Mecânica

Brocas atingem a perfeição sem fazer um furo

Brocas furam melhor graças a simulador computacional
Simulação computacional dos cavacos extraídos por uma broca por meio de um fluido sob alta pressão. [Imagem: A*Star]

Simulador de broca

Quando você precisa fazer um furo na parede para pendurar um quadro, precisa de uma broca. E também precisa de uma broca - na verdade de diferentes tipos de brocas - quando você vai furar metais para fazer máquinas ou rochas para extrair petróleo e gás natural.

Nesses processos industriais, o desempenho e a durabilidade das brocas fazem a diferença na viabilidade técnica e econômica de diferentes empreendimentos.

Para projetar brocas mais eficientes e mais duráveis, uma equipe do Instituto de Tecnologia da Manufatura de Cingapura foi buscar uma ferramenta que está sendo usada em virtualmente todos os campos do conhecimento: os modelos computadorizados.

Guan Leong Tnay programou um desses simuladores para que ele reproduzisse de forma fiel o que acontece quando uma broca interage com um material.

Desta forma, torna-se possível ir variando o projeto da broca micrômetro por micrômetro, grau por grau, até se atingir o desenho de mais alta eficiência. Só então um protótipo precisa ser construído e testado, reduzindo muito o custo de desenvolvimento.

Broca canhão

Uma consideração crucial no projeto de uma broca é a remoção efetiva do material extraído, os chamados cavacos.

O "bit" de uma broca comum - a parte da broca que escava o furo - remove os cavacos graças à sua forma em espiral, que carrega as aparas ao longo do corpo da broca até a entrada do furo. Mas há um limite para a profundidade que pode ser alcançada por brocas espirais, geralmente uma distância entre cinco a dez vezes o diâmetro do bit.

Uma abordagem alternativa, conhecida como broca canhão, consegue criar furos com uma proporção profundidade/diâmetro do bit de mais de 300. Os cavacos gerados pela broca canhão são removidos forçando um fluido sob alta pressão. Este fluido também atua como refrigerante para evitar danos à superfície de corte e aos rolamentos de perfuração.

"A geometria das brocas canhão é complicada; alterar qualquer parâmetro pode afetar o fluxo do refrigerante," explicou Tnay. "Para melhorar o processo de perfuração, é necessário entender o comportamento do fluido refrigerante."

Foi isto o que ele conseguiu com seu simulador, baseado em equações da dinâmica dos fluidos. O programa permitiu analisar o comportamento do fluido e dos cavacos para diversas geometrias da broca, diâmetros e profundidades de furo - até obter o desenho mais eficiente com um adequado equilíbrio desses fatores.

"Com essa otimização da geometria da ferramenta, alcançamos uma melhoria de cerca de 30% na vida útil da ferramenta em comparação com o projeto das brocas canhão comerciais," disse ele.

Bibliografia:

A computational fluid dynamics (CFD) model for effective coolant application in deep hole gundrilling
K. S. Woon, G. L. Tnay, M. Rahman, S. Wan, S. H. Yeod
International Journal of Machine Tools & Manufacture
Vol.: 113, 10-18
DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2016.11.008




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