Como funciona – Laminação de rosca de precisão

Na Horst Engineering & Manufacturing Co., os centros de torneamento multieixos Citizen Swiss e os tornos multieixos Eurotech com um ano de existência produzem componentes usinados completos de alta precisão. Eles giram, perfuram, fresam e até rosqueiam. No entanto, na mesma pequena fábrica de East Hartford, Connecticut, a empresa irmã da Horst Engineering, Thread Rolling Inc., utiliza roscadoras de rolos Waterbury, Hartford e Reed de cinquenta anos de idade para formar roscas externas com um processo secundário especializado, mas elegantemente simples..Nem todas as suas máquinas são antiguidades. Grande parte do equipamento foi reformado e máquinas mais novas foram misturadas com as antigas. Por isso, é justo que vivam na parte mais histórica da antiga fábrica, onde um piso de blocos de madeira com cinquenta e cinco anos simboliza a empresa familiar de sessenta anos.

A laminação de roscas é um processo que existe há mais de cem anos e existem máquinas em serviço que fazem com que as de cinquenta anos pareçam jovens em comparação. Os rolos de rosca vêm em uma variedade de tipos e tamanhos, mas todos eles usam um mecanismo onde as matrizes de aço endurecido são combinadas e configuradas para penetrar com força, a fim de remodelar a superfície do material de diâmetro redondo em uma forma de rosca. Uma peça cilíndrica ou blank é alimentada na máquina (manualmente ou automaticamente) e as matrizes giram (matrizes cilíndricas) ou alternam (matrizes planas) para produzir roscas em um processo de conformação “sem cavacos”. Cada formato, formato e tamanho de rosca possui um conjunto exclusivo de matrizes que normalmente são retificadas em aço para ferramentas tratado termicamente (normalmente Rockwell C 58-62) e adquiridas, em vez de fabricadas internamente.

A laminação de roscas é principalmente um processo de conformação a frio feito em temperatura ambiente, mas existe um nicho para a laminação a quente quando os materiais são superiores ao Rockwell C 45, porque a vida útil da matriz seria seriamente comprometida. Assim como a retificação centerless, seu processo irmão, o processo de laminação de roscas pode ser in-feed ou thru-feed. A laminação de roscas é o método preferido para aplicações de rosqueamento de produção de alto volume. As roscadoras planetárias são capazes de formar roscas em dezenas de milhares de peças por hora. Máquinas alternativas de matriz plana vertical ou inclinada de alta velocidade também podem gerar altas taxas de produção, e máquinas cilíndricas horizontais de duas matrizes podem produzir rapidamente milhares de pés de haste roscada.

Muitas das coisas que você compra na loja de ferragens local, como parafusos para madeira, parafusos de fixação e parafusos de máquina, foram produzidos em massa com a ajuda de máquinas laminadoras de rosca. Roscas Acme, contraforte, sem-fim, quadradas e de tubo são apenas algumas formas exclusivas que podem ser produzidas por laminação de roscas; entretanto, as roscas do tipo parafuso de máquina são as mais familiares para as pessoas na indústria de usinagem de precisão.

Por um lado, a laminação automatizada de roscas em alto volume é interessante devido à velocidade e à estabilidade dimensional do processo, mas a produção de fixadores e peças de nível comercial é uma prática relativamente comum. No outro extremo do espectro, está o nicho muito especializado de laminação de roscas de alta precisão, principalmente em pequenos lotes de peças. Algumas indústrias de alta tecnologia, incluindo aeroespacial e automobilística, exigem roscas com tolerâncias extremamente rígidas, com acabamentos superficiais e a resistência extra inerente às peças feitas com o processo de conformação. Thread Rolling Inc. usa uma combinação de máquinas cilíndricas verticais de três matrizes, máquinas alternativas de matriz plana horizontal e máquinas cilíndricas horizontais de duas matrizes para produzir roscas de precisão.

O foco está na produção de uma variedade de roscas tipo parafuso de máquina de alta precisão, concentrando-se nas formas de rosca padrão unificadas e métricas de 60º, mais comuns na indústria aeroespacial. Os threads mais comuns lançados aqui são Classe 2A e Classe 3A nos formulários UNF, UNC, UNJF e UNJC. As roscas em forma de “J” têm um raio de raiz controlado maior para maior resistência na área de alta tensão de uma rosca e são comuns na indústria aeroespacial. A inspeção dimensional de roscas de alta qualidade é diferente da variedade comercial. As especificações variam, mas os padrões aeroespaciais e militares exigem que a indicação do tipo de medição de rosca seja usada para inspecionar o diâmetro primitivo e as dimensões associadas.

A inspeção dos diâmetros primitivos é realizada com medidores de tipo de forma completa e de elemento único que são configurados com mestres de rosca. Os anéis medidores de rosca passa/não passa são usados ​​apenas para referência. Micrômetros de diâmetro externo padrão são usados ​​para inspecionar diâmetros maiores, e comparadores ópticos são usados ​​para verificar diâmetros menores e raios de raiz. Com todos esses medidores disponíveis no chão de fábrica, um operador de laminação de roscas pode monitorar o processo e fazer ajustes rapidamente. O desgaste da matriz e outras variáveis ​​podem afetar o processo de laminação, mas uma vez configurada a máquina, o processo é consistente e repetível.

As roscas formadas são preferidas para aplicações críticas e de alta resistência, como as encontradas na indústria aeroespacial. As roscas laminadas, especialmente em peças tratadas termicamente, apresentam maior resistência à tensão, ao cisalhamento e à fadiga. Nenhum material é removido durante o processo de laminação, eliminando uma das fraquezas inerentes às roscas cortadas ou retificadas. As propriedades formadas a frio incluem uma maior densidade de grãos de material, ou moléculas, especialmente onde foram compactados ao longo do flanco inferior de cada passo da rosca e na raiz da rosca.

Os metais aeroespaciais podem ser difíceis de usinar e formar, por isso os acessórios de rosqueamento comuns usados ​​em máquinas de parafuso e tornos para trabalhos de maior volume têm dificuldade para atender aos requisitos de qualidade das roscas de precisão. A força necessária para formar roscas em ligas de aço tratadas termicamente ou em peças de ligas exóticas feitas de Inconel® ou Titânio não pode ser alcançada de forma eficaz sem o uso de equipamento dedicado. concentra-se em roscas com menos de 1.500 polegadas de diâmetro, mas as roscas laminadas são produzidas em fixadores de até 5,00 polegadas e até maiores. É necessária muita força, de até trinta ou quarenta toneladas de pressão de rolamento gerada por máquinas muito grandes, para mover tanto material. Algumas roscas são consideradas tão críticas que é necessário um processo de amostragem de teste destrutivo para examinar microscopicamente cada passo de uma rosca em 500X.

Roscas adequadamente formadas exigem que as matrizes estejam exatamente alinhadas ou “combinadas”. Quer o processo utilize duas ou três matrizes, elas devem ser monitoradas adequadamente para evitar defeitos internos, como sobreposições, rachaduras, dobras, costuras e crateras. O método de inspeção destrutiva de roscas é usado para identificar defeitos internos e verificar se o fluxo de grãos adequado do material foi alcançado. Amostras representativas são testadas no início de cada nova configuração e periodicamente durante o ciclo de produção.

O processo de teste exige que as roscas sejam cortadas do resto da peça, divididas ao meio longitudinalmente, montadas em uma resina epóxi, retificadas e lapidadas até um acabamento de três mícrons, gravadas para revelar a microestrutura e inspecionadas microscopicamente. Todo o processo leva pouco mais de uma hora, mas requer preparação metalográfica especializada e equipamentos de inspeção. Como a produção é interrompida para testes, é necessária uma variedade de máquinas, de modo que os maquinistas trabalham em vários trabalhos ao mesmo tempo, alternando entre processos de retificação, rosqueamento e testes.

Muitas vezes, as peças são recebidas para serviço em embalagens a granel, mas quando são devolvidas com fios de precisão brilhantes, são embaladas individualmente com protetores para evitar danos durante o transporte. Recentemente, um funcionário estava empacotando um único recipiente azul forrado com espuma acolchoada.

A inserção de espuma foi cortada para um único eixo de protótipo. Esta parte de dezoito polegadas foi enrolada em ambas as extremidades. A peça foi projetada e projetada para acomodar fios laminados. Isso significa que os diâmetros da rosca pré-laminada foram adequadamente chanfrados e retificados até o diâmetro primitivo correto, um diâmetro hipotético entre os diâmetros maior e menor, que é usado para determinar o tamanho da rosca. Este trabalho específico não exigiu testes destrutivos, mas peças de montagem foram produzidas a partir de material semelhante para preparar as máquinas. Com um lote de peça única, não há espaço para erros, e os maquinistas altamente qualificados sabiam disso.

Os fios laminados da mais alta qualidade são produzidos a partir de peças brutas da melhor qualidade. Por esse motivo, a maioria das peças enviadas para a Thread Rolling Inc. são deixadas superdimensionadas para que o processo de dimensionamento final possa ser controlado por retificação sem centro. Uma vez que o tamanho correto tenha sido retificado, normalmente por um associado de rosqueamento e um associado de retificação trabalhando juntos, as peças são retificadas até seu tamanho final dentro de 0,0004 polegada, mantendo a circularidade dentro de 0,000050. Antes da laminação da rosca, o acabamento superficial no diâmetro é sempre melhor que 32 micropolegadas. Graças à ação de polimento das matrizes, o acabamento após a laminação, principalmente nos flancos, pode chegar a 4 micropolegadas, dependendo do material e da dureza. O acabamento é outro motivo para escolher a rolagem em vez de outros processos de threading.

A falta de controles CNC na maioria dos equipamentos significa que o processo não é tão fácil de usar quanto a usinagem de parafusos, torneamento ou fresamento. É difícil explicar aos clientes que o diâmetro maior na verdade aumenta de tamanho quando laminado. Alguns não querem acreditar que podem transformar suas peças em bruto abaixo do diâmetro maior e que suas peças não serão sucateadas. Por exemplo, uma rosca.250-28 UNF-3A tem um diâmetro primitivo de.2268-.2243 e um diâmetro principal de.2500-.2435. O tamanho da peça bruta antes do rosqueamento do rolo estará próximo do diâmetro primitivo máximo e o material deslocado pelas matrizes se formará dentro da tolerância de diâmetro maior.

O pessoal da Thread Rolling Inc. frequentemente ouve que os clientes evitam trabalhos que exigem laminação de linha porque o processo parece difícil, misterioso ou fora de seu controle. O processo é único, mas dentro da indústria de conformação de precisão existem muitos especialistas nessa área. O processo simplesmente não pode ser realizado tão facilmente quanto se poderia esperar no ambiente atual, onde máquinas multieixos “fazem tudo” executam automaticamente seu trabalho. É necessária muita “sensação” para ser um operador de laminação de roscas bem-sucedido. A laminação de roscas de alta precisão é um processo prático de nicho que veio para ficar.