DEMEC/UFRGS

ENG03343 PROCESSOS DE FABRICAO POR USINAGEM

FURAO 1 PARTE

Heraldo Amorim

Porto Alegre, agosto de 2003

1. Furao

Processo mecnico destinado obteno de um furo, geralmente cilndrico, com auxlio

de uma ferramenta multicortante. Junto com fresamento e torneamento, a operao de

usinagem mais utilizada na indstria.

Diferente do torneamento, a rotao ocorre no eixo da ferramenta, com avano

perpendicular superfcie a ser furada.

Operao de desbaste (provm fraco acabamento superficial), o processo de furao

usado em conjunto com grande parte dos processos de fabricao a fim de prover elementos de

fixao, muitas vezes de importncia secundria, ou pr-furos para acabam,ento atravs de

outros processos (alargamento, brochamento).

A importncia da operao de furao se pode ser avaliada no consumo de ferramentas.

Estima-se o consumo de brocas seja da ordem de 250 milhes de unidades por ano.

No Brasil, apesar do avano ocorrido no desenvolvimento dos materiais das ferramentas

de furao, tais como: brocas de ao rpido com revestimentos, brocas inteirias de metal duro e

brocas com pastilhas intercambiveis de metal duro, mais da metade das operaes de furao

ainda so realizadas com brocas helicoidais de ao rpido. Isto se deve principalmente s

mquinas operatrizes usadas para o processo, que no oferecem rotao e rigidez suficientes para

que se possa usar materiais de ferramenta mais avanados.

Existem diversas operaes de furao. Algumas das mais comuns esto representadas na

Figura 1.

Figura 1 Operaes de furao. Fonte: Ferraresi.

2. Movimentos em furao

Os movimentos em furao so definidos de forma anloga ao observado no

torneamento, exceto que a velocidade de corte devida rotao da ferramenta em torno de seu

prprio eixo.

Figura 2 Movimentos em furao. Fonte: Diniz

As equaes 1 a 3 mostram, respectivamente, a velocidade de corte, a velocidade de

avano e o tempo de corte

min)/(1000

..m

nDVc

p= (1.)

min)/(..

.1000. mmf

dv

nfV cf p== (2.)

(min)f

c vf

t = (3.)

3. Geometria de ferramenta

As brocas mais.amplamente usadas na indstria so as brocas helicoidais. Estas podem

ser divididas em 3 partes (Figura ):

Ponta (1) onde se localizam as arestas principais e transversal de corte.

Corpo (2) parte da broca que contm os canais helicoidais.

Haste (3) onde feita a fixao da ferramenta. De acordo com o mecanismo de fixao

pode ser:

Cilndrica para montagem em mandril.

Cnica para montagem em cone morse.

Figura 3 Movimentos em furao. Fonte: Diniz

A geometria da parte de corte de uma broca helicoidal pode ser comparada de um bit

para torneamento (Figura 4a), sendo constituda basicamente pelos mesmos componentes (Figura

4b)

Figura 4 Geometria de uma broca helicoidal.

3.1 Formas construtivas de brocas

Alm da diviso j apresentada, uma anlise mais detalhada das formas construtivas de

uma broca inclui (Figura 5):

Haste;

Dimetro (D) medido entre as guias da broca;

Ncleo parte central da broca. Confere a rigidez necessria.

Guias ressaltos observados na superfcie externa da broca. Tm as funes de

guiar a ferramenta e reduzir o atrito desta com o furo.

Canais helicoidais superfcies de sada da ferramenta. ngulo de hlice na

periferia da broca coincide com o ngulo de sada.

Arestas de corte as arestas principais se encontram em uma regio que forma a

aresta transversal de corte.

Figura 5 partes de uma broca helicoidal. Fonte: Diniz.

3.2 ngulos e sistema de referncia de uma broca helicoidal

Tanto os planos quanto o sistema de referncia das brocas helicoidais esto apresentados

nas Figuras 6 e 7, e so os mesmos definidos para a operao de torneamento.

Figura 6 Sistema de referncia de uma broca helicoidal. Fonte: Diniz.

Figura 7 ngulos de uma broca helicoidal. Fonte: Diniz.

Os principais ngulos em furao so:

ngulo de ponta (s) ngulo entre as arestas principais de corte. Normalmente igual a

118, ou 140 para materiais moles. Quando maior que 118, arestas principais de corte tendem a

ficar cncavas. Quando menor que 118, ficam convexos.

ngulo de folga (af) medido no plano de trabalho, varia usualmente entre 12 e 15.

Relaciona-se com o ngulo da aresta transversal. Para que o ngulo de folga efetivo seja

positivo (e o corte seja possvel), a relao af - h>0 deve ser respeitada (afe = af - h).

ngulo da aresta transversal (y) ngulo observado entre as aresta principal de corte e a

aresta transversal. Para os valores dados de af, varia entre 45 e 55.

Figura 8 ngulos de folga e aresta transversal. Fonte: Diniz.

ngulo de hlice (l) ngulo da helicide formada pelos canais da broca. A norma DIN

1836 classifica trs tipos de brocas quanto ao ngulo de hlice (Figura 9):

Tipo N (normal) para furao de aos ligados e no ligados, ferro fundido

cinzento e malevel, nquel e ligas de alumnio de cavacos curtos. ngulos l de

18 a 30;

Tipo H (para materiais duros) ferro fundido com dureza superior a 240 HB; lato,

ligas de magnsio. ngulos l de 10 a 15;

Tipo W (para materiais dcteis) para cobre, alumnio e suas ligas de cavacos

longos, ligas de zinco. ngulos l de 35 a 45.

Figura 9 Classificao de brocas quanto ao ngulo de hlice.

Na furao, observamos que:

Vc varia desde um valor mximo na periferia at 0 no centro da broca;

ngulo de sada (gf) varia desde um valor igual ao ngulo de hlice na periferia at

valores negativos no centro da broca.

afe diminui da periferia para o centro (pois o ngulo da direo efetiva h aumenta na

direo do centro). Tambm o avano causa o aumento de h.

As baixas Vcs prximas ao centro permitem a formao de APC em materiais dcteis.

Condies difceis de usinagem no centro da broca causam esforos elevados, que podem

causar flexo e flambagem da broca e eixo rvore, causando desvios dimensionais e de forma.

A retirada do cavaco produzido problemtica

Cavaco em fita de difcil remoo;

15 130

120

40

30

115

N H W

Cavaco helicoidal ou em lascas so de fcil retirada;

Retirada do cavaco pode ser feita;

o Atravs da retirada peridica da ferramenta (demanda maior tempo

passivo);

o Atravs do fluido de corte.

o O aumento do avano facilita a quebra do cavaco. Porm, causa a reduo

do ngulo de folga efetivo.

4. Foras e momentos em furao

Os esforos verificados em furao so basicamente 3 (Figura 10):

Fora de Avano: ocorre na direo axial da ferramenta.

Fora Passiva: ocorre na direo do raio da ferramenta. As componentes observadas nas 2

arestas de corte anulam-se devido simetria da ferramenta.

Momento Toror: tangencial a ferramenta, ocorre devido rotao da broca.

Figura 10 Foras em furao. Fonte: Stemmer.

Estes esforos so observados devido:

a) Resistncia do material ao corte, observada nas arestas principais de corte;

b) Resistncia do material ao corte e esmagamento na aresta trtansversal de corte;

c) Resistncia devido ao atrito das guias com o furo e do cavaco com a superfcie de

sada da broca.

Devido ocorrncia destas 3 fontes de esforos, sabe-se que a soma dos esforos e

momentos observados na furao so dadas pelas equaes 4 e 5:

cba MMMM ++=+ (4.)

cba FFFF ++=+ (5.)

A contribuio de cada uma das resistncias descritas acima dada por Diniz (Tabela 1):

Tabela 1 Contribuio de diversas grandezas nos esforos de furao. Arestas Principais Aresta Transversal Atritos

Momento Toror 77 - 90% 3 - 10% 3 - 13%

Fora de Avano 39 - 59% 40 - 58% 2 - 5%

4.1 Clculo dos esforos para furao em cheio

Observa-se, em geral, boa concordncia entre os resultados de fora e potncia obtidos na

furao e no torneamento, apesar das inmeras diferenas entre os processos.

Existem diversas teorias que tentam prever os esforos em furao. Atravs do clculo

desenvolvido por Kienzle para torneamento, temos:

hbKF SC ..= e ZS

S h

KK 1= (6.)

Assim,

ZSC hbKF

-= 11 .. (7.)

Sabendo que csen.2f

h = (2 arestas de corte) e que csen

Pab =

Temos

cc

sen.sen.

2

1

1P

Z

SC

afKF

-

= (aP = D/2) (8.)

Considere-se, a fim de facilitar os clculos:

2D

raP == (9.)

Para o clculo de Mt em cada aresta de corte, sabe-se que:

=2

0..

D

rdFM t (10.)

Assim:

( )

-

= 20

121 ...sen

sen..Drdr

KM

ZfS

t cc

( ) ( )2

.sen

sen..1

sensen.. 2

0

121

121 2 rK

ydK

MD

ZfS

ZfS

t --

==c

cc

c

( )2

.sen

sen.. 2121 rKMZf

St c

c -=

Substituindo os limites de integrao (2D

r = ):

( )c

csen8

.sen..2

121

DKM

ZfSt

-=

4.DF

M Ct = (por aresta) (11.)

Logo,

].[]1000.[2

.mN

mmDF

M Ct == (Total)

( )].[

1000.sen4.sen.. 2121 mNDK

MZf

St ==

-

cc

(Total) (12.)

Para pr-furo, substituir D2 por (D2 d2)

Alm de Kienzle, temos:

Clculo do momento toror segundo Kronenberg:

].[.. 111 mmKgffDCMyx

t == (13.)

].[1000

814,9... 111 mNyDC

Mx

t == (14.)

Clculo da Fora de avano para furao em cheio (H. DAAR)

222 ..

yxf fDCF = (15.)

Pode-se ver, pelos expoentes (tabela em anexo), que a influncia do dimetro em Ff

bem menor do que o observado em Mt.

Clculo para Mt com pr-furo (DAAR)

)..(.. 333

30

213

xxxZt dDDfCM

--= (16.)

Clculo PFf com pr-furo (DAAR)

).(.. 4444 011

4xxxy

f dDDfCF -=--

(17.)

Potencia de Corte

3.60.EVM

N CtC = (18.)

4.2 Resistncia da ferramenta e mquina operatriz

Os esforos aos quais uma broca submetida so, basicamente, flexo e toro. Caso a

fiao da broca seja tal que as arestas de corte no sejam simtricas, ocorrer tambm um esforo

de flexo sobre ela. Caso o dimetro da broca seja pequeno (menor que 3,5 m), tambm pode

ocorrer flambagem.

Sabe-se que os esforos dependem basicamente do material usinado, do dimetro da

broca e do avano aplicado. Sabe-se tambm que, a partir de um determinado valor de Ff ou de

Mt a furao ser impossibilitada, ou por impossibilidade mecnica da mquina operatriz

(potncia, rigidez) ou da broca (quebra).

Deve-se ento atentar para estes problemas.

Avano mximo considerando a resistncia da broca

Tenso resultante da ao de uma fora axial (compresso) e um momento toror:

3

4,36D

M ti =s (19.)

A tenso admissvel para ao rpido 25 Kgf/mm2

111 ..

yxC fDCM = [Kronenberg]

Assim:

25...4,36 11 31 =- yx fDC

1

13

max1 .69,0

CD

fx

y-

= (20.)

Avano mximo considerando a fora mxima de penetrao da furadeira.

Para a determinao da fmax de uma furadeira, calcula-se o esforo que gera uma deflexo

de 1,5 mm por metro no brao da furadeira

.

22 ..2yx

f fDCF = (H. DAAR)

Usando Ff = Ffmax,

2

2

.2

max

x

fy

DC

Ff = (21.)

Diniz estudou fmax em funo do dimetro da ferramenta para o ao ABNT 1030.

Verificou-se que, para brocas de dimetro pequeno, fmax funo da resistncia da broca, para

valores maiores da fora da mquina.

Ff max = 2400 Kgf

Figura 11 fmax x dimetro da broca. Fonte: Diniz.

Avano mximo considerando a potncia da mquina

h.mC NN MAX = , (22.)

onde Nm = potncia da mquina

][3.60

.max

maxKw

E

VFP CCC == (23.)

2.DF

M Ct = (Para 2 arestas), assim:

D

MF tC

max

max

2= , e

1000. n

C

DV

p=

Assim,

3.60..1000

..2max

ED

DMN ntCMAX

p= , e

n

Ct D

ENM

MAX ..2

6.60.max

p=

Sabe-se que Mt Max= C1.Dx1.fy1max, ento

11

max1

....2

6.60..x

ny

DCnD

EDNf

p= (p/ N em kW) (24.)

Para NC= CV,

1

1 ..

.716200max1

x

Cy

DCn

Nf = (p/ N em CV) (25.)

Exerccio

(a) Calcule Ff, Mt e PC na usinagem do ao ABNT 1055 com VC =30m/min, s= 118, f=

0,1mm/pot e D= 10mm.

Segundo Kenzle:

( )mN

DKM

ZfS

t .7,4sen4100.sen. 2121 @=

-

cc

Segundo Kronenberg:

NmmmKgffDCM yxt 735,3100081,9

..380.. 111 =

==

C1 = 21,9 Kgf

x1 = 2,01

y1 = 0,77

Segundo DAAR:

NKgffDCF yxf 1300132..22

2 ===

C2 = 22,0

x2 = 1,32

y2 = 0,54

(b) O que aconteceria se fosse feito um pr-furo de 3mm?

Por Kienzle:

( ) ( ) mNdDKM ZfSt .27,41000.sen4.sen.22

121 =

-= -c

c

Segundo DAAR:

( ) mmKgfdDDfCM xxxZt .384... 3333 02131 =-= -- C3 = 20.2

1-Z3 = 0,66

x3 = 1,7

Mt1= 3,77 N.m

( ) KgfdDDfCF xxxyf 54,60... 4444 0114 =-= -- C4 = 38

1-y4 = 0,38

x4 = 0,4

NF f 594= Ff caiu pela metade!