (arestas de corte) da ferramenta. Estes movimentos são referentes à peça considerando-a como parada. Durante o processo de furação têm-se os seguintes movimentos (Fig. 23.2): Figura 23.2 Movimentos na furação com brocas helicoidais Movimento (principal) de corte: é o movimento entre a peça e a ferramenta em contato, o qual sem o movimento de avanço origina somente uma única remoção de cavaco durante uma volta. Movimento de avanço: é definido como sendo o movimento da ferramenta, segundo seu eixo de rotação, no sentido do avanço durante a usinagem. O movimento de avanço é especificado em unidades de comprimento por rotação ou por tempo. Movimento efetivo de corte: é o movimento resultante dos movimentos de corte e de avanço, realizados no mesmo tempo. A superfície gerada pela broca no fundo do furo é decorrente do avanço contínuo efetuado pelas duas arestas principais de corte, de forma que cada aresta executa metade do movimento de avanço. O movimento efetivo de corte faz com que o ângulo efetivo de folga ( e ) seja menor que o ângulo de folga (). Esse e deve ser o maior possível para evitar o esmagamento do material pelo flanco da broca. No entanto, quanto maior e, menor a resistência da cunha e maior a tendência a vibrações. Um grande ângulo de ponta () leva a desvios da broca que, por sua vez, aumentam o diâmetro sendo usinado (broca não guiada). Um ângulo () pequeno leva a uma boa centragem, mas aumenta a força passiva e, consequentemente, o atrito.

5 Área da seção transversal de corte A seção transversal de corte A [mm 2 ] na furação é a área calculada de um cavaco a ser removido, medido perpendicularmente à direção de corte no plano de medida. A Figura 23.3a mostra a seção A na furação com broca inteiriça em cheio e a Figura 23.3b com pré-furo. A f z h f z h r r b a p D A b ap d (a) Furação em cheio D (b) Furação com pré-furo Figura 23.3 Grandezas de corte para a furação Em ambos os casos, é válida a relação: em que: A a f b h p z f f 2 z r 2 ap b sen r h f sen z r onde: f z avanço da broca por aresta principal de corte [mm/volta]; f avanço da broca [mm/volta]; r ângulo de posição da ferramenta, da aresta principal de corte; ângulo de ponta [ o ] a p profundidade de corte [mm]; b largura de corte [mm]; h espessura de corte [mm]. D Df Para uma broca helicoidal na furação em cheio: a p e A. 2 4 D d Para uma broca helicoidal na furação com um pré-furo c/ diâmetro d : ap e 2 (D d) f A. 4 No caso de brocas com pastilhas intercambiáveis, o número de insertos influencia apenas na largura de corte (b), pois o avanço da broca é considerado totalmente (Fig. 23.4). Assim, tem-se f z f e: b = b i + b e (23.1)

6 172 onde: b i b e largura interna de corte das pastilhas intercambiáveis; largura externa de corte das pastilhas intercambiáveis. Figura Distribuição do corte em brocas com pastilhas intercambiáveis. O ângulo de posição r em brocas com pastilhas intercambiáveis pode ser diferente para cada inserto, influenciando assim a espessura de corte (h) resultante Avanço da ferramenta A aresta de corte (gume) move-se segundo uma espiral que se inclina com relação à direção de corte. Esta inclinação é definida pelo ângulo de direção efetiva de corte (). O ângulo cresce com o crescimento do avanço (f) e com a diminuição do diâmetro (D) da broca, como mostra a Equação 23.2: f tg (23.2) D Assim, o crescimento do avanço facilita a quebra do cavaco e, consequentemente, sua remoção de dentro do furo. Para que o cavaco removido pela broca helicoidal não seja esmagado pela superfície principal de folga e o corte possa ocorrer, é necessário que o ângulo lateral efetivo de folga ( fe ) seja positivo tanto quanto possível para qualquer diâmetro da broca. Porém, tem-se pela Equação 23.3 que: fe = f (23.3) Desta forma, para que o ângulo fe seja sempre positivo, é necessário que o ângulo lateral de folga ( f ) seja maior que o ângulo em qualquer diâmetro da broca. Observa-se na Equação 23.3 que fe diminui com o aumento de. Assim, o aumento do avanço (f) para facilitar a quebra do cavaco faz com que fe diminua e, com isso, aumente a deformação plástica do fundo do furo, principalmente próxima ao centro, onde este ângulo é menor ainda (causa encruamento em materiais dúcteis). Com isso, na região mais central da broca, f precisa ser maior para compensar o crescimento de e, com isso, possibilitar a obtenção de um fe positivo. Isso deve ser conseguido através da afiação da broca. Além disso, como será visto na Aula 26, existe um limite para o crescimento do avanço: acima de um determinado valor, o avanço pode causar a quebra da broca ou a paralisação do avanço da máquina.

7 Velocidade de corte A velocidade de corte (v c ) [m/min] diminui à medida que se caminha da periferia para o centro da broca, já que ela depende do diâmetro (D) [mm] da broca e da rotação n [rpm] da broca: v c D n 1000 Deste modo, quando materiais dúcteis são furados em cheio (sem pré-furo), a formação da aresta postiça de corte (APC) na vizinhança do centro da broca é inevitável, já que a formação desta se dá em baixas temperaturas de corte, ou seja, baixas velocidades de corte. A utilização de baixa velocidade de corte pode gerar APC numa porção maior do diâmetro da broca. Por outro lado, o aumento da velocidade para minimizar a sua formação gera maiores desgastes na ferramenta (a vizinhança da periferia da broca, que antes já não o formava, agora passa a se desgastar mais rapidamente) Máquinas Ferramentas (Furadeiras) As máquinas-ferramenta de furar, ou simplesmente furadeiras, são máquinas operatrizes que têm por função principal executar furos nos mais diversos tipos de materiais. Para tanto, o motor da furadeira aplica uma alta velocidade de rotação a uma ou mais brocas (ferramentas de corte) que serão responsáveis pela remoção de material. Para diferentes condições de material requeridas, foram criados diferentes modelos de furadeiras, em cuja aplicação os seguintes aspectos devem ser avaliados: forma da peça; dimensões da peça; número de furos a serem abertos; quantidade de peças a serem produzidas; diversidade no diâmetro dos furos de uma mesma peça; e grau de precisão requerido. As furadeiras consistem basicamente de um eixo-árvore, que gira com velocidades determinadas, onde se fixa a broca. Esta árvore pode deslizar na direção de sua linha de centro. Também se pode ter uma mesa onde a peça é fixada e movimentada. As partes principais de uma furadeira variam de acordo com a sua estrutura. A Figura 23.5 destaca as partes principais de uma furadeira de coluna. Figura 23.5 Partes constituintes de uma furadeira de coluna: (1) base; (2) coluna; (3) mesa; (4) sistema motriz; (5) alavanca de movimentação da ferramenta; (6) árvore de trabalho; (7) mandril; (8) broca A variedade de detalhes em furadeiras é bastante grande. Algumas máquinas possuem avanço automático com limitadores de profundidade. Outras possuem mesa giratória. Há equipamentos que dispõem de inversão de rotação e avanço sincronizado, que permitem execução de roscas com machos.

8 Tipos de furadeiras Podem-se classificar as furadeiras de diversas maneiras. Quanto ao sistema de avanço pode-se classificar como manual (ou sensitiva) ou automática (elétrico ou hidráulico). Ao contrário do que possa parecer as furadeiras sensitivas possuem grande aplicação no meio industrial. Quanto ao tipo de máquina pode-se classificar como: portátil, sensitiva, de coluna, de bancada, radial e horizontal. As furadeiras de uso doméstico classificam-se como portáteis. É utilizada comumente em peças já montadas em que o local a ser perfurado impede a utilização de furadeiras mais precisas. A força de avanço vem o operador que pressiona a furadeira contra o material. Já na furadeira sensitiva, o avanço do mandril se dá por meio de uma alavanca em que o operador faz avançar aos poucos, sentindo assim o avanço da broca dentro do material. Ambas são utilizadas para pequenas furações. A furadeira de coluna caracteriza-se por apresentar uma coluna de união entre a base e o cabeçote. Esse arranjo possibilita a furação de elementos com as formas mais diversificadas, singularmente e em série (Fig. 23.5). É a furadeira mais encontrada em oficinas de manutenção e de produção sob encomenda devido a sua versatilidade. A furadeira de bancada é bastante similar à furadeira de coluna, como pode ser observado pela Figura 23.6a. Enquanto as furadeiras de bancada são utilizadas em pequenos serviços, as furadeiras radiais (Fig. 23.6b) são empregadas em peças de grandes dimensões a serem furadas em pontos afastados na periferia. O braço possui movimento vertical na coluna, normalmente através de um motor. O braço também possuir movimento de giro em torno da coluna, que é feito manualmente na maioria das vezes. Um carro que possui o sistema de acionamento da árvore principal movimenta-se pelo braço para posicionar a ferramenta. A furadeira radial pode ter mais de uma mesa, que permite trabalhar numa peça enquanto se está fixando outra. Também é comum deixar um fosso em um dos lados da máquina para permitir trabalhar peças grandes. (a) (b) Figura 23.6 Furadeira: (a) de bancada; (b) radial. A furadeira horizontal tem campo de atuação similar ao da radial, ou seja, indicada para executar furos em peças de grandes dimensões que, mesmo na radial, não poderiam ser usinadas. Quanto ao número de árvores, podem-se classificar as furadeiras como: simples, quando possuem apenas uma árvore, gêmea (Fig. 23.7a), que possui duas e múltipla quando possui três ou mais. As furadeiras de múltiplas árvores são empregadas para trabalhos em uma peça que tem de passar por uma série de operações em um furo como furar, alargar, escarear, rebaixar etc., em sequência. Neste

9 175 caso podem-se ter, basicamente, dois tipos distintos de acordo com o número de cabeçotes. Nas furadeiras múltiplas de múltiplos cabeçotes (Fig. 23.7b), mais de um cabeçote age na peça a ser furada, eliminando a necessidade de reposicionar e virar a peça cada vez que o plano de furação for alterado. São utilizadas para economizar tempo, uma vez que o tempo total de perfuração fica condicionado ao furo mais profundo. Nas furadeiras múltiplas de cabeçote único (Fig. 23.7c), todos os eixos-árvore compartilham de um mesmo cabeçote. Elas originaram-se da aplicação de cabeçotes de vários mandris em furadeiras de coluna. São mais úteis em peças a serem produzidas em série quando ocorre a necessidade de furação de muitos pontos em um ou mais planos. (a) (b) (c) Figura 23.7 Furadeiras de múltiplos eixos-árvore: (a) gêmea; (b) múltipla cada uma com seu motor; (c) múltipla motor compartilhado. As furadeiras múltiplas são as máquinas utilizadas nas linhas de produção, pois aceleram a fabricação. Podem ser ajustadas para executar as várias etapas de um furo. Também podem ser ajustadas para efetuar diversos furos em uma só operação. Em algumas destas máquinas pode-se ajustar cada árvore livremente, dentro de seus limites, e ter sua própria velocidade de rotação. Se a furadeira operar de acordo com um programa, permitindo uma maior precisão e velocidade, ela é denominada furadeira CNC. Mais usuais que as furadeiras CNC são os Centros de Usinagem Fixação e ajuste da peça na máquina Os dispositivos de fixação de peças utilizados nas furadeiras são similares, e muitas vezes os mesmos, utilizados nas máquinas-ferramenta de fresar (fresadoras), como mostra a Figura Utilizamse cantoneiras, morsas, grampos, blocos e gabaritos. Em furadeiras, destaca-se o uso comum de gabaritos de furação, que tem a função de guiar a broca e garantir a exatidão/ repetitividade das coordenadas dos furos. Nos gabaritos os furos são de aço endurecido e podem ser substituídos quando desgastados Fixação e ajuste da ferramenta na máquina Normalmente na extremidade inferior da árvore de trabalho há um furo cônico (cone Morse ou ISO), que é uma das características importantes da máquina. Neste cone podem ser fixados diretamente ferramentas de haste cônica ou um mandril universal tipo Jacobs (Fig. 23.9a) para fixação de ferramentas de haste cilíndrica. Como a fixação em cone Morse ocorre por força de pressão, a retirada de

10 176 uma ferramenta ou de um mandril porta ferramenta é feita por meio de uma cunha introduzida em uma ranhura existente na árvore, como mostra a Figura 23.9b. Figura 23.8 Diferentes dispositivos de fixação. (a) (b) Figura 23.9 (a) Mandril universal tipo Jacobs; (b) Retirada de mandril ou ferramenta do cone Morse.