Broaching é um processo de usinagem de precisão usado para criar formas internas e externas complexas e precisas em peças metálicas. Um aspecto crítico das operações de brocha bem sucedidas é a evacuação adequada de chips. Remoção eficiente de chips garante acabamentos de alta qualidade, maior vida útil da ferramenta e condições de trabalho mais seguras.

A broca é um processo de corte de metal único e altamente produtivo que tem sido uma pedra angular da fabricação há décadas. Da produção de intrincadas splines dentro de engrenagens de transmissão automotiva até cortar chaves de precisão em polias e criar perfis internos complexos para componentes aeroespaciais, a broca oferece precisão e repetibilidade inigualáveis em altas taxas de produção. No entanto, a própria natureza do processo de brocagem, onde uma única ferramenta, cara, com vários dentes de corte se move linearmente através de uma peça de trabalho ou através de uma peça de trabalho, apresenta um conjunto único de desafios, particularmente na área de gestão de chips. Ao contrário da rotação ou moagem, onde as fichas são muitas vezes pequenas e facilmente transportadas por fluxo de refrigerante, a broca gera longas, muitas vezes como chips de fita que podem se tornar emaranhadas, impactar a superfície da peça de trabalho e reduzir drasticamente a vida da ferramenta. Entender e dominar a evacuação de chips não é apenas uma consideração secundária na brocagem; é um pilar fundamental que suporta toda a operação, influenciando diretamente a qualidade, custo, segurança e confiabilidade do processo geral.

Compreender a formação de chips em broche

Durante a abertura, o material é removido em uma série de pequenos cortes por uma ferramenta dentada chamada de broche. À medida que a ferramenta progride através da peça de trabalho, os chips são formados. Se esses chips não são evacuados corretamente, eles podem causar vários problemas, incluindo danos na ferramenta e má qualidade da superfície.

Para apreciar plenamente a importância da evacuação de chips, é essencial compreender a mecânica da formação de chips durante o processo de abertura. O broche é uma ferramenta longa e multi- dente, com cada dente sucessivos cortando ligeiramente mais profundo do que o anterior. Isto é conhecido como o "restaurante por dente" e normalmente varia de alguns milésimos de uma polegada a vários centésimos, dependendo do material e operação. Como o broche é puxado ou empurrado através da peça, cada dente engaja o material, cortando uma camada fina e formando uma ficha. A geometria da borda de corte, o ângulo de rake, o ângulo de alívio, e o espaço gullet entre os dentes todos desempenham papéis cruciais em como o chip é formado, dirigido e, eventualmente, evacuado da zona de corte.

A mecânica da formação de chips

O processo de formação de chips na broca pode ser amplamente categorizado em três tipos: chips descontínuos, contínuos e serrilhados. Formam-se chips descontínuos quando materiais quebradiços como ferro fundido são usinados. Estes chips se quebram em pequenas peças tipo fragmentos, que são geralmente mais fáceis de evacuar, mas podem às vezes ficar presos no espaço gullet. Os chips contínuos são normalmente formados quando usinagem de materiais dúcteis como aço de baixo carbono, alumínio ou latão. Estes chips são longos e resistentes, e podem facilmente enrolar em torno do broche, tapar a peça ou danificar a superfície final, se não corretamente gerida. Chips segmentados ou segmentados formam em materiais que são propensos a cisalhamento adiabático, como ligas de titânio e aços inoxidáveis de alta resistência. Estes chips têm uma aparência semelhante a serra e podem ser altamente abrasivos, acelerando o desgaste de ferramentas e criando desafios significativos para evacuação.

Tipos de fichas em brochas

O tipo de chip produzido tem um impacto direto na eficácia das estratégias de evacuação. Para os materiais dúcteis, o chip tende a se enrolar em uma espiral apertada ou formar uma fita longa que preenche o espaço da garganta. Se a garganta não é grande o suficiente ou a geometria não é otimizada, o chip pode emperrar, causando forças excessivas, vibração e, em última análise, falha de ferramenta. Em contraste, os materiais quebradiços produzem pequenos chips semelhantes a pó que são facilmente levados por refrigerante, mas eles também podem gerar partículas finas no ar que representam riscos respiratórios, se não forem devidamente controlados. Compreender o tipo de chip para um determinado material permite aos engenheiros de processo projetar ferramentas de broche com formas de gullet apropriadas, quebradores de chips e métodos de entrega de refrigeração para garantir a evacuação de chip consistente e confiável.

A importância da evacuação adequada do chip

A evacuação eficaz de chips é vital para manter a integridade do processo de perfuração. Ela evita a acumulação de chips, que pode levar a:

  • Aumento do desgaste da ferramenta e potencial quebra
  • imperfeições de superfície na peça usinada
  • Sobreaquecimento da ferramenta e peça de trabalho
  • Eficiência de corte reduzida
  • Perigos de segurança para os operadores

Quando os chips não são evacuados eficazmente, eles podem ser recortados por dentes subsequentes, causando maior atrito, geração de calor e desgaste da ferramenta. Esta recorte também degrada o chip em si, criando detritos finos que podem incorporar na superfície da peça ou passagens de líquido de arrefecimento de entupimento. Em casos graves, a embalagem de chips pode causar a ligação ou quebra do broche, levando a um tempo de parada caro e danos potenciais à máquina e à peça de trabalho. Além da vida da ferramenta e qualidade da superfície, a evacuação de chips é uma preocupação de segurança crítica. Longo, os chips quentes podem se tornar projéteis se quebrarem sob tensão, colocando um risco para os operadores. Além disso, os chips acumulados podem bloquear o fluxo de refrigerante, levando a danos térmicos tanto para a ferramenta e a peça de trabalho, e em alguns casos, criando um perigo de incêndio.

Consequências da evacuação pobre de chip

A evacuação de chips pode se manifestar em vários sintomas observáveis no chão da loja. Um sinal comum é a presença de "embalagem de chips" ou "estoque de chips" nos espaços gullet da broca. Isso pode ser identificado por inspeção visual ou por um aumento súbito das forças de corte, indicado por um aumento da pressão hidráulica na máquina de broca. Outro sintoma é um acabamento superficial degradado na peça de trabalho, muitas vezes caracterizado por arranhões, gouges ou marcas de queimaduras causadas por chips sendo arrastados pela superfície finalizada. Em casos extremos, a evacuação de chips pode levar a quebra de ferramentas, que não só estraga o broche, mas também pode danificar o fuso da máquina ou a fixação de peças de trabalho, resultando em custos de reparo significativos e tempo de produção perdido. Além disso, chips que não são efetivamente removidos do depósito de máquinas podem recircular através do sistema de refrigeração, causando danos na bomba e má qualidade do líquido de refrigeração.

Impacto na vida da ferramenta

A vida útil da ferramenta na abertura está diretamente ligada à evacuação de chips. Quando as pastilhas são evacuadas de forma limpa, cada dente corta livremente, com mínima fricção e geração de calor. Isto permite que a borda de corte mantenha a sua nitidez por um período mais longo, reduzindo a frequência de rearranjo ou substituição de ferramentas. Por outro lado, quando as pastilhas ficam presas, elas atuam como meio abrasivo, acelerando o desgaste do flanco e o desgaste da cratera na borda de corte. O calor gerado pelo atrito também pode causar rachadura térmica e aparagem de bordas, reduzindo ainda mais a vida útil da ferramenta. Em ambientes de produção onde as broaches são caras para fabricar e rearranquear, a vida útil da ferramenta maximizando é um importante condutor econômico. Um sistema de evacuação de chips bem desenhado pode prolongar a vida útil da brocha em 50% ou mais, reduzindo diretamente os custos de ferramentas e o tempo de parada da máquina.

Impacto no acabamento da superfície

A qualidade da superfície finalizada produzida pela broca é um indicador de desempenho chave. A evacuação adequada dos chips garante que os dentes de corte estão sempre a envolver material limpo, não cortado e que a superfície final não está contaminada por detritos. Quando os chips são autorizados a acumular, eles podem ser enraizados entre o dente de broca e a peça de trabalho, causando arranhões, indentações e uma degradação geral da rugosidade da superfície. Isto é particularmente crítico para componentes que requerem tolerâncias apertadas e acabamentos de superfície fina, tais como splines para transmissões, rolamentos e superfícies de vedação. Em muitos casos, uma parte que exibe defeitos de superfície causados pela evacuação de chips pobres deve ser raspada ou retrabalhada, adicionando custos e resíduos ao processo de fabricação.

Considerações sobre segurança

A segurança é primordial em qualquer operação de usinagem, e a evacuação de chips desempenha um papel direto na manutenção de um ambiente de trabalho seguro. As microplaquetas longas e resistentes produzidas durante a broca podem ser extremamente perigosas. Eles podem envolver componentes da máquina, operadores de enredar, ou quebrar livres e tornar-se projéteis afiados. Operações de perfuração de alta velocidade geram chips em alta velocidade, e se as microplaquetas não estão devidamente contidas e evacuadas, eles podem causar cortes graves ou lesões nos olhos. Além disso, a acumulação de chips na base da máquina ou tanque de refrigerante pode criar riscos de incêndio, especialmente quando usinagem materiais inflamáveis como magnésio ou alumínio. Um sistema de evacuação de chips bem desenhado, combinado com a proteção adequada da máquina e equipamentos de proteção pessoal, é essencial para minimizar esses riscos e garantir a segurança do operador.

Fatores que afetam a evacuação de chips

Vários fatores-chave determinam como os chips são efetivamente evacuados durante a abertura. Compreender e controlar esses fatores permite que os engenheiros otimizem o processo para máxima eficiência e confiabilidade.

Desenho da Ferramenta de Broche

O desenho da própria broca é o fator mais influente na evacuação de chips. Os elementos chave de design incluem o tamanho e a forma da guleta, o ângulo do rake, o ângulo de alívio e a presença de quebras de chips. O espaço da guleta deve ser suficientemente grande para acomodar o volume da microplaqueta gerado por cada dente, mas não tão grande que debilite a estrutura da ferramenta. A forma da guleta é fundamental para dirigir o fluxo da microplaqueta e evitar o entupimento. Uma guleta bem desenhada incentiva o chip a se enrolar e quebrar, facilitando a evacuação fácil. Os ângulos de rake, tanto positivos como negativos, também afetam a formação de chips. Os ângulos positivos do rake produzem mais finos, mais curvos e mais fáceis de evacuar, enquanto os ângulos negativos criam fichas mais espessas e segmentadas que podem ser mais difíceis de gerir. Os quebradores, que são pequenos sulcos ou passos que entram na borda de corte, podem ser estrategicamente colocados para quebrar fichas longas em pedaços mais curtos, mais manejáveis.

Parâmetros de Corte

Parâmetros de corte como elevação por dente, velocidade de corte e pressão de refrigerante têm um impacto significativo na evacuação de chips. Um aumento maior por dente produz um chip mais grosso, que pode ser mais difícil de enrolar e evacuar, mas também reduz o número de dentes em contato, potencialmente melhorando o fluxo de chips. Aumento menor por dente produz mais fino, mais facilmente curling chips, mas requerem mais dentes e traços de broche mais longos. Aumentar a velocidade de corte geralmente aumenta o volume e velocidade de chips, o que pode ajudar a evacuar chips se o sistema de refrigeração for adequado. No entanto, velocidades mais elevadas também aumentam a geração de calor, que pode reduzir a força de chips e promover a adesão. Pressão de refrigeração e taxa de fluxo são críticos para retirar chips da zona de corte. Sistemas de refrigeração de alta pressão, muitas vezes na faixa de 500-1500 psi, são altamente eficazes em quebrar chips longos e limpar os espaços de gullet.

Material de trabalho

Os materiais ductiles como aço de baixo carbono, alumínio e cobre produzem chips longos e contínuos que requerem uma gestão cuidadosa. Materiais mais duros como aço de ferramenta e aço inoxidável produzem chips mais segmentados que são mais fáceis de evacuar, mas podem ser mais abrasivos. Materiais brittle como ferro fundido produzem chips descontínuos que são relativamente fáceis de gerenciar, mas podem gerar poeira fina. Materiais com alta condutividade térmica, como alumínio, ajudam a dissipar o calor rapidamente, reduzindo a adesão de chips. Materiais que são propensos a trabalhar endurecimento, como aços inoxidáveis austeníticos, podem criar desafios à medida que o chip temperado com trabalho torna-se mais difícil de cortar e evacuar. Compreender as características específicas de formação de chips do material da peça é essencial para selecionar o design adequado de broches, parâmetros de corte e método de entrega de refrigeração.

Refrigerante e lubrificação

Os fluidos de corte desempenham um papel duplo na evacuação de chips: lubrificação e resfriamento. As propriedades lubrificação do fluido reduzem o atrito entre o chip e o dente de broca, promovendo o fluxo de chips suaves e reduzindo a tendência para que os chips adquiram a ferramenta. As propriedades de resfriamento ajudam a dissipar o calor gerado durante o corte, reduzindo a expansão térmica e o amolecimento de chips, o que pode causar a embalagem de chips. O refrigerante também remove diretamente os chips da zona de corte, evitando a acumulação. O tipo de refrigerante usado é crítico. Os refrigerantes à base de óleo oferecem lubrificação superior para materiais difíceis de usinar, mas podem ter propriedades de resfriamento pobres e exigir uma filtração completa. Os refrigerantes solúveis em água fornecem um resfriamento excelente e são mais amigos do ambiente, mas podem não fornecer lubrificação suficiente para certos materiais. A adição de aditivos de pressão extrema (EP), como enxofre ou cloro, pode melhorar ainda mais a lubrificação e o fluxo de chips em aplicações exigentes.

Métodos para melhorar a evacuação de chips

Várias técnicas podem ser empregadas para melhorar a remoção de chips durante a abertura. A implementação desses métodos requer uma abordagem sistemática para o design de ferramentas, configuração de máquinas e monitoramento de processos.

Geometria de broche otimizada

A primeira linha de defesa contra os problemas de evacuação de chips é uma geometria de broche apropriadamente desenhada. Isto inclui a otimização da forma da guleta para o material específico que está sendo usinado. Para materiais dúcteis, uma guleta "J- shape" ou "hook- type" incentiva o chip a se enroscar firmemente e quebrar, impedindo que as fitas longas se formem. Para materiais quebradiços, uma guleta "U- shape" mais aberta permite que as fichas fluam livremente sem embalagem. O ângulo do ancinho deve ser selecionado com base nas propriedades do material. Os ângulos positivos do ancinho (normalmente 10-20 graus) são preferidos para materiais dúcteis produzirem chips finos e enrolados. Os ângulos negativos do ancinho podem ser usados para materiais duros e quebradiços para controlar o tamanho do chip e reduzir o chip. Os ângulos de relief devem ser suficientes para evitar a fricção, mas não tão grandes que debilitem a borda de corte. Os quebradores de fendas, que podem ser moídos na borda de intervalos regulares, são particularmentemente para quebrar as peças longas e manáveis. Estes podem ser

Sistemas de refrigeração de alta pressão

Os sistemas de refrigeração de alta pressão (HPC) têm uma evacuação de chips revolucionada na abertura. Ao fornecer o líquido de refrigeração a pressões de 500 psi ou mais diretamente na zona de corte, estes sistemas podem efetivamente quebrar chips e deslocá-los dos espaços de gullet. O jato de alta pressão cria um efeito de cunha hidráulica que tira o chip da borda de corte e o afasta da peça de corte. Os sistemas HPC podem ser configurados com vários bicos posicionados em torno do caminho da broca para proporcionar uma cobertura ideal. A entrega de líquido de refrigeração através da ferramenta, onde o líquido de refrigeração é canalizado através de passagens internas no broche para a zona de corte, é particularmente eficaz para furos profundos e operações de perfuração interna. A eficácia dos sistemas HPC depende do design do bico, da taxa de fluxo, da pressão do líquido de refrigeração e do posicionamento em relação à zona de corte. Os sistemas HPC devidamente projetados podem reduzir o desgaste da ferramenta em 30-50% e melhorar o acabamento da superfície, minimizando o corte de chip.

Quebra-pastas

Como mencionado, os disjuntores de chips são características mecânicas na borda de corte da broca que interrompem o processo de formação de chips, fazendo com que o chip entre em comprimentos mais curtos. A geometria do disjuntor de chips é crítica. Um desenho comum é o disjuntor de chips do tipo "groove", que consiste em um pequeno sulco na borda de corte. Quando o chip flui sobre este sulco, cria uma concentração de tensão que faz com que o chip se quebre. Outro design é o disjuntor de chips do tipo "step", que cria uma entalha na borda de corte que interrompe o fluxo de chips. A profundidade, largura e espaçamento dos disjuntores de chips deve ser cuidadosamente selecionado com base nos parâmetros de material e corte. Os disjuntores de chips são particularmente úteis para materiais que produzem chips longos e contínuos, como aço de baixo carbono, alumínio e cobre. No entanto, eles também podem aumentar os custos de fabricação de ferramentas e podem não ser adequados para todos os materiais, especialmente os que são brieáveis ou têm alta dureza.

Correção adequada

A fixação de peças de trabalho desempenha um papel crucial na evacuação de chips, garantindo que as fichas tenham um caminho desobstruído para fora da zona de corte. A fixação deve ser projetada para minimizar as áreas de armadilhamento de chips e para guiar o fluxo de chips para longe da peça de trabalho. Os projetos de fixação abertos que permitem que as fichas caiam livremente são preferidos sobre os projetos fechados que podem prender chips. Para operações de perfuração internas, o furo da peça de trabalho deve ser limpo e livre de burrs ou obstruções que possam impedir o fluxo de chips. Para a abertura externa, a fixação deve ser posicionada de modo que o fluxo de chips seja direcionado para longe do operador e da base da máquina. Em alguns casos, usar um sistema de vácuo ou um transportador de chips para remover chips da área de fixação pode melhorar significativamente a evacuação. A fixação também deve ser projetada para minimizar a vibração, que pode interromper o fluxo de chips e causar conversa de ferramentas.

Manutenção Regular

Mesmo o sistema de evacuação de chips mais bem desenhado será degradado ao longo do tempo sem manutenção adequada. A inspeção regular da ferramenta de broche para desgaste, dano ou embalagem de chips é essencial. Os espaços de gulete devem ser limpos de quaisquer chips ou detritos residuais, e as bordas de corte devem ser inspecionadas para o chip ou desgaste. O sistema de refrigeração, incluindo filtros, bombas e bicos, deve ser mantido para garantir a pressão e fluxo adequados. Os filtros obstruídos ou bicos usados podem reduzir drasticamente a eficácia do refrigerante. Os transportadores de chips e sistemas de coleta devem ser verificados regularmente para evitar a acumulação que possa afetar o fluxo de chips. As máquinas, os protetores e os escudos de chips devem ser limpos e inspecionados para danos. Um sistema de brocagem bem mantido, com um fornecimento limpo de refrigerantes e fluxos de chips não obstruídos, produzirão consistentemente peças de alta qualidade com vida útil confiável.

Tecnologias avançadas em Chiapas

Avanços recentes na tecnologia de broca introduziram soluções inovadoras para evacuação de chips que melhoram ainda mais a confiabilidade e eficiência do processo.

Entrega de refrigerante através de ferramentas

A entrega de refrigerante através de ferramentas é um dos métodos avançados mais eficazes para melhorar a evacuação de chips na broca. Neste projeto, o refrigerante é fornecido através de passagens internas dentro da própria broca, saindo diretamente na zona de corte. Isto garante que o refrigerante atinge a interface de chips com a máxima eficácia, independentemente da posição de corte ou da orientação da broca. A entrega de refrigerantes através de ferramentas é especialmente benéfica para broca de buracos profundos e para operações onde os bicos de refrigerante externos não podem acessar a zona de corte. As passagens internas são tipicamente usinadas usando técnicas de perfuração de armas ou EDM e devem ser projetadas para fornecer fluxo uniforme em todos os dentes de corte. Os requisitos de pressão de refrigerante podem variar de 300 a 1500 psi, dependendo da aplicação. A entrega de refrigerantes através da ferramenta não só melhora a evacuação de chips, mas também proporciona refrigeração e lubrificação superior, prolongando a vida da ferramenta e melhorando o acabamento de superfície.

MQL (Lubrificação mínima da quantidade)

A Lubrificação de Quantidade Mínima (MQL) é uma alternativa ambientalmente amigável aos sistemas tradicionais de refrigeração de inundação. Em MQL, uma pequena quantidade de lubrificante de alta qualidade é atomizada e entregue à zona de corte em um fluxo de ar comprimido. Esta abordagem reduz significativamente o consumo de refrigerante, elimina a necessidade de eliminação de refrigerantes e reduz a pegada ambiental global da operação. Para evacuação de chips, MQL pode ser eficaz quando combinado com quebradores de chips adequados e parâmetros de corte otimizados. No entanto, MQL não fornece a mesma capacidade de resfriamento como refrigerante de inundação, por isso é mais adequado para materiais que não geram calor excessivo durante o corte. Para operações onde o calor é uma preocupação, sistemas híbridos que combinam MQL com uma pequena quantidade de pulverizante pode fornecer os benefícios de ambas as abordagens. MQL é cada vez mais utilizado em operações de brochagem de alumínio, latão e certos tipos de aço.

Sistemas de monitorização

As máquinas de perfuração modernas estão cada vez mais equipadas com sistemas de monitoramento sofisticados que podem detectar problemas de evacuação de chips em tempo real. Estes sistemas usam sensores para monitorar forças de corte, potência de fuso, temperatura e vibração. Quando um problema de evacuação de chips se desenvolve, estes sistemas podem desencadear um alarme ou ajustar automaticamente os parâmetros de corte para evitar danos na ferramenta. Por exemplo, um aumento da força de corte pode indicar o empacotamento de chips, levando a uma redução da taxa de alimentação ou um aumento da pressão do líquido de refrigeração. Alguns sistemas também são capazes de analisar a morfologia de chips usando sensores ópticos para detectar mudanças no tamanho ou forma de chips que podem sinalizar um problema iminente. A integração de sistemas de monitoramento com controles de máquinas permite estratégias de controle adaptativos que otimizam a evacuação de chips em tempo real, melhorando a consistência do processo e reduzindo o risco de falhas de ferramentas caras. À medida que a indústria 4.0 e a fabricação inteligente continuam a evoluir, tais sistemas de monitoramento se tornarão cada vez mais padrão em operações de perfuração.

Conclusão

A evacuação adequada de chips é um fator chave para alcançar operações de alta qualidade, precisão e segurança de perfuração. Ao entender a importância da remoção eficiente de chips e empregar métodos eficazes, os fabricantes podem estender a vida útil da ferramenta, melhorar o acabamento superficial e garantir a segurança do operador. Investir em boas práticas de design e manutenção para sistemas de remoção de chips, em última análise, leva a processos de fabricação mais eficientes.

A importância da evacuação adequada de chips na broca não pode ser exagerada. É uma variável crítica do processo que influencia diretamente a vida da ferramenta, acabamento de superfície, eficiência da máquina e segurança do operador. Da mecânica fundamental da formação de chips à aplicação de sistemas avançados de entrega e monitoramento de refrigerantes, cada aspecto da evacuação de chips requer uma consideração cuidadosa. Ao entender os fatores que afetam a evacuação de chips e implementar estratégias eficazes, os fabricantes podem melhorar significativamente a confiabilidade e a relação custo-efetividade de suas operações de broca. À medida que os materiais se tornam mais desafiadores e as demandas de produção aumentam, a evacuação de chips de masterização continuará a ser uma vantagem competitiva chave. Para um mergulho mais profundo em fundamentos de broaching, consulte o artigo SME sobre evacuação de chips na broaching [. Para mais informações sobre o design de ferramentas, veja este recurso MFG.com sobre broach design de ferramentas ].