AULA 25 PROCESSO DE FURAÇÃO: OPERAÇÕES DE CORTE

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1 AULA 25 PROCESSO DE FURAÇÃO: OPERAÇÕES DE CORTE

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3 PROCESSO DE FURAÇÃO: OPERAÇÕES DE CORTE Introdução O ângulo de saída ( ) das brocas helicoidais diminui no sentido da periferia para o centro, sendo que se têm ângulos muito negativos próximos ao centro. Este fato, somado aos baixos valores de v c e à presença da aresta transversal, faz com que as condições de corte nessa região sejam desfavoráveis. Por isso, a força de avanço (força de penetração da broca) fica elevada, gerando deformação (flexão e flambagem) da broca (principalmente para brocas com D 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 do gume transversal, que além de diminuir o tamanho da aresta de corte (gume), aumenta o valor do ângulo de saída ( ) da broca nessa região. Uma segunda opção é a execução de um pré-furo com diâmetro maior que o diâmetro do gume transversal (soluciona o problema, mas aumenta os custos pela introdução de uma operação extra). Algumas brocas com pastilhas intercambiáveis de metal-duro possuem, em uma de suas arestas de corte, pastilha somente na periferia da broca e, na outra aresta cortante, pastilha somente na região central, como mostra a Figura Assim, pode-se usar na periferia uma pastilha com material e geometria adequada para as altas velocidades de corte inerentes a essa região, a mesma coisa acontecendo para o inserto central, isto é, neste usa-se uma pastilha com material e geometria adequados para as condições do corte nessa região. Além disso, o inserto central, em geral, possui quebra-cavacos na sua superfície de saída, facilitando a expulsão dos fragmentos de material removido da região de corte. Figura 25.1 Broca com insertos intercambiáveis de metal-duro no centro e na periferia (Sandvik CoroDrill 880) Outro problema é a lubrificação/refrigeração da região de corte. Algumas vezes as brocas são dotadas de canais internos que possibilitam a introdução do fluido lubrirrefrigerante pressurizado pelo interior da mesma a fim de que a região de corte, no fundo do furo, possa ser alcançada (Fig. 25.2). Além do mais, a capacidade do lubrirrefrigerante em remover os cavacos da zona de corte dependerá da viscosidade e da vazão do fluido.

4 188 Figura 25.2 Broca Iscar com canais internos de lubrificação/refrigeração O processo de furação a seco ainda deve ser mais bem estudado, uma vez que fluidos ainda precisam ser utilizados porque promovem a lubrificação, a refrigeração e a expulsão dos cavacos, evitando que estes se soldem por fricção (caldeamento) na aresta de corte e no furo. Sem a utilização de fluido, a rugosidade de um furo pode ser duas vezes maior do que quando se utiliza fluido lubrirrefrigerante. Assim, métodos alternativos de refrigeração para processos mais exigentes devem ser propostos e pesquisados, coberturas de ferramentas também devem apresentar características superiores para suportarem altas taxas de calor e ao mesmo tempo proporcionarem um efeito lubrificante como tem acontecido atualmente. Desta forma, novas ferramentas e coberturas devem permitir um equilíbrio entre a melhoria das condições de corte e o meio ambiente sem afetar a produtividade e não gerando altos custos de implantações e modificações do atual chão de fábrica conhecido. Com relação às operações de corte em processos de furação, elas podem ser classificadas de acordo com as características requeridas no furo realizado, conforme mostra a Figura (a) Em cheio (b) Com pré-furo (c) Escalonada (d) De centro (e) Profunda (f) Trepanação Figura 25.3 Exemplos de operações de corte em furação Furação em Cheio e com Pré-Furo Muitas vezes, para se abrir um furo com broca helicoidal, necessita-se primeiro fazer um furo de centro para que a broca não realize um corte excêntrico já a partir do início do furo (Fig. 25.4). Devido a

5 189 pouca rigidez e potência das furadeiras convencionais, muitas vezes é necessário usinar um pré-furo de diâmetro menor primeiramente para a execução de um furo de diâmetro médio. Figura 25.4 Bloco de ferro fundido nodular com 24 pré-furos aguardando a furação. Entretanto, o uso de brocas de metal-duro em máquinas modernas (com alta rotação e alta rigidez) permite a obtenção de furos mais precisos (da ordem de IT9 43 m para furos entre 10 mm e 18 mm), muitas vezes sem a aplicação de furos de centro e/ou pré-furos. Muitas destas brocas possuem geometria com função autocentrante, isto é, a geometria da broca é tal que evita (ou minimiza) a realização de furos excêntricos, mesmo sem o uso de furos de centro ou buchas-guia (Fig. 25.5). Figura 25.5 Broca Dormer tipo Hydra com cabeça intercambiável e geometria autocentrante Furação Escalonada A furação escalonada consiste da abertura de um furo com dois ou mais diâmetros simultaneamente. O objetivo é aumentar a produtividade realizando simultaneamente furos de diâmetros menores e maiores, e eliminando o tempo de parada para a troca de ferramentas. Pode-se empregar o processo de furação escalonada também quando existe a necessidade de rebaixos em peças para ocultar cabeças de parafusos ou porcas. As brocas para furação escalonada (vide Aula 24 Fig. 24.5) possuem dois ou mais diâmetros retificados em brocas padronizadas. Geralmente, são utilizadas na usinagem de furos com dois ou mais diâmetros diferentes ou para operações combinadas de furação, chanframento ou alargamento. Para maior rigidez, o diâmetro menor da broca escalonada deve ser maior do que o diâmetro do seu núcleo.

6 190 Quando se utiliza uma ferramenta com vários diâmetros, o desafio é conseguir uma boa quebra de cavaco de todas as arestas em corte. Em materiais de cavacos longos, como o aço com baixo teor de carbono e aços inoxidáveis, os testes iniciais deverão ser feitos em etapas (Fig. 25.6): 1. Inicialmente, verifica-se a formação de cavacos na broca. 2. Em seguida, verifica-se a formação de cavacos na aresta de escalonamento. 3. Por fim, verifica-se a formação de cavacos na aresta de chanfrar. Figura 25.6 Furação escalonada Furação de Centros A furação de centros visa obter furos centrais para posterior uso, como apoio de peças de grande comprimento em contrapontos de cabeçotes móveis de tornos. Este processo é similar ao processo de furação escalonada. Entretanto, produz um furo cego, geralmente com pequenas dimensões, e o diâmetro maior da broca produz apenas uma quebra de quina gerando o apoio. As brocas para furação de centro (vide Aula 24 Fig. 24.3a), como expressado pelo próprio nome, geralmente é utilizada para a confecção de furos de centro em peças de revolução que serão usinadas entre pontas. Na verdade, trata-se de ferramenta combinada de furar e escarear. Vale salientar que a 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. A Figura 25.7 mostra a imagem de uma furação de centro realizada por um torno em uma peça de bronze. Figura 25.7 Exemplo de uma operação de furação de centro em peça de bronze Furação Profunda em Cheio Cada processo é capaz de produzir furos até certa profundidade. Esta capacidade é uma função tanto dos processos quanto do movimento da árvore. É função também do comprimento da ferramenta, da capacidade de remoção dos cavacos, e também do diâmetro e do comprimento do furo. Um dos problemas do processo de furação é a saída (expulsão) dos cavacos de dentro do furo. Se os cavacos não forem formados de maneira tal que propiciem sua fácil retirada, eles podem provocar o

7 191 entupimento do furo, aumento do torque (momento de torção) necessário e a consequente quebra da broca. A quebra de uma broca dentro de um furo é um problema grave, pois além da perda da ferramenta, a retirada da ferramenta do interior do furo é, em geral, uma tarefa cara e demorada que, muitas vezes, ocasiona a rejeição da peça. Se for levado em conta que um furo é normalmente um pequeno detalhe de uma peça bem maior, tal rejeição pode representar perda substancial. Outro problema é a falta de retilineidade da linha de centro (principalmente em furos profundos). Em geral, a melhor retilineidade é alcançada quando tanto a peça quanto a ferramenta giram. Se isto não é possível, a melhor opção é girar apenas a peça (p.ex. furos em tornos). A pior condição com respeito ao desvio da linha de centro se obtém quando a ferramenta é dotada de rotação e a peça permanece parada (que ocorre na grande maioria das furadeiras e centros de usinagem). Dentro desta abordagem, é necessário gerar cavacos que tenham uma geometria que facilite sua remoção do furo. Se o cavaco formado tiver a forma de fita, será complicado extraí-lo; cavacos helicoidais ou em lascas são os que podem ser mais facilmente removidos dos furos (Fig. 25.8). Quão mais profundo for o furo, mais difícil é a remoção do cavaco. Por isso faz-se necessário utilizar um ciclo de operações que retire repetidamente a broca de dentro do furo durante o processo (o que gera tempos passivos extras pela interrupção frequente do processo) para que o cavaco e o calor possam ser removidos, principalmente quando o material que está sendo usinado gera cavacos longos. Geralmente se utiliza quando L/D > 5. Figura 25.8 Exemplo do cavaco removido em furação. A furação profunda é a usinagem de furos com uma faixa de profundidade de diâmetro relativamente grande. Enquanto que as técnicas normais de furação produzem furos cuja profundidade pode raramente alcançar mais que cinco vezes o diâmetro (L/D < 5), na furação profunda a faixa pode chegar a 150:1. Qualquer furo mais profundo que dez vezes o diâmetro (L/D > 10) deve ser, aliás, considerado um furo profundo, requerendo uma técnica especial de furação. Tanto brocas helicoidais de aço-rápido quanto brocas de metal-duro inteiriças ou com insertos (pastilhas) intercambiáveis são aplicáveis somente para furação de furos curtos com diâmetros pequenos e médios (L/D < 5). Furos profundos (L/D >> 5) e/ou com diâmetros grandes (D > 120 mm) necessitam brocas especiais Broca canhão A broca canhão, semelhante à broca de canais retos, possui remoção externa de cavaco na obtenção de furos com diâmetro de 3 a 20 mm. Normalmente é dotada de pastilhas de metal-duro em sua parte cortante (cabeça ou ponta). Dependendo do comprimento da haste, possibilita a realização de furos muito compridos com qualidade IT9. A Figura 25.9 mostra o princípio de funcionamento deste tipo de broca.

8 192 Figura 25.9 Furação com broca canhão A haste da broca canhão é vazada. Assim, o fluido de corte é inserido dentro dela em todo o seu comprimento a partir de uma entrada externa e empurrado para fora pelos furos na cabeça cortante (ponta). A haste da broca possui um canal externo com formato em V, ou seja, um canal ao longo de todo o seu comprimento, e a pressão do fluido empurra os cavacos para fora através desse canal ao longo da parte externa da broca e, portanto, para fora do furo. A broca canhão pode ser aplicada em um centro de usinagem convencional, mas é necessária alta pressão do fluido de corte Broca BTA ou STS A broca canhão com remoção interna de cavaco (BTA) também conhecida como broca com sistema de tubo único (STS) é destinada a furos com diâmetros de 18 a 64 mm e comprimento de até aproximadamente 1 m. A profundidade do furo somente é limitada pelo equipamento e ferramental disponível. Consegue realizar furos com qualidade IT10. A Figura mostra uma broca BTA/STS em furação profunda. Figura Furação profunda com broca BTA/STS. A alta pressão empurra o fluido de corte para fora do tubo da broca (entre a broca e o furo). A haste da broca é vazada. Assim, a pressão do fluido empurra os cavacos para dentro do corpo da broca através de um espaço especial na cabeça da broca. Com a pressão, o cavaco é deslocado para fora através do tubo da broca. A pressão do fluido de corte faz com que o sistema STS seja mais confiável que o sistema Ejector, especialmente na furação de materiais onde uma boa quebra de cavacos seja de difícil obtenção (por exemplo, na furação de aços com baixo-carbono e aços inoxidáveis). A broca BTA é sempre a primeira escolha para furos profundos Broca Ejector A cabeça da broca Ejector é idêntica à da broca BTA, difere desta pelo sistema de retirada do cavaco. A Figura mostra o princípio da furação profunda realizada com a broca Ejector.

9 193 Na broca Ejector, o sistema de condução do fluido de corte pressurizado até a região de corte é constituído de dois tubos concêntricos. O fluido de corte é inserido na broca entre os dois tubos, ou seja, inteiramente dentro do corpo da broca, não externamente, e os cavacos são expelidos através do tubo interno, também dentro do corpo da broca. Figura Furação profunda com broca Ejector. O tubo interno possui alguns furos em sua parede que permitem que parte do óleo que está a caminho da cabeça da broca pelo tubo externo, retorne pelo interno, gerando uma pressão negativa neste tubo que ajuda na retirada do cavaco. Esse sistema requer menos pressão do fluido que o sistema STS e pode ser instalado usualmente em máquinas-ferramentas convencionais sem grande reconstrução. A aplicação e a qualidade do furo, obtidas pela broca Ejector, são idênticas às da broca BTA Trepanação Quando o furo é muito grande (diâmetro acima de 120 mm) e não se tem um pré-furo realizado em operação anterior, a furação com a broca helicoidal causaria grande desperdício de material na forma de cavaco e consumiria muito tempo e muita potência (energia) de usinagem. Para este caso têm-se como opção as brocas ocas para trepanação, que somente usinam a periferia do furo, mantendo intacto o material da parte central, ou seja, em vez de remover todo o material na forma de cavacos, é deixado um tarugo redondo inteiriço no centro do furo. Consequentemente, este tipo de broca só pode ser usado em furos passantes. A Figura ilustra a operação de trepanação em furação. Figura Operação de trepanação em furação. O método é usado principalmente quando a potência da máquina é limitada, uma vez que a potência exigida é menor que na furação em cheio. Pode ser usada também no caso de peças grandes e caras, onde pode ser difícil obter material de amostra apropriado. O núcleo pode então ser usado para amostras de testes e análise de material. Particularmente no caso em que o material é caro, o núcleo pode ser recuperado e usado para outros fins.

10 Ferramentas e Operações Auxiliares Em furos de precisão, normalmente emprega-se uma broca helicoidal (operação de desbaste) e, depois, o furo passa por operações de acabamento tais como: (a) rebaixamento; (b) alargamento; (c) brochamento interno; (d) torneamento interno (e) retificação interna e (f) brunimento. A Figura mostra tais processos. (a) Rebaixamento (b) Alargamento cilíndrico (c) Brochamento interno (d) Torneamento interno (e) Retificação interna (f) Brunimento Figura Exemplos de ferramentas e operações auxiliares Rebaixamento Trata-se do aumento do diâmetro inicial de um furo previamente aberto de modo a alojar a cabeça de um parafuso. A ferramenta possui um piloto (ou guia) que é uma saliência cilíndrica em sua ponta com diâmetro igual ao diâmetro do furo a ser rebaixado. O piloto pode ser fixo ou postiço. O piloto fixo é parte integrante da ferramenta. O piloto postiço pode ser substituído, pois é fixado com um parafuso. Isto permite o uso do rebaixador em diferentes diâmetros e/ou sua substituição no caso de desgaste. Sua retirada também facilita a operação de reafiamento do rebaixador. Uma variação do rebaixamento é o escareamento, em que é gerado um rebaixo cônico no início de um furo previamente aberto. Normalmente, este furo irá receber a cabeça cônica (escareada) de parafusos ou rebites. Existem alguns escareadores que possuem um ressalto cilíndrico em sua extremidade com a função de auxiliar na centragem do escareador, mantendo assim a concentricidade das operações Alargamento Consiste no aumento do diâmetro de um furo previamente aberto. Utilizam-se ferramentas denominadas alargadores. Tem por objetivo calibrar o furo dando-lhe diâmetro, cilindricidade e rugosidade que não se consegue com o uso de brocas convencionais. Os alargadores são fabricados em medidas padronizadas mais comuns. Para medidas específicas deve-se utilizar o alargador de expansão. Ele pode ser ajustado rapidamente na medida exata de um furo, pois suas lâminas deslizam no fundo de canaletas cônicas por meio de porcas reguláveis. Os alargadores de expansão possuem um grau de exatidão da ordem de 0,01 mm. A variação de seus diâmetros pode atingir alguns poucos milímetros para

11 195 os alargadores maiores. Além da vantagem de serem ajustáveis, suas lâminas podem ser facilmente afiadas por serem removíveis. Isto também permite que sejam substituídas quando danificadas. Esta operação também pode ter como objetivo gerar um furo cônico. Para isto faz-se uso de alargadores cônicos. Também se podem encontrar alargadores com pastilhas intercambiáveis. Pode-se citar ainda que o alargamento também pode ser realizado manualmente, com a ajuda de um acessório denominado desandador. O alargamento é utilizado em furos de pequenos diâmetros (geralmente menores de 20 mm) quando se deseja uma tolerância na faixa de IT7 ( 18 m para diâmetros entre 10 mm e 18 mm) Brochamento interno O brochamento interno é uma operação que permite modificar um furo vazado e transformar o perfil de uma peça. O objetivo dessa operação pode ser o de abrir cavidades para chavetas em furos cilíndricos ou o de transformar perfis de furos cilíndricos em perfis acanelados, estriados, quadrados, hexagonais etc. Essa operação é feita num furo aberto anteriormente por outro processo qualquer. O brochamento interno é comumente usado em furos passantes com diâmetros médios e grandes (frequentemente acima de 20 mm), lisos ou estriados, com tolerâncias na faixa de IT7 ( 21 m para diâmetros entre 18 mm e 30 mm). É uma operação bastante rápida. A brocha é uma ferramenta delicada e muito cara Torneamento interno O torneamento interno pode ser aplicado no acabamento de furos de diâmetros médios e grandes (comumente acima de 15 mm) em peças de revolução. Não possui limitação com relação ao volume de produção e pode obter furos de qualidade IT7. Com o desenvolvimento das máquinas-ferramentas, já se consegue em produção furos torneados com tolerância IT6 ( 13 m para diâmetros entre 18 mm e 30 mm) ou até menor (vide Aula 19). A escolha da ferramenta é restrita devido ao diâmetro e ao comprimento do furo da peça, uma vez que a profundidade determina o balanço. Por conta disso, podem surgir combinações entre comprimento e diâmetro em que o corpo da ferramenta pode ficar frágil, gerando assim instabilidade na usinagem. Para evitar essa instabilidade existem opções de ferramentas com o corpo de aço, metal-duro e antivibratórias Retificação Interna A retificação interna é usada também em furos médios e grandes e se deseja tolerâncias mais apertadas, na faixa de IT5 ( 9 m para diâmetros entre 18 mm e 30 mm), de regra após ter sido realizado o tratamento térmico final da peça (a peça já endurecida). Muitas vezes, a retificação é realizada após o furo ter recebido uma das operações citadas nos itens anteriores. O fato de a operação exigir que o rebolo mantenha-se em balanço causa certa imprecisão no processo devido à deflexão do eixo porta-rebolo. Também, a necessidade de se ter um rebolo com pequeno diâmetro (entrar no furo a ser usinado) faz com que a velocidade de rotação tenha de ser alta (algo em torno de rpm) para que se possa ter velocidade periférica similar à da retificação externa. Maiores detalhes podem ser vistos na Aula 34.

12 Brunimento Brunimento é um processo mecânico de usinagem por abrasão, empregado no acabamento de furos cilíndricos de revolução, no qual todos os grãos ativos da ferramenta abrasiva (Al 2 O 3 ou SiC com granulação fina) estão em constante contato com a superfície da peça e descrevem trajetórias helicoidais. Para tanto, a ferramenta ou a peça gira e se desloca axialmente com movimento alternativo. A diferença entre retificação e brunimento consiste na velocidade de rotação. No brunimento ela já é bem menor e o trabalho é feito com pressão maior, gerando melhor acabamento e maior precisão dimensional (tolerância IT4 ou ainda mais apertada abaixo de 6 m para diâmetros entre 18 mm e 30 mm). Por isso, este processo é normalmente empregado após a retificação Qualidade de Peças Furadas A análise do acabamento obtido em processos de furação normalmente é uma tarefa complexa, pois se trata de um processo de desbaste no qual o acabamento é obtido por outro processo. No entanto, todas as operações de acabamento em furos são utilizadas para produzir características exclusivas na peça, visando satisfazer as exigências específicas de tolerâncias. Por exemplo, o alargamento produz uma melhor retilineidade, enquanto o torneamento interno (mandrilamento) resulta num melhor paralelismo. Os processos de furação produzem furos que poderão ter diâmetros maiores ou menores do que o desejado. Da mesma forma existem tolerâncias dimensionais negativas e/ou positivas. Quanto às tolerâncias geométricas, a retilineidade e o paralelismo dependem do comprimento e do diâmetro do furo; por outro lado, a circularidade e o perpendicularismo dependem do processo. Erro de planicidade ocorre devido à deflexão na ferramenta (principalmente), excentricidade da ferramenta, erro na máquina etc. e depende da profundidade e da largura de corte, do comprimento e do diâmetro da ferramenta. A Figura esquematiza os erros de forma (diâmetro não uniforme), de posição (deslocamento do centro do furo), de circularidade (seção circular distorcida), dimensional (diâmetro resultante diferente da broca) e de rebarbação (rebarbas na entrada ou saída do furo). Figura Erros comuns na geometria do furo.