Introdução aos fundamentos do processo e da abertura

A quebra é uma operação de usinagem de alta produtividade que remove o material em uma única passagem usando uma ferramenta multitooth – a broach. Ao contrário da fresagem ou torneamento, a broca combina desbaste, semi-terminação e acabamento em um único traço, tornando-o ideal para produzir perfis internos ou externos, como chaves, splines e furos de precisão. A qualidade da superfície brocada é regida por uma complexa interação de geometria de ferramenta, material de peça, lubrificação e, acima de tudo, parâmetros de corte – particularmente velocidade de corte e taxa de alimentação. Otimizar estas duas variáveis é crítico para alcançar o acabamento de superfície necessário, tolerância dimensional e vida da ferramenta, mantendo os tempos de ciclo econômicos.

O processo de perfuração é frequentemente descrito como uma variação linear de modelação ou aplainamento, onde cada dente sucessivo na broca corta uma camada ligeiramente mais profunda de material. O efeito cumulativo da elevação dos dentes por dente (RPT) determina a taxa de alimentação eficaz. Porque a ferramenta se move em linha reta (ou ao longo de um caminho helicoidal para a abertura rotativa), a cinemática difere de ferramentas de corte rotativas, e a influência da velocidade e alimentação deve ser entendida neste contexto único.

Definição da velocidade de corte e da taxa de alimentação no brochamento

Velocidade de Corte

Velocidade de corte na abertura refere-se à velocidade relativa da superfície entre as bordas de corte da broca e a peça de trabalho. Geralmente é expressa em metros por minuto (m/min) ou pés de superfície por minuto (SFM). Para a maioria das máquinas de perfuração, a velocidade de corte é a velocidade transversal da broca através da peça de trabalho. Como a broche pode conter dezenas de dentes, a velocidade de corte permanece constante para todos os dentes durante um único curso. As velocidades de abertura típicas variam de 1 a 30 m/min, dependendo do material e material da ferramenta.

Taxa de Alimentação

Taxa de alimentação na abertura não é uma alimentação contínua como na volta; em vez disso, é determinada pelo levantar por dente (RPT), a profundidade incremental de corte cada dente toma. RPT é medido em milímetros (ou polegadas) por dente. A alimentação total por dente é a soma de todos os aumentos de dente, mas a carga efetiva por dente é o valor RPT. Valores comuns RPT para dentes de desbaste são 0.025–0,15 mm; dentes de acabamento têm aumentos muito menores (0,005–0,02 mm) para produzir uma superfície lisa.

Embora o termo “taxa de alimentação” possa também ser utilizado para descrever a velocidade linear do broche, na indústria é mais preciso distinguir entre velocidade de corte (velocidade) e aumento de dente (alimentação por dente). A taxa líquida de remoção de material (MRR) é o produto da área transversal do broche de corte, velocidade de corte e número de dentes envolvidos, mas os resultados de qualidade dependem fortemente da distribuição do RPT.

O efeito da velocidade de corte na qualidade de brocha

Acabamento de superfície e integridade

A velocidade de corte exerce uma influência direta sobre o acabamento superficial da peça de corte. Em velocidades de corte baixas (abaixo de 5 m/min para aços), o processo de formação de chips tende a ser menos estável, resultando muitas vezes na formação de bordas built-up (BUE). Os fragmentos BUE podem aderir à superfície final, deixando uma textura áspera, rasgada e valores de Ra pobres. À medida que a velocidade aumenta, a temperatura de corte aumenta, reduzindo a resistência de rendimento do material na zona de cisalhamento e promovendo um fluxo de chips mais suave. Para muitas ligas, um aumento moderado na velocidade de corte (até 15 m/min) melhora o acabamento superficial suprimindo BUE e reduzindo as variações de força de corte.

No entanto, velocidades de corte muito elevadas podem degradar a integridade da superfície através da geração de calor excessiva. A intensa carga térmica pode causar endurecimento de superfície, micro-cracking, ou até mesmo uma camada branca em aços endurecidos. Na perfuração de alumínio ou latão, altas velocidades podem levar a esfregar ou a esborrachar. Portanto, a velocidade de corte ideal é um equilíbrio: suficientemente alto para evitar BUE e alcançar bom acabamento, mas suficientemente baixo para evitar danos térmicos. As recomendações típicas para broaching de aço situam-se entre 6 e 12 m/min para broches de aço de alta velocidade (HSS) e ligeiramente mais elevados para ferramentas de carboneto ou revestidas.

Use a ferramenta e vida da ferramenta

A velocidade de corte é um motor primário de desgaste da ferramenta] em broaching. Como a broche é uma ferramenta complexa e cara (muitas vezes feita sob medida), a vida útil da ferramenta maximizando é economicamente vital. Em velocidades baixas, o desgaste abrasivo domina, especialmente quando materiais de usinagem com inclusões duras. À medida que aumenta a velocidade, mecanismos de desgaste termicamente ativados – difusão, oxidação e deformação plástica da borda de corte – aceleram. Para as broches HSS, um aumento de 10% na velocidade pode reduzir a vida da ferramenta em 20-30% devido à relação exponencial entre temperatura e taxa de desgaste.

Usando materiais de ferramentas avançados como ] aço de alta velocidade em pó (PM-HSS), carboneto ou nitreto de boro cúbico (CBN) permite velocidades de corte mais elevadas sem sacrificar a vida útil da ferramenta. Por exemplo, as broches com ponta CBN podem operar a velocidades até 60 m/min quando se aborda aço endurecido (55–62 HRC), atingindo excelente acabamento superficial e intervalos mais longos entre as regrinds. A seleção da velocidade de corte deve, portanto, considerar o material da ferramenta, a dureza da peça de trabalho e o tamanho necessário do lote.

Precisão dimensional e Geometria de Perfil

A velocidade de corte também afeta a precisão dimensional da característica de corte. Quando a velocidade é muito baixa, as forças de corte aumentadas podem causar deflexão da broca ou da peça de trabalho, especialmente para peças longas e esbeltas. Esta deflexão leva a aparar ou a tocar campainhas do furo. Por outro lado, em velocidades muito altas, a expansão térmica da ferramenta (e, por vezes, da peça de trabalho) pode alterar o tamanho eficaz do dente, causando sobredimensionamento ou subdimensionamento da dimensão final. Para splines de precisão ou rolamentos, um regime térmico estável alcançado pela velocidade de corte consistente e fluxo de refrigerante adequado é essencial.

O efeito da taxa de alimentação (Rise per dente) na qualidade do broche

Formação de chips e rugosidade de superfície

Taxa de alimentação, expressa em ]semelhante por dente (RPT), controla diretamente a espessura do chip.Um maior RPT produz chips mais grossos, que requerem mais força de corte e geram maior estresse no flanco dentário. Chips grossos tendem a cisalhar de forma descontínua, deixando uma superfície mais áspera. Além disso, altos valores de RPT aumentam a probabilidade de embalagem de chips na garganta, levando a emperramento ou quebra de ferramentas. Para os dentes de acabamento, RPT deve ser mantido pequeno para alcançar um valor de Ra baixo; acabamento típico RPT é de 0,005–0,015 mm, produzindo um acabamento de superfície de 0,5–1,2 μm Ra em aço.

No entanto, usar um RPT extremamente pequeno em toda a broche pode ser contraproducente. Se os dentes de acabamento têm um aumento muito pequeno, eles podem simplesmente polir em vez de cortar, causando endurecimento do trabalho e má integridade da superfície. Um broche bem desenhado usa uma progressão RPT decrescente: dentes de rugosidade com aumentos moderados (0,05–0,12 mm), semi-terminação com aumentos reduzidos, e dentes de acabamento com os menores aumentos. Este design equilibra a taxa de remoção de material com a qualidade final da superfície.

Forças de corte e vibração

Taxa de alimentação é o fator dominante na determinação da força de corte por dente. O TPR mais elevado resulta em forças mais elevadas, que podem induzir vibração (chatter) no sistema de perfuração. Chatter não só piora o acabamento da superfície, mas também acelera o desgaste da ferramenta e pode danificar o broche ou máquina. Na abertura interna de furos longos, força excessiva de RPT alto pode fazer com que o broche se dobre, levando a um furo curvado ou desalinhado. Diminuir o TPR em dentes desbaste, ao adicionar mais dentes é uma estratégia comum para reduzir as forças de pico e manter a estabilidade.

Ferramenta de desgaste padrão e Burr Formação

A taxa de alimentação influencia a localização e a gravidade do desgaste nos dentes de broche. No alto RPT, o desgaste abrasivo está concentrado no flanco dentário e na borda de corte, causando frequentemente um arredondamento rápido. Este arredondamento aumenta a força normal, que pode piorar o acabamento da superfície. No lado de saída da peça, o alto RPT promove rolhas maiores, que podem exigir uma operação de desbarring secundária. Para aplicações onde a minimização de burr é crítica (por exemplo, corpos de válvula hidráulica), recomenda-se um RPT mais baixo na seção de acabamento, juntamente com geometria de chanfro adequada nos dentes finais.

Interplay entre velocidade de corte e taxa de alimentação em broaching

A velocidade de corte e a taxa de alimentação não são variáveis independentes; o seu efeito combinado determina a morfologia ] do chip, a geração de calor e o consumo de energia. Para um determinado material, a combinação ideal pode ser identificada através do conceito de espessura equivalente de chip ou através da análise da energia de corte específica. Uma abordagem industrial comum utiliza uma “janela de alimentação rápida” – uma gama de parâmetros que produzem acabamento de superfície aceitável, vida da ferramenta e produtividade. Por exemplo, ao abrir um aço 4140 (28-32 HRC) com um broche PM-HSS, parâmetros típicos podem ser 8-10 m/min velocidade de corte com um RPT de 0,06 mm para desbaste e 0,01 mm para acabamento.

Quando a velocidade de corte é aumentada, a temperatura de corte aumenta, o que pode suavizar o material da peça e permitir um RPT ligeiramente mais elevado sem um aumento proporcional de força. Por outro lado, em velocidades baixas, o material é mais difícil, e um RPT mais baixo deve ser usado para evitar força excessiva e quebra de ferramentas. Os engenheiros experientes de processo usam cortes de prova ou software de simulação para ajustar estes parâmetros para cada novo trabalho. O objetivo é alcançar uma condição de corte em estado estacionário onde cada dente corta suavemente, ondula livremente, e a superfície acabada mostra uma postura consistente.

Efeitos Específicos do Material na Seleção de Parâmetros

Aços e ligas

Para aços de baixo carbono e de médio carbono, velocidades moderadas (6-12 m/min) com média RPT funcionam bem. Aços endurecidos (HRC 45-60) requerem velocidades mais baixas (2-5 m/min) se usar broaches HSS, mas ferramentas de carboneto ou CBN podem lidar com velocidades mais elevadas. Aços inoxidáveis, especialmente as classes austeníticas, são propensos a trabalhar endurecimento; portanto, um RPT mais elevado (0,08–0,12 mm) é frequentemente usado para garantir os cortes de dentes sob a camada de trabalho-endurecido, combinado com velocidades mais baixas (4-8 m/min) para controlar o calor. Usando um sistema de refrigeração de alta pressão é fundamental para dar descarga de chips e evitar galheamento.

Materiais não-Ferrosos

O alumínio e o latão podem ser abordados em velocidades mais elevadas (15-30 m/min) com RPT moderado. Contudo, o alumínio tende a formar uma borda construída em velocidades mais baixas, por isso é frequentemente recomendado uma velocidade superior a 20 m/min. Para o ferro fundido, as velocidades de 5-10 m/min com RPT fino são típicas; altas velocidades podem causar desgaste abrasivo devido às partículas de grafite. As superligas à base de titânio e níquel são desafiadoras: são necessárias baixas velocidades (3-6 m/min) e baixas RPT (0,02–0,05 mm) para gerir o calor e o desgaste da ferramenta, e o uso de estratégias avançadas de arrefecimento (por exemplo, criogénico ou MQL) é cada vez mais comum.

Estratégias de otimização para a qualidade de brocha

Desenho Progressivo dos Dentes

As broches modernas apresentam frequentemente uma progressão variável do TPR que gruda em alguns dentes e termina em outros. Este design permite taxas mais elevadas de remoção de material sem sacrificar a qualidade final da superfície. Algumas ferramentas incorporam dentes curvados ou cortados em espiral para reduzir a carga de choque e melhorar a evacuação de chips, permitindo um aumento de 15-20 % na taxa de alimentação, mantendo o acabamento aceitável.

Refrigerante e lubrificação

A escolha do tipo de líquido de refrigeração, viscosidade e método de entrega pode afetar significativamente a combinação de alimentação de velocidade ideal. O refrigerante de alta pressão (40-100 bar) direcionado para a zona de corte ajuda a reduzir a temperatura e a aparar chips, permitindo velocidades de corte mais elevadas. Para a fresagem, óleos pesados são frequentemente preferidos sobre fluidos miscíveis à água por causa de sua lubrificação superior e resistência ao filme. Adicionando aditivos de extrema pressão (PE) (por exemplo, cloro, enxofre ou fósforo) pode reduzir ainda mais o atrito e permitir um aumento de 10-30 % na taxa de alimentação antes que o acabamento da superfície se deteriore.

Monitoramento de Processos e Controle Adaptativo

O monitoramento em processo de forças de corte, vibração ou temperatura pode permitir ] controle adaptativo dos parâmetros de abertura. Se a força exceder um limite, o sistema de controle pode reduzir a velocidade ou a taxa de alimentação em tempo real. Algumas máquinas de perfuração de ponta agora incorporam células de carga e acelerômetros para ajustar a velocidade transversal dinamicamente. Esta tecnologia garante qualidade consistente mesmo quando as propriedades do material variam dentro de um lote.

Orientações Práticas para a Seleção do Parâmetro

  • Iniciar com recomendações do fabricante para material de ferramenta de broche e material de peça. A maioria dos fornecedores de broche fornecem velocidades de partida e RPT para materiais comuns.
  • Conduzir uma varredura de parâmetros em peças de ensaio: variar a velocidade ±20 % e RPT ±30 % do nominal, medir o acabamento superficial (Ra, Rz) e examinar o desgaste da ferramenta após cada teste.
  • Forma de chip monitor : fichas desejáveis são curtas, enroladas e consistentes. Chips longos indicam uma alimentação muito alta ou espaço gullet insuficiente; chips em pó sugerem uma velocidade muito baixa.
  • Verifique a estabilidade dimensional após uma execução de produção: medir várias partes para afinação, ovalidade e tamanho. Se a variação exceder a tolerância, reduzir o RPT ou ajustar o fluxo de refrigerante.
  • Vida da ferramenta de rastreamento: registe o número de peças por regrind de broche. Uma queda súbita pode indicar que a velocidade ou alimentação se deslocou para fora da janela ideal.

Conclusão

A qualidade de um componente abordado é profundamente influenciada pela seleção da velocidade de corte e taxa de alimentação[(seleção por dente).Enquanto as relações fundamentais – maior velocidade reduz a borda construída, a alimentação mais baixa melhora o acabamento – mantém-se verdadeira, o ideal depende do material da peça, material da ferramenta, rigidez da máquina e lubrificação.A abordagem moderna requer uma abordagem sistemática: começando com parâmetros de base comprovados, usando desenhos de dentes progressivos, e alavancando sistemas avançados de refrigeração e monitoramento para empurrar os limites de produtividade sem comprometer a precisão.

Ao compreender os mecanismos físicos que estão por trás da formação de chips, geração de calor e desgaste de ferramentas, os engenheiros de fabricação podem ajustar estes dois parâmetros para atingir acabamento superficial superior[ (Ra abaixo de 0,8 μm para acabamento), tolerâncias dimensionais apertadas (±0,005 mm para furos de precisão), e vida útil da ferramenta estendida[]. O resultado é um processo de perfuração robusto e eficaz que atende às demandas de produção de alto volume em indústrias automotivas, aeroespaciais e outras de precisão.

Para leitura adicional sobre a otimização dos parâmetros de abordagem, consulte o Hub de conhecimento material de Sandvik Coromant e o ScienceObservação direta da engenharia de abordagem. Estudos práticos de caso podem ser encontrados no [Modern Machine Shop artigo sobre os fundamentos de abertura].