CURSO DE PÓS-GRADUAÇXO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE A FURAÇ^ÍO COM BROCAS PARA FUROS CURTOS DE INSERTOS REVERSiVEIS E BROCAS HELICOIDAIS
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA Á UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PARA OBTENÇXO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
'•-V
JUAN CARLOS CASTILLO VILLARROEL
ANÃLISE COMPARATIVA ENTRE A FURAÇÀO COM BROCAS PARA FUROS
CURTOS DE INSERTOS REVERSÍVEIS E BROCAS HELICOIDAIS
JUAN CARLOS CASTILLO VILLARROEL
ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TITULO DE
MESTRE EM ENGENHARIA
ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECÂNICA, ÃREA DE CONCENTRAÇÃO
FABRICAÇÃO, APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO CURSO DE
PõS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
P r o f . Walter Lindolfo Weinqaertner, Dr. - Ing. Orientador
BANCA EXAMINADORA;
Pro-f, Walter Lindolfo Weingaertner, D r . - Ing
Pro-f. Lourxval Eng . Mec .
Aos meus pais e
AGRADECIMENTOS
à CAPES pela concessão da bolsa de estudos através do
Programa PEC-PG.
Ao Pro-f . Dr. Ing. Walter Lindol-fo Weingaer t n e r , pelo exemplo
e pela orientaçSo deste trabalho.
Ao M. Eng . Mec . Rol-f Bertrand Schroeter, pelos conselhos e o
inestimável apoio na elaboração desta DissertaçSo.
Aos mestrandos Moacir Eckhardt, Rolando Vargas e ao
doutorando Antônio Salvador da Rocha,, pela amizade e incentivo.
à -firma August Beck GmbH, da República Federal da Alemanha,
pelo -fornecimento das -f er ramen tas .
Aos colegas de curso e professores do Departamento de
Engenharia Mecânica.
Ao projetista Hugo Vivanco pelos desenhos; aos técnicos
Sérgio dos Santos, Osvaldo Sodré e ao graduando Mário Alfeu W.
Lemos, pelo auxílio na execução dos ensaios.
Aos técnicos e bolsistas do Laboratório de Máquinas-
Ferramentas-USIMAQ e ao Laboratório de Metrologia-LABMETRO, pela
cooperação prestada.
à firma Alcan Alumínio do Brasil S.A. pela doação do
materia 1.
1. INTRODUÇSO ... ... 1
2. ESTADO DA ARTE ... ... 3
2.1. G e n e r a 1 idades da FuraçSo ... ... 3
2.2. Ferramentas Empregadas na Furaçao ... ... 4
2.2.1. Brocas Helicoidais ... ... 4
2.2.2. Geometria das Brocas Helicoidais ... 4
2.3. Processo de Usinagem ... ... 7
2.3.1. AçSo de Corte ... ... ... 9
2.3.2. Precisão e Acabamentos Obtidos na Furação ... ... 10
2.4. Critérios de Vida e Tipos de Desgaste ... ... 12
2.5. Materiais e Tratamentos Superficiais nas Brocas Helicoidais ... ... 13
2.5.1. Processos de Revestimento ... ... 15
2.6. Forma dos Cavacos ... ... 19
2.7. Forças de Usinagem no Processo de FuraçSo ... 21
2.7.1. Componentes da Força de Usinagem na Furação ... ... 21
2.7.2. Forças Específicas ... ... 22
2.7.3. Medição de Forças ... ... 23
2.7.4. Influências Sobre a Força de Usinagem na Furação ... ... 24
2.8. Brocas com Insertos Reversíveis ... ... 26
2.8.1. Tipos da Ferramenta ... ... 28
2.8.3. Insertos Usados em Brocas para Furos
Curtos ... ... 33
2.8.4. Fluido de Corte ... ... 34
2.8.5. CondiçSes de Trabalho ... 35
2.9. Forças de Usinagem para Brocas de Insertos
Reversíveis ... 37
2.10. Decomposição de Forças para Dois Tipos de
Insertos ... ...39
2.10.1. Brocas com Insertos Reversíveis
Quadrados ...39
2.10.2. Brocas com Insertos Reversíveis
T rigonais ... ... ...41
2.10.3. ConsideraçSes Finais ... ...42
PLANEJAMENTO DOS EXPERIMENTOS ...43
3.1. General idades ...43
3.2. Ferramentas Utilizadas ...43
3.2.1. DimensSes das Brocas Bore Beck BB 06 .... .. 45
3.2.2. DimensSes dos Insertos ... ... .. 46
3.3. Material Ensaiado .. 47
3.3.1. Propriedades do Aço ABNT 1045 ... .. 47
3.3.2. Propriedades das Ligas de Alumínio ... .. 48
3.4. Corpos de Prova . .. 49
3.5. Planejamento dos Ensaios 50
3.6. Seleção das CondiçSes de Usinagem 50
3.7. Máquina-Ferramenta 51
3.8. Alimentação Interna do Fluido de Corte 51
3.9. Equipamento' para Medição das Forças de Usinagem .. 52
3.9.1. Dinamômetro Piezelétrico ... .. 52
3.9.3. Unidade de Aquisição Automática de Dados . 53
3.9.4. Microcomputador ... 53
3.10. Equipamento para Verificação da Qualidade dos Furos ... 54
3.10.1. Metroscópio Horizontal ... 54
3.10.2. Rugosimetro ... 54
3.10.3. C i r c u 1arímetro ... 54
3.11. Microscópio óptico de Medição ... 54
3.12. Calibração do Sistema de Medição das Forças de Usinagem ... 55
3.13. Metodologia dos Ensaios ... 55
4. EXECUÇSO DOS ENSAIQS ... 57
4.1. Etapas Preliminares aos Ensaios ... 57
4.2. Medição das Componentes da Força de Usinagem .... 58
4.3. Ensaios com as Brocas Helicoidais e Alargadores Convencionais ... 59
4.4. Ensaios com as Brocas de Insertos Reversíveis .... 59
4.5. Tolerância Dimensional ... 60
4.6. Qualidade Obtida nos Furos ... 61
4.6.1. Rugosidade ... ... 61
4.6.2. Erros de Ci r c u 1 aridade ... 61
4.6.3. Sobremedida nos Furos ... 62
5. AMÂLISE COMPARATIVA EMTRE A FURAÇÀO COM BROCAS PARA FUROS CURTOS DE INSERTOS REVERSÍVEIS E BROCAS HELICOIDAIS --- 64
5.1. Forças de Usinagem ... 64
5.1.1. Comparação com as Brocas Helicoidais .... 64
5.1.2. Influência do Diâmetro ... . 66
5.1.4. In-fluência do Ângulo de Saida ... 69
5.1.5. In-fluência da Velocidade de Corte ... 71
5.1.6. In-fluência da Forma de Alimentação do
Fluido de Corte ... ... 73
5.1.7. In-fluência do Revestimento dos Insertos .. 75
5.1.8. Distribuição das Componentes da Força
de Usinagem em cada Inserto ... 77
5.1.9. Forças em Di-ferentes Ligas de Alumnio .... 78
5.2. Rugosidade ... 80
5.2.1. Comparação com as Brocas Helicoidais .... 80
5.2.2. E-feito das Dimens3es de Corte ... 81
5.2.3. E-feito do Ângulo de Saída ... 82
5.2.4. E-feito da Velocidade de Corte ... 83
5.2.5. Efeito da Alimentação do Fluido de
Corte ... 84
5.2.6. Efeitos do Revestimento sobre a
Rugosidade ... 85
5.2.7. Rugosidade Obtida em Diferentes Ligas
de Alumínio ... 86
5.3. Ci rcu 1 ar idade ... 87
5.3.1. Comparação com as Brocas Helicoidais .... 87
5.3.2. Efeito das Dimens3es de Corte ... 88
5.3.3. Influência do Ângulo de Saída e da
Velocidade de Corte ... 88
5.3.4. Influência do Revestimento ... 89
5.3.5. Circularidade Obtida nas Ligas de
Alumínio Ensaiadas ... 89
5.4. Sobremedida dos Furos ... ... 90
5.4.1. Comparação com as Brocas Helicoidais .... 90
6. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA A CONTINUIDADE DO TRABALHO . 96
6.1. Conclusses ... 96
6.2. SugestSes para a Continuidade do Trabalho ... 97
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 99
BIBLIOGRAFIA AUXILIAR ... 103
ANEXO 1 ... 104
ANEXO 2 ... 106
LISTA DE FIGURAS
C A P IT U L O 2
2.1. Geometria da broca helicoidal ... 5
2.2. Ângulos na broca medidos no plano de trabalho ... 5
2.3. Aumento da espessura do núcleo e do gume transversal com a reafiaçSo da broca helicoidal ... 6
2.4. Principio de corte no gume ... 8
2.5. Principais erros na geometria do furo ... 10
2,ó. Desgaste da guia em uma broca helicoidal ... 13
2.7. EvoluçSo da temperatura de revestimento ... 16
2.8. Influência do revestimento na remoção de cavaco ... 17
2.9. Diversas formas de cavaco obtidas na furação ... 20
2.10. Forças atuantes nos gumes principais ... 22
2.11. Geometria do cavaco para furação em cheio e com pré-furo ... ... 23
2.12. Broca para furação curta com insertos reversíveis .... 27
2.13. Formas construtivas diferentes de brocas com insertos reversíveis ... 28
2.14. Comprimentos diferentes para o corpo da bròca ... 29
2.15. Versati1 idade das brocas com insertos reversíveis .... 31
2.16. Possibilidade de usinar superfícies curvas e com uma estabilização de corte imediata ... 32
2.17. Sobremedida do inserto externo e configuração do fundo do furo ... ... 33
2.18. Inserto trigonal ... 34
insertos reversíveis ... 38
2.20. Diagrama de -forças na -furaçSo com brocas de insertos reversí>veis quadrados ... 39
2.21. Diagrama de -forças na -furação com brocas de insertos reversíveis trigonais ... 41
2.22. Ângulo de deslocamento angular
y
como -função da relação Ü/T e do ângulo ... 42C A P ÍT U L O 3 3.1. Disposição da broca para o aumento do diâmetro usinado ... 44
3.2. Broca Bore Beck BB 06 ... 45
3.3. Insertos utilizados nos ensaios ... 46
3.4. Distribuição dos -furos nos corpos de prova ... 49
3.5. Adaptador para alimentação interna do -fluido de corte ... 51
3.6. Esquema para a medição das -forças de usinagem ... 52
3.7. Dinamômetro piezelétrico ... 53
C A P IT U L O S 5.1, Forças de usinagem para brocas di-ferentes ... 64
5.2, Influências do diâmetro D sobre as componentes da -força de usinagem ... 66
5.3, In-fluência do avanço -f sobre as componentes da -força de usinagem ... 69
5.4, Influência do ângulo de saída
y
sobre as componentes da força de usinagem ... 70componentes da -força de usinagem ... 72
5.Ó, In-fluência da velocidade de corte vc e do diâmetro D
sobre as componentes de usinagem ... 72
5.7. Efeitos do tipo de alimentação do fluido de corte
sobre as componentes da força de usinagem ... 73
5.8. Efeitos do revestimento sobre as componentes da
força de usinagem ... 75
5.9. Contribuição de cada inserto nas forças de usinagem . 77
5.10. Componentes da força de usinagem nas três ligas de
alumínio 2011,
6 2 6 2 , 6061
e no aço ABNT 1045 ... 79 5.11. Influência do avanço f sobre a rugosidade para brocaspara furação curta e para as brocas helicoidais .... 80
5.12. Efeitos da seção de cavaco sobre a rugosidade ... 82
5.13. Efeitos do ângulo de saída
y
sobre a rugosidade ... 835.14. Efeitos da velocidade de corte
v c
sobre a rugosidade . 845.15. Efeitos do tipo de alimentação do fluido de
corte sobre a rugosidade ... 85
5.16. Influência do revestimento sobre a rugosidade ... 85
5.17. Rugosidade obtida nas três ligas de alumínio ... 86
5.18. Tolerância dimensional para a broca
BB 06 com D = 16 mm ... 92
5.19. Redução nos cust,ps para os dois tipos de broca ... 94
5.20. Custos e tempos de usinagem por furo em função
SIMBOLOGIA
ao mm Ponto de apoio da
i o r c a
sobre o insertoexterno em relaçSo ao eixo da -ferramenta,
bo mm Ponto de apoio da força sobre o inserto
interno em relaçSo ao eixo da ferramenta,
b© mm Gume ativo do inserto externo,
bi mm Gume ativo do inserto interno,
b mm Largura de usinagem.
d mm Diâmetro usinado.
D mm Diâmetro da ferramenta.
AD/2 mm Máximo deslocamento lateral,
f mm/rot Avanço.
F N Força de usinagem.
Fc N Força de corte.
Ff N Força de avanço.
Fp N Força passiva.
Fx,y N Componentes normais à força de avanço.
h mm Espessura de usinagem.
2
kf N/mm Força especifica de avanço.
kfi. 1 N/mm^ Força específica de avanço unitária.
kc N/mm^ Força específica de corte.
kci. i' N/mm^ Força específica de corte unitária.
1& mm Trajetória efetiva percorrida pelo gume em
uma rotação.
L mm Comprimento.
(i-rnf) Expoente da força de avanço.
Md Mz n Q
£
ro Ra Rt T ü vf Vc Vbmáx Nm Nm min ^ 1 /min mm mm mm ^/m ^ím mm mm mm/min m/min mm Momento torçor.Momento ortogonal ao eixo z.
Rotação da árvore.
Vazao do -fluido de corte
Raio da Ferramenta.
Raio da quina.
Ponto de apoio da força de usinagem.
Desvio medio arimtético.
Altura máxima das rugosidades.
Comprimento do gume dos insertos.
Sobreposição dos insertos.
Velocidade de avanço.
Velocidade de Corte.
Desgaste de flanco.
V cm /min
\/<zs
1 ume de cavacoaf Graus Än g u 1 o de incidência lateral.
af© Graus Ângu 1 o de incidência lateral efetivo.
/?f Gr aus Än g u 1 o de cunha lateral.
Graus Än g u 1 o de sai da lateral.
Graus Än g u 1 o de saida lateral efetivo.
W
Graus Än g u 1 o do gume transversal.a
Graus Än g u 1 o de pon t a .r)
Graus Än g u 1o de direção efetiva de corte.<5 Graus Än g u 1 o de hélice.
e
Graus Än g u 1 o de q u i n a .X
Graus Än g u 1 o de d i re ç ã o .R E S U M O
Neste trabalho sSo estudadas as brocas para -furos curtos com
insertos reversíveis. Estas são comparadas com as brocas
helicoidais com ou sem revestimento, comparação feita em função
das componentes de usinagem, qualidade superficial da parede do
furo, erros de c i r c u 1 aridade e sobremedida obtida nos furos.
Os
materiais usinados foram um aço ABNT 1045 e as ligas de alumínio
2011-T3, Ò262-T9 e 6061-T6.
Devido à ausência do gume transversal nas ferramentas para
furos curtos ocorrem forças de usinagem menores. As altas
velocidades utilizadas com estas ferramentas levam a rugosidades
menores. A rigidez destas ferramentas permite obter furos com
ci r c u 1 aridade e tolerância dimensional menores.
As altas velocidades de avanço também permitem tempos de
usinagem menores e elevadas taxas de remoção de cavacos,
aproveitando assim as altas rotaçSes e potências oferecidas pelas
ABSTRACT
In this work, Indexable - insert drills -for short holes are
studied. These are compared to helical drills,, with or without
coat, comparing the machining components, hole roughness,
circularity and oversize errors. Steel ABNT 1045 and the aluminum
alloys 2011 - T3,
6 2 6 2 -
T9 and 6061 - T6 were used.Due to the absence o-f a transversal edge -for drills to short
holes, lower machining -forces are noticed. With high speed used
in these tools, fewer roughness is achieved. Their stiffness
allows making holes with lower dimensional tolerance and smaller
circularity.
High speeds rates also allow lower machining time and high
chip - removal rates, making in this way good use of the high
INTRODUÇ XO
Furação é uma operação de usinagem tridimensional complexa,
com condiçBes de corte que variam ao longo dos gumes. Um dos
avanças recentes mais importantes na tecnologia de -furação foi o
desenvolvimento de brocas com insertos reversíveis de metal duro.
Estas ferramentas produzem furos curtos em menos tempo e com
custos menores do que as brocas helicoidais convencionais, de aço
rá p i d o .
Estudos têm mostrado que apr.ox imadamente 60 ’/. de todas as
aplicaçSes de furação na indústria mecânica se referem a furos
curtos, com uma profundidade de até 2,5 vezes o diâmetro. Muitos
desses furos podem ser usinados com brocas de insertos
reversí v e i s .
0 rendimento de uma broca pode ser avaliado pela sua
velocidade de avanço, manutenção da precisão dimensional,
acabamento superficial produzido, vida da ferramenta e,
principalmente, o custo por furo usinado.
As principais vantagens das brocas com insertos reversíveis
são o aumento da produtividade, a redução dos custos e uma maior
v e r s a t i 1 i d a d e . A 1 èm disto, quando estas ferramentas são
utilizadas em máquinas comandadas numericamente onde o custo
hora/máquina é elevado, estas brocas trazem a vantagem de não
comprimento inicial ou modificar o programa de execuçSo, devido á
eliminação da operaçSo de reafiaçSo.
Trabalhos com este tipo de ferramenta mostram que quando ela
é comparada com brocas helicoidais convencionais de aço rápido,
sSo alcançados tempos de usinagem significativamente menores
devido às elevadas velocidades de corte.
Este trabalho tem como objetivo aprofundar os conhecimentos
sobre furação de furos curtos com brocas de insertos reversíveis
e realizar comparaçSes com as brocas helicoidais com e sem
revestimento, como também com afiaçSes diferentes.
Essas comparaçSes serSo feitas em relaçSo às componentes da
força de usinagem, acabamento superficial obtido nas paredes do
furo, erros de forma caracterizados pela circularidade e erros de
dimensSo caracterizados pelas sobremedidas obtidas nos furos.
Essas avaliaçSes serSo realizadas sobre o aço ABNT 1045 e as
ligas de alumínio 2011-T3, 6262-T9 e 6061-Té>.
Pretende-se estudar, nas furaçSes em cheio com as brocas de
insertos reversíveis, as influências das condições de usinagem,
dos materiais e das geometrias das diferentes ferramentas sobre
as componentes da força de usinagem e as características obtidas
no furo. Determinar-sé-á a contribuição de cada inserto sobre as
componentes da força de usinagem.
A influência da forma de alimentação do fluido de corte
C A P I T U L O
ESTAEX) DA ARTE
2.1. G e n e r a 1 idades da Furação
Na usinagem com -ferramenta de corte de geometria de-finida,
de-fine-se como -furação o processo empregado na execução de
furos. A ferramenta de corte, designada de broca, apresenta dois
movimentos em relação à peça, sendo um de rotação e o outro de
avanço.
Existem diferentes métodos de furação: A furação com brocas
helicoidais convencionais, a furação profunda e a furação curta.
Como particu1aridades do processo de furação tém-se:
- A velocidade de corte é variável de um valor máximo na
periferia até o valor zero no centro da .ferramenta,
variando assim o mecanismo de formação de cavacos, bem
como os esforços ao longo do gume principal.
- Tanto a remoção de cavaco como a distribuição do fluido de
corte são dificultadas na furação, à medida que se aumenta
a profundidade do furo.
- Com o aumento da profundidade do furo tem-se também um
aumento do atrito das guias da ferramenta com a parede do
2.2.1. Brocas Helicoidais
As brocas helicoidais são as -ferramentas mais difundidas na
usinagem de -furos. Elas são projetadas para a -furação em cheio e
em peças com pré--furos. As brocas helicoidais são c 1 assi-f ic adas
de acordo com o tipo de material do qual elas são -feitas, da
-forma da haste, do número de canais, do sentido de corte, do
comprimento, do diâmetro e da geometria da ponta C2D.
2.2.2. Geometria das Brocas Helicoidais
As -figuras 2.1 e 2.2 mostram esquematicamente a con-f iguração
da -ferramenta, de-finida con-forme norma DIN 6581 e NB 205.
Existem aprox imadamen te 150 -formas di-ferentes de a-fiação das
brocas e também per-fis específicos desenvolvidos para diversos
tipos de materiais das peças, que levam a um rendimento adequado
do processo de furação C1 D .
ü gume transversal é uma parte integrante do gume
principal. Em decorrência do ângulo de saída negativo e da
velocidade de corte muito baixa, este gume não apresenta uma
ação de corte eficiente, e sim uma ação de extrusão do material
na direção da parcela dos gumes principais. Por isto, deve ser
mantido tão pequeno quanto possível.
A maioria das brocas é fabricada com diâmetros de núcleo de
dimensão crescente na direção da haste (Figura 2.3). Assim, uma
reafiaçSo da broca desgastada aumenta o comprimento do gume
■ferramenta . 15 1 Compr. da ponta 2 Compr. de corte 3 Compr. de hélice 4 Compr. da haste 5 Rebaixo 6 C o m p r . total 7 Sup. de incidência 8 Quina 9 Largura da guia 10 Gume secundário lateral 11 Gume principal 12 Face 13 Largura da nervura 14 Diâmetro da sup. secundária de incidência 15 Guia 16 Gume transversal 17 Diâmetro da broca 18 Quina de saída 19 Canal 20 Diâmetro do núcleo
Figura 2.1.- Geometria da broca helicoidal C4],
extremidada do gume de corte D 1rs pão d s corte —D ire ç ã o ^— t t' e fe tivo de corte '^Avanço ^ f P ire çd o de avanço. Percurso de corte por rota çã o
» V'
a
£
f© Âng. de incidência lateral Âng. de incidência lateral e-fetivo Âng. de cunha 1 atera1 Â n g , de saida lateral Âng. de saída lateral e-fetivo Âng. de direçSo e^fetiva de corte Âng. do gume transversa 1 Âng. de ponta Âng. de quinaFigura 2.2.- Ângulos na broca medidos no plano de trabalho C4I1.
Para reduzir o atrito no -furo, as brocas sSo retificadas no
para 100 mm de comprimento C2,3]. SeccSo A -A / \ espojíuro y A . / do núcleo / Sec~CQo B-B 'comprin»9n> to dogum a fronsversol
Figura 2.3.- Aumento da espessura do núcleo e do gume transversal
com a rea-fiação da broca helicoidal C23 .
Uma outra variável crítica na performance da -ferramenta
devido à geometria da ponta da broca é o ângulo de ponta
cy.
Ângulos de ponta usuais s'ã’o de 118'’. Uma possível limitaçSo
em relação ao ângulo de ponta, é a utilização de um ângulo de
118'^ que contribui na imprecisão de posicionamento da ponta da
broca sobre a peça, sendo necessário o uso de uma broca de centro
para melhorar a precisão.
Ângulos de ponta maiores que 118“^ são recomendados para
obtenção de melhores resultados em materiais duros ou
pro-fundidades de furos maiores. Ângulos de ponta grandes geram
cavacos com maior espessura de usinagem (h) e menor largura de
cavaco <b) para um dado avanço, os quais trazem benefícios na
e-feito negativo é a c onc en t r açâ^o de desgaste abrasivo na quina
dos gumes C 3 3.
Ângulos de ponta mais agudos produzem e-feitos contrários,
cavacos com menor espessura de usinagem (h) e reduçSo do desgaste
abrasivo nas quinas. Eles s'ão recomendados para materiais nSo
■ferrosos e plásticos.
Os ângulos de saida e de incidência
a
geralmente sSomedidos no plano de trabalho, no qual se encontra o ponto de
re-ferência da broca helicoidal (DIN 1412), resultando em ângulos
laterais e . A -forma e o ângulo de hélice
6
de-finem o ângulode saída
y ,
que apresenta o seu valor máximo na quina da broca(onde
^
6), diminui em direçSo ao centro da broca e passa aser negativo na passagem para o gume transversal, dando assim
condiçSes diferentes de remoçSo de cavaco ao longo do gume C13.
2.3. Processo de Usinagem
0 processo de usinagem com as duas partes cortantes do gume
principal está mostrado na Figura 2.4, A superfície de corte f é
gerada pela superposição do movimento de corte e do movimento de
avanço contínuo efetuado pelas duas parcelas do gume principal,
de forma que a trajetória efetiva 1© percorrida por um ponto do
gume em uma rotação é dada pela equaçao (1) C2,53,
le = C (2 rr r )^ + ( f / 2 ) ^3^''''^ ( 1 )
Como resultado do movimento principal de corte (rotação) e
do avanço, tem-se uma direção efetiva de corte, definida pelo
efetivo da operação de usinagem.
Figura 2.4.- Princípio de corte no gume C5]
Considerando-se as condiçSes de corte, deve-se procurar uma
broca com ângulo de incidência
a
grande, para com isso evitar oesmagamento do material na parte central da broca. Um aumento
deste ângulo está limitado pela redução da resistência da cunha
e a tendência a vibraçSes que ocorrem na broca.
A ação de corte com brocas helicoidais apresenta dois
aspectos com carac terísticas diferentes na parte cortante do gume
principal e no gume transversal. Ambos estão envolvidos na
remoção de material, mas suas açSes são completamente diferentes.
Enquanto a parte cortante do gume principal, com ângulo de
saída
y
positivo, tem uma ação efetiva de corte - onde cadaparcela do gume pode ser analisada de forma análoga a uma
ferramenta simples de corte (Figura 2.4) - sob o gume transversal
tem-'se uma deformação de material acentuada que contribui
com aprox imadamen te 50 7. da força de avanço C63.
Essa situação, adicionada a um comprimento desigual dos
e muito irregulares. Estes fatores aceleram uma alternância no
esforço de corte sobre cada gume e precipitam seu desgaste
C3,7,8D.
2.3.1. Ação de Corte
Enquanto a parte cortante do gume da broca produz cavacos
por cisalhamento e corte, o material da peça abaixo do gume
transversal da ferramenta é submetido à mais severa deformação
com extrusão lateral, exigindo desse modo forças axiais
maiores. 0 espaço limitado para a remoção dos cavacos faz com que
seja desejável que os mesmos tenham pequenos tamanhos.
Quanto menor a ductilidade do material a ser furado, maior é
a tendência de os cavacos se quebrarem em pequenos pedaços, o que
é conveniente. Quanto maior a ductilidade do material a ser
furado, maior ê a possibilidade de os cavacos ficarem aderidos
nos canais das ferramentas, dificultando a remoção dos mesmos e a
passagem do fluido de corte, causando uma geração de calor
excessiva e um desgaste prematuro da broca,
Um aumento no avanço tem o efeito de incrementar a espessura
dos cavacos, levando a uma severa deformação além do limite de
resistência do material, o que provoca a ruptura dos cavacos,
minimizando assim a possibilidade de um enrolamento sobre os
canais da broca. 0 aumento no avanço f é limitado pela
resistência estrutural da ferramenta e pela capacidade da
máquina-ferramenta
Í 2 1 .
VariaçBes no avanço levam a alteraçSes consideráveis da
velocidade de corte. A rugosidade cinemática na furação depende
do avanço e do ângulo de direção secundário da ferramenta
con forme C 13:
Rt = tg ;;c' (2)
Comparando o processo de furação com o de torneamento,
veri f ica--se que a furação com brocas helicoidais conduz a
rugosidades cinemáticas maiores na parede do furo, como
consequência da pequena resistência à torção e flexão da
ferramen ta C13.
2.3,2. Precisão e Acabamentos Obtidos na Furação
A precisão de um -furo usinado, no que refere aos erros de
forma e erros de medida, é dependente principalmente do estado
de afiação e da geometria da ponta da broca. Quanto mais
estreitas -forem as tolerâncias exigidas no furo, mais dispendiosa
será a operação de executá-lo.
As imperfeiçSes mais frequentes que ocorrem na geometria do
furo (Figura 2.5) durante o processo de furação são:
1 1 I
*I n 1
- Os erros de forma : ocorrem quando o diâmetro do furo nSo
é uniforme ao longo da sua profundidade. A grandeza do
erro depende muitas vezes da relação que existe entre o
comprimento e o diâmetro (L/d) da broca.
- A formação e altura de rebarbas formadas na entrada e
saída dos furos : dependem dos materiais da peça e da
ferramenta, assim como das condiçSes de usinagem
u t i 1i za d a s .
- Os erros de posic ionamen to do furo : dependem
principalmente das máquinas-ferramentas e da ponta das
ferramen t a s .
- Os erros de ci r c u 1 ar idade : tomam as mais diferentes
formas. Fatores críticos para este tipo de imperfeiçSes
s3o, entre outros, a rigidez do sistema
(árvore/cone/ferramenta/p e ç a ). Podem ser minimizados pelo
aumento do avanço e pelo uso de ferramentas mais rígidas.
- A magnitude dos erros de sobremedida : depende da simetria
dos gumes e da rigidez da ferramenta C21.
A sobremedida produzida no furo durante a usinagem com
brocas helicoidais aumenta quando as parcelas do gume principal
possuem comprimentos desiguais, devido a erros na sua fabricação
ou após uni processo de afiação mal sucedido.
0 acabamento superficial obtido com brocas helicoidais,
por exemplo, faz com que o processo de furação geralmente
necessite de operaçSes subsequentes para melhorar o acabamento
superficial, como tambem para obter maior precisão dimensional e
2.4. Critérios de Vida e Tipos de Desgaste
0 -fim de vida da broca é atingido quando esta apresenta um
elevado desgaste em uma ou mais das suas partes consideradas
vitais para o processo de usinagem.
0 desgaste total da ferramenta compreende o desgaste do
flanco (superfície de incidência) , de cratera, das guias, do
gume transversal e das quinas. Qs desgastes mais frequentes são o
de flanco (Vbmdx) e o das guias, considerados assim como
critérios de fim de vida. 0 fim de vida relativo é caracterizado
pelo aumento progressivo do comprimento de furação e as
exigências feitas ao resultado de trabalho. Como fim de vida
absoluto define-se a inutilização total da ferramenta por queima
do gume ou destruição total por quebra Cl,9].
A passagem do desgaste relativo para o absoluto é
normalmente anunciada por um ruído elevado na furação. Ensaios
mostram que este último tipo de desgaste resulta geralmente de
condiçSes de usinagem mal selecionadas ou por uma geometria de
corte imprópria C103.
Kaldor CIO] concluiu que parte da dispersão da vida das
brocas pode ser explicada por uma fabricação imprecisa das
ferramentas. Com o aumento do comprimento do gume transversal
e/ou da diferença no comprimento dos gumes principais, tem-se um
decréscimo na vida da ferramenta. A influência desses dois
fatores para a dispersão na vida das ferramentas de um mesmo
lote é de até 30 ’/. devido à imprecisão do comprimento do gume
transversal, e de até 100 '/. por causa do comprimento desigual
dos gumes C 10].
está baseado no ângulo de incidência
a
-formado pelas da -ferramenta (Figura2 . 6 ) .
guias
Figura
2 . 6 . -
Desgaste da guia em uma broca helicoidal [10,113.Ma furaçao, quando o desgaste das guias se dá por completo,
é alcançada a falha catastrófica. Por esse critério, a diferença
no comprimento dos gumes conduz inicialmente ao desgaste de um
deles até que o comprimento seja igualado. Em seguida, a segunda
parcela do gume que está menos desgastado inicia a operação de
corte, levando a um esforço alternante no carregamento sobre os
mesmos, até que o ângulo de incidência a nas guias desapareça
e a broca fique aderida nas paredes do furo, ocorrendo o colapso.
0 momento adequado para interromper o corte seria quando o
ângulo
a.
se anulasse numa das guias CIO, 113.2.5. Materiais e Tratamentos Superficiais nas Brocas
Heiicoidais
As caracteristicas desejáveis nos materiais para a
resistência ao desgaste, bem como uma resistência a temperaturas
a 1ternan t e s .
Grupos principais desses materiais são:
- Ferramentas de Aço Rápido (HSS).
ü aço rápido consegue até certo ponto satisfazer as
exigências acima mencionadas. Este tipo de aço apresenta em sua
composição carbonetos de tungsténio, molibdênio e vanádio, que
lhe conferem resistência ao desgaste, e cobalto, que aumenta a
sua resistência em temperaturas mais elevadas.
Além da obtenção pelos processos metalúrgicos de fusão, o
aço rápido pode ser obtido pela metalurgia do pó.
As brocas de aço rápido podem receber tratamentos
superficiais, como revenimento a vapor, nitretação, oxidação
negra, niquelação e revestimento de nitreto de titânio Cl,2,4],
- Ferramentas de Carbonetos Sinterizados (Metal Duro),
Metais duros são materiais sinterizados constituídos de
carbonetos de tungsténio, de titânio, de nióbio e de tântalo
envolvidos por um ligante que normalmente é o cobalto,
constituindo assim um corpo resistente. Brocas de metal duro
têm uma maior dureza e uma maior resistência ao desgaste
abrasivo, e maior resistência a quente do que as brocas de aço
rápido que receberam tratamento superficial de endurecimento.
Suas vantagens incluem uma maior vida (acima de 10 vezes),
possibi1 idades de velocidades mais altas (por volta de 2,5 vezes)
e velocidades de penetração maiores (por volta de 2 vezes) do que
2.5.1. Processos de Revestimento
A aplicação de revestimentos é realizada pela precipitação
de materiais duros da -fase de vapor. Os processos principais são
a Deposição Química de Vapor (CVD) e a Deposição Física de Vapor
(PVD).
0 processo CVD é realizado em temperaturas que variam entre
900 e 1100 “^C e pressSes bem abaixo da atmos-férica. Essa
temperatura torna impróprio o revestimento de materiais que
perdem suas c a r ac terísticas mecânicas a essas temperaturas <por
e x . aço rápido). Recentes desenvolvimentos de revestimentos por
plasma 500 ‘^’C ) e laser ( > 100
°C) ,
conduzem a reduçSessignificativas na temperatura do substrato.
0 processo PVD opera entre 450 e 500 '^’C , temperatura esta
abaixo das temperaturas de revenimento da maioria dos aços-
ferramentas de alta liga, No processo "íon Plating", temperaturas
necessárias para o ’ substrato estão abaixo de 160°C,
possibilitando o revestimento da maioria dos materiais sem perigo
da perda das suas propriedades.
As principais caraterísticas dos revestimentos obtidos em
processos de revestimento por vapor são 'sua espessura,
rugosidade, dureza, resistência e adesão. A espessura destes
revestimentos está na faixa de 1 a 10 /-im, o que não afeta
dimensiona1mente as ferramentas para aplicaçSes de pequena
precisão. A tendência ao arredondamento do gume de corte não é
crítica para espessuras de usinagem grandes. Com um elevado grau
de automação são alcançadas deposiçSes entre 0,05 e 2
fjm
porminuto C123.
desenvolvimento de técnicas para os processos C V D , PVD e suas
■formas variadas, tem reduzido significativamente as temperaturas
do substrato C2,123. T E M P E R A T U R A DE R E V E S T IM E N T O KXO •Ç 800 600 400 200 M A T E R IA IS DO S U B S T R A T O A P L IC A Ç Õ E S Metoi duro H S S
A ço s trobolhodos o frio
:í> A p o 3,iigo 3,p ld stie o 3 Insertos de torneomento B ro c o s.fre so s Insertos de torneomento M a trize s, punçBo M onoals ____ I 1970 1980 t 1990 2000
Figura 2.7.- EvoluçSo da temperatura de revestimento C12D
A rugosidade após o revestimento depende principalmente da
topografia superficial do substrato. Em ambos processos, PVD e o
CVD, a rugosidade é geralmente reproduzida e ampliada com a
espessura de revestimento. A dureza obtida por estes processos
está acima de 2200 H V .
Para processos-padrSes de PVD e CVD, devido às temperaturas
envolvidas, estes sSo adequados para o revestimento de aço rápido
e metal duro, respectivamente. Sobre metais duros os
revestimentos de TiC, Ti(C,N), TiN e Al^O^ e suas combinaç3es sâo
aplicados por CVD C12j.
Em decorrência do revestimento tem-se dois fatores
influentes sobre a temperatura dos cavacos e sobre o fator de
TiN- Superficie
revestido Superficie nõo revestido
Figura 2.8.- Influência do revestimento na remoção do cavaco C123.
0 coeficiente de atrito entre o cavaco e a ferramenta
revestida é menor que com a ferramenta não revestida, diminuindo
assim o trabalho de atrito na face da ferramenta, o que leva a
uma diminuição do fator de recalque, menor força de usinagem e
conseqüente menor potência de usinagem, bem como a uma diminuição
do calor gerado no processo. Isso imediatamente pode levar a crer
que ocorrerá uma diminuição da temperatura dos cavacos. No
entanto, devido á pequena condutividade térmica da camada de
revestimento, menos calor é conduzido para a ferramenta, restando
mais para o cavaco, cuja temperatura aumenta.
A diminuição da quantidade de calor conduzida para a cunha
cortante diminui a temperatura da mesma, permitindo uma melhor
exploração das caracteristicas térmicas da ferramenta pelo
aumento da velocidade de corte, do avanço ou de ambos.
- Revestimento com Carboneto de Titânio - TiC
camada aplicada produzem temperaturas menores no gume e, com
isto, o desgaste por di-fusSo e atrito no gume são diminuídos. 0
baixo coe-ficiente de atrito e a menor tendência à adesão
resultam em -forças de avanço menores, embora as -forças de corte
geralmente sejam iguais às do metal duro. 0 carboneto de titânio
é mais duro do que o nitreto de titânio, o que resulta numa boa
resistência ao desgaste por abrasão. 0 TiC tem em relação ao TiN
um menor coeficiente de dilatação térmica C13].
- Revestimento com Nitreto de Titânio - TiN
É quimicamente mais estável que o TiC, isto é, tem uma
menor tendência a fenômenos de difusão com aços. Há, então, menos
desgaste por formação de crateras do que com revestimento com
TiC, ao passo que o desgaste abrasivo no flanco é maior com
revestimentos de TiN do que com TiC C13.
Experimentos usando brocas de aço rápido revestidas com TiN
têm mostrado que são possíveis velocidades de corte entre 2,5 a 4
vezes maiores e avanços entre 3 e 5 vezes maiores, em relação às
brocas não revestidas C123. Estas brocas oferecem vidas úteis
maiores em <S00 7. ou mais em relação às não revestidas.
- Revestimentos de Metal Duro com Camadas Múltiplas
A tecnologia do revestimento evoluiu até o recobrimento
com camadas múltiplas. Em pastilhas para operaçSes de
torneamento, por exemplo, uma fase intermediária de óxido de
alumínio <A1 0 ) pode estar presente. Atualmente se oferecem
2 3 ^
ferramentas com até onze camadas de revestimento CIJ.
0 revestimento múltiplo com carboneto de titânio,
combina as boas propriedades de resistência ao desgaste de -flanco
do TiC com a boa estabilidade quimica, resistência à oxidaçSo e
à -formação de crateras do TiN.
Para se obter uma boa ligação entre o subtrato de metal duro
e o revestimento, aplica-se inicialmente uma camada de TiC;
gradativamente passa-se para TiC-TiN e depois para um^
revestimento de TiN, que é menos -frágil e apresenta um
coe-ficiente de atrito menor que o TiC, desenvolvendo-se assim
menores -forças de usinagem Cl 3.
As pastilhas assim revestidas são adequadas, por exemplo,
para a usinagem de aço e ferro fundido, mas não para materiais
que tenham afinidade com o TiC ou o TiN, como as ligas de
alumínio C 133.
2.Ó. Forma dos Cavacos
A forma e o tamanho do cavaco tem uma elevada importância
nos processos de furação, devido ao canal de salda helicoidal e
ao espaço reduzido para a remoção dos cavacos. As principais
influências sobre a formação de cavaco são as condiçBes de
corte, a fragilidade do material e a geometria da ferramenta.
Um aumento da espessura de usinagem ou a redução da
velocidade de corte levam a cavacos mais quebradiços. De
importância maior, no entanto, é o aumento do grau de deformação
do cavaco, pela diminuição do raio de curvatura, fato este
conseguido pela diminuição do ângulo de saída ou pelo emprego de
insertos com quebra-cavacos C13.
As formas de cavacos obtidos na furação estão mostradas na
Figura 2.9.- Diversas formas de cavaco obtidas na -furação C143.
a) Cavaco helicoidal cônico: Quando o cavaco posssui uma
espessura -fina, ele pode fletir e 1 as t i c amen te e se deslocar
através do estreito espaço dos canais da broca.
b) Cavaco helicoidal: Quando o cavaco não possui uma
espessura tao -fina, ele conduz a uma -força de atrito maior nas
paredes do -furo. A maioria deste tipo de cavaco tem uma aresta
interna dentada por causa de uma ductilidade in su-f ic i en te .
c,f) Cavaco em pedaços e lascas: Quando o cavaco não suporta
uma severa de-formaçao, quebra em partes pequenas.
d) Cavaco em vírgula: Materiais com ductilidade média
conduzem a esta confiquraçao. Esse tipo de cavaco se inicia de
•forma cônica helicoidal e, com o aumento das forças de atrito nas
paredes do furo, tende a adquirir a forma de um cavaco cônico com
passo longo (b). Mas, devido a. ductilidade insuficiente ele
quebra apos um certo comprimento de corte. Este mecanismo se
repete periodicamente.
e) Cavaco corrugado: Quando o cavaco é dúctil demais para
dobrado firmemente. Isto é muito perigoso pela fácil obstrução
dos canais da b r o c a , principa1mente para avanços pequenos C143.
2.7. Forças de Usinagem no Processo de Furação
Geralmente para a utilização adequada de uma
máquina-ferramenta em uma operação de furação, é necessário
determinar o momento torçor e a força de avanço necessários para
girar e deslocar a broca numa determinada operação de usinagem. 0
momento torçor e a velocidade de corte definem as exigências de
potência, a força de avanço estabelece as exigências de rigidez
e resistência da máquina.
2.7.1. Componentes da Força de Usinagem na Furação
A força de usinagem atuante na furação com brocas
helicoidais pode ser decomposta basicamente em três componentes;
Força de corte Fc, Força de avanço Ff e Força passiva Fp, como
pode ser visto na Figura 2.10.
0 ponto de apoio r da força, segundo Spur C153, é definido
na furação em cheio e com pré-furo pelas equaçSes (3) e (4). Da
Figura 2.10 pode-se constatar que a resultante das forças
passivas é nula, pois elas apresentam magnitudes iguais e
sentidos opostos, partindo do pressuposto que os gumes sejam
simétricos em relação ao eixo da broca. Porém, mesmo que a
geometria da ponta apresente uma assimetria na sua
construção, a resultante de Fpi + Fpz = Fp é desprezível
quando comparada com as forças de avanço Ff e as forças de corte
FuraçSo em cheio
r = 0,38 (3)
Furação com pré-furo
r = -....^4-^.. (4)
Figura 2.10.- Forças atuantes nos gumes principais C15D.
2.7.2. Forças Específicas
A -força específica de corte e a força específica de
avanço k^ são as forças específicas referentes a uma seção de
corte qualquer. Esta seção de corte é dada pelo produto da
largura de corte b com a espessura de corte h (Figura 2.11).
Para uma seção de corte b x h = 1 mm x 1 mm, as forças
específicas são simbolizadas respectivamente por ^ ^ ^
0 método mais utilizado para a determinação das forças
específicas é a equação potencial de Kienzle:
Fc
= k X h(l-rnc>
C l . 1 (5)
Onde : h b b
1
Xs en X
D 2 X senx
D - d 2 X sen , furaçao em cheio, -furaçao com pré-furo
(7)
<
8
)<9)
Figura 2.11.- Geometria do cavaco para furaçao em cheio A) e
com pré-furo B) C153.
A força de corte na furaçSo é obtida com o auxílio do
momento torçor Md e com o braço de alavanca r anteriormente
c i tado C 5,6,7 3.
Para a furação em cheio
p _
0,38 X D
Para a furação com pré-furo: 2 X Md
D+d
(
1 0
)(11)
.7.3, Medição de Forças
Os fenômenos físicos não podem ser observados ou medidos sem
sofrer alteraçSes. Isto serve também para a força, que não pode
consequentemente medida.
Para medir as -forças podem ser utilizados sistemas de
transduçSo passiva (como extensômetros, sistemas capacitivos e
indutivos) ou sistemas ativos, como os transdutores
piezelétricos, que sSo extremamente rígidos e permitem determinar
a variação dinâmica da -força de usinagem.
0 e-feito piezelétrico aproveita a propriedade de certos
cristais de se tornarem e 1 etricamente carregados sob es-forços
mecânicos e, inversamente, de-formar-se el asticamente sob uma
polarização elétrica.
Os trandutores piezelétricos utilizando elementos de quartzo
e amp 1 i-f i c adores de carga adequados o-ferecem uma excelente
capacidade de medição quase-estática de -fenômenos dinâmicos.
Os cristais de quartzo, utilizados como elementos sensíveis
nos transdutor'Bs de -força, permitem o aprovei tamen to dos e-feitos
piezelétricos de tal modo que eles possam ser aproveitados
individualmente. Esses e-feitos observados no quartzo são os
e-feitos longitudinais, transversais e de cisalhamento.
A rigidez do transdutor é de suma importância, onde a
frequência natural e a possibilidade de calibrar estaticamente
transdutores de quartzo dependem diretamente da rigidez do
sistema piezelétrico Cl,2,313.
2.7.4. Influências Sobre a Força de Usinagem na Furação
Com brocas helicoidais, a força de avanço é muito sensível
às variaçSes no comprimento do gume transversal. Uma diminuição
desse comprimento reduz as magnitudes de força para deformar
a vida da broca e melhora a geometria do furo.
Resultados de pesquisas indicam que o momento torçor e a
■força de avanço são -funções do diâmetro da broca, do gume
transversal, do avanço e do material da peça. Qs efeitos do
fluido de corte e do ângulo de saida são relativamente menores,
a não ser que existam , d i f i c u 1dades na remoção dos cavacos C23.
Ensaios pormenorizados de Witte C63, Da Rocha
Í 7 1 ,
WatsonCló] e Armarego C173 mostram que o gume transversal é responsável
por até 65 7. da força de avanço devido ao seu efeito de
esmagamento, como resultado do seu ângulo de saída negativo e
velocidade de corte desprezível.
Pesquisas específicas mostraram que o acabamento superficial
na parede do furo é pouco influenciado pela simetria de afiação
da ponta da broca. No entanto, essa simetria tem uma influência
decisiva sobre a precisão de forma e de medida do furo, simetria
esta que contribui para a eliminação das componentes das forças
passivas C13.
Witte [63 e Watson C163 verificaram que a influência da
velocidade de corte sobre a força de usinagem é irrelevante.
Determinaram ainda que a contribuição do ângulo de ponta sobre as
forças é mínima.
Já para determinar o comportamento das forças como função do
ângulo de saída
y ,
Witte C63 partiu de uma afiação normal comy
= 29^’ e observou que um aumento (diminuição) de um grau noângulo de saída lateral causa uma diminuição (elevação) de 1,5 7.
na força específica de corte e 5 7. na força específica de avanço.
A influência do ângulo de saída na furação é especialmente
interessante, uma vez que ele varia em amplos limites durante a
Witte C6D também determinou que a -força de usinagem na
furação com ferramentas afiadas é até 80 ‘/- superior à do
torneamento longitudinal. Isto é decorrente do atrito dos cavacos
e das guias nas paredes do furo e, principalmente, da ação do
gume transversal.
As forças de furação e torneamento são semelhantes somente
quando na usinagem com brocas helicoidais se eliminam da força
total de usinagem as parcelas das guias e do gume tranversal.
Este fato é verificado usinando-se um cilindro com pré-furo maior
que o gume tranversal e diâmetro externo do cilindro menor que o
diâmetro nominal da broca C73.
2.8. Brocas com Insertos Reversíveis
0 recente desenvolvimento de máquinas-ferramentas para a
furação, foi no sentido de aumentar significativamente a potência
e a rotação da árvore,. As brocas helicoidais no entanto, não
permitiram um aumento correspondente da velocidade de corte.
Assim, as operaç3es de furar representavam um gargalo para a
produção, pois enquanto as operaçSes de tornear e fresar eram
executadas com velocidades acima de 100 m/min, as brocas
helicoidais, em sua grande maioria de aço rápido, não trabalhavam
com velocidades superiores a 30 m/min C353.
Em virtude da flexibilidade destas brocas e do difícil
inicio de corte, pelas condiçSes extremamente adversas de
trabalho do gume transversal, não se consegue uma precisão no
posicionamento dos furos.
Estudos aprofundados revelaram que a maior parte dos furos
de corte que normalmente não excedem duas vezes o valor do
diâmetro respectivo C35], Em -funçSo destes estudos os
laboratórios de pesquisas e ' desenvolvimento partiram para a
criação de uma ferramenta que pudesse atender a esta demanda,
trabalhando com as vantagens oferecidas pelas
máquinas-ferramentas modernas.
Assim surgiram as brocas para furação curta com insertos
reversiveis que possuem, entre outras características de projeto,
a eliminação do gume transversal por um posicionamento dos gumes
que permite um corte da peça até o eixo da ferramenta e a simples
troca de insertos em lugar de operaçSes de reafiação quando é
alcançado o desgaste máximo.
Essas ferramentas (Figura 2.12) são geralmente fabricadas
na faixa de 12 a
120
mm de diâmetro, com canais retos ehelicoidais para a remoção dos cavacos Cl,3].
Figura 2.12.- Broca para furação curta com insertos
reversíveis C183.
Pelas condiçSes supra-citadas, o aumento da capacidade de
usinagem das brocas com insertos reversíveis em relação às brocas
convencionais ainda hoje utilizadas é decorrente de uma
velocidade de corte significativamente mais alta. Devido à maior
alcançadas vidas úteis mais longas e um resultado de -furação mais
homogêneo C22,23],
2.8,1. Tipos da Ferramenta
Pequenas variaçSes são encontradas no projeto das brocas com
insertos reversíveis (Figura 2.13). A maioria delas sSo
ferramentas com hastes cônicas ou cilíndricas, com canais retos
ou helicoidais. Geralmente possuem dutos internos para passagem
de fluido de corte, que pF_>rmitem um deslocamento pressurizado
desse fluido através do corpo da ferramenta. A forma dos canais
é um fator importante, devido ao espaço suficiente que deve ser
propiciado para a rápida remoção do elevado volume de cavacos,
mantendo ao mesmo tempo a seção transversal do corpo com uma
resistência adequada e rigidez elevada C2].
Figura 2.13.- Formas construtivas diferentes de brocas com
Na parte -frontal dos canais existem cavidades onde sSo
alojados os insertos. Dependendo do diâmetro e do projeto da
-ferramenta, geralmente sSo usados de um até quatro insertos.
Algumas têm um inserto posicionado no centro, ligeiramente à
■frente dos outros, com o objetivo de auto-centrar a -ferramenta
C2D .
Os insertos sao montados em posiç3es capazes de
contraba 1 ançar cada parcela da -força de corte normal ao eixo de
rotação, minimizando dessa -forma os esforços laterais. Isto é
necessário devido às brocas não serem guiadas pelo furo quando
usinando e tampouco serem utilizadas buchas-guias C1,3H.
Para furaçSes especiais, segundo Eckle C19D, o maior
diâmetro que se dispSe com este tipo de ferramenta é de 350 mm,
que possui 10 insertos. Algumas ferramentas dispSem de
alojamentos intercambiáveis para os insertos. Esses tipos de
alojamentos existem em brocas a partir de 37 mm de diâmetro e sua
importância reside principa1mente na vida da ferramenta.
Os fabricantes C193 podem fornecer brocas com partes
intermediárias do corpo destas ferramentas em diferentes
comprimentos, a partir de um diâmetro de 82 mm (Figura 2.14).
. ^ N ■n f- • N O 1 d 3 r --- _________ s} — L— I
□O
MA utilização de um desses comprimentos depende da
pro-fundidade de -furaçSo. Com o mesmo cone podem ser utilizados
diferentes comprimentos de brocas C17].
2.8.2. Vantagens e LimitaçSes
As principais vantagens das brocas com insertos reversíveis
s ã o ;
- Aumento da Produtividade.
0 uso dessas ferramentas conduz a tolerâncias estreitas,
semelhantes às atingidas com torneamento e fresamento. A
possibilidade de trabalhar com velocidades até 15 vezes maiores
que as usuais com ferramentas de aço rápido, permite uma usinagem
de furos substancialmente mais rápida. As elevadas velocidades de
penetração permitem geralmente a diminuição dos tempos
principais C23.
- Redução dos Custos.
Os custos de reafiação são eliminados pelas simples troca
ou reposicionamento dos insertos que possuem custos baixos.
A intercambiabi1 idade dos insertos não altera as dimensSes
da ferramenta. Dessa forma, os custos de ajustagem são
eliminados, Os insertos ainda permitem uma adaptação econômica do
seu material com o material da peça a ser furada.
-Maior V e r s a t i 1 id a d e .
Quando montadas em tornos, algumas dessas ferramentas podem
furos com diâmetros maiores que os da broca ou executar um
passe de m a n d r i 1amento no retorno, conseguindo-se melhorar o
acabamento do furo (Figura 2.15) C23.
Recomendam-se deslocamentos radiais nSo superiores a 5 ’/. do
diâmetro nominal, já que com isto aumentam as sobremedidas de
usinagem, influenciando assim as'forças de corte Fc C193.
Figura 2,15.- Versati1 idade das brocas com insertos
reversíveis C193.
Uma limitação do processo é o menor diâmetro atualmente
disponível no comércio, de 12 mm.
Embora com as brocas de insertos intercambiáveis sejam
necessárias menores forças que com as brocas helicoidais, devido
à ausência do gume? transv£?rsa 1 na (iiaioria delas, elas requerem
maiores potências por causa das elevadas taxas de remoção de
material. Isto gera a necessidade de máquinas-ferramentas
Alguns cuidados devem ser tomados quando a broca é utilizada
como -ferramenta estac ionár i a , em virtude da alta velocidade com
que os cavacos sSo expulsos para -fora. Todavia, há a necessidade
de um -fluxo interno de -fluido de corte pressurizado para obter
todas as vantagens da broca.
Quando são usados insertos com ângulo de saída negativa, nSo
é recomendada a usinagem sobre superfícies côncavas ou convexas,
bem como superfícies inclinadas ou cortes interrompidos, devido à
possibilidade do deslocamento da ferramenta do seu
posicionamento. Contudo, aplicaçSes nesse tipo de superfícies ou
cortes interrompidos sSo bem sucedidas com ângulos de saída
positivos C1,23.
Eckle C193 observa que além das brocas com insertos
reversíveis não precisarem de pré-furos, podem usinar
superfícies não planas, assim como furos passantes ou cegos, e
que os insertos não se desviam quando incidem sobre as peças de
forma não perpendi c u 1 a r , ou quando o corte não é contínuo (Figura
2.16), A esta b i 1ização do corte inicia-se quase imediatamente
após o contato da ferramenta com a peça.
I
ÇJDFigura 2,16,- Possibilidade de usinar superfícies curvas e com
2.8.3. Insertos Usados em Brocas para Furos Curtos
Os insertos de metal duro usados pelos di-ferentes
fabricantes têm formas circulares, quadradas, retangu1 a r e s ,
losangulares, hexagonais, ortogonais e forma "trigonal".
Devido ao inserto externo ter uma sobremedida em relaçSo ao
corpo da broca, o corpo desta nSo é atritado nas paredes do furo
(Figura 2.17). Nessa figura, o comprimento do gume ê a soma de be
do inserto externo com bi do inserto interno, que é
aproximadamente a metade do diâmetro do furo.
Figura 2.17,- Sobremedida do inserto externo e configuração
do fundo do furo C19],
A geometria de um típico inserto trigonal usado em brocas
com insertos reversíveis está ilustrada na Figura 2.18. 0 ângulo
de quina
s
contribui para uma elevada resistência e o ângulo deponta O' entre os gumes elimina a necessidade de centragem em
superfícies nSo planas. 0 ângulo de saída positivo favorece um
aumento da vida da ferramenta. Os insertos podem ou nSo ser do
mesmo tamanho e geometria, dependendo do diâmetro e projeto da
Figura 2.18.- Inserto trigonal C2].
(DesignacpSo "trigonal" C35])
Insertos revestidos sSo bastante utilizados, devido a
permitirem velocidades de corte ainda mais elevadas e diminuírem
a tendência à -formaçSo de gume postiço. Os insertos são fixados
por parafusos, os quais devem ser apertados levemente.
2.8.4, Fluido de Cor te
As principais funções de um fluido de corte são a
lubrificação e refrigeração, além da função de transporte de
cavacos. Com a lubrificação redu2-se o atrito dos cavacos com a
broca e desta com a peça, redLizindo assim a geração de calor. Ã
refrigeração cabe a diminuição da temperatura da ferramenta.
Os fluidos de corte têm uma influência direta na vida da
ferramenta, na formação de gume postiço e acabamento superficial.
Nas brocas com insertos reversíveis, por causa do elevado
volume de cavacos, a participação do fluido de corte é crítica.
PressSes e vazSes dependem do diâmetro da broca e da profundidade
de furação. Grandes diâmetros precisam de maiores volumes de
mais elevadas.
RecomendaçSes gerais indicam vazSes entre 7 e 23 l/min
e press3es entre 200 e 450 kPa. AplicaçSes não pressurizadas do
fluido de corte deverSo ser usadas somente para relaçSes .
profundidade/diâmetro menores do que 1 [2,133.
2.8.5. CondiçSes de Trabalho
Devido às brocas com insertos reversíveis trabalharem com
velocidades de corte mais elevadas do que as brocas helicoidais,
elas consomem mais potência. As exigências de potência aumentam
proporciona1mente com o aumento da velocidade de corte, avanços e
diâmetro das brocas.
A força de avanço cresce com o aumento do diâmetro da
broca, do avanço e da resistência do material da peça, mas
diminui com o aumento da velocidade de corte. Geralmente as
forças de avanço obtidas com este tipo de brocas apresentam
valores menores 30 7.) em relaçào àqueles obtidos com as
brocas helicoidais de aço rápido C23.
Watson [163 e Rahman [183 concluíram que, no caso das brocas
helicoidais, um aumento no ângulo de ponta fornece um
decréscimo no momento torçor, mas aumenta a
-fo rç a
de avanç'o.Por sua vez Hoff C53, Witte [63, Da Rocha [73 e Watson [163
mostraram que um aumento no comprimento do gume transversal
implica em incrementos tanto no momento como na força de avanço.
Como a maioria das brocas com insertos reversíveis nSo
possuem gume transversal e o ângulo de ponta é maior que 180°
(ângulo entre os gumes formados pela sobreposição dos insertos),
imediatamente considerada CIS],
Geralmente o comprimento desse tipo de ferramentas é menor ■
(para o mesmo diâmetro) do que brocas helicoidais. Além disso,
a broca centra-se, por causa da sua construção, sobre duas
órbitas circulares através das quinas frontais dos dois insertos,
ao contrário das brocas de aço rápido, cuja parte central possui
velocidade mínima e assim trabalha em condiçSes desfavoráveis. As
órbitas circulares das quinas frontais dos insertos são geradas
com 33 7. e 66 7. da velocidade de corte máxima, respectivamente.
Por isso e por causa do pequeno comprimento da broca, pode-se
esperar uma centragem melhor já na fase de entrada no material
da peça C193.
Em relação á qualidade superficial do furo, a forma da quina
entre o gume principal e o secundário tem importância especial. A
forma e a capacidade de corte desta zona da ferramenta influencia
também a deformação na camada limite do material.
Frisch C213 testou três tipos de ferramentas: HSS com
revestimento de TiN (f = 0,1 mm/rot, vc = 60 m/min), brocas com
insertos reversíveis de metal duro (P40) e revestidas com TiN
(f = 0,1 mm/rot,
v c
= 170 m/min), num aço St 1203. Comparou acamada limite plasti c amen te deformada quando eram usadas brocas
novas e quando estas possuíam marcas de desgaste VB = 0,3 mm.
Verificou que a influência sobre a integridade superficial da
superficie usinada com brocas desgastadas era maior, pois nas
brocas afiadas, em relação aquelas que apresentavam as marcas de
desgaste Vb = 0,3 mm, essas influências aumentavam de 10 - 20
fjm ,
8 - 1 4
jjm ,
9 - 1 8 /um, para as brocas HSS/TiN, com insertosrevestidos e insertos de metal duro, respectivamente.
