Já alguma vez se perguntou como é que pequenas ranhuras nas ferramentas de corte podem revolucionar a maquinagem? Este artigo explora a fascinante evolução das ranhuras quebra-cavacos, desde simples formas crescentes a intrincados designs 3D. Ficará a saber como estes avanços aumentam a vida útil da ferramenta, reduzem as vibrações e melhoram a qualidade da maquinagem. Junte-se a nós para descobrir os segredos por detrás destes componentes essenciais no fabrico moderno.
Com o desenvolvimento da tecnologia de ferramentas de corte indexáveis e da tecnologia de metalurgia do pó, as ranhuras quebra-cavacos tornaram-se cada vez mais complexas e diversificadas nas suas formas e funções. Para além das tradicionais ranhuras de arestas rectas, diagonais e curvas, surgiram várias formas de saliências, depressões e ranhuras curvas.
A história do desenvolvimento da ranhura do quebra-cavacos pode ser resumida em quatro fases: a fase da ranhura do quebra-cavacos em forma de crescente, a fase do quebra-cavacos do tipo obstáculo, a fase de investigação da direção da quebra de cavacos e a fase da ranhura do quebra-cavacos 3D, como mostra a figura abaixo.
Nos anos 50, o aparecimento de uma depressão em forma de meia-lua na face da ferramenta durante o corte facilitou a quebra de aparas. Inspirados por este facto, as pessoas pré-trituraram uma ranhura semelhante a uma depressão em forma de crescente na face da ferramenta para facilitar a quebra de apara, ou adicionaram um dispositivo adicional de quebra de apara na face da ferramenta, que são geralmente designados por ranhuras tradicionais de quebra de apara e quebra de apara do tipo obstáculo, respetivamente.
Nessa altura, a teoria da quebra de aparas ainda não estava totalmente desenvolvida e as pessoas utilizavam geralmente o "método de tentativa e erro" para conceber formas de ranhuras, o que era muito ineficiente.
Na década de 1960, a conceção da forma da ranhura centrou-se na análise, comparação e otimização das ranhuras tradicionais do quebra-cavacos e dos quebra-cavacos do tipo obstáculo. A influência das formas das ranhuras do quebra-cavacos na forma e tamanho da apara foi estudada extensivamente, permitindo que a quebra de apara ocorresse numa gama mais ampla de condições de corte.
Na década de 1970, com a maturidade da tecnologia de moldagem, a maquinação de ranhuras alterou o seu método tradicional de rebolo e a conceção da forma das ranhuras tornou-se mais complexa e versátil. Nesta altura, a conceção de ranhuras considerava principalmente a redução da perda de energia do fluxo de aparas e do processo de maquinagem, e surgiram estruturas típicas de ranhuras, tais como ranhuras inclinadas e desenhos de ângulos facetados.
No final dos anos 80, o rápido desenvolvimento de ranhuras 3D complexas para quebra-cavacos aumentou consideravelmente a vida útil e a fiabilidade da ferramenta em comparação com as tradicionais ranhuras 2D para quebra-cavacos, reduziu as vibrações da máquina e da peça, baixou as temperaturas de maquinagem e melhorou a qualidade da maquinagem da peça.
A ranhura 3D para quebra-cavacos tem uma grande variedade de formas, incluindo principalmente ranhuras de duas fases e arestas onduladas. Graças ao desenvolvimento das ranhuras quebra-cavacos 3D, a aplicação da maquinagem de contorno CNC também tem sido continuamente melhorada. Por exemplo, ao tornear uma peça de trabalho esférica, uma ferramenta de ranhura quebra-cavacos 3D pode garantir uma elevada precisão de maquinação ao longo de todo o processo.
As ranhuras tradicionais do quebra-cavacos podem ser classificadas em três tipos: em linha reta, em forma de arco e em forma de arco em linha reta, como mostra o diagrama esquemático das estruturas das ranhuras abaixo.
O efeito de quebra da apara pode ser medido, até certo ponto, pelo raio de curvatura da apara. Além disso, quanto menor for a curvatura da forma da ranhura do quebra-cavacos, menor será o raio de curvatura do chip, maior será a deformação do chip e maior será a probabilidade de quebrar.
A ranhura do quebra-cavacos em forma de arco de linha reta é composta por uma secção reta e uma secção em arco. A secção reta é utilizada para guiar a apara para fora, e a secção em arco no final faz com que a apara se enrole, o que leva à deformação e quebra.
Quanto menor for o diâmetro da secção do arco, mais fácil será a quebra da limalha.
A ranhura do quebra-cavacos em linha reta é formada pela intersecção de duas linhas rectas e o seu ângulo de fundo da ranhura é o ângulo suplementar do ângulo da cunha de aparas.
No modelo apresentado na figura (b), o ângulo do fundo da ranhura substitui o papel do raio do arco do fundo da ranhura R nos modelos apresentados nas figuras (a) e (c). Ou seja, a limalha atingirá a superfície posterior da ranhura antes da intersecção das duas linhas rectas e, em seguida, enrola-se e deforma-se diretamente. Quanto mais pequeno for o ângulo do fundo da ranhura, menor será a curvatura e o raio de curvatura da limalha, e maior será a probabilidade de esta se partir.
Em comparação com os dois tipos anteriores, a ranhura do quebra-cavacos em forma de arco tem um ângulo frontal relativamente grande. O aumento do ângulo frontal significa que o raio de curvatura da limalha diminui e a deformação da limalha aumenta, tornando-a mais suscetível de partir. Por isso, é frequentemente utilizado para cortar materiais altamente dúcteis, como o cobre roxo.
Além disso, devido à sua estrutura de arco completo, a profundidade da ranhura é relativamente pequena e o fluxo de aparas é mais suave, tornando-a mais prática em aplicações de engenharia.
A estrutura básica da ranhura do quebra-cavacos é mostrada na figura abaixo.
Este artigo toma como exemplo a ranhura do separador de aparas em forma de arco reto para ilustrar a influência dos parâmetros geométricos da ranhura do separador de aparas no desempenho das aparas.
Na figura, br é a largura do chanfro negativo, Wn é a largura normal da ranhura (designada por largura da ranhura) da ranhura do quebra-cavacos da aresta de corte principal, γ0 é o ângulo frontal da ranhura do quebra-cavacos, γ1 é o ângulo frontal do chanfro negativo, h é a altura da lâmina e H é a profundidade da ranhura do quebra-cavacos (designada por profundidade da ranhura).
As alterações destes parâmetros afectarão diretamente o tipo de ranhura e o desempenho da ranhura do quebra-cavacos. Com base na literatura, podem ser tiradas as seguintes conclusões:
1. A definição de um chanfro negativo pode aumentar a força da aresta de corte. Quanto mais largo for o chanfro negativo, mais rombuda será a aresta de corte e maior será a força de corte. Se a largura do chanfro negativo for demasiado pequena, a resistência da aresta de corte será reduzida, afectando a vida útil da ferramenta. Por conseguinte, existe um valor ótimo para a largura do chanfro negativo.
2. Quanto maior for o ângulo frontal da ranhura do quebrador de aparas, menor será o raio de curvatura da aparas, maior será a deformação da aparas e mais fácil será a quebra da aparas.
3. A largura e a profundidade da ranhura são os principais factores que afectam a quebra de apara. Ao projetar a geometria da ranhura do quebra-cavacos, a influência da largura e da profundidade da ranhura na quebra de cavacos está inter-relacionada. Ao selecionar os parâmetros geométricos do tipo de ranhura, a relação entre a largura e a profundidade da ranhura é geralmente considerada como um parâmetro.
Geralmente, se a largura da ranhura for demasiado grande, a limalha não é fácil de partirSe a largura da ranhura for demasiado pequena, é fácil provocar o bloqueio das aparas. Assim, uma largura de ranhura maior pode ser utilizada para maquinação em bruto, enquanto uma largura de ranhura menor pode ser utilizada para acabamento. Com a largura da ranhura determinada, deve ser selecionado um valor mais pequeno para a profundidade da ranhura.
4. A influência da altura da lâmina no desempenho da apara também é afetada pela profundidade da ranhura. Com a mesma profundidade de ranhura, a redução da altura da lâmina aumentará o ângulo frontal, reduzirá a deformação da limalha, reduzirá a força de corte e tornará a limalha menos suscetível de quebrar. No entanto, o aumento da altura da lâmina aumentará a obstrução da ranhura de volta para o cavaco, tornando o cavaco mais provável de quebrar e reduzindo a força da borda da lâmina.
5. O ângulo de alívio é o ângulo entre a tangente do fundo da ranhura e a face frontal da ferramenta. Quanto maior for o ângulo de alívio, mais fácil é a rotura da apara.
Para além de o ângulo frontal da ranhura do quebra-cavacos ter um impacto significativo no desempenho da apara, outros parâmetros angulares também têm alguma influência, entre os quais o ângulo de folga primário e o ângulo de inclinação têm a maior influência.
O ângulo de folga primário afecta principalmente a espessura e a largura do corte. Quando o ângulo de folga primário aumenta, a apara torna-se mais estreita e mais espessa, e é mais provável que se parta.
O ângulo de inclinação afecta principalmente a direção do fluxo de aparas. Quando o ângulo de inclinação é superior a zero, a apara flui em direção à superfície não processada e pode ser utilizada para o acabamento. Quando o ângulo de ataque é inferior a zero, a apara flui em direção à superfície processada, afectando a qualidade da superfície. Tendo em conta o tamanho da ferramenta, o ângulo de ataque é geralmente selecionado entre 5° e 15°.
Este artigo selecciona os liga dura (ângulo de retorno de 0°) de ferramentas de corte de 8 empresas com elevada quota de mercado no mercado atual (Mitsubishi, Kyocera, Sumitomo, Dege, Sandvik, Kennametal, Tungaloy e Walter). Com base nas suas formas geométricas, 9 tipos básicos de ranhuras e as suas características de design são resumidos e analisados de seguida.
Tipo linear
Típico ferramenta de corte com uma estrutura reta e de fundo plano.
O ângulo de inclinação negativo e a secção reta no meio asseguram a resistência da aresta de corte, permitindo um ângulo frontal maior.
Ferramenta de corte típica com uma ponta reta e fundo plano.
O ângulo frontal é geralmente mais pequeno para garantir a resistência da aresta de corte. A altura da aresta de corte é suficiente para quebrar facilmente as aparas.
Ferramenta de corte típica com uma estrutura de ranhura dupla reta.
A estrutura de ranhura dupla é utilizada para o torneamento de contornos.
Tipo de arco circular
Ferramenta de corte típica com uma estrutura de arco circular simples.
A estrutura em arco circular organiza o ângulo frontal de grande para pequeno, assegurando simultaneamente a resistência da aresta de corte.
Ferramenta de corte típica com uma estrutura de arco circular duplo.
A estrutura do arco circular. A superfície convexa na parte de trás da ranhura proporciona uma quebra elástica da apara, permitindo uma maior taxa de avanço em comparação com a quebra rígida da apara.
Tipo de arco linear
Ferramenta de corte típica com uma estrutura reta-circular-reta.
O ângulo de inclinação negativo aumenta a resistência da aresta de corte, enquanto um ângulo frontal maior garante a nitidez, mas pode não ser propício à quebra de aparas. Quando o ângulo frontal, a largura da ranhura e a altura da aresta de corte são constantes, uma maior relação largura/profundidade facilita a quebra de apara.
Ferramenta de corte típica com uma estrutura reta-circular.
Ângulo de ataque negativo, grande ângulo frontal. Quando o ângulo frontal, a largura da ranhura e a altura da aresta de corte são constantes, uma maior relação largura/profundidade facilita a quebra da apara.
Ferramenta de corte típica com uma estrutura circular rectilínea.
A extremidade dianteira da ranhura foi concebida para ser circular, assegurando simultaneamente a resistência da aresta de corte.
Ferramenta de corte típica com uma estrutura reto-circular (ranhura dupla).
O design convexo da parte traseira da ranhura proporciona uma quebra elástica da apara, permitindo uma maior taxa de avanço em comparação com a quebra rígida da apara. A estrutura de ranhura dupla é utilizada para maquinagem de contorno e é frequentemente utilizada na maquinagem de precisão.
Entre os 9 tipos básicos de ranhuras enumerados na tabela acima, 4 estruturas de ranhuras foram modificadas em relação a concepções anteriores para melhorar o desempenho da quebra de pastilhas. As 4 estruturas de ranhura típicas são mostradas na figura seguinte, com um exemplo clássico de cada tipo de ranhura listado:
a) O tipo de ranhura da figura A é uma estrutura circular reta (ranhura dupla). Em comparação com a tradicional ranhura reta-circular de superfície curva côncava, esta estrutura coloca simetricamente a parte do arco circular da ranhura para trás, utilizando-a como um anel elástico convexo de quebra de apara, permitindo uma maior taxa de avanço em comparação com a quebra de apara rígida.
Utilizando este tipo de ranhura, a área de contacto entre as limalhas e a ranhura de quebra de limalha na direção da secção transversal é menor. Além disso, em comparação com a tradicional ranhura de quebra de aparas de superfície curva côncava, o raio de enrolamento das aparas é menor, facilitando a quebra das aparas.
Além disso, a superfície convexa pode aumentar a ondulação lateral das aparas, resultando numa maior deformação das aparas, tornando-as mais fáceis de partir.
b) O tipo de ranhura da figura B é uma estrutura de arco circular duplo. A caraterística da estrutura em arco circular duplo é o facto de um pequeno anel elástico convexo de quebra de aparas ser colocado na extremidade posterior da ranhura, e a extremidade dianteira do tipo de ranhura da estrutura em arco circular organiza o ângulo dianteiro de grande para pequeno.
Em comparação com a estrutura reta, considerando que um pequeno ângulo frontal aumentará a deformação das aparas e facilitará a quebra do corte, a estrutura de arco circular na extremidade frontal do tipo de ranhura é mais propícia à quebra de aparas. Por conseguinte, não é necessário colocar um grande anel elástico convexo de quebra de aparas na parte posterior da ranhura. A colocação de uma pequena superfície convexa na extremidade pode obter efeitos semelhantes.
c) O tipo de ranhura da figura C é uma estrutura de fundo reto e plano. A estrutura tradicional de fundo reto concentra as tensões na parte inferior, o que afecta a resistência da aresta de corte. A mudança para uma estrutura de fundo plano pode resolver o problema da baixa resistência da aresta de corte.
Além disso, por ser uma estrutura de fundo plano, pode ser definido um ângulo frontal maior, reduzindo assim as forças de corte e as temperaturas de corte. Por conseguinte, esta estrutura é mais adequada para o corte de materiais plásticos.
d) O tipo de ranhura da figura D é uma estrutura de ranhura dupla reta. A estrutura de ranhura dupla reta tem duas ranhuras e pertence a uma estrutura de ranhura dupla.
Considerando que, na maquinação em desbaste, é necessária uma grande velocidade de avanço e uma grande profundidade de corte para garantir a eficiência, enquanto na maquinação de precisão é necessária uma pequena largura de ranhura e uma profundidade de ranhura adequada para garantir uma boa precisão de maquinação, a estrutura de ranhura dupla é concebida de modo a que as aparas sejam quebradas na primeira ranhura profunda na maquinação de precisão e na segunda ranhura na maquinação em desbaste.
A vantagem desta estrutura é a sua estrutura composta, que permite uma maior gama de maquinação.
Para além dos modelos acima mencionados, existem muitos modelos de ranhuras com estruturas especiais. Além disso, podem ser acrescentados outros desenhos mais adequados a situações específicas com base nas formas tradicionais das ranhuras para as tornar mais fáceis de fabricar.
Por exemplo, na conceção de um tipo de ranhura tridimensional para quebra de apara, a aresta de corte pode ser concebida como uma curva ou uma forma de onda (como a ranhura para quebra de apara tipo 37 da Toshiba e a ranhura para quebra de apara tipo PF da Sandvik).
Em alternativa, a tradicional ranhura de quebra de apara de superfície curva côncava pode ser alterada para uma superfície convexa (como a ranhura de quebra de apara do tipo GH da Sumitomo e a ranhura de quebra de apara do tipo MM da Sandvik) para atingir o objetivo de quebra de apara elástica e redução da quebra de apara durante grandes taxas de avanço. Também podem ser utilizadas estruturas de redução de fricção no projeto.
Este artigo apresenta dois tipos típicos de ranhuras para ranhuras de quebra de aparas com desenhos especiais, como mostra a figura abaixo.
O raio de ondulação das aparas é uma medida universal do efeito de quebra das aparas.
A ondulação das aparas pode assumir a forma de ondulação 2D ou 3D, sendo que a ondulação 2D consiste principalmente na ondulação ascendente e na ondulação lateral. Atualmente, tem havido uma extensa investigação sobre a teoria da ondulação ascendente 2D.
Por exemplo, foi examinado o raio de ondulação previsto para as ranhuras de aparas do tipo reto e do tipo arco reto. A ondulação da ranhura do tipo reto é ilustrada no diagrama abaixo:
A ondulação das aparas para uma ranhura de superfície convexa é ilustrada no diagrama seguinte à esquerda, e a ondulação das aparas para uma ranhura de tipo arco reto é ilustrada no diagrama da direita.
A fórmula para calcular o raio de ondulação das aparas é muito complexa e não será aqui explicada em pormenor.
A ranhura da pastilha baseia-se na alteração do raio de enrolamento da pastilha para melhorar o desempenho da pastilha quando se utiliza o raio de enrolamento da pastilha para medir o desempenho da pastilha.
Depois de comparar com as fórmulas empíricas resumidas por investigadores anteriores, o texto original conclui que o raio de ondulação das aparas é proporcional à largura da ranhura e inversamente proporcional ao ângulo frontal, ou seja, larguras de ranhura mais pequenas e ângulos frontais maiores são vantajosos para a quebra de aparas.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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