No domínio da usinagem de precisão, alcançar o controle em nível de mícron sobre os diâmetros dos furos apresenta um desafio significativo. As ferramentas de mandrilamento, como instrumentos de corte especializados para usinagem de furos, surgiram como a solução para essa exigência. Essas ferramentas servem não apenas como componentes cruciais para aprimorar a precisão das peças, mas também como meios eficazes para usinar geometrias internas complexas de furos.

Uma ferramenta de mandrilamento é um instrumento de corte projetado para usinagem de furos, com funções primárias incluindo:

• Usinagem de furos internos:Alargamento de furos existentes para melhorar a precisão dimensional e a qualidade da superfície.
• Expansão do diâmetro do furo:Aumento do diâmetro do furo para as especificações exigidas.
• Perfilamento interno de contornos:Usinagem de geometrias internas complexas, como furos cônicos e furos escalonados.

Comparado a outros métodos de usinagem de furos, como furação, alargamento e brochagem, o mandrilamento se destaca por suas capacidades excepcionais de flexibilidade e controle de precisão. Por meio do corte de aresta única ou dupla, as ferramentas de mandrilamento podem alcançar uma precisão de usinagem em nível de mícron, atendendo aos rigorosos requisitos de tolerância de furos até os padrões H7 ou até mesmo H6. Essas ferramentas encontram ampla aplicação em várias máquinas-ferramentas, incluindo máquinas de mandrilar, tornos e fresadoras.

As ferramentas de mandrilamento são categorizadas com base na quantidade de arestas de corte e nas características estruturais, sendo as ferramentas de mandrilamento de aresta única e dupla as variantes mais comuns.

As ferramentas de mandrilamento de aresta única se assemelham às ferramentas de torneamento em estrutura, apresentando apenas uma aresta de corte. Para usinagem de furos de alta precisão, as ferramentas de mandrilamento de ajuste fino são tipicamente empregadas. Essas ferramentas incorporam mecanismos de ajuste de precisão que permitem o controle exato do diâmetro de corte diretamente na máquina-ferramenta.

O princípio de funcionamento envolve um sistema de indicador de mostrador de precisão combinado com um mecanismo de parafuso fino entre o porta-ferramenta e a cabeça de mandrilamento. Ao girar o mostrador, a cabeça da ferramenta se move linearmente ao longo das chaves-guia, permitindo ajustes de diâmetro em nível de mícron com precisão atingindo 0,001 mm.

As ferramentas de mandrilamento de aresta dupla apresentam duas arestas de corte posicionadas simetricamente em relação à linha central, permitindo operações de corte simultâneas. Essa configuração equilibra as forças radiais durante a usinagem, melhorando assim a eficiência do corte. Com base na estrutura do porta-ferramenta, as ferramentas de mandrilamento de aresta dupla são ainda classificadas em tipos flutuantes e fixos.

• Ferramentas de mandrilamento flutuantes:Usadas principalmente para acabamento, essas ferramentas se assemelham a alargadores em estrutura e podem produzir furos com alta precisão dimensional e acabamento superficial.
• Ferramentas de mandrilamento fixas:Apresentam porta-ferramentas rígidos e são adequadas para operações gerais de mandrilamento.

As ferramentas de mandrilamento normalmente consistem em dois componentes principais: o corpo da ferramenta e a cabeça de corte. O corpo da ferramenta serve como a estrutura principal que se conecta ao fuso da máquina ou ao porta-ferramenta, enquanto a cabeça de corte, feita de materiais duros como o metal duro, realiza a usinagem real com base nos requisitos específicos de processamento.

A seleção de materiais para corpos de ferramentas considera a rigidez, a resistência e as propriedades de amortecimento de vibrações. Os materiais comuns incluem:

• Aço ligado:Oferece boa resistência e tenacidade para aplicações gerais de mandrilamento.
• Aço tungstênio:Fornece rigidez superior e amortecimento de vibrações para operações de alta precisão e exigentes.
• Compósitos de fibra de carbono:Combinam propriedades leves com alta rigidez, ideais para a construção de grandes ferramentas de mandrilamento.

Os materiais da cabeça de corte influenciam diretamente o desempenho e a vida útil da ferramenta. As opções comuns incluem:

• Aço rápido (HSS):Apresenta boa tenacidade e resistência ao desgaste para corte em baixa velocidade.
• Metal duro:Oferece alta dureza, resistência ao desgaste e resistência ao calor para operações em alta velocidade.
• Cerâmica:Fornece extrema dureza e resistência ao desgaste para aplicações em alta temperatura e alta velocidade.
• Nitreto de boro cúbico (CBN):Oferece dureza ultra-alta para usinagem de aços endurecidos e ligas resistentes ao calor.
• Diamante:Possui a maior dureza e resistência ao desgaste para materiais não ferrosos e não metálicos.

As ferramentas de mandrilamento encontram ampla aplicação em praticamente todos os campos de usinagem mecânica, incluindo:

• Usinagem de cilindros de motor:Mandrilamento de alta precisão dos furos dos cilindros do motor garante a operação adequada do pistão.
• Usinagem de cilindros hidráulicos:Mandrilamento de precisão dos interiores dos cilindros hidráulicos mantém o desempenho de vedação do sistema.
• Usinagem de furos de rolamentos de precisão:O mandrilamento preciso dos furos dos rolamentos garante a precisão rotacional.
• Usinagem de moldes:O mandrilamento de alta precisão das cavidades dos moldes garante a precisão dimensional e a qualidade da superfície do produto.

A qualidade do mandrilamento depende de múltiplos fatores, incluindo a rigidez do sistema de ferramentas, o equilíbrio dinâmico, a estabilidade da peça, a geometria da ferramenta, os parâmetros de corte, os sistemas de fuso da máquina e os métodos de fixação.

A rigidez do sistema de ferramentas influencia criticamente a qualidade do mandrilamento, particularmente para usinagem de pequeno diâmetro, furo profundo e material duro, especialmente em operações em balanço. Rigidez insuficiente causa vibração durante o corte, comprometendo a precisão e o acabamento superficial.

O equilíbrio dinâmico refere-se à distribuição uniforme da massa durante a rotação. O desequilíbrio gera forças centrífugas que causam vibração, particularmente problemáticas em operações de alta velocidade. A correção do balanceamento dinâmico melhora a qualidade da usinagem.

A rigidez da peça determina a resistência à deformação. Componentes pequenos, de paredes finas ou peças geometricamente restritas podem deformar sob forças de corte sem fixação adequada. O aprimoramento da rigidez da peça por meio de dispositivos de fixação apropriados ou pontos de suporte adicionais melhora a precisão da usinagem.

A geometria da ferramenta, incluindo o ângulo de saída, o raio do nariz e a configuração do quebra-cavacos, afeta as forças de corte. Diferentes geometrias produzem níveis variados de resistência — por exemplo, ângulos de saída maiores reduzem as forças de corte, mas diminuem a resistência da ferramenta. A seleção adequada da geometria corresponde aos requisitos específicos de usinagem.

Os parâmetros de corte — velocidade, taxa de avanço e profundidade de corte — influenciam significativamente os resultados. A velocidade excessiva acelera o desgaste da ferramenta, enquanto a velocidade insuficiente reduz a eficiência. Taxas de avanço inadequadas causam sobrecarga da ferramenta ou acabamento superficial ruim, enquanto a profundidade de corte incorreta induz vibração ou prolonga o tempo de usinagem. A otimização de parâmetros garante resultados de qualidade.

As características do sistema de fuso, incluindo rigidez, desempenho do rolamento/engrenagem e qualidade da conexão do porta-ferramenta, afetam os resultados do mandrilamento. Rigidez inadequada do fuso causa vibração, enquanto o desempenho ruim do rolamento/engrenagem reduz a precisão rotacional. Conexões soltas levam à instabilidade da ferramenta. Sistemas de fuso rígidos e de alta precisão são essenciais.

Os métodos de fixação da ferramenta impactam significativamente a qualidade do mandrilamento. A altura do centro da ferramenta representa um fator crítico — a altura incorreta altera os ângulos de saída e folga efetivos, causando interferência ferramenta-peça. À medida que a ferramenta gira, o atrito se desenvolve, potencialmente impulsionando a ferramenta mais profundamente na peça.

O aumento do ângulo de saída reduz as forças de corte e a geração de calor, mas diminui a resistência da aresta de corte. Quando os ângulos de folga diminuem, os ângulos de saída efetivos aumentam, causando raspagem da ferramenta — particularmente problemático no mandrilamento de furos pequenos. O posicionamento ideal da ferramenta ligeiramente acima da altura do centro (enquanto permanece o mais próximo possível) melhora os ângulos de folga e as condições de corte.

Durante a vibração, a ponta da ferramenta desvia para baixo em direção à altura do centro, aproximando-se do posicionamento ideal. A ligeira retração da ferramenta minimiza o risco de danos à peça. Ângulos de saída menores estabilizam a pressão de corte, embora ângulos excessivamente pequenos (aproximando-se de 0°) possam causar falha da ferramenta — ferramentas de mandrilamento com ângulo de saída positivo são geralmente preferidas.

Em operações de mandrilamento, a posição interna da ferramenta limita o acesso do fluido de corte à aresta de corte, complicando a remoção de cavacos e reduzindo a vida útil da ferramenta. As soluções incluem ferramentas refrigeradas internamente e sistemas de fluido de corte de alta pressão.

A seleção da ferramenta de mandrilamento depende muito do diâmetro e do comprimento do furo (profundidade e balanço). As diretrizes gerais recomendam balanço mínimo e tamanho máximo prático da ferramenta. A seleção adequada da ferramenta, a aplicação e a fixação segura minimizam a deflexão e a vibração.

Durante o corte, as forças tangenciais e radiais tentam desviar a ferramenta da peça. A deflexão radial reduz a profundidade de corte e a espessura do cavaco, potencialmente causando vibração. A deflexão radial afeta o diâmetro do furo, enquanto a deflexão tangencial move a aresta de corte para baixo a partir da linha central. As principais considerações de mandrilamento incluem a geometria da pastilha, a evacuação de cavacos e os requisitos da ferramenta.

O ângulo de ataque da ferramenta influencia a direção/magnitude da força axial e radial. O raio e o ângulo do nariz afetam criticamente a redução da força — uma regra geral sugere um raio do nariz ligeiramente menor que a profundidade de corte. Para torneamento interno, geometrias de ângulo de saída positivo geram forças de corte menores do que as alternativas de ângulo de saída negativo. Materiais de baixo atrito, como pastilhas de cerâmica, pastilhas finas revestidas ou pastilhas não revestidas, normalmente produzem forças de corte reduzidas e são preferidos.

A evacuação de cavacos prova ser crítica para o desempenho e a segurança na usinagem interna. Cavacos curtos aumentam o consumo de energia, a vibração e o desgaste da cratera, enquanto cavacos longos causam problemas de evacuação. Os cavacos ideais são curtos e em forma de espiral, facilitando a remoção com pressão mínima na aresta de corte.

A força centrífuga impulsiona os cavacos para fora, embora eles frequentemente permaneçam no furo, potencialmente danificando a peça e a ferramenta quando comprimidos contra as superfícies usinadas. A melhoria da evacuação de cavacos envolve a aplicação interna de fluido de corte ou ar comprimido através dos canais do fuso. O mandrilamento traseiro ajuda a direcionar os cavacos para longe da aresta de corte. Velocidades de corte reduzidas e cabeças de corte menores maximizam o espaço livre para cavacos.

A seleção de ferramentas de usinagem interna segue estes princípios:

• Selecione o maior diâmetro possível da barra de mandrilamento, mantendo a folga adequada para cavacos.
• Certifique-se da compatibilidade com os parâmetros de corte e a formação de cavacos para uma evacuação suave.
• Minimize o comprimento do balanço — o comprimento da fixação deve exceder três vezes o diâmetro da barra.
• Escolha ângulos de ataque superiores a 75°, de preferência aproximando-se de 90°, para direcionar as forças ao longo do eixo da barra.
• Selecione geometrias de ângulo de saída positivo para minimizar a deflexão.
• Use raios de nariz menores que a profundidade de corte.
• Evite vibrações por engajamento insuficiente (dominado por atrito) ou engajamento excessivo (grande profundidade/avanço).
• Prefira pastilhas de cerâmica ou finas revestidas/não revestidas para forças de corte reduzidas, especialmente com altas relações comprimento-diâmetro.
• Geometrias de quebra-cavacos abertas geralmente beneficiam as operações de mandrilamento.
• Pastilhas de maior resistência podem ser necessárias para problemas de compactação de cavacos ou vibração — caminhos de ferramentas modificados podem melhorar a formação de cavacos.