Perfuração, mandrilamento, alargamento e rosqueamento: diferenças explicadas

1. Perfuração

A perfuração é o processo inicial de criação de furos em materiais sólidos, normalmente com diâmetros inferiores a 80 mm. Existem dois métodos de perfuração: um envolve girar a broca, enquanto o outro gira a peça de trabalho. Os erros produzidos por esses dois métodos são diferentes.

No método de rotação da broca, devido às arestas de corte assimétricas e à rigidez insuficiente da broca, a broca pode desviar-se, fazendo com que a linha central do furo fique distorcida ou não reta, mas o diâmetro do furo permanece inalterado.

Em contraste, quando a peça gira, o desvio da broca pode causar uma alteração no diâmetro do furo, mas a linha central permanece reta.

As ferramentas de perfuração comuns incluem brocas helicoidais, brocas centrais e brocas profundas, sendo as brocas helicoidais as mais utilizadas, variando em diâmetro de 0,1 a 80 mm.

Devido a limitações estruturais, as brocas têm baixa rigidez à flexão e à torção e fraca capacidade de centralização, resultando em baixa precisão de perfuração, normalmente entre IT13 e IT11; a rugosidade da superfície também é relativamente alta, geralmente entre Ra 50 e 12,5 μm.

No entanto, a perfuração apresenta alta taxa de remoção de metal e eficiência de corte. É usado principalmente para furos que não requerem alta precisão, como furos para parafusos, furos inferiores roscados e furos para óleo.

Furos que exigem maior precisão e qualidade superficial devem ser finalizados com processos subsequentes, como alargamento, escareamento, mandrilamento ou retificação.

2. Alargamento

Alargamento é o processo de usinagem adicional de furos pré-perfurados, fundidos ou forjados para aumentar o diâmetro e melhorar a qualidade do furo. O alargamento pode servir como uma operação de pré-acabamento antes da usinagem de precisão ou como processo final para furos com requisitos menos rigorosos. Os alargadores são semelhantes às brocas helicoidais, mas têm mais dentes e não possuem bordas transversais.

Comparado à perfuração, o alargamento possui as seguintes características:

(1) Os alargadores possuem múltiplos dentes (3 a 8), proporcionando boa orientação e corte estável;

(2) Os alargadores não possuem arestas transversais, o que melhora as condições de corte;

(3) A tolerância de usinagem é pequena, permitindo canais de cavacos mais rasos e um núcleo mais espesso, resultando em corpos de ferramentas mais fortes e rígidos. A precisão do alargamento geralmente está entre IT11 e IT10, com valores de rugosidade superficial entre Ra 12,5 e 6,3. O alargamento é comumente usado para furos com diâmetros inferiores a 100 mm. Ao fazer furos maiores (D ≥ 30 mm), é prática comum pré-perfurar com uma broca menor (0,5 a 0,7 vezes o diâmetro do furo) e depois alargar até o tamanho desejado, melhorando assim a qualidade e a eficiência do usinagem de furos.

Além dos furos cilíndricos, vários alargadores de formato especial, também conhecidos como rebaixos, podem ser usados ​​para usinar furos escareados e aplainar faces finais. A extremidade frontal de um rebaixamento geralmente apresenta uma coluna guia, que é direcionada pelo furo já usinado.

3. Escareamento

O escareamento é um dos métodos de usinagem de precisão para furos e é amplamente utilizado na produção. Para furos menores, em comparação com retificação interna ou mandrilamento de precisão, o escareamento é um método mais econômico e prático.

(1) Escareadores

Os escareadores são geralmente divididos em tipos operados manualmente e operados por máquina. Os escareadores manuais têm haste reta com peça de trabalho mais longa, proporcionando melhor orientação, e vêm em tipos de diâmetro externo integral e ajustável.

Os escareadores operados por máquina vêm em tipos de haste e luva. Os escareadores podem processar não apenas furos redondos, mas também furos cônicos com escareadores cônicos.

(2) Processo e aplicação de escareamento

A tolerância para escareamento tem um grande impacto na qualidade do acabamento. Uma folga excessiva aumenta a carga no escareador, tornando as arestas de corte cegas rapidamente e dificultando a obtenção de uma superfície lisa e a manutenção das tolerâncias dimensionais. A tolerância insuficiente não consegue remover marcas deixadas por processos anteriores, não melhorando assim a qualidade de usinagem do furo.

A tolerância geral para escareamento bruto está entre 0,35 e 0,15 mm, enquanto para escareamento fino está entre 0,15 e 0,05 mm.

Para evitar a formação de arestas postiças, o escareamento é normalmente executado em baixas velocidades de corte (para escareadores de aço rápido usinando aço e ferro fundido, v < 8 m/min). O avanço depende do diâmetro do furo que está sendo usinado; diâmetros maiores exigem taxas de avanço maiores, com taxas de avanço comuns para escareadores de aço rápido usinando aço e ferro fundido entre 0,3 e 1 mm/r.

O escareamento requer o uso de fluidos de corte apropriados para resfriamento, lubrificação e limpeza para evitar arestas postiças e remoção oportuna de cavacos.

Comparado à retificação e mandrilamento, o escareamento oferece maior produtividade e mantém facilmente a precisão do furo; porém, não pode corrigir erros de posicionamento do eixo do furo, que deveriam ser garantidos pelo processo anterior. O escareamento não é adequado para usinar furos escalonados e furos cegos.

A precisão dimensional do escareamento está geralmente entre IT9 e IT7, com rugosidade superficial normalmente entre Ra 3,2 e 0,8. Para furos de tamanho médio com requisitos de precisão mais elevados (por exemplo, furos de classe IT7), a sequência típica de usinagem na produção é furação – alargamento – escareamento.

4. Chato

A mandrilamento é um processo de usinagem que amplia um furo pré-perfurado com uma ferramenta de corte. Esta operação pode ser realizada tanto em mandriladoras quanto em tornos.

1. Métodos chatos

Existem três métodos chatos diferentes:

a) Rotação da peça com movimento de avanço da ferramenta: Este método é comumente usado em tornos. O processo garante que o eixo do furo esteja alinhado com o eixo de rotação da peça de trabalho. A circularidade do furo depende principalmente da precisão de rotação do fuso da máquina, enquanto o erro de forma geométrica axial é determinado principalmente pela precisão da direção de avanço da ferramenta em relação ao eixo de rotação da peça. Este método é adequado para mandrilar furos que requerem concentricidade com a superfície cilíndrica externa.

b) Rotação da ferramenta com movimento de avanço da peça: O fuso da mandriladora aciona a rotação da ferramenta de mandrilamento, enquanto a mesa de trabalho move a peça para frente.

c) Rotação da ferramenta com movimento de avanço: Ao utilizar este método, o comprimento de projeção da barra de mandrilar muda, assim como a deformação sob carga, resultando em um furo cônico com diâmetro maior próximo à caixa do fuso e diâmetro menor mais distante. Além disso, à medida que o comprimento de projeção da barra de mandrilar aumenta, a deformação por flexão causada pelo próprio peso do fuso também aumenta, o que provoca uma curvatura correspondente no eixo do furo que está sendo usinado. Este método é adequado apenas para fazer furos curtos.

2. Perfuração de diamante

Comparado ao mandrilamento geral, o mandrilamento diamantado é caracterizado por uma menor quantidade de retrocesso, menor taxa de avanço e maior velocidade de corte. Pode atingir alta precisão de usinagem (IT7 a IT6) e um acabamento superficial muito liso (Ra 0,4 a 0,05). Inicialmente, o mandrilamento diamantado era realizado com ferramentas de mandrilamento diamantadas, mas agora comumente são utilizadas ferramentas de liga dura, CBN e diamante sintético. É usado principalmente para usinagem de peças de metais não ferrosos e também pode ser aplicado em peças de ferro fundido e aço.

Os parâmetros de corte típicos para mandrilamento diamantado são: quantidade de retrocesso de 0,2 a 0,6 mm para mandrilamento em desbaste e 0,1 mm para mandrilamento de acabamento; taxa de avanço de 0,01 a 0,14mm/r; velocidade de corte de 100 a 250 m/min para ferro fundido, 150 a 300 m/min para aço e 300 a 2.000 m/min para metais não ferrosos.

Para garantir alta precisão de usinagem e qualidade superficial na mandrilamento diamantado, a máquina (mandriladora diamantada) deve ter alta precisão geométrica e rigidez. Os rolamentos do fuso principal geralmente usam rolamentos de esferas de contato angular de precisão ou rolamentos deslizantes hidrostáticos, e as peças rotativas de alta velocidade devem ser balanceadas com precisão. Além disso, o mecanismo de alimentação deve mover-se suavemente para garantir que a mesa de trabalho possa realizar movimentos de alimentação lentos e estáveis.

A mandrilamento com diamante é amplamente utilizada na produção em massa para usinagem de furos de precisão final, como furos de cilindro de motor, furos de pino de pistão e furos de fuso principal em caixas de fuso de máquinas-ferramenta. Porém, é importante observar que ao usinar metais ferrosos com mandrilamento diamantado, deve-se usar ferramentas de mandrilamento feitas de liga dura ou CBN em vez de diamante, pois os átomos de carbono no diamante se ligam fortemente aos elementos do grupo do ferro, reduzindo a vida útil da ferramenta.

3. Ferramentas chatas

As ferramentas de mandrilamento podem ser categorizadas em ferramentas de mandrilamento de aresta única e de aresta dupla.

4. Características Tecnológicas e Escopo de Aplicação da Mandrilamento

Comparado ao processo de perfuração, expansão e alargamento, o mandrilamento não é limitado pelo tamanho da ferramenta e tem uma forte capacidade de corrigir erros. Ele pode corrigir o desvio inicial do eixo do furo através de múltiplas passagens e manter uma alta precisão posicional com a superfície de localização.

Em comparação ao torneamento externo, o mandrilamento tem menos rigidez no sistema da barra de ferramentas, maior deformação, baixa dissipação de calor e condições de remoção de cavacos, e tanto a peça quanto a ferramenta sofrem deformação térmica significativa. Consequentemente, a qualidade da usinagem e a eficiência de produção do mandrilamento não são tão altas quanto as do torneamento externo.

Em resumo, a mandrilamento possui uma ampla gama de aplicações, capaz de usinar furos de diversos tamanhos e níveis de precisão. É quase o método exclusivo para furos com grandes diâmetros e altos requisitos de precisão dimensional e posicional. A precisão de usinagem do mandrilamento varia de IT9 a IT7, e a rugosidade da superfície é Ra. A mandrilamento pode ser realizada em mandriladoras, tornos, fresadoras e outros tipos de máquinas-ferramentas, oferecendo a vantagem da flexibilidade. Na produção em massa, para melhorar a eficiência do mandrilamento, são frequentemente utilizados gabaritos de mandrilamento.

5. Afiação

1. Princípio de brunimento e ferramenta de brunimento

O brunimento é um método de usinagem de acabamento de furos com uma ferramenta de brunimento equipada com bastões abrasivos (pedras de óleo). Durante o brunimento, a peça permanece estacionária enquanto a ferramenta de brunimento, acionada pelo fuso da máquina-ferramenta, gira e alterna linearmente.

No processo de brunimento, os bastões abrasivos aplicam uma certa pressão na superfície da peça, removendo uma camada extremamente fina de material, resultando em um padrão hachurado na superfície. Para garantir que as partículas abrasivas não sigam o mesmo caminho, o número de rotações por minuto da ferramenta de brunimento e o número de golpes alternativos por minuto devem ser relativamente primos.

O ângulo de cruzamento θ do padrão de brunimento refere-se à velocidade alternativa (va) e à velocidade circunferencial (vc) da ferramenta de brunimento. O tamanho do ângulo θ afeta a qualidade e eficiência do brunimento; normalmente, θ é definido como 40-60° para brunimento bruto e mais fino para brunimento de precisão. Para facilitar a expulsão de partículas abrasivas quebradas e cavacos, reduzir a temperatura de corte e melhorar a qualidade do processamento, deve-se usar bastante fluido de corte durante o brunimento.

Para garantir a usinagem uniforme da parede do furo, o curso dos bastões abrasivos deve se estender além de ambas as extremidades do furo. Para garantir uma margem de brunimento uniforme e minimizar o impacto dos erros de rotação do fuso na precisão da usinagem, uma conexão flutuante é comumente usada entre a ferramenta de brunimento e o fuso da máquina.

Os ajustes de expansão e contração radial dos bastões abrasivos da ferramenta de brunimento podem ser manuais, pneumáticos, hidráulicos e outras estruturas.

2. Características tecnológicas e faixa de aplicação do brunimento

1) O brunimento atinge alta precisão dimensional e de forma, com precisão de processamento no nível IT7-IT6. Os erros de circularidade e cilindricidade do furo podem ser controlados dentro de uma faixa muito restrita. No entanto, o brunimento não melhora a precisão da posição do furo usinado.

2) O brunimento atinge uma alta qualidade superficial, com rugosidade superficial (Ra) variando de 0,2 a 0,025μm e uma profundidade extremamente rasa da camada de defeito alterada na superfície do metal (2,5-25μm).

3) Embora a velocidade circunferencial da ferramenta de brunimento não seja alta (vc=16-60m/min) em comparação com as velocidades de retificação, a maior área de contato entre os bastões abrasivos e a peça de trabalho e a velocidade alternativa relativamente alta (va=8-20m /min) ainda permitem o brunimento para manter alta produtividade.

O brunimento é amplamente utilizado na produção em massa para usinar furos de precisão em cilindros de motores e vários dispositivos hidráulicos. A faixa de diâmetros de furo normalmente começa em 5 mm ou maior, e o brunimento pode processar furos profundos com relações comprimento-diâmetro superiores a 10. No entanto, o brunimento não é adequado para usinar furos em peças de metal não ferroso com alta plasticidade, nem pode processar furos com rasgos de chaveta ou estrias.

6. Brochamento

1. Brochamento e Broches

Brochamento é um processo de usinagem de precisão altamente produtivo realizado em uma brochadeira usando broches especialmente projetados. Existem dois tipos principais de brochadeiras: horizontais e verticais, sendo a horizontal a mais comum.

Durante o brochamento, o brochamento executa um movimento linear lento (o movimento primário). O número de dentes da brocha engatados simultaneamente geralmente não deve ser inferior a três para garantir a estabilidade; caso contrário, o corte irregular pode criar ondulações em forma de anel na superfície da peça. Para evitar forças excessivas de brochamento que poderiam quebrar o brochamento, o número de dentes cortantes trabalhando ao mesmo tempo geralmente não deve exceder seis a oito.

Existem três métodos distintos de brochamento, descritos a seguir:

1) O brochamento camada por camada envolve o corte sequencial do excesso de material da peça, camada por camada. Para facilitar a quebra de cavacos, os dentes da brocha são retificados com ranhuras quebra-cavacos interligadas. Os broches projetados para este método são chamados de broches simples.

2) O brochamento segmentar é caracterizado por cada camada da superfície usinada ser cortada por um grupo de dentes escalonados de tamanho semelhante (normalmente 2 a 3 dentes por grupo). Cada dente remove apenas parte de uma única camada metálica. Os broches projetados para este método são chamados de broches de estilo rotativo.

3) O brochamento combinado combina as vantagens do brochamento camada por camada e segmentado. A porção de desbaste utiliza brochamento segmentado, enquanto a porção de acabamento utiliza brochamento camada por camada. Isto não apenas reduz o comprimento da brocha e melhora a produtividade, mas também proporciona melhor qualidade superficial. Os broches projetados para este método são chamados de broches combinados.

2. Características Tecnológicas e Aplicações do Brochamento

1) Os broches são ferramentas de múltiplas arestas que podem executar sequencialmente desbaste, acabamento e polimento de um furo em um único curso de brochamento, resultando em alta eficiência de produção.

2) A precisão do brochamento depende principalmente da precisão do brochamento. Em condições normais, o brochamento pode atingir tolerâncias de IT9 a IT7, com rugosidade superficial (Ra) atingindo 6,3 a 1,6 μm.

3) Durante o brochamento, a peça é autolocalizada pelo furo que está sendo usinado (a parte dianteira do brochamento serve como elemento de posicionamento), tornando difícil garantir a precisão do posicionamento do furo em relação a outras superfícies; para peças rotacionais que exigem concentricidade entre as superfícies interna e externa, o brochamento geralmente é realizado primeiro, seguido pela usinagem de outras superfícies com base no furo como referência.

4) Os broches podem usinar não apenas furos redondos, mas também furos moldados e furos estriados.

5) Os broches são ferramentas de tamanho fixo, formatos complexos e custos elevados, tornando-os inadequados para usinagem de furos grandes.

O brochamento é comumente usado na produção em massa para usinar furos passantes em peças de pequeno e médio porte com diâmetros variando de 10 a 80 mm e profundidades de furo não superiores a cinco vezes o diâmetro.