Corte de metais: Deformação, forças, calor e ferramentas

O processo de corte de metal refere-se ao processo em que a ferramenta corta a camada de metal em excesso da peça através do movimento de corte, formando aparas e uma superfície maquinada. Durante este processo, ocorre uma série de fenómenos, como a formação de aparas, a geração de força de corte, o calor e a temperatura de corte e o desgaste da ferramenta.

I. Coeficiente de deformação, lascas e arestas edificadas

1. Coeficiente de deformação e tipos de aparas

(1) Coeficiente de deformação

O metal na camada de corte forma aparas após o corte, com o comprimento encurtado e a espessura aumentada em comparação com o metal na camada de corte, indicando que o metal na camada de corte se deformou, como se mostra na Figura 1.

O grau de deformação pode ser medido aproximadamente pelo coeficiente de deformação ξ. O coeficiente de deformação é igual ao rácio entre a espessura das aparas e a espessura do metal na camada de corte, e também igual ao rácio entre o comprimento do metal na camada de corte e o comprimento das aparas.

ξ=l/l_c=h_ch/h_D>1

Verifica-se que quanto maior for o valor do coeficiente de deformação, mais grave é a deformação de corte.

(2) Tipos de batatas fritas

De acordo com as diferentes formas das batatas fritas, estas são geralmente divididas nos quatro tipos seguintes:

1) Fitas de fita

A forma é semelhante a uma fita, com uma superfície inferior lisa e sem fissuras óbvias na parte de trás, apresentando uma ligeira forma serrilhada. Este tipo de limalha forma-se frequentemente quando se maquinam metais plásticos, tais como aço não ligado, aço ligado, cobre, alumínio e outros materiais.

2) Fichas segmentadas

A superfície inferior da apara é relativamente lisa e a superfície posterior está localmente fendida em nódulos. Este tipo de limalha é facilmente obtido quando se corta latão ou aço a baixas velocidades.

3) Fichas granuladas

A apara fratura-se em grânulos uniformes ao longo da direção da espessura. Este tipo de apara pode ser obtido ao cortar chumbo ou ao cortar aço a velocidades muito baixas.

4) Fichas fragmentadas

Ao cortar metais frágeis como o ferro fundido e o bronze, a camada de corte quase não sofre deformação plástica e fracturas frágeis, resultando em aparas irregulares de grão fino. A Tabela 1 mostra os factores que afectam a morfologia da apara e o seu impacto na força de corte.

Tabela 1 Factores que afectam a morfologia da apara e o seu impacto na força de corte

Classificação da morfologia das aparas		Fichas granuladas	Lascas nodulares	Fitas de fita
Diagrama esquemático da morfologia da pastilha
Factores que afectam a morfologia das aparas e a sua transformação mútua	1. Ângulo de inclinação da ferramenta 2. Avanço (espessura de corte) 3. Velocidade de corte	Pequeno ↔ Grande Grande (grosso) ↔ Pequeno (fino) Baixa ↔ Alta
Impacto da morfologia das aparas no processo de corte	1. Flutuação da força de corte 2. Estabilidade do processo de corte 3. Rugosidade da superfície valor da superfície maquinada 4. Efeito de quebra de aparas	Grande ↔ Pequeno Mau ↔ Bom Grande ↔ Pequeno Bom ↔ Mau

2. Borda construída

(1) Conceito de bordo construído

Dentro de um determinado intervalo de velocidades de corteNa maquinagem de aço, metais não ferrosos e outros materiais plásticos, aparece uma peça de metal de elevada dureza na face de ataque junto à aresta de corte. Esta peça de metal, com uma dureza cerca de 2 a 3 vezes superior à dureza da aresta de corte, é o substituto da aresta de corte para efetuar operações de corte na peça. Esta peça de metal, com uma dureza cerca de 2 a 3 vezes superior à do material da peça, é designada por aresta postiça, como mostra a Figura 2.

(2) Formação e crescimento da orla construída

Existem muitas explicações para a formação da aresta postiça, que geralmente se acredita ser causada pela adesão de aparas na face do ancinho. Em determinadas condições de maquinagem, à medida que a temperatura e a pressão entre as aparas e a face de ataque aumentam, a fricção também aumenta, fazendo com que a taxa de fluxo da camada de deformação nas aparas perto da face de ataque abrande, resultando num fenómeno de "estagnação". Quanto mais próxima a camada de metal estiver da face do ancinho, menor será a taxa de fluxo.

Quando a temperatura e a pressão aumentam até um certo ponto, o metal de fundo na camada de estagnação adere à face do ancinho. Quando a tensão de cisalhamento no metal de fundo das aparas excede o limite de elasticidade de cisalhamento do metal, a taxa de fluxo do metal de fundo torna-se zero e é cortado, aderindo à face do ancinho.

Esta camada adesiva sofre uma forte deformação plástica, aumentando a sua dureza. Durante o corte contínuo, a camada adesiva dura corta a camada de metal macio, acumulando-se camada a camada e aumentando gradualmente em altura, formando uma aresta postiça. Assim, a adesão e o endurecimento por trabalho são condições necessárias para o crescimento da aresta postiça.

(3) Destacamento e desaparecimento da aresta construída

O bordo construído crescido pode sofrer uma fratura ou desprendimento local devido a forças externas ou vibrações. Quando a temperatura e a pressão são adequadas, a borda construída começa a formar-se e a crescer novamente. A formação, o crescimento e o desprendimento da borda construída é um processo dinâmico periódico.

As experiências mostram que o fator decisivo para a formação da aresta postiça é a temperatura de corte. A temperaturas de corte muito baixas e muito altas, a aresta postiça não se forma facilmente. Na gama de temperaturas médias, por exemplo, ao cortar aço de carbono médio a uma temperatura de corte de 300-380°C, ocorre uma forte adesão e a aresta postiça atinge uma altura significativa. Além disso, factores como a pressão entre a ferramenta e as aparas, a rugosidade da face do ancinho e a força de adesão também afectam o tamanho da aresta postiça.

(4) Vantagens e desvantagens do rebordo construído

A vantagem da aresta postiça no corte é que cobre parte da face de ataque e da aresta de corte, substituindo a aresta de corte em trabalho, protegendo assim a aresta de corte e aumentando o ângulo de ataque real de trabalho da ferramenta.

A desvantagem é que a aresta postiça aumenta as dimensões laterais da ferramenta, causando sobrecorte. Quando a aresta postiça se desprende, pode transportar partículas de metal da face de ataque, acelerando o desgaste da face de ataque. O processo de formação da aresta postiça provoca flutuações na força de corte, afectando a precisão da maquinagem e a rugosidade da superfície da peça. Por conseguinte, a aresta postiça é benéfica para a maquinagem de desbaste, mas prejudicial para a maquinagem de acabamento.

(5) Medidas para reduzir ou evitar a acumulação de arestas

• Evitar cortar a velocidades que produzam arestas postiças (ver Figura 3), ou seja, utilizar corte a baixa velocidade ou a alta velocidade. No entanto, a maquinagem a baixa velocidade tem baixa eficiência, pelo que o corte a alta velocidade é frequentemente utilizado.
• Utilize ferramentas com um grande ângulo de inclinação para reduzir a pressão de contacto entre a ferramenta e as aparas.
• Reduzir a plasticidade do material da peça de trabalho, aumentar a dureza da peça de trabalho e reduzir a tendência para o endurecimento por trabalho.
• Outras medidas incluem a redução da taxa de alimentação, a redução da rugosidade da superfície da face do ancinho e a utilização de fluidos de corte adequadamente.

II. Força de corte

A força de interação entre a ferramenta e a peça de trabalho durante o corte é designada por força de corte e o trabalho realizado pela força de corte é o trabalho de corte.

1. Fonte da força de corte

A fonte da força de corte provém de dois aspectos: a resistência à deformação gerada pela deformação do metal na camada de corte e a resistência ao atrito gerada pelo atrito entre as aparas, a peça de trabalho e a ferramenta.

2. Decomposição da força de corte

A magnitude e a direção da força de corte não são facilmente medidas diretamente. Para satisfazer as necessidades de conceção e análise do processo, a força de corte é geralmente decomposta, sendo significativo estudar os seus componentes em determinadas direcções.

Como mostram as Figuras 4 e 5, a força de corte F pode ser decomposta em três componentes mutuamente perpendiculares F _c , F _p , e F _f .

a) Decomposição das forças exercidas pela ferramenta sobre a peça
b) Decomposição das forças exercidas pela peça sobre a ferramenta

(1) Força de corte principal F_c

A componente da força de corte na direção do movimento principal.

(2) Força de retorno F_p

A componente da força de corte na direção perpendicular ao plano de trabalho presumido. O plano de maquinação é definido por um ponto selecionado na aresta de corte, perpendicular ao plano de base e paralelo à direção do movimento de avanço presumido.

(3) Força de alimentação F_f

A componente da força de corte na direção do movimento de avanço.

A força de corte F pode ser decomposta em F_ce F_De F_Dpode ser decomposto em F_pe F_f. A sua relação é:

O significado real de cada força componente durante o torneamento é o seguinte: A força de corte principal é o maior componente, consumindo cerca de 95% da potência de corte total. Actua na direção do movimento principal e é a base principal para calcular a força do mecanismo de movimento principal da máquina-ferramenta, a força do porta-ferramentas e da pastilha, a conceção dos dispositivos de fixação da máquina-ferramenta e a seleção dos parâmetros de corte.

A força de retorno não consome energia durante o torneamento externo. Actua na direção em que a rigidez da peça de trabalho e da máquina-ferramenta é mais fraca, causando facilmente a deformação da peça de trabalho no plano horizontal, afectando a precisão da maquinação e causando facilmente vibrações. É a base principal para verificar a rigidez da máquina-ferramenta.

A força de avanço actua sobre o mecanismo de movimento de avanço da máquina-ferramenta, consumindo cerca de 5% da potência total. É a principal base para verificar a resistência do mecanismo de avanço da máquina-ferramenta.

3. Cálculo da força de corte

Na produção atual, é frequentemente utilizada uma fórmula exponencial para calcular a força de corte. As fórmulas de cálculo específicas podem ser encontradas em materiais de referência relevantes.

4. Factores que afectam a força de corte

Quanto maior for a resistência e a dureza do material da peça de trabalho, maior será a força de corte. Quando a profundidade de corte é duplicada, a força de corte aumenta cerca de uma vez; quando a taxa de avanço é duplicada, a força de corte aumenta de 70% a 80%. O aumento do ângulo de inclinação reduz a força de corte; o ângulo principal da aresta de corte K_rafecta as três forças componentes F_c, F_pe F_fmas tem um impacto maior em F_pe F_f.

De acordo com a fórmula anterior, o aumento do ângulo da aresta principal de corte reduz a força de retorno e aumenta a força de avanço. O impacto de K_rem F_cpode ser dividida em duas situações: quando K_rvaria no intervalo de 30° a 60°, à medida que K_raumenta, F_cdiminui; quando K_rvaria no intervalo de 75° a 90°, à medida que K_raumenta, F_caumenta.

5. Poder de corte

A potência de corte refere-se à potência consumida na zona de corte durante o corte. É a soma da potência consumida pela força de corte principal F_ce a força de alimentação F_f. Uma vez que a potência consumida pela força de alimentação F_fé muito pequeno, é normalmente negligenciado. Por conseguinte, quando F_ce v_csão conhecidos, a potência de corte P_cé

P_c= (F_cv_c× 10^-3) / 60

Onde

• P_c- Potência de corte, unidade: kW;
• F_c- Força de corte principal, unidade: N;
• v_c- Velocidade de corte, unidade: m/min.

A potência necessária do motor da máquina-ferramenta P_Edeve ser

P_E= P_c/ η

Na fórmula acima, η é a eficiência de transmissão da máquina-ferramenta, geralmente tomada como η=0,75 a 0,85. Esta fórmula é a base principal para verificar e selecionar o motor da máquina-ferramenta.

III. Calor de corte e temperatura de corte

Outro fenómeno físico importante que ocorre durante o corte é o calor de corte e a temperatura de corte. O calor de corte provoca o aumento da temperatura de corte, resultando na deformação térmica da peça de trabalho e da máquina-ferramenta, afectando a precisão da maquinação e a qualidade da superfície da peça de trabalho. A temperatura de corte é o principal fator que afecta a vida útil da ferramenta. Por conseguinte, o estudo do calor de corte e da temperatura de corte tem um significado prático importante.

1. Calor de corte

O trabalho realizado pela deformação elástica e plástica do metal na camada de corte sob a ação da ferramenta, e o atrito entre a apara e a face de ataque, e entre a superfície maquinada da peça de trabalho e a face do flanco, convertem-se em calor de corte. O calor de corte é conduzido pela apara, peça de trabalho, ferramenta e meio circundante.

Durante o torneamento, cerca de 50% a 86% do calor de corte é transportado pela apara, 10% a 40% é conduzido para a peça de trabalho, 3% a 9% é conduzido para a ferramenta e 1% é conduzido para o meio circundante; durante a perfuração, cerca de 28% do calor de corte é transportado pela apara, 15% é conduzido para a broca, 52% é conduzido para a peça de trabalho e 5% é conduzido para o meio circundante.

O aumento da velocidade de corte pode aumentar a proporção de calor transportado pelo cavaco, reduzir o calor conduzido para a peça de trabalho e ainda menos calor é conduzido para a ferramenta. Portanto, embora a temperatura de corte na zona de corte seja muito alta durante o corte de alta velocidade, a ferramenta ainda pode funcionar normalmente.

2. Temperatura de corte

A temperatura de corte refere-se geralmente à temperatura média na área de contacto entre a apara e a face de ataque da ferramenta. O nível da temperatura de corte depende da quantidade de calor gerada nesse local e da taxa de dissipação de calor. Através de cálculos e medições, sabe-se que a temperatura média é mais elevada na apara. A temperatura mais elevada na face de ataque não se encontra na aresta de corte ou na aresta de corte, mas a uma pequena distância da aresta de corte.

3. Factores que afectam a temperatura de corte

A velocidade de corte tem o maior impacto na temperatura de corte; à medida que a velocidade de corte aumenta, a temperatura de corte aumenta em conformidade. A taxa de avanço tem um impacto menor, e a profundidade de corte tem um impacto ainda menor. Aumentar o ângulo de inclinação reduz a temperatura de corte, mas o ângulo de inclinação não deve ser demasiado grande; se for demasiado grande, a temperatura de corte aumentará. Aumentar o ângulo de deflexão principal aumenta a temperatura de corte.

IV. Desgaste e vida útil da ferramenta

Durante o processo de corte, a ferramenta funciona a alta temperatura e alta pressão. Por conseguinte, a ferramenta não só corta as aparas como também se desgasta. Quando o desgaste da ferramenta atinge um determinado nível, a rugosidade da superfície da peça de trabalho aumenta, a forma e a cor das aparas mudam e é emitido um som forte durante o processo de corte, acompanhado de vibrações. Nesta altura, a ferramenta deve ser afiada de novo ou substituída por uma nova.

1. Desgaste da ferramenta

(1) Formas de desgaste das ferramentas

O desgaste da ferramenta refere-se ao fenómeno em que o material da ferramenta é desgastado pelas aparas ou pela peça de trabalho na superfície de contacto entre a ferramenta e a peça de trabalho ou as aparas. Este tipo de desgaste é designado por desgaste normal. Se a aresta da ferramenta se partir ou fraturar devido a impacto, vibração, efeitos térmicos, etc., designa-se por desgaste anormal. As formas de desgaste normal da ferramenta incluem as seguintes:

1) Desgaste dos flancos

Ao cortar materiais plásticos, se a espessura de corte for grande, aparece um padrão de desgaste em forma de crescente atrás da aresta de corte na face de ataque da ferramenta (ver Figura 6a). A área do crescente é o local com a temperatura de corte mais elevada. À medida que o desgaste se intensifica, a área em crescente aprofunda-se e alarga-se gradualmente e, quando se aproxima da aresta de corte, esta pode partir-se subitamente. A quantidade de desgaste na face do ancinho é indicada pela largura KB e profundidade KT da área do crescente.

a) Desgaste do flanco e da face do ancinho
b) Representação do montante de desgaste

2) Desgaste dos flancos

Isto refere-se ao desgaste que ocorre principalmente na face do flanco. Após o desgaste do flanco, forma-se uma pequena faceta com um ângulo de folga de zero graus. Ao cortar metais plásticos com uma pequena espessura de corte ou metais frágeis, devido ao menor atrito e à temperatura mais baixa na face de ataque, o desgaste ocorre principalmente na face de flanco. A quantidade de desgaste do flanco é desigual.

Como mostra a Figura 6b, na ponta da ferramenta (área C), as condições de dissipação de calor e a resistência são fracas, resultando num maior desgaste, que é indicado por VC. Perto da aresta de corte, junto à superfície da peça (zona N), devido à pele dura da peça em bruto ou ao endurecimento por trabalho, o desgaste é também maior, indicado por VN. Só a meio da aresta de corte (zona B) é que o desgaste é relativamente uniforme, indicado por VB, sendo a quantidade máxima de desgaste indicada por VB_máximo.

3) Desgaste simultâneo do flanco e da face do ancinho

Ao cortar metais plásticos com uma espessura de corte moderada, ocorre frequentemente um desgaste simultâneo da face de ataque e da face de flanco.

O desgaste da ferramenta ocorre principalmente devido ao atrito mecânico e aos efeitos termoquímicos sob alta temperatura e alta pressão. Geralmente, quanto mais elevada for a temperatura de corte, mais rápido será o desgaste da ferramenta.

(2) Processo de desgaste da ferramenta

Em condições normais de desgaste, a quantidade de desgaste da ferramenta aumenta gradualmente com o tempo de corte. Tomando o desgaste de flanco como exemplo, o seu processo de desgaste típico divide-se em três fases, como se mostra na Figura 7.

1) Fase inicial de desgaste

(Fase AB na figura) O desgaste é relativamente rápido no curto espaço de tempo após a ferramenta começar a cortar. Isto deve-se ao facto de a rugosidade da superfície da face da ferramenta ser elevada após a retificação e a estrutura da camada superficial não ser resistente ao desgaste.

2) Fase de desgaste normal

(Fase BC na figura) À medida que o tempo de corte aumenta, a quantidade de desgaste aumenta a uma velocidade relativamente uniforme. Isto deve-se ao facto de a camada superficial irregular e não resistente ao desgaste da ferramenta ter sido desgastada, formando uma região estável. Portanto, a velocidade de desgaste é mais lenta do que antes, mas a quantidade de desgaste aumenta gradualmente com o tempo de corte. Esta fase é também a fase de trabalho efetivo da ferramenta.

3) Fase de desgaste rápido

(Fase CD na figura) Quando a quantidade de desgaste da ferramenta atinge um determinado valor, o desgaste acelera rapidamente e a ferramenta falha subsequentemente. Isto deve-se ao tempo de corte prolongado, à deterioração das condições de contacto entre a ferramenta e a peça de trabalho, ao atrito excessivo, ao aumento acentuado da temperatura de corte e à redução da resistência e dureza da ferramenta. Na produção, para utilizar a ferramenta de forma razoável e garantir a qualidade do processamento, a aresta de corte deve ser afiada de novo ou a ferramenta deve ser substituída antes desta fase chegar.

(3) Norma de desbaste da ferramenta (limite de desgaste)

A norma de embotamento da ferramenta refere-se ao valor de desgaste especificado a partir do qual a ferramenta deve ser afiada de novo ou a aresta de corte substituída (pastilha intercambiável). Caso contrário, isso afectará a qualidade do processamento, aumentará o desgaste da ferramenta e do rebolo durante a reafiação, reduzirá a utilização da ferramenta e aumentará o tempo de afiação.

A norma nacional GB/T 16461-2016 especifica as normas de desbaste para ferramentas de aço de alta velocidade, ferramentas de carboneto e ferramentas de cerâmica da seguinte forma:

• Quando a banda de desgaste do flanco na área B está na forma de desgaste normal, a largura média da banda de desgaste do flanco VB=0,3 mm.
• Quando a banda de desgaste na zona B da face do flanco não se apresenta sob a forma de desgaste normal, como riscos, lascas, etc., a largura máxima da banda de desgaste na face do flanco VB_máximo= 0,6 mm.
• A profundidade da cratera KT = 0,06 + 0,3f.

Além disso, durante o acabamento, o critério para o embotamento da ferramenta é frequentemente se a quantidade de desgaste da ferramenta afecta a rugosidade da superfície e a precisão dimensional.

2. Vida útil da ferramenta

(1) O conceito de vida útil da ferramenta

A vida útil da ferramenta T é definida como o tempo total de corte desde o início do corte com uma ferramenta recém-afiada até atingir o limite de desgaste da ferramenta, denotado como T, com a unidade em minutos.

(2) Factores que afectam a vida da ferramenta

1) O impacto da velocidade de corte na vida da ferramenta

Aumentar a velocidade de corte v_caumenta a temperatura de corte, acelera o desgaste da ferramenta e reduz o seu tempo de vida T. Entre os três elementos dos parâmetros de corte, v_ctem o maior impacto em T.

2) O impacto da velocidade de avanço e da profundidade de corte

Aumentar f e a_preduzem ambos a vida da ferramenta T, mas o aumento de f aumenta mais significativamente a temperatura de corte, tendo assim um maior impacto em T; enquanto que o aumento de α_paumenta menos a temperatura de corte, tendo assim um menor impacto em T.

3) Parâmetros geométricos da ferramenta

Uma seleção razoável dos parâmetros de geometria da ferramenta pode prolongar a sua vida útil. Na produção, a vida útil da ferramenta é frequentemente utilizada como uma medida para determinar se os parâmetros de geometria da ferramenta são razoáveis.

Aumentar o ângulo de inclinação γ_oreduz a temperatura de corte e melhora a vida útil da ferramenta, mas se o ângulo de inclinação for demasiado grande, a resistência da ferramenta diminui e a dissipação de calor piora, o que pode reduzir a vida útil da ferramenta. Por conseguinte, existe um valor ótimo para o ângulo de inclinação, que pode ser determinado através de experiências de corte.

Reduzir o ângulo da aresta principal de corte K_r, o ângulo da aresta de corte secundária k_re aumentando o raio da ponta da ferramenta r_εpode melhorar a capacidade de transferência de calor da ferramenta e reduzir a temperatura de corte, o que pode prolongar a vida útil da ferramenta.

4) Material da peça de trabalho

Quanto maior for a resistência, a dureza e a tenacidade do material da peça de trabalho e quanto menor for o alongamento, maior será a temperatura de corte durante o corte e menor será a vida útil da ferramenta.

5) Material da ferramenta

O material da ferramenta é um fator importante que afecta a sua vida útil. A seleção razoável de materiais de ferramentas, a utilização de materiais de ferramentas revestidos e a utilização de novos materiais de ferramentas são formas eficazes de prolongar a vida útil das ferramentas.