Como escolher entre uma máquina de turbilhonamento externa e interna?

A escolha do método de whirling incorreto pode causar baixa precisão, corte instável, desperdício de custos e atraso na entrega. O segredo é adequar a máquina ao fuso.

O whirling interno é melhor para fusos de esferas de alta precisão, acabamento superficial fino e precisão de passo estável. O whirling externo é melhor para fusos de grande diâmetro, roscas de passo longo, roscas de múltiplas entradas, usinagem de desbaste e peças que não podem passar pelo orifício do fuso ou do cabeçote.

A escolha entre whirling externo e interno deve basear-se no diâmetro da peça, precisão necessária, ângulo de hélice, acabamento superficial, estrutura da ferramenta e custo de produção. O whirling interno geralmente oferece melhor acabamento superficial e precisão de passo, pois a estrutura do cabeçote cria uma força de corte mais equilibrada e uma evacuação de cavacos mais suave.¹ É mais adequado para fusos de esferas de alta precisão e fusos de avanço de precisão. O whirling externo tem uma faixa de processamento mais ampla, pois a peça não precisa passar pelo orifício do fuso. É mais adequado para fusos de grande diâmetro, eixos pesados, roscas de passo longo e roscas de múltiplas entradas. Pode-se usar uma regra simples como ponto de partida: se a peça não puder passar pelo orifício do whirling interno, o whirling externo é necessário. Se a peça puder passar e for necessária alta precisão de transmissão, o whirling interno é geralmente a melhor escolha.

Quais são as diferenças fundamentais nos princípios de funcionamento entre o whirling externo e o interno?

Ambos os métodos usinam roscas em fusos, mas suas posições de ferramenta, direções de força, limites de carga e desempenho de precisão são muito diferentes.

O whirling externo corta ao redor da parte externa da peça com um cabeçote externo. O whirling interno exige que a peça passe pelo orifício do fuso ou do cabeçote, enquanto as ferramentas dispostas na circunferência interna cortam a rosca com força mais equilibrada e maior estabilidade.

O whirling interno utiliza um cabeçote com ferramentas dispostas na circunferência interna. A peça passa pelo orifício do fuso ou do cabeçote. O cabeçote gira e as ferramentas cortam o perfil da rosca com um grande ângulo de envolvimento. Essa estrutura proporciona uma força de corte mais equilibrada. A força não é concentrada fortemente em um lado do fuso. Isso ajuda a reduzir a flexão, a vibração e o erro térmico. Também proporciona melhor precisão de passo e melhor acabamento superficial.

O whirling externo corta a partir da parte externa da peça. O cabeçote gira ao redor da superfície externa. A peça geralmente é apoiada por um mandril, contraponto, luneta ou dispositivo especial. Essa estrutura é mais aberta. Não exige que a peça passe por um orifício de fuso. Por isso, o whirling externo pode processar diâmetros muito maiores e peças mais pesadas.

Artigo	Turbilhonamento interno	Whirling externo
Posição da ferramenta	Ferramentas dispostas dentro do cabeçote	Cabeçote trabalha a partir do exterior
Carregamento da peça	A peça passa através do orifício	A peça é fixada externamente
Condição de força	Equilibrado e estável	Mais excêntrico e flutuante
Limite de diâmetro	Limitado pelo furo do fuso ou do cabeçote da ferramenta	Limitado pela extensão do barramento e pela rigidez do suporte
Faixa do ângulo de ataque	Geralmente limitado a cerca de 12–14 graus	Frequentemente ajustável em torno de ±40 graus
Vantagem principal	Alta precisão e acabamento fino	Tamanho grande e alta flexibilidade

O sistema de ferramentas também altera o resultado final. O whirling interno pode produzir alta precisão apenas quando a estrutura da ferramenta é precisa. Se forem usadas pastilhas de metal duro soldadas convencionais e apenas uma ferramenta de conformação for fixada, as marcas da ferramenta podem se tornar grosseiras. Se várias ferramentas de conformação forem instaladas sem alinhamento preciso, a linha central do perfil do dente pode não coincidir com a referência de instalação. Isso reduz a precisão do perfil do dente. Ferramentas de whirling intercambiáveis são frequentemente usadas para melhorar a conformação com múltiplas ferramentas, a qualidade da superfície e a consistência do perfil. O whirling externo tem menores restrições de furo e maior liberdade de ângulo, mas requer suporte robusto e bom controle de vibração.

Que tipos de fusos e peças exigem uma máquina de whirling externo?

Alguns parafusos não podem ser processados por whirling interno porque o diâmetro da peça é maior do que o anel de whirling. Nesse caso, a estrutura determina o processo.

O whirling externo é necessário para parafusos de grande diâmetro, eixos pesados, roscas de passo grande, roscas de múltiplas entradas, roscas grossas, ranhuras anulares e peças que não podem passar pelo anel de whirling de uma máquina de whirling interno.

O motivo mais importante para escolher o whirling externo é o diâmetro. O whirling interno tem um limite mecânico rígido. A peça deve entrar no furo do fuso ou no furo do cabeçote da ferramenta. O equipamento padrão de whirling interno é frequentemente limitado a cerca de Φ100 mm.² Alguns equipamentos personalizados podem ser maiores, mas o tamanho ainda é restringido pela estrutura do furo. Mesmo estruturas especiais raramente excedem cerca de Φ200 mm em muitos casos práticos. Peças de grande diâmetro não podem ser carregadas fisicamente, portanto, o whirling interno não pode ser usado.

O whirling externo não tem esse limite de furo. A ferramenta corta na parte externa da peça. A peça precisa apenas de suporte estável em ambas as extremidades ou ao longo do comprimento. O diâmetro de processamento depende principalmente da extensão do barramento da máquina, do curso do cabeçote da ferramenta, da estrutura da ferramenta e da rigidez do suporte. Os sistemas de whirling externo podem cobrir diâmetros de cerca de Φ46 mm até tamanhos muito maiores.³ Mecanismos especiais de fresagem ou turbilhonamento externo podem ser montados em tornos horizontais de grande porte para usinar roscas e ranhuras anulares em diâmetros de Φ2000 mm ou mais.⁴

O turbilhonamento externo também é a primeira escolha para grandes ângulos de hélice e roscas de múltiplas entradas. O ângulo de hélice do turbilhonamento externo pode ser frequentemente ajustado em cerca de ±40 graus.⁵ Isso é útil para parafusos de transmissão especiais, eixos roscados com altos ângulos de hélice e estruturas de passo largo. O turbilhonamento interno é geralmente limitado a cerca de 12–14 graus devido à estrutura do furo e ao envelope da ferramenta.⁶ Se o furo interno for alargado apenas para aumentar o ângulo de hélice, pode ocorrer um corte excessivo do perfil do dente. Isso pode reduzir a precisão do perfil. Por essa razão, o turbilhonamento externo é frequentemente usado quando o principal desafio é o tamanho da peça, o ângulo de hélice ou a flexibilidade do processo, em vez da precisão de passo ultra-alta.

Por que o whirling interno é a escolha preferencial para fusos de esferas de alta precisão?

Parafusos de esferas de alta precisão precisam de uma geometria de pista estável, baixo erro de passo e pré-carga suave. Uma força de corte instável pode reduzir rapidamente a qualidade do movimento.

O turbilhonamento interno é preferido para parafusos de esferas de alta precisão porque proporciona uma força de corte equilibrada, baixa deformação do parafuso, remoção suave de cavacos, baixo aumento de temperatura, perfil de pista estável, melhor precisão de passo e alta eficiência de usinagem.

Parafusos de esferas de alta precisão exigem mais do que apenas uma forma de rosca correta. A pista deve ter passo estável, seção transversal consistente, bom acabamento superficial e diâmetro primitivo preciso. O turbilhonamento interno suporta esses requisitos através de sua estrutura de corte. Múltiplas lâminas são dispostas na circunferência interna da cabeça de corte. As lâminas removem o material em sequência. O processo de corte é gradual e estável. A força de corte é mais equilibrada, reduzindo a flexão e a vibração do parafuso. Isso é importante para parafusos de esferas longos e esbeltos, pois mesmo uma pequena deformação pode criar erros de passo.

O controle de calor é outra vantagem. A retificação de roscas tradicional pode criar alta temperatura local, pois a retificação utiliza atrito de alta velocidade.⁷ Em casos graves, a queima da superfície ou o amolecimento local podem afetar a dureza e a vida útil da pista.⁸ O turbilhonamento interno remove os cavacos rapidamente. A maior parte do calor de corte é levada pelos cavacos. O aumento da temperatura da peça é menor e a deformação térmica é reduzida. Isso ajuda a manter a precisão do passo estável em longos comprimentos de usinagem.

O turbilhonamento interno também melhora a consistência do perfil quando o sistema de ferramentas é projetado adequadamente. Ferramentas de conformação de metal duro de alta dureza podem finalizar a pista da rosca em um único processo de conformação.⁹ Isso ajuda a manter a forma da seção transversal e o diâmetro primitivo. Após a montagem, o parafuso de esferas pode funcionar de forma mais suave, pois a flutuação do torque de pré-carga dinâmica é menor. Isso é importante para máquinas-ferramenta CNC, equipamentos de automação, mesas de precisão e outros sistemas que precisam de movimento estável. O turbilhonamento interno também pode aumentar a eficiência de produção. Em comparação com o torneamento lento e a retificação complexa, o turbilhonamento pode aumentar a eficiência em várias vezes ou até mais de dez vezes em aplicações adequadas.¹⁰ Também pode realizar corte rígido diretamente em parafusos roscados temperados quando a rigidez da máquina e a qualidade da ferramenta são suficientes.

Como o acabamento superficial e a precisão de passo se comparam entre o whirling externo e o interno?

O acabamento superficial e a precisão do passo decidem se um parafuso pode ser usado para transmissão de precisão ou apenas para movimento mecânico geral.

O turbilhonamento interno geralmente alcança melhor acabamento superficial e precisão de passo do que o turbilhonamento externo. O turbilhonamento interno pode frequentemente atingir níveis de precisão Ra 0,4–0,8 μm e GB/T 197 níveis 4–6. O turbilhonamento externo geralmente fica em torno de Ra 0,8–1,6 μm e é adequado para o nível 7 ou inferior.

O turbilhonamento interno tem uma vantagem clara no acabamento superficial. O processo de corte é mais estável porque o cabeçote de corte envolve a peça de trabalho e a força de corte é mais equilibrada. O curso do envelope da ferramenta é mais longo, e o tempo de corte de um único dente é curto e contínuo. Isso reduz a vibração, a deflexão da ferramenta e o rasgo do perfil do dente. Sob condições de usinagem estáveis, o turbilhonamento interno pode frequentemente atingir Ra 0,4–0,8 μm. Este nível de acabamento é adequado para muitos fusos de esferas de precisão e fusos de avanço de alta qualidade.

O turbilhonamento externo geralmente atinge Ra 0,8–1,6 μm. Isso é suficiente para muitas roscas de precisão média e bruta. Também é útil para peças grandes onde o turbilhonamento interno não pode ser aplicado. No entanto, o turbilhonamento externo é mais propenso a criar marcas de vibração porque a força de corte é mais excêntrica. A saliência da ferramenta, suporte fraco, comprimento longo da peça e rigidez insuficiente podem aumentar as marcas superficiais. Essas marcas podem não afetar roscas comuns, mas podem afetar pistas de fusos de esferas e peças de transmissão de precisão.

A precisão do passo também favorece o turbilhonamento interno. Como o cabeçote de corte interno circunda a peça de trabalho, a influência da flutuação da força de corte é menor. O erro da cadeia de transmissão tem menos efeito no passo final. O turbilhonamento interno pode frequentemente atingir níveis de precisão 4–6 de acordo com a norma GB/T 197 quando todo o processo é bem controlado. O turbilhonamento externo é geralmente mais adequado para o nível 7 e abaixo, porque a força de corte excêntrica pode criar flutuação periódica de avanço e erro cumulativo de passo.

Item de desempenho	Turbilhonamento interno	Whirling externo
Rugosidade da superfície	Cerca de Ra 0,4–0,8 μm	Cerca de Ra 0,8–1,6 μm
Precisão do passo	Frequentemente GB/T 197 nível 4–6	Geralmente nível 7 ou inferior
Força de corte	Estável e equilibrada	Excêntrica e mais variável
Risco de vibração	Inferior	Maior sob rigidez fraca
Deflexão da ferramenta	Menor quando o sistema de ferramentas está correto	Mais fácil de amplificar
Qualidade do perfil do dente	Melhor consistência	Maior risco de rasgo
Melhor aplicação	Fusos de esferas de precisão e fusos trapezoidais	Roscas grandes e usinagem bruta

A razão mecânica é direta. O whirling interno reduz as principais fontes de erro. Ele diminui a flexão, controla a influência térmica, melhora a evacuação de cavacos e mantém a força de corte estável. O whirling externo apresenta mudanças de força lateral mais acentuadas. Essas mudanças podem causar vibração e flutuação no avanço. Ao longo de uma rosca longa, pequenas mudanças tornam-se inconsistência de passo. Para fusos de esferas de precisão, essa diferença afeta o torque de pré-carga, a suavidade de funcionamento, o ruído e a vida útil. Para peças de grande diâmetro ou grande passo, as vantagens de tamanho e ângulo de hélice do whirling externo podem ser mais importantes do que a precisão fina. A seleção final deve equilibrar a demanda de precisão e os limites físicos de processamento.

Conclusão

O whirling interno é adequado para fusos de esferas de precisão e alta exatidão. O whirling externo é adequado para grandes diâmetros, grandes ângulos de hélice, roscas de múltiplas entradas e usinagem pesada flexível.

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