Compreender o processo de abertura

A broca é uma operação de usinagem de alta produtividade que utiliza uma ferramenta multi-dentes chamada broche para remover o material em uma única passagem. A broca tem uma série de dentes de corte, cada um ligeiramente superior ao anterior, para que cada dente pegue uma pequena microplaqueta. O processo pode produzir formas internas (chaves, splines, buracos quadrados, hexágonos) ou formas externas (lotes, serras, superfícies contornadas) com excelente precisão e repetibilidade. Para engenheiros e designers de produtos, a broca oferece uma combinação única de velocidade, precisão e acabamento de superfície que poucos outros métodos podem combinar, especialmente quando se produzem peças idênticas em volumes médios a elevados.

Apesar das suas vantagens, a broca impõe restrições rigorosas à geometria da peça. A broca deve ser capaz de entrar e sair da peça em linha reta, e a peça deve ter rigidez suficiente para resistir às forças de corte. Compreender essas restrições no início da fase de projeto é essencial para evitar retrabalhos caros ou a necessidade de operações secundárias. Este artigo fornece diretrizes práticas e testadas para projetar peças que são otimizadas para a abertura, ajudando-o a alcançar melhores resultados de fabricação e menor custo total.

Princípios fundamentais de concepção para a abertura

Acesso em linha reta

A regra mais importante no desenho de abordagem é que a broca deve mover- se em linha recta em relação à peça. Quer esteja a abordar uma chave interna ou uma curva externa, o caminho da ferramenta não pode ser obstruído por paredes angulares, buracos de deslocamento ou obstáculos internos. Os designers devem assegurar que a broca pode entrar, passar e sair da peça sem interferência. Isto significa que as funcionalidades, como furos internos, devem ser coaxiais com o eixo de broca, e não deve haver orifícios cruzados, fendas ou fios no caminho da ferramenta.

Se sua parte requer uma forma interna cega, a broca raramente é viável porque a broca deve sair da parte após o corte. Para aplicações cegas, considere processos alternativos como o fio EDM, a forma ou a broca de ambas as extremidades (embora isso acrescente complexidade). Quando em dúvida, consulte um fabricante de brocas experiente no início do ciclo de projeto.

Geometria e Clearance de Parte

A abertura adequada entre a broca e a peça de trabalho é fundamental para a evacuação de chips, dissipação de calor e vida útil da ferramenta. Para a abertura interna, o furo inicial deve ser maior do que o menor diâmetro do dente da broca. Normalmente, recomenda-se uma folga de 0,1 a 0,2 mm (0,004 a 0,008 pol), mas o valor real depende do material, tamanho da broca e campo dental. Para a broca externa, a peça de trabalho deve ser projetada com suficiente folga para o suporte de broca e sapatos de guia.

Os designers também devem considerar o lado de saída da peça. O broche deve emergir de forma limpa da peça; uma mudança súbita na seção transversal ou uma parede fina na saída pode fazer com que os dentes finais se desfaçam ou a parte se deforme. Adicionar uma chanfrada de saída generosa (45° a 1-2 mm) no lado de saída ajuda a distribuir a força de corte suavemente e protege o último dente.

Simplificar os Perfis Internos

Geometrias internas complexas com múltiplas subcortes, larguras variáveis ou formas multilobadas aumentam significativamente o custo de broche e podem exigir múltiplas passagens de broche (ou múltiplas ferramentas de broche). Sempre que possível, designe características internas como formas geométricas simples: entradas retas, seções de uma spline ou furos quadrados de diâmetro uniforme. Se formas complexas forem inevitáveis, quebre-as em uma série de operações mais simples. Por exemplo, um buraco em forma de D pode ser aberto em duas passagens - um buraco redondo primeiro, um plano usando um broche de teclado - embora isso aumente o tempo de ciclo e o custo da ferramenta.

Outra armadilha comum é especificar cantos internos afiados. Os dentes de broche não podem produzir um verdadeiro 90° dentro do canto porque a borda de corte tem um raio. Desenhe cantos internos com um raio de pelo menos 0,5 mm (0,020 pol) para combinar o raio do nariz do broche. Os raios maiores reduzem as concentrações de tensão tanto na parte como na ferramenta, e permitem que o broche corte mais livremente.

Considerações materiais para o broche

O material a ser abordado afecta directamente a selecção das ferramentas, as velocidades de corte e as tolerâncias alcançáveis. Os aços de baixa a média carbono[ (por exemplo, 1018, 1045) são ideais para a abertura de ferramentas, porque produzem pastilhas curtas e bem quebradas e têm uma dureza previsível. Os aços de baixa a média carbono[ (300 e 400 séries) podem ser perfurados, mas requerem velocidades mais lentas, ângulos de ferramentas mais nítidas e, muitas vezes, um aço ou carboneto de alta velocidade com um teor de cobalto mais elevado. ]Alumínio e brasss[ broca muito bem, mas os meus materiais de gumas como ]]cobre] ou [FT:10]leve-carbon 1010[FT:11]]precam os dentes [F][FT]][FT]]de

Os designers devem especificar uma faixa de dureza material que equilibra a usinabilidade e a resistência final da peça. Para a maioria das peças de aço, uma dureza de 25–35 HRC[] é ideal para a perfuração. Materiais mais suaves (abaixo de 20 HRC) tendem a rasgar em vez de cortar, produzindo acabamento superficial pobre. Materiais mais duros (acima de 45 HRC) causam desgaste acelerado da ferramenta e podem exigir broches de carboneto, que são significativamente mais caros. Se o seu projeto exige uma parte endurecida, considerar broaching antes do tratamento térmico, em seguida, realizando moagem final mínima para corrigir qualquer distorção.

Dicas de design importantes para o sucesso da brocha

  • Fornecer espessura suficiente da parede.] A broca exerce altas forças radiais e axiais. Paredes finas (abaixo de 3 mm para parede lateral de aço) podem distorcer ou colapsar sob a força de corte. Uma boa regra do polegar é uma espessura mínima da parede de 1,5 vezes a profundidade da característica abordada.
  • Adicionar chanfras de entrada. Um chanfro no lado de entrada do caminho de broche ajuda a guiar a ferramenta para a peça de trabalho e impede que o primeiro dente de lascar. Um champê de 45° 1-3 mm de largura é padrão.
  • Design para alimentação direta. A peça deve ser pinçada para que o eixo da broca esteja alinhado com o eixo da máquina. Características que fornecem localização positiva – como um furo piloto, uma face plana ou uma chave contra um backstop – melhoram a repetibilidade.
  • Evite interromper cortes. Os orifícios internos ou fendas que cruzam o trajeto da broca causam impacto nos dentes de corte contra o espaço aberto, levando a tagarelice, acabamento ruim e falha prematura da ferramenta. Se os orifícios de cruz são inevitáveis, considere usar uma broca helicoidal ou uma broca segmentada que entra no corte gradualmente.
  • Considere o comprimento da tração. A broche deve ser mais longa do que a peça de trabalho para passar completamente. O comprimento total da broca inclui o piloto, dentes de rotura, dentes de acabamento e extremidade do seguidor. Uma broca típica é de 3-5 vezes o comprimento da peça. Certifique-se de que o seu curso de máquina pode acomodar o comprimento da broche e o comprimento da peça com a folga para o carregamento.
  • Use formas simétricas. As forças de abertura são mais estáveis quando a carga de corte é equilibrada. Características assimétricas (por exemplo, uma chave de um lado apenas) induzem cargas laterais que podem desviar o broche e reduzir a precisão. Se você deve abordar uma forma assimétrica, considere projetar uma segunda operação de abertura no lado oposto para equilibrar as forças, ou permitir uma folga extra para deflexão.

Formas comuns e suas regras de design

Keyways (Interno e Externo)

As Keyways são as características mais comuns. Para uma chave interna, o diâmetro do orifício inicial deve ser igual à profundidade da chave mais o dobro da folga. As larguras das teclas seguem os padrões da indústria (por exemplo, ANSI B17.1, DIN 6885). Os designers devem especificar a largura e profundidade da chave, não apenas o tamanho da chave, porque as ferramentas de broche são feitas para cortar larguras precisas. Uma tolerância de largura de ±0.025 mm (±0.001 pol) é típica para as teclas fechadas.

Para evitar os aumentos de tensão nas extremidades da chave, use um raio de corte padrão na saída ou especifique um comprimento de chave que termina antes da borda da parte para deixar uma terra sólida.

Linhas de rodagem (Involutas, Paralelas e Serradas)

Os eixos e cubos de estiramento são frequentemente abordados para aplicações de alto torque. As curvas involutivas (por exemplo, SAE, DIN, ISO) oferecem um egocentrismo e um acoplamento suave, mas exigem geometria dental precisa. Para as curvas involutivas, o diâmetro do furo inicial deve corresponder ao diâmetro da raiz da inclinação. A tolerância do diâmetro maior da spline é tipicamente ± 0,05 mm (±0,002 pol) para aplicações comerciais. Os designers devem consultar os fabricantes de broches para confirmar o ângulo de pressão, o módulo e a contagem de dentes são compatíveis com as ferramentas disponíveis. As curvas laterais paralelas são mais simples e mais baratas para perfurar, enquanto as serrações (dentes triangulares) são melhores para pequenos ajustes angulares e requerem um suporte rígido para ferramentas.

Quadrado e hexagonal através de buracos

A abertura é uma das formas mais rápidas de produzir buracos quadrados ou hexagonais em placas grossas. Para um buraco quadrado, o diâmetro do orifício redondo inicial deverá ser igual ao comprimento lateral do quadrado mais uma pequena folga para a entrada do broche. O broche deverá ter uma secção piloto que se encaixe no orifício redondo, depois uma secção de transição que gradualmente mude de redondo para quadrado. Uma ponta de desenho: evite paredes finas entre o buraco quadrado e as características adjacentes. A distância do buraco quadrado para qualquer outro buraco ou borda deve ser pelo menos três vezes a espessura da parede para evitar o abaulamento durante a abertura.

Acabamento de superfície e tolerâncias

O broche pode atingir acabamentos de superfície tão baixos quanto 0,4 μm Ra (16 μin Ra) em condições ideais, e os acabamentos típicos de produção são 0,8–1,6 μm Ra (32–63 μin Ra). Para alcançar o melhor acabamento, desenhe os dentes de acabamento com uma carga leve de chip (0,01–0,02 mm por dente) e assegure que o material não tenha inclusões ou escala duras. O broche gera uma superfície característica paralela à direção de tração – isto pode ser vantajoso para a retenção de óleo em encaixes deslizantes, mas pode não ser aceitável para superfícies de vedação. Se for necessário um padrão de corte cruzado, planeie uma operação secundária de afinamento ou de esqui.

As tolerâncias para as dimensões abordadas são tipicamente IT7 a IT9 (ISO) ou ±0.025 mm (±0.001 pol) para diâmetros de orifícios e larguras de fenda. As tolerâncias posicionais dependem da localização do eixo de broche em relação ao datum da peça. Usar um furo piloto apertado (ajustamento H7) pode melhorar a concentricidade para dentro de 0,05 mm TIR. Os designers devem evitar empilhar tolerâncias apertadas em múltiplas características, uma vez que o broche seguirá o caminho da menor resistência. Em vez disso, especifique um recurso de dado para posicionamento e relaxe tolerâncias em superfícies não funcionais.

Custos e Considerações de Ferramentas

O uso de ferramentas de broche é caro – uma única broche interna pode custar entre US$ 500 e US$ 5.000, dependendo do comprimento, complexidade e material. Produção de alto volume (≥10.000 peças por ano) justifica o investimento, enquanto que as operações de baixo volume ou protótipo podem ser melhor servidas por fio EDM ou por brochar em um slotter. Para minimizar o custo da ferramenta:

  • Características de design que permitem que um único broche corte várias partes em uma pilha (por exemplo, partes de parede fina com formas internas idênticas).
  • Evite subcortes, transições acentuadas e tamanhos não-padrão que exigem projetos personalizados de broche.
  • Especificar dimensões padrão sempre que possível – por exemplo, usar uma chave de 6,35 mm de 1/4 polegadas em vez de uma chave de 6,5 mm.
  • Plano para a rearranjo de broches. Uma broche pode ser refundida 3-5 vezes antes de atingir o fim de sua vida útil. Projete peças para que uma broche de reground (graxa ou diâmetro ligeiramente menor) ainda atenda às tolerâncias de desenho.

Também é sábio considerar a máquina de perfuração em si. Máquinas de perfuração horizontais são comuns para peças internas longas, enquanto broachers de superfície vertical são usados para superfícies planas externas e Keyways. A máquina deve ter curso suficiente (comprimento de puxão) e força (tonagem) para conduzir o broche através da peça. Designers devem evitar especificar características que exigem um broche excepcionalmente longo (mais de 1 metro) a menos que o comprimento da peça exige que, como broches longos são caros e propensos a deflexão.

Trabalhar com um fornecedor de brochas

O design de broca de sucesso é uma colaboração entre o engenheiro e o fabricante de broches. Forneça ao fornecedor um desenho completo, incluindo tolerâncias, grau de material, dureza e um dado definido para o eixo de broca. Indique a direção da tração – tipicamente vertical para a abertura de superfície e horizontal para a abertura interna – para que o fornecedor possa orientar a geometria da ferramenta adequadamente. Se você não tiver certeza sobre o tamanho ideal do orifício inicial ou geometria de chanfro, peça ao fabricante para rever a peça e recomendar modificações. Muitos fornecedores oferecem ] avaliações de design para fabricação (DFM) sem custo, e sua entrada pode economizar meses de teste-e-error.

Para formas complexas, considere encomendar uma broche de teste ou uma ferramenta protótipo feita a partir de um material menos caro (por exemplo, AISI M2 em vez de PM M4) antes de se comprometer com uma execução completa da produção. Isto permite verificar a formação de chips, acabamento de superfície e tolerâncias sem o investimento total de ferramentas. Uma vez que o design é comprovado, o broche de produção final pode ser feito com aço premium e revestimentos como TiCN ou AlTiN para prolongar a vida útil da ferramenta.

Erros comuns de projeto e como evitá - los

  • Tin paredes que colapsam. Como observado, paredes menos de 1,5 vezes a profundidade abordada são propensas a deformação. Aumente a espessura da parede ou reduza a profundidade da característica abordada.
  • Cantos afiados na entrada ou saída. Sem chanfro, o primeiro dente pode rachar, e o último dente pode quebrar. Sempre incluir um champfer de entrada de 45° e uma saída suave.
  • Características internas de bloqueio. Não desenhe uma chave que intersecta outra característica abordada num ângulo direito. O broche não pode fazer uma curva acentuada. Use um slot padrão ou redesenhe a peça para evitar intersecções.
  • Buracos de corte com formas de corte. A menos que você use um broche de empurrão (que requer um alívio sub-parte), não é possível abrir com broches de puxar padrão. Design através de buracos para abertura interna.
  • Tolerância embutida em uma única operação. A engarrafamento não é um processo de acabamento para tolerâncias extremamente apertadas. Se você precisar de IT6 ou melhor, planifique uma operação de rearranjo, moagem ou fiação subsequente.
  • Ignorando a formação de rebarbas.] A broca produz uma rebarba fina no lado de saída. Desenhe a face de saída para permitir o desbarring (por exemplo, adicionando um sulco de relevo ou especificando uma operação de tumbling secundário).

Validação de Design e Simulação

Antes de liberar uma peça para a abertura, valide o design usando ferramentas CAD e FEA. Verifique se o caminho da broca está desobstruído e que a peça tem rigidez suficiente para resistir à força de corte. Muitos sistemas CAM agora incluem módulos de simulação de broca que podem mostrar visualmente o caminho da ferramenta e destacar interferência. Alguns fabricantes também oferecem calculadoras de design para abertura online que recomendam diâmetros de orifícios de partida, tamanhos de chanfro e requisitos de energia baseados em material e geometria. Use essas ferramentas para capturar erros antes do corte de aço.

Além disso, reveja o esquema de fixação da peça. As forças de broca podem atingir várias toneladas, de modo que a peça deve ser mantida com segurança em um dispositivo que não distorça sob carga. Métodos comuns de fixação de trabalho incluem hidráulicos ou viseiras, mandris de collet e fixações de paletes personalizadas com localizadores. Os designers podem ajudar a manter o trabalho adicionando flats, furos de pinos ou um chefe piloto da peça – características que não estão diretamente relacionadas com a forma de broca, mas tornam o fixação mais simples e repetivel.

Conclusão

A concepção de peças para a abordagem é uma disciplina que combina simplicidade geométrica, consciência do material e uma compreensão clara das restrições de ferramentas. Ao seguir os princípios descritos neste artigo – garantir acesso direto, proporcionar desobstrução e chanfros adequados, simplificar formas internas e especificar materiais apropriados – engenheiros e designers de produtos podem desbloquear todo o potencial deste processo rápido e preciso. O resultado é peças de maior qualidade, maior vida útil da ferramenta, tempos de ciclo reduzidos e um menor custo de fabricação global.

Lembre-se de envolver seu fornecedor de broaching precocemente, validar o projeto com simulação e construir em raios generosos e espessuras de parede. Broaching não é um processo que tolera atalhos no design, mas quando aplicado corretamente, ele oferece componentes com acabamento superficial excepcional e consistência dimensional. Aplicar essas dicas para o seu próximo projeto e você vai descobrir que broaching se torna uma solução confiável, econômica para seus requisitos de moldagem interna e externa mais desafiadores.

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