Geometria e Cálculo de Brochas de Corte: Passo de Dentes, Área de Corte, e Força de Tração, Notas de aula de Cálculo

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Parte 3

Operação de Brochamento

Parte 3

Operação de Brochamento

3.1 - Introdução

A operação de brochamento, brocheamento ou brochagem consiste do arranque de material da peça por uma sucessão progressiva e linear de gumes de corte. A ferramenta é denominada brocha. A máquina que executa esta operação é denominada brochadeira ou brochadora. É uma operação voltada para a produção de grandes lotes pois cada operação exige o projeto e a execução de uma ferramenta própria, complexa e de alto custo.

3.2 – Brochadeiras

As brochadeiras consistem basicamente de um mecanismo capaz de produzir o movimento relativo entre a ferramenta e a peça, que normalmente é linear. A grande maioria das máquinas são acionadas hidraulicamente devido a grande força necessária. Pode-se ter máquinas verticais, como a apresentada na figura 3.1 , que ocupam menos espaço e que normalmente trabalham com compressão da ferramenta. Algumas máquinas trabalham com compressão e tração simultaneamente.

Figura 3.1 – Brochadeira vertical.

As máquinas horizontais, como a representada pela figura 3.2 , são mais utilizadas pois torna viável o uso de longas ferramentas, o que traz vantagens em termos de produtividade. Normalmente trabalha apenas com força de tração na ferramenta.

3.3 – Aplicação

A finalidade do brochamento é usinar superfícies especiais como as mostradas pela figura 3.4. Pode-se ter brochamento interno, quando executa-se superfícies fechadas, ou brochamento externo, quando executa-se superfícies abertas.

Figura 3.4 – Exemplos de peças usinadas pelo brochamento.

O processo de brochamento interno, que é o mais comum, consiste na transformação de um furo redondo em um furo de perfil qualquer de maneira progressiva. A figura 3.5 ilustra alguns exemplos onde pode-se perceber a evolução da forma do furo. No exemplo da esquerda o furo ganha gradualmente quatro ranhuras. No exemplo central o furo evolui para uma forma com seis pontas. Finalmente, no exemplo da direita pode-se observar que o furo redondo evolui para um furo quadrado.

Figura 3.5 – Exemplos da evolução da forma de um furo.

3.4 – Métodos de brochamento

Pode-se classificar a operação de brochamento de várias maneiras. Tem-se: a) Tipo de superfície

• Interna (mais comum);
• Externa. b) Direção do movimento
• Vertical;
• Horizontal (mais comum). c) Movimento
• Da ferramenta (mais comum);
• Da peça. d) Aplicação do esforço
• Por tração (mais comum);
• Por compressão.

e) Brochamento helicoidal

• Normal.
• Comandado.

A cabeça de tração é a parte da brocha onde se conecta o dispositivo de tração da brochadeira. Sua forma depende do tipo de fixação permitida pela máquina. Há vários padrões, como mostra a figura 3..

Figura 3.8 – Alguns padrões da cabeça de tração.

A guia anterior tem por finalidade centrar a ferramenta no furo inicial. Deve ter um comprimento mínimo igual ao comprimento a ser brochado (espessura da peça) e seu diâmetro deve ser igual ao do furo inicial. Na figura 3.9 tem-se um exemplo de uma guia anterior em ação, ou seja, centrando e guiando a brocha.

Figura 3.9 – Guia anterior de uma brocha de compressão.

A guia posterior tem diâmetro igual ao mínimo diâmetro da forma brochada para que possa passar por ela. Seu comprimento é usualmente adotado entre 0.5 ou 0.7 do comprimento a ser brochado (desde que não seja menor que 10 mm).

A dentadura é responsável pela remoção do material. Como já foi dito, é composta de três partes: desbaste, acabamento e calibração. A região de calibração possui de 3 a 6 dentes, todos com a mesma dimensão, e que tem por objetivo, como o próprio nome diz, calibrar a forma e dar o acabamento final.

O aspecto das ferramentas para brochamento helicoidal é um pouco diferente das já apresentadas. A figura 3.10 apresenta exemplos de brochas helicoidais.

Figura 3.10 – Aspecto de brochas helicoidais.

3.6 – Geometria dos dentes

A figura 3.11 apresenta uma vista em perspectiva dos dentes de uma brocha onde é possível notar as principais superfícies além das ranhuras quebra-cavaco.

Figura 3.11 – Detalhes da geometria dos dentes de uma brocha.

Figura 3.13 – Perfil dos dentes de calibração.

A figura 3.15 apresenta apenas os ângulos que definem o dente e também o avanço a. A figura 3.16 apenas reforça que o avanço a é igual para todos os dentes de uma mesma parte da dentadura.

Figura 3.15 – Ângulos do gume de corte e avanço a.

Figura 3.16 – Avanço a.

3.7 – Força de usinagem

A operação de brochamento possui uma grande variação da força durante o processo. O valor mais importante é a força máxima exigida, pois é com esse valor que se pode determinar o equipamento que realizará a operação. Mas entender como e porque a força varia durante a usinagem é um passo importante para entende-la plenamente.

Durante a operação o número de dentes em corte simultâneo (n) é “constante” e é calculado pela expressão (3.1), onde L=comprimento a ser brochado e p=passo dos dentes de desbaste. Deve-se observar que, caso o valor não seja inteiro, sempre arredonda-se para cima.

p n = L (3.1)

A força máxima na operação de brochamento pode ser calculada pela expressão (3.2). Tem-se que A=área de material removida, re=resistência específica de corte e n=número de dentes em corte simultâneo. Como a forma dos dentes varia, o valor de A também varia e conseqüentemente o valor da força também. Além disso há a variação do número de dentes em corte simultâneo quando n não é inteiro, gerando uma flutuação.

Fmáx [kg]= A[mm^2 ]re[kg/mm^2 ] n (3.2)

É interessante observar um exemplo para simplificar o entendimento. Suponha o brochamento de um orifício de 8 ranhuras como mostra a figura 3.17 , em uma peça de aço com espessura de 32 mm e cuja resistência específica de corte seja 315 kg/mm^2. A brocha possui passo 12 mm e passo de avanço de desbaste de 0,05 mm. A velocidade de corte é de 7,2 m/min. Deseja-se um gráfico da variação da força com o tempo.

Figura 3.17 – Geometria da peça.

A figura 3.19 ilustra o movimento da brocha em relação a peça em alguns intervalos de tempo para que se possa comparar com o gráfico da figura 3.18. Nota-se que realmente há um intervalo de tempo entre a saída de um dente e o toque de outro. Durante esse tempo (0,033s) apenas dois dentes estão em contato com a peça.

0 s Dente 1 toca a peça

0.1 s Dente 2 toca a peça

0.2 s Dente 3 toca a peça

0.267 s Dente 1 sai da peça

0.3 s Dente 4 toca a peça

1

1

1

2

2

2

3

3

3

4

4

4

5

5

5

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5

Figura 3.19 – Deslocamento da ferramenta em relação a peça.

3.8 - Projeto de brochas internas de tração

O roteiro que será apresentado a seguir tem por finalidade orientar o projeto de brochas internas de tração (e compressão já que a diferença encontra-se apenas na haste), mas deve-se lembrar que para um bom projeto é necessário ter-se experiência para adoção de alguns valores.

Passo 1. Selecionar o material da brocha. Apesar de toda a tecnologia de ferramentas a grande maioria das brochas são fabricadas em aço rápido. Os tipos de aços rápidos recomendados por um determinado fabricante estão na tabela 3..

Material Características^ σadm [kg/mm^2 ] ISO S4 uso geral, para brochamento de aços de baixo e médio carbono (dureza até Rc 34), aços ligados (com dureza até Rc 32), alumínio, latão, magnésio, bronzes de baixa liga, plásticos, cobre

ISO S5 aços de médio carbono (durezas de Rc 35 até 42), aços ligados (dureza Rc 33 a 38) e ferros fundidos ligados.

65

ISO S6 aços de médio carbono (dureza Rc 35 a 42), aços forjados, aços inoxidáveis, aços fundidos, ferro fundido maleável.

70

ISO S11 para ligas de altas temperaturas, aços inoxidáveis, titânio, bronze encruável, ferro silício e bronze silício.

80

Tabela 3.1 – Aplicações e características de alguns aços rápidos.

Passo 2. Escolha da profundidade de corte, ou seja, o avanço por dente (ad e aa). A tabela 3. fornece valores orientativos. Deve-se utilizar um avanço maior na dentadura de desbaste e menor para acabamento (nulo na calibração ).

Material ad = desbaste [mm] aa = acabamento [mm] Aço duro (≥ 900 N/mm^2 ) 0,03 - 0,05^ 0, Aço doce (≤ 800 N/mm^2 ) 0,03 - 0,08^ 0, Aço fundido 0,06 - 0,10 0, Ferro Fundido maleável 0,06 - 0,12 0, Ferro Fundido macio (cinza) 0,15 - 0,25 0, Ferro Fundido duro (cinza) 0,07 - 0,12 0, Latão 0,10 - 0,30 0, Bronze 0,10 - 0,30 0, Zinco 0,10 - 0,25 0, Alumínio e suas ligas 0,10 - 0,20 0, Magnésio 0,20 - 0,40 0, Tabela 3.2 – Valores orientativos para avanços de desbaste e acabamento.

Passo 6. Verificação do passo através do número de dentes em corte simultâneo (n). Devem atuar no mínimo 2 dentes, caso contrário deve-se brochar duas ou mais peças juntas. Para a força de corte não ser excessiva limita-se o número de dentes em corte simultâneo a 6 (aplicação normal de fluido de corte) ou 8 (brochas com canais de fluido no seu interior ou de imersão). Utiliza-se a relação n=L/p. No caso de n não ser um valor inteiro, deve-se arredondar sempre para cima. Caso n seja maior que 6 (ou 8), recalcula-se o passo usando esta mesma relação (p=L/n).

Passo 7. Verificação do passo através da capacidade da bolsa de cavacos. Pode-se determinar o passo mínimo que assegura a capacidade da bolsa através da relação p (^) min = 3 * Ladx, onde x é o fator de ampliação do volume ocupado pelo cavaco que está na tabela 3.3. Se pmin>p então deve-se adotar p=pmin.

Brochamento Interno Brochamento Externo Materiais Desbaste Acabamento Desbaste Acabamento Frágeis 3 - 4 6 3 - 5 6 Dúteis 4 - 7 8 5 - 8 10 Tabela 3.3 - Fator de ampliação do volume ocupado pelo cavaco.

Passo 8. Verificação do passo através da resistência da brocha. Para brochamento externo não se faz necessário verificar sua resistência. Para brochamento interno por compressão deve- se evitar flambagem, e para isto não se deve ter comprimento maior que 30 vezes o diâmetro do núcleo. Para brochamento interno por tração permite analisar se o passo adotado faz com que a brocha suporte o esforço de tração. Utiliza-se a seguinte relação:

An[mm^2 ]*óadm[kg/mm^2 ]

[mm] A[mm^2 ]L[mm]re[kg/mm^2 ] p (^) min =

Onde: ad = profundidade de corte por dente em desbaste [mm] b = largura de corte [mm]. Inclui-se o valor de ad quando necessário. L = comprimento a brochar [mm] re = resistência específica de corte [kg/mm^2 ]. Ver tabela 3.. An = área do núcleo da brocha [mm^2 ]. Normalmente An = (π*dn^2 )/4. σadm = tensão admissível de tração [kg/mm^2 ].

Material re [kg/mm^2 ] Aço (90 a 115 kg/mm^2 ) 500 Aço (70 a 90 kg/mm^2 ) 400 Aço (50 a 70 kg/mm^2 ) 315 Aço (até 50 kg/mm^2 ) 250 Aço doce 200 Ferro Fundido 120 - 160 Ferro Fundido maleável 150 Bronze duro 125 Bronze macio 100 Latão 80 Alumínio duro 63 Tabela 3.4 – Resistência específica de corte.

Passo 9. Verificação do passo através do esforço da brochadeira. Utiliza-se a relação:

F[kg]* 0. 7 p [mm] A[mm ]L[mm]r[kg/mm ] t

(^2) e 2 min =

Onde: ad = profundidade de corte por dente em desbaste [mm] b = largura de corte [mm]. L = comprimento a brochar [mm] re = resistência específica de corte [kg/mm^2 ]. Ft = força total de tração da brochadeira [kg].

Passo 10. Cálculo do passo dos dentes de calibração (pc). Toma-se este passo como 70% do passo dos dentes de desbaste e acabamento. Ou seja: pc=0.7*p.

Passo 11. Cálculo do raio de concordância (r). Recomenda-se r=(0,4 a 0,6)*h, sendo valores menores para materiais que produzem cavacos quebradiços.

Passo 12. Cálculo da largura do flanco do dente (c). Também é chamada de plataforma do dente ou superfície de folga. Recomenda-se c=(0,25 a 0,30)*p.

Passo 13. Cálculo da plataforma reta (f), também chamado de primeiro flanco. Nos dentes de calibração é comum utilizar uma parte da plataforma como reserva de afiação, que possui ângulo zero. Sua afiação não implica na alteração de seu diâmetro, aumentando a vida útil da brocha. Recomenda-se f=0,25*k mm, onde k é o número de reafiações previstas. É recomendável f≤1,5 mm para não aumentar demasiadamente a força de atrito (o que significa um máximo de 6 reafiações).

Passo 18. Seleção do fluido de corte. Uma recomendação inicial é apresentada na tabela 3.. Material Fluido de corte Aço de alta resistência Óleo graxo, óleo sulfurados-graxos ou óleos sulfoclorados-graxos Aços de pequena e média resistência Emulsões Ferro Fundido cinza e ligas de Magnésio Seco Aço fundido e Ferro Fundido maleável Emulsões Latão Óleo de corte graxo / Emulsões Ligas de Alumínio Óleos de baixa viscosidade / Emulsões Tabela 3.8 – Fluidos de corte.

Passo 19. Cálculo das espessuras de desbaste (Ed) e de acabamento (Ea) a serem removidas. Faz- se com que os dentes de desbaste removam de 80% a 90% da espessura total a ser removida (E), sendo que quanto maior a remoção no desbaste, menor o comprimento total da brocha.. Desta forma tem-se: Ed = (0,8 a 0,9)*E e Ea = E - Ed. Estes valores são tomados no raio.

Passo 20. Cálculo do número de dentes. Deve-se determinar o número de dentes de desbaste (Zd), de acabamento (Za) e de calibração (Zc). Tem-se: Zd = Ed / ad Za = Ea / aa Zc = (3 a 6) dentes.

Passo 21. Cálculo do comprimento da brocha (Lb). Se o comprimento for maior que o curso disponível, deve-se dividir a ferramenta em mais de uma agulha. É a soma dos comprimentos da guia posterior (Lgp), comprimento da dentadura (Lz), comprimento da guia anterior (Lga) e comprimento da haste (Lh). Tem-se: Lb = Lgp + Lz +Lga + Lh Onde: Lgp = (0,5 a 0,7)*L, mas não menor que 10 mm. Lz = Zd * p + Za * p + Zc * pc Lga ≥ L Lh = tabela 3.9 (haste de olhal para brochas de corpo cilíndrico – figura 3.21 ). T Q R S V Chanfrado Até 5 1.25 10 16 45 0. 5.1 à 10 1.6 10 16 45 0. 10.1 à 14 2 12.5 20 55 0. 14.1 à 20 4 16 25 65 1 20.1 à 25 6.3 20 31.5 75 1. 25.1 à 31 8 25 40 90 2. 31.1 à 40 10 25 40 90 2. 40.1 à 50 12.5 31.5 50 110 4 50.1 à 65 16 31.5 50 110 4 Tabela 3.9 – Dimensões para haste tipo olhal.

T Q

R S

V V/

Figura 3.21 - Haste de olhal para brochas de corpo cilíndrico

Passo 22. Esboçar a brocha.

3.9 – Exercícios

1) Esboçar o gráfico do exemplo referente a figura 3.17 considerando que o diâmetro interno inicial é de 25 mm.

2) Projetar uma brocha para execução de um furo quadrado de lado 26 mm como mostra a figura 3.22 , em ferro fundido maleável, cuja peça possui 40 mm de espessura e furo inicial de 1 polegada. A brochadeira disponível possui as seguintes características: Força máxima de tração: 10 ton. Motor de acionamento: 20 CV. Velocidade de corte: 2 a 10 m/min. Velocidade de retorno: 20 m/min. Curso máximo: 1200 mm.

Figura 3.22 – Forma a ser brochada