Você sabe quais são os métodos de usinagem de furos?

Os métodos de usinagem de furos incluem furação, alargamento, mandrilamento, repuxo, retificação e acabamento. A seguir, apresentaremos em detalhes algumas dessas tecnologias de usinagem de furos, solucionando os principais problemas relacionados a esse processo.

O furo é uma superfície importante em peças como caixas, suportes, buchas, anéis e discos, sendo também uma superfície frequentemente encontrada em usinagem. Considerando os mesmos requisitos de precisão de processamento e rugosidade superficial, usinar o furo é mais difícil do que usinar a superfície externa circular, resultando em baixa produtividade e alto custo.

Isso ocorre porque: 1) o tamanho da ferramenta usada no processamento de furos é limitado pelo tamanho do furo a ser processado, e a rigidez é baixa, o que facilita a ocorrência de deformações por flexão e vibrações; 2) ao usinar o furo com uma ferramenta de tamanho fixo, o tamanho do furo processado geralmente depende diretamente do tamanho correspondente da ferramenta, e erros de fabricação e desgaste da ferramenta afetam diretamente a precisão do processamento do furo; 3) ao usinar furos, a área de corte está dentro da peça, as condições de remoção de cavacos e dissipação de calor são precárias, e a precisão do processamento e a qualidade da superfície não são fáceis de controlar.

Perfuração

A furação é o primeiro processo de usinagem de furos em materiais sólidos, e o diâmetro do furo geralmente é inferior a 80 mm. Existem duas maneiras de furar: uma é com rotação da broca; a outra é com rotação da peça. O erro gerado por esses dois métodos de furação não é o mesmo. No método com rotação da broca, devido à assimetria da aresta de corte, à rigidez insuficiente da broca e à deflexão da mesma, o eixo central do furo pode ficar inclinado ou não reto, mas a abertura permanece basicamente inalterada. Por outro lado, no método com rotação da peça, a deflexão da broca causa a alteração da abertura, mas o eixo central do furo permanece reto.

As brocas de perfuração mais comuns incluem: broca helicoidal, broca de centro, broca para furos profundos, etc., sendo a broca helicoidal a mais utilizada, com diâmetro especificado de Φ0,1 a 80 mm.

Devido às limitações estruturais, a rigidez à flexão e à torção da broca são baixas, o que, aliado à baixa centralização, resulta em baixa precisão de furação, geralmente apenas entre IT13 e IT11. A rugosidade superficial também é elevada, com Ra geralmente entre 50 e 12,5 μm. No entanto, a taxa de remoção de metal na furação é alta e a eficiência de corte é elevada. A furação é utilizada principalmente para usinagem de furos com baixos requisitos de qualidade, como furos para parafusos, furos roscados, furos para óleo, etc. Para furos que exigem alta precisão de usinagem e qualidade superficial, recomenda-se o uso de alargamento, mandrilamento ou retificação em processos subsequentes.

Alargamento

O alargamento consiste em processar ainda mais o furo que foi perfurado, fundido ou forjado com uma broca de alargamento para aumentar a abertura e melhorar a qualidade do processamento do furo. O alargamento pode ser usado tanto como um pré-processamento antes do acabamento do furo quanto como o processamento final do furo com baixos requisitos. A broca de alargamento é semelhante à broca helicoidal, mas possui mais dentes e não tem aresta transversal.

Em comparação com a perfuração, o alargamento apresenta as seguintes características:

(1) número de dentes da broca de alargamento (3~8 dentes), boa orientação, corte relativamente estável; (2) broca de alargamento sem aresta cruzada, condições de corte são boas;

(3) A tolerância de usinagem é pequena, o sumidouro de cavacos pode ser mais raso, o núcleo da broca pode ser mais espesso e a resistência e rigidez do corpo da ferramenta são melhores. A precisão do alargamento é geralmente IT11~IT10 e a rugosidade superficial Ra é de 12,5~6,3 μm. O alargamento é frequentemente usado para processar furos com diâmetros menores. Ao furar um furo de grande diâmetro (D ≥ 30 mm), geralmente usa-se uma broca pequena (diâmetro de 0,5 a 0,7 vezes a abertura) para pré-furar e, em seguida, usa-se a broca de alargamento de furo do tamanho correspondente, o que pode melhorar a qualidade do processamento e a eficiência de produção do furo.

Além de usinar furos cilíndricos, brocas de alargamento de diversos formatos especiais (também conhecidas como escareadoras) podem ser usadas para usinar diversos furos escareados e rebaixos. A face frontal do escareador geralmente possui um pino guia, alinhado com um furo usinado.

O alargamento é um dos métodos de acabamento de furos, amplamente utilizado na produção. Para furos menores, o alargamento é um método de usinagem mais econômico e prático do que a retificação interna e o mandrilamento fino.

1. Alargador

Geralmente, os alargadores são divididos em dois tipos: alargadores manuais e alargadores mecânicos. O alargador manual possui um cabo reto, a parte de trabalho é mais longa e oferece melhor guia. Os alargadores manuais apresentam duas estruturas: com diâmetro externo fixo e com diâmetro externo ajustável. Os alargadores mecânicos apresentam duas estruturas: com cabo e bucha. Os alargadores podem usinar não apenas furos redondos, mas também furos cônicos, como os alargadores cônicos.

2. Processo de alargamento e sua aplicação

A sobremedida de alargamento tem grande influência na qualidade do processo. Se a sobremedida for muito grande, a carga sobre o alargador será excessiva, a aresta de corte se desgastará rapidamente, dificultando a obtenção de uma superfície de usinagem lisa e comprometendo a tolerância dimensional. Por outro lado, se a sobremedida for muito pequena, as marcas deixadas pela ferramenta de corte anterior não serão removidas, o que, naturalmente, não contribuirá para a melhoria da qualidade do processamento do furo. Geralmente, a sobremedida para alargamento grosso é de 0,35 a 0,15 mm, e para alargamento fino é de 0,15 a 0,05 mm.

Para evitar a formação de nódulos de cavacos, o alargamento geralmente é realizado com uma velocidade de corte mais baixa (v < 8 m/min para aço e ferro fundido com alargadores de aço rápido). O valor do avanço está relacionado à abertura a ser usinada; quanto maior a abertura, maior o valor do avanço. A taxa de avanço de um alargador de aço rápido para usinagem de aço e ferro fundido geralmente é de 0,3 a 1 mm/rotação.

O alargamento requer refrigeração, lubrificação e limpeza com fluido de corte apropriado para evitar o acúmulo de cavacos e garantir sua remoção oportuna. Comparado com a retificação e o mandrilamento, o alargamento oferece maior produtividade e garante com mais facilidade a precisão do furo. No entanto, o alargamento não corrige o erro de posicionamento do eixo do furo, sendo necessária uma etapa prévia para assegurar a precisão do posicionamento. O alargamento não é adequado para a usinagem de furos escalonados e furos cegos.

A precisão dimensional do alargamento é geralmente de IT9 a IT7, e a rugosidade superficial Ra é geralmente de 3,2 a 0,8 μm. Para furos de tamanho médio com requisitos de alta precisão (como furos de precisão IT7), o processo de furação-alargamento-alargamento é um esquema de processamento típico comumente usado na produção.

A mandrilamento é um método de usinagem no qual um furo pré-fabricado é alargado com uma ferramenta de corte. O trabalho de mandrilamento pode ser realizado tanto em uma mandriladora quanto em um torno.

1. Método de perfuração

Existem três métodos diferentes de usinagem para furação.

(1) A peça gira e a ferramenta realiza um movimento de avanço

A usinagem em torno pertence principalmente a este método de furação. As características do processo são: o eixo do furo após a usinagem coincide com o eixo de rotação da peça; a circularidade do furo depende principalmente da precisão de rotação do fuso da máquina-ferramenta; e o erro geométrico axial do furo depende principalmente da precisão de posicionamento da direção de avanço da ferramenta em relação ao eixo de rotação da peça. Este método de furação é adequado para usinar furos com requisitos coaxiais na superfície de um círculo externo.

(2) A ferramenta gira e a peça é alimentada

O eixo da máquina de mandrilar aciona a rotação da ferramenta de mandrilar, e a mesa aciona o avanço da peça de trabalho.

(3) A ferramenta gira e realiza movimento de avanço

Utilizando esse tipo de método de mandrilamento, o comprimento de projeção da barra de mandrilamento é alterado, a deformação por força na barra de mandrilamento também é alterada, a abertura próxima ao cabeçote é maior e a abertura mais distante do cabeçote é menor, formando um furo cônico. Além disso, com o aumento do comprimento de projeção da barra de mandrilamento, a deformação por flexão do eixo principal causada pelo seu próprio peso também aumenta e o eixo do furo usinado sofrerá uma flexão correspondente. Esse método de mandrilamento é adequado apenas para usinagem de furos curtos.

2. Perfuração de diamante

Em comparação com o mandrilamento convencional, o mandrilamento com diamante caracteriza-se por uma pequena quantidade de corte reverso, avanço reduzido e alta velocidade de corte, permitindo obter alta precisão de usinagem (IT7 ~ IT6) e uma superfície muito lisa (Ra 0,4 ~ 0,05 μm). O mandrilamento com diamante era originalmente realizado com ferramentas diamantadas, mas atualmente é comumente empregado com ferramentas de metal duro, CBN e diamante sintético. É utilizado principalmente para usinagem de peças de metais não ferrosos, mas também pode ser aplicado em peças de ferro fundido e aço.

Os parâmetros de corte mais comuns para furação com diamante são: pré-furação de 0,2 a 0,6 mm e furação final de 0,1 mm; a taxa de avanço é de 0,01 a 0,14 mm/r; a velocidade de corte é de 100 a 250 m/min para ferro fundido, de 150 a 300 m/min para aço e de 300 a 2000 m/min para metais não ferrosos.

Para garantir que a máquina de mandrilar diamante alcance alta precisão de usinagem e qualidade de superfície, a máquina-ferramenta (máquina de mandrilar diamante) deve ter alta precisão geométrica e rigidez; o eixo principal da máquina-ferramenta deve suportar rolamentos de esferas de contato angular de precisão ou mancais de deslizamento de pressão estática, comumente utilizados; e as partes rotativas de alta velocidade devem ser balanceadas com precisão; além disso, o movimento do mecanismo de avanço deve ser muito suave para garantir que a mesa possa realizar movimentos de avanço suaves em baixa velocidade.

A usinagem por mandrilamento diamantado apresenta boa qualidade, alta eficiência de produção e é amplamente utilizada no acabamento de furos de precisão em larga escala na produção em massa, como furos em cilindros de motores, furos em pinos de pistões e furos no eixo principal de máquinas-ferramenta. Contudo, é importante ressaltar que, na usinagem de metais ferrosos com mandrilamento diamantado, somente ferramentas de mandrilamento de metal duro e CBN podem ser utilizadas, e ferramentas de mandrilamento de diamante não são recomendadas, pois os átomos de carbono no diamante possuem alta afinidade com os elementos do grupo do ferro, reduzindo a vida útil da ferramenta.

3. Ferramenta de perfuração

As ferramentas de mandrilamento podem ser divididas em ferramentas de mandrilamento de aresta simples e ferramentas de mandrilamento de aresta dupla.

4. Características do processo de furação e gama de aplicações

Em comparação com os processos de furação, alargamento e escareamento, o diâmetro do furo não é limitado pelo tamanho da ferramenta, e o mandrilamento possui uma forte capacidade de correção de erros. O desvio do eixo original do furo pode ser corrigido por meio de múltiplos cortes, e o mandrilamento consegue manter uma maior precisão de posicionamento em relação à superfície de referência.

Em comparação com o mandrilamento circular externo, devido à baixa rigidez do sistema de barra de ferramentas, grande deformação, má dissipação de calor e condições de remoção de cavacos inadequadas, a deformação a quente da peça e da ferramenta é relativamente grande, e a qualidade de processamento e a eficiência de produção do mandrilamento não são tão altas quanto as do mandrilamento circular externo.

Em resumo, observa-se que a gama de processamento por mandrilamento é ampla, permitindo a usinagem de furos de diferentes tamanhos e níveis de precisão. Para furos e sistemas de furos com grandes aberturas e requisitos de alta precisão dimensional e posicional, o mandrilamento é praticamente o único método de usinagem. A precisão de usinagem por mandrilamento varia de IT9 a IT7. O mandrilamento pode ser realizado em mandriladoras, tornos, fresadoras e outras máquinas-ferramenta, apresentando vantagens como flexibilidade e versatilidade, sendo amplamente utilizado na produção. Na produção em massa, matrizes de mandrilamento são frequentemente utilizadas para aumentar a eficiência do processo.

1. Princípio de afiação e cabeça de afiar

O brunimento é o método de acabamento de furos utilizando uma cabeça de brunimento com uma haste de afiar (pedra de amolar). Durante o brunimento, a peça é fixada e a cabeça de brunimento é girada pelo eixo da máquina-ferramenta, realizando um movimento retilíneo alternado. No processo de brunimento, a haste de afiar atua sobre a superfície da peça com uma determinada pressão, removendo uma camada extremamente fina de material. Para evitar a repetição do movimento da partícula abrasiva, o número de rotações por minuto da cabeça de brunimento e o número de golpes alternados por minuto devem ser ideais.

O ângulo transversal da pista de brunimento está relacionado à velocidade de movimento alternativo e à velocidade de rotação da cabeça de brunimento, e o tamanho do ângulo afeta a qualidade e a eficiência do processo. Para facilitar a remoção de partículas abrasivas e cavacos, reduzir a temperatura de corte e melhorar a qualidade do processo, deve-se utilizar fluido de corte em quantidade suficiente durante o brunimento.

Para que a parede do furo usinado seja uniformemente usinada, o curso da barra de lixa em ambas as extremidades do furo deve exceder uma seção de sobreposição. Para garantir uma sobremedida de brunimento uniforme e reduzir a influência do erro de rotação do fuso na precisão da usinagem, geralmente se adota uma conexão flutuante entre a cabeça de brunimento e o fuso da máquina-ferramenta.

O ajuste da expansão radial da haste de retificação da cabeça de brunimento apresenta diversas formas estruturais, como manual, pneumática e hidráulica.

2. Características do processo de brunimento e gama de aplicações

(1) O brunimento pode obter maior precisão dimensional e de forma, a precisão de processamento é IT7~IT6, o erro de circularidade e cilindricidade do furo pode ser controlado dentro da faixa, mas o brunimento não pode melhorar a precisão de posição do furo a ser usinado.

(2) O brunimento pode obter uma qualidade de superfície superior, a rugosidade da superfície Ra é de 0,2~0,25μm, a profundidade da camada de defeito metamórfico do metal da superfície é muito pequena 2,5~25μm.

(3) Comparada com a velocidade de retificação, a velocidade circular da cabeça de brunimento não é alta (vc = 16~60 m/min), mas devido à grande área de contato entre a barra de areia e a peça de trabalho, a velocidade de movimento alternativo é relativamente alta (va = 8~20 m/min), portanto o brunimento ainda tem alta produtividade.

O brunimento é amplamente utilizado na usinagem de furos em cilindros de motores e furos de precisão em diversos dispositivos hidráulicos produzidos em larga escala, podendo processar furos profundos com uma relação comprimento/diâmetro superior a 10. No entanto, o brunimento não é adequado para processar furos em peças de metais não ferrosos com alta plasticidade, nem para processar furos com chavetas, furos estriados, etc.

1. Broca e brocha

A estampagem é um método de acabamento de alta produtividade, realizado em uma brochadeira com uma broca especial. As brochadeiras dividem-se em dois tipos: brochadeiras horizontais e brochadeiras verticais, sendo a brochadeira horizontal a mais comum.

O brochamento utiliza apenas movimento linear de baixa velocidade (movimento principal). O número de dentes da broca em operação simultânea geralmente não deve ser inferior a 3; caso contrário, a broca fica instável e pode facilmente produzir ondulações circulares na superfície da peça. Para evitar a geração de força excessiva de brochamento e a consequente quebra da broca, o número de dentes em operação simultânea não deve exceder 6 a 8.

Existem três métodos diferentes de brochamento, que são descritos a seguir:

(1) Brochamento em camadas

Este método de brochamento é caracterizado pelo corte da sobremedida da peça pela brocha, camada por camada, em sequência. Para facilitar a quebra dos cavacos, os dentes da fresa são retificados com ranhuras intercaladas para remoção de cavacos. A brocha projetada segundo o método de brochamento por camadas é denominada brocha comum.

(2) brochamento de bloco

A característica desse método de brochamento é que cada camada de metal na superfície usinada é cortada por um conjunto de dentes da ferramenta que são basicamente do mesmo tamanho, mas entrelaçados entre si (geralmente cada conjunto consiste em 2 a 3 dentes). Cada dente corta apenas parte de uma camada de metal. A brocha projetada de acordo com o método de brochamento por bloco é chamada de brocha rotativa.

(3) Brochamento abrangente

Dessa forma, as vantagens do brochamento por camadas e do brochamento por blocos são concentradas. O brochamento por blocos é utilizado na etapa de desbaste, enquanto o brochamento por camadas é utilizado na etapa de acabamento. Assim, o comprimento da broca pode ser reduzido, a produtividade aumentada e uma melhor qualidade superficial obtida. A broca projetada de acordo com o método de brochamento abrangente é denominada broca abrangente.

2. Características do processo e gama de aplicações de furação por estampagem

(1) A broca é uma ferramenta de múltiplas arestas, que pode realizar o desbaste, o acabamento e o polimento do furo em sequência em um único golpe de brochamento, e possui alta eficiência de produção.

(2) A precisão do desenho depende principalmente da precisão da broca; em condições normais, a precisão do desenho pode atingir IT9~IT7 e a rugosidade da superfície Ra pode atingir 6,3~ 1,6 μm.

(3) Ao fazer um furo, a peça é posicionada pelo próprio furo usinado (a parte guia da broca é o elemento de posicionamento da peça), e o furo de estampagem não é fácil de garantir a precisão de posicionamento mútuo do furo e outras superfícies; Para o processamento de peças rotativas cujas superfícies circulares internas e externas têm requisitos coaxiais, muitas vezes é necessário primeiro fazer furos e depois processar outras superfícies com furos como referência de posicionamento.

(4) a broca pode não apenas processar furos redondos, mas também processar furos de conformação e furos estriados.

(5) a broca é uma ferramenta de tamanho fixo, formato complexo, cara, não adequada para processar furos grandes.

A estampagem de furos é comumente usada em larga escala na produção em massa para processar furos em peças de pequeno e médio porte com diâmetro de 10 a 80 mm e profundidade de furo não superior a 5 vezes a abertura.

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