Furos quadrados perfurados: Por que os eixos quadrados emperram?

Um furo quadrado brocado parece o recurso mais fácil em um cubo de acionamento, até o momento em que o eixo não entra. O trabalho 260616007 chegou em novembro de 2023 de um fabricante de componentes de acionamento de válvula cujo fornecedor anterior havia enviado cubos anodizados pretos que foram montados à mão com um martelo em um turno e colocados juntos por gravidade no próximo: o quadrado medido corretamente na boca do furo e errado na extremidade oposta, e em uma parte das peças as partes planas saíram girado, de modo que um eixo quadrado que se encaixou perfeitamente alinhado de forma errada contra o padrão de furo do flange e o conjunto foi cronometrado na posição errada.

Os cubos nas fotografias são as peças de produção do pedido seguinte: um cubo de flange duplo AL6061-T6, torneado e acabado em uma configuração de fresamento-torno, com furo quadrado brocado no corpo, seis furos em cada flange, uma ranhura de retenção na extremidade, um furo transversal radial, acabamento anodizado preto e uma marca a laser no corpo entre os flanges. Um furo quadrado brocado é o recurso que decide se a peça funciona e é o único recurso que não pode ser corrigido após o corte.

O que esse hub tem a ver?

Quatro trabalhos, e o furo quadrado é o que carrega o acionamento.

O furo quadrado pega o eixo e transmite torque. Um furo redondo com uma chaveta teria a mesma função, mas um quadrado permite que o eixo seja indexado ao cubo em quatro posições e não precisa de chaveta, rasgo de chaveta e nenhum recurso de travamento separado.

Os dois flanges localizam a montagem. Ambos os padrões de flange são indexados com espaçamento igual, e os seis furos em cada flange devem estar alinhados com o padrão do parafuso correspondente, o que significa que os dois padrões devem ser perfurados a partir de um ponto de referência em vez de duas configurações separadas.

A ranhura de retenção e o furo transversal radial mantêm o conjunto unido. A ranhura leva o anel de retenção que impede o deslizamento do cubo ao longo do eixo, e o furo cruzado leva o pino que trava o eixo axialmente.

O filme anodizado e a marcação a laser são o acabamento e a identidade da peça. Ambos são aplicados por último, o que significa que ambos precisam contornar as tolerâncias que as operações anteriores já definiram.

Por que um furo quadrado é mais difícil do que um furo redondo?

Um furo redondo é avaliado em um local, um furo quadrado deve ser avaliado ao longo de sua profundidade

Um furo redondo é medido com um medidor de pino ou medidor de furo em uma profundidade e, se tiver tamanho ali, quase sempre terá tamanho no resto do furo, porque um alargador ou uma barra de mandrilar corta um cilindro consistente.

Um furo quadrado é cortado por um broche: uma longa barra de dentes cortantes escalonados que é empurrada ou puxada uma vez através de um orifício piloto, cada dente dando um pequeno passo mais fundo do que o anterior. A largura entre as faces é, portanto, decidida progressivamente, dente por dente, ao longo de toda a profundidade do furo. Se a carga de corte mudar ao longo do curso, ou se a ferramenta se desgastar durante o percurso, o furo ficará ligeiramente diferente na face de entrada e na face de saída. A peça passa na verificação na boca e falha na extremidade, que é exatamente o sintoma que dificultou a citação deste trabalho.

É por isso que a inspeção nesta ordem mede a largura através dos planos em três profundidades abaixo do furo, em vez de apenas na face. Um quadrado que seja uniforme na face e 0,02 mm diferente na saída ainda passará na verificação da face e ainda emperrará um eixo.

O broche também decide a cronometragem, e a cronometragem não pode ser corrigida posteriormente

A posição angular das peças planas em relação ao padrão de furo do flange é definida pela brocha. Qualquer que seja o clock do broche, é o que a peça acabada possui, porque nenhuma operação posterior pode girar um furo quadrado dentro da peça.

Em um cubo como este, a consequência é específica: um eixo quadrado pode encaixar perfeitamente no furo e ainda apresentar suas próprias partes planas no ângulo errado em relação ao padrão do flange, de modo que o conjunto é aparafusado, mas fica na posição rotacional errada. Se o desenho não indicar a tolerância de clock, a oficina terá que adivinhar se o broche é guiado a partir de um furo de flange ou de um plano usinado, e a estimativa é o que produz um lote dimensionalmente perfeito e funcionalmente errado.

A correção é processual e não cara. O furo piloto é perfurado e a brocha é inserida a partir do mesmo ponto de referência a partir do qual os padrões do flange foram perfurados, com uma bucha guia que evita que a brocha gire ao iniciar. A cronometragem é então verificada em relação a um furo de flange em um medidor, não estimado a olho nu.

Um quadrado brocado sempre tem um raio de canto

Nenhuma brocha pode cortar um canto interno matematicamente afiado, porque os dentes de corte têm um raio de canto finito. Os cantos de um esquadro brochado, portanto, possuem um raio, e o eixo quadrado correspondente deve ser aliviado para corresponder. Quando não está, o eixo entra em contato com as partes planas e se desloca nos raios dos cantos em vez de assentar, o que parece uma interferência mesmo que a largura entre as partes planas esteja correta.

O desenho deve indicar qual raio de canto é permitido no furo e qual relevo é fornecido no eixo. Deixar ambos sob suposição é como uma peça que mede tolerância é rejeitada na montagem.

Como foi feito o hub, passo a passo?

Passo 1 - Gire o perfil, os degraus e a ranhura de retenção em uma única configuração

O perfil externo, ambas as faces do flange, o eixo escalonado e a ranhura de retenção são torneados em uma configuração com a peça fixada no eixo principal. Uma configuração mantém os dois flanges concêntricos entre si e com o eixo do furo, que é o que determina a concentricidade do flange de 0,02 mm neste desenho.

Passo 2 - Fresar os padrões de furos do flange na mesma fixação

Os seis furos em cada flange são fresados ​​na mesma fixação do torneamento, indexados a partir de um dado, de forma que ambos os padrões compartilhem um eixo e uma referência angular. Perfurar os dois flanges em configurações separadas é o que produz um cubo cujos furos se alinham com o desenho e não entre si.

Passo 3 - Faça o furo piloto no tamanho esperado pela brocha

O furo piloto é perfurado no diâmetro que o broche foi projetado para seguir. Cortá-lo em tamanho grande deixa cada dente com um corte mais leve do que o pretendido, o que permite que o broche se desloque em vez de cortar, e o furo resultante é mais largo na saída do que na entrada. Cortá-lo abaixo do tamanho sobrecarrega os dentes e promove uma forte rebarba na face de saída.

Passo 4 - Perfure o esquadro, guiado a partir do ponto de referência do flange

O broche é inserido através de uma guia que mantém sua posição angular, com a peça orientada de forma que as partes planas correspondam ao padrão do flange desenhado. Esta é a etapa que corrige definitivamente a cronometragem da peça, portanto é a etapa em que o operador verifica a configuração e não a peça finalizada.

Passo 5 - Rebarbe a borda de saída e mantenha o raio do canto

O brochamento empurra uma rebarba para frente do último dente e a rebarba se acumula na face de saída. A borda de saída é rebarbada sem quebrar o chanfro exigido pelo desenho, e os raios do canto no furo são verificados em relação ao raio para o qual o eixo correspondente é aliviado.

Passo 6 - Anodização preta para um filme uniforme

O cubo é preto anodizado. O filme cresce tanto para fora da superfície de alumínio quanto para dentro dela, de modo que o furo e os furos do flange se apertam levemente e a linha de anodização é informada sobre quais dimensões são importantes para o ajuste e quais são protegidas. Uma peça que se encaixa antes da anodização e não se encaixa depois geralmente deu errado aqui e não na máquina.

Passo 7 - Marcação a laser do mesmo ponto de referência

A marca de identificação é aplicada no corpo entre os flanges, referenciada ao mesmo ponto de referência que definiu o esquadro e os padrões dos flanges, de forma que a marca fique no mesmo local em relação aos planos em todas as peças. Numa superfície anodizada preta o contraste da marca é o que a torna legível, por isso a marca é verificada na peça acabada e não numa amostra antes da anodização.

Passo 8 - Inspecione o esquadro ao longo de sua profundidade e o relógio contra um furo de flange

A inspeção final cobre a largura dos planos em três profundidades, o ajuste dos planos ao padrão de furos do flange, a concentricidade do flange, a posição da ranhura, o filme e a marca. Verificar o quadrado apenas na face é o único hábito de inspeção que permite que um lote ruim saia da loja.

O que a tiragem de 1.600 peças mediu?

Mil e seiscentos hubs foram enviados em 22 dias, e o cliente não relatou nenhum ajuste manual na montagem e nenhum erro de cronometragem na linha.

A falha que encontramos em nosso próprio teste

O teste de cinquenta peças foi aprovado na bancada de inspeção e reprovado no medidor, e a causa foi nosso furo piloto.

Cada peça de teste medida dentro da faixa de largura entre planos na face de entrada. Quando medimos as mesmas peças na face de saída, a largura era de 0,02 mm, com uma rebarba pesada na borda de saída. Havíamos perfurado o furo piloto 0,04 mm acima do tamanho que a brocha foi projetada para seguir, com base no raciocínio de que um furo piloto um pouco maior aliviaria a carga de corte e prolongaria a vida útil da brocha. Aconteceu o contrário: com menos material para remover, os dentes cortavam levemente, o broche ficava livre para se deslocar no furo ao invés de ser guiado pelo corte, e os últimos dentes abriam o furo na extremidade de saída.

Três mudanças entraram em produção. O diâmetro do furo piloto foi fixado de acordo com os requisitos da brocha e verificado na primeira parte de cada lote. Uma bucha guia foi adicionada para que a brocha comece em uma posição angular fixa. E a largura entre as partes planas foi medida em três profundidades a cada 100 peças, que é a verificação que teria captado a deriva nas peças de teste em uma única medição.

Entre o teste e a produção, a conicidade no furo desapareceu e a rebarba de saída deixou de ser um problema de rebarbação.

Três maneiras de cortar um quadrado interno, comparado

A regra prática: o brochamento ganha no custo unitário quando a forma se repete, o fresamento ganha quando a geometria ainda está mudando e o EDM ganha quando o raio do canto ou o material exclui os outros dois. Nesta parte o quadrado se repete em todas as peças, então o broche se pagou no primeiro pedido.

Perguntas frequentes

Por que um furo quadrado brocado fica apertado em uma extremidade e solto na outra?

Porque uma brocha corta progressivamente, dente por dente, ao longo da profundidade do furo. Se a carga de corte variar ao longo do curso, ou se a ferramenta se desgastar durante o percurso, ou se o furo piloto não for do tamanho que o broche foi projetado para seguir, as faces planas ficarão com alguns centésimos de milímetro de diferença entre a face de entrada e a face de saída. Uma verificação na boca do furo não irá mostrar isso, então a largura entre as partes planas deve ser medida em várias profundidades.

Um furo quadrado pode ser fresado em vez de brochado?

Sim, e para protótipos geralmente é. Um cortador pequeno forma os cantos e um maior limpa as partes planas. Funciona bem quando o quadrado é grande, a quantidade é baixa ou a geometria ainda está mudando, mas o raio do canto é limitado pela menor fresa que você pode usar e o custo unitário permanece alto porque cada peça segue todo o caminho da ferramenta.

Quanto raio de canto tem um quadrado brocado?

É definido pelo raio do canto dos dentes da brocha e não pode ser zero, pois uma aresta de corte com um canto interno vivo falharia imediatamente. O desenho deve indicar o raio que o furo pode ter, e o eixo quadrado correspondente deve ser aliviado para corresponder a ele. Quando o eixo é deixado afiado, ele entra em contato com os raios dos cantos em vez dos planos e parece um ajuste de interferência mesmo quando a largura entre os planos está correta.

Como você verifica a sincronização de um furo quadrado com os furos do flange?

Com um medidor que faz referência a um furo de flange e lê a posição angular das peças planas, em vez de olhar ou encaixar um eixo. Tem que ser feito em todas as peças, pois a marcação é fixada pela entrada da brocha e nenhuma operação posterior pode girar o furo. Nesta ordem, a verificação é executada em 100% das peças, juntamente com o índice do flange e a concentricidade do flange.

O que colocar no seu desenho?

Seis linhas resolvem quase todos os argumentos sobre um furo quadrado brocado:

1. Forneça a largura entre os planos com uma tolerância e diga que ela se aplica ao longo de toda a profundidade do furo e não na face de entrada.
2. Forneça a marcação dos planos para um furo de flange nomeado, com uma tolerância, e nomeie o ponto de referência a partir do qual ele é medido.
3. Indique o raio do canto que o furo pode suportar e indique o relevo no eixo correspondente.
4. Indique a relação do furo com o eixo do flange como uma chamada de concentricidade ou desvio.
5. Diga quais superfícies são protegidas durante a anodização e o que o filme pode fazer com o furo e os furos do flange.
6. Indique onde a marca do laser vai em relação aos planos, para que a marca e o quadrado sejam definidos a partir do mesmo ponto de referência.

Um cubo é uma pilha de recursos que fazem referência a um eixo e uma posição angular, e o furo quadrado é o recurso que fixa a posição angular no lugar. Especifique o esquadro corretamente e o resto da peça será um trabalho comum de torneamento e fresamento: flanges concêntricas, furos alinhados e uma marca que fica no mesmo lugar em cada peça.

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