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Os fundamentos da tosquia: Uma análise abrangente

Última atualização:
26 de março de 2024

Índice

Vários métodos fundamentais de cisalhamento

Tosquia é um processo de estampagem que separa o material em folha ou em bobina ao longo de uma linha reta ou curva, utilizando equipamento de corte especializado.

Como passo preparatório na produção de estampagem, o corte é essencial porque a maioria das matérias-primas para processos como perfuração, flexão, desenhoOs materiais de corte e conformação são fornecidos em grandes folhas ou bobinas. Estes materiais devem ser cortados nas dimensões necessárias, criando tiras ou blocos adequados para as operações subsequentes.

Consequentemente, as grandes empresas que dispõem dos recursos necessários estabelecem normalmente oficinas ou secções dedicadas à preparação dos animais para centralizar as tarefas de tosquia, facilitando a gestão da produção e a utilização eficiente das matérias-primas.

Dependendo do volume de produção e da geometria e dimensão da peça em bruto, o corte pode ser efectuado através de diferentes métodos:

Cisalhamento manual

A tosquia manual envolve a utilização de tesouras manuais ou de tesouras de bancada operadas manualmente. Este método é principalmente adequado para a produção em pequena escala ou quando são necessários apenas alguns artigos. Só pode cortar chapas metálicas mais finas do que 0,8 mm; a sua vantagem é a simplicidade, uma vez que pode acomodar diferentes tamanhos e curvas. No entanto, é trabalhoso e tem uma eficiência de produção muito baixa.

Cisalhamento por máquina

O corte mecânico de material em folha e em bobina utilizando equipamento especializado é um método amplamente adotado. As principais máquinas de corte são as tesouras de chapa (tesouras de lâmina reta) e as tesouras de corte de rolo de disco (vulgarmente conhecidas como máquinas de corte). Estas máquinas especializadas reduzem consideravelmente a mão de obra, aumentam a eficiência da produção e garantem a qualidade.

Cisalhamento por vibração portátil

As tesouras vibratórias portáteis são um tipo de ferramenta eléctrica pequena e de funcionamento flexível. São utilizadas principalmente para cortar e segmentar placas enroladas, e a linha de corte resultante pode ser reta ou curva. Este método é adequado para o encaixe de materiais. O agrupamento de peças cilíndricas para estampagem profunda pode aumentar a taxa de utilização do material em cerca de 5%, o que é economicamente significativo para materiais valiosos.

Formas de gume de cisalhamento

As formas de corte de arestas podem ser classificadas como corte de arestas rectas, corte de arestas angulares e corte de rolos.

Cisalhamento com lâmina reta

O corte em linha reta refere-se ao processo de separação de materiais em folha ou em bobina utilizando duas lâminas paralelas (ver Figura 2-9). Este método de corte só pode ser efectuado ao longo de uma linha reta. É adequado para o corte de materiais em folha ou em bobina que sejam estreitos mas relativamente espessos.

Figura 2-9: Cisalhamento de lâminas planas

1-Lâmina superior 2-Lâmina inferior 3-Lâmina metálica

O processo de cisalhamento da tesoura de corte a direito pode ser dividido em três fases:

Fase de Deformação Elástica

Quando o corte começa, a lâmina superior entra em contacto com o material da folha e aplica-lhe pressão. Esta pressão aumenta de zero até ao limite elástico, fazendo com que o material sofra uma deformação elástica, como se mostra na Figura 2-10a. Se a pressão for removida neste ponto, o material da chapa voltará ao seu estado original.

Figura 2-10: Processo de corte de lâminas planas

a) Fase de Deformação Elástica
b) Fase de Deformação Plástica
c) Fase de fratura

Fase de Deformação Plástica

À medida que a lâmina superior continua a descer, a pressão exercida pelo gume de corte sobre o material aumenta. Quando a pressão sobre o material da chapa excede o limite elástico, o material da chapa sofre uma deformação plástica local por flexão. Ao mesmo tempo, a borda da lâmina superior começa a pressionar o material da chapa, como mostra a Figura 2-10b.

Fase de fratura do material

Depois de a lâmina superior pressionar o material até uma determinada altura h, ocorre uma concentração de tensões e começam a formar-se fissuras na ponta da aresta de corte. À medida que a pressão continua a aumentar, as fissuras expandem-se rapidamente, acabando por provocar a fratura do material em duas partes, completando assim o processo de corte, como se mostra na Figura 2-10c.

A qualidade da superfície de corte no cisalhamento de lâminas planas está relacionada com as propriedades do próprio material e com o tamanho do espaço entre as lâminas superior e inferior. Geralmente, quanto mais duro for o material que está a ser cortado, mais estreita é a área brilhante na superfície de corte, o que significa que o processo de corte é mais curto. Pelo contrário, quando o material é mais macio, a área brilhante na superfície de corte é mais larga e o processo de corte é mais demorado.

Além disso, a distância entre as lâminas superior e inferior tem um impacto significativo na qualidade da superfície de corte. Uma distância adequada entre as lâminas pode resultar numa área mais brilhante na superfície de corte, com poucas rebarbas e dobras, e numa superfície lisa do material cortado.

Se a folga for demasiado pequena, arruinará a parte fracturada da superfície de corte e aumentará a força de corte. Se a folga for demasiado grande, o material cortado pode apresentar uma forte flexão e estiramento no local da fratura, dando origem a rebarbas no bordo de corte e a dimensões que não cumprem os requisitos.

O tamanho da folga da lâmina é geralmente definido entre 0,02t e 0,05t, dependendo do tipo e da espessura do material da folha.

Cisalhamento com lâmina angular

O corte com lâmina angular é diferente do corte com lâmina plana. Refere-se ao processo de corte de materiais em folha ou enrolados numa máquina de corte em que as lâminas superior e inferior se intersectam num ângulo fixo.

Ao contrário do corte com lâmina plana, em que toda a lâmina entra em contacto com a chapa para o corte simultâneo, o corte com lâmina angular envolve apenas uma pequena parte da lâmina que entra em contacto, realizando gradualmente o corte. Isto reduz muito a força de corte em comparação com o corte com lâmina plana. As tesouras, os cortadores manuais e as tesouras manuais de bancada utilizam técnicas de corte com lâmina angular.

(1) Processo de cisalhamento

Como se mostra na Figura 2-11, o processo de corte começa com apenas uma parte da lâmina superior em contacto com a chapa. Depois, forma-se uma fenda ao longo da borda da chapa e, à medida que o corte continua, a fenda abre-se com o movimento descendente da lâmina superior, separando gradualmente a chapa em duas partes. O princípio de deformação do material em cada fase é essencialmente o mesmo que no corte com lâmina plana.

Figura 2-11: Cisalhamento com lâmina angular

1 - Lâmina superior, 2 - Lâmina inferior, 3 - Chapa metálica

(2) Ângulo de corte φ

No corte de lâminas angulares, o curso de trabalho da lâmina superior é muito maior do que no corte de lâminas planas. O valor do curso é determinado pelo comprimento de corte e pelo ângulo de corte φ. Durante o processo, devido à presença do ângulo de cisalhamento, a folha não só sofre a mesma deformação que no cisalhamento de lâmina plana, mas também se dobra para baixo devido à pressão da lâmina superior.

Isto leva à deformação, torção e alongamento da folha, que é a maior desvantagem do corte com lâmina angular. No entanto, uma vez que reduz a força de corte, é o método de corte mais utilizado na produção de estampagem. É frequentemente utilizado para cortar chapas e materiais enrolados que são largos e finos.

O ângulo de cisalhamento φ pode reduzir a força de cisalhamento, tornando o trabalho de cisalhamento suave e gradual. No entanto, para evitar que a folha deslize para fora da lâmina e se dobre excessivamente, o ângulo máximo não deve exceder 12 °. O tamanho do ângulo φ está relacionado com a espessura da folha. Geralmente, para folhas de 3-10mm de espessura, o ângulo é de 1°-3°; para folhas de 10-35mm de espessura, o ângulo φ é de 3°-5°.

(3) Ângulo da lâmina β

Como se mostra na Figura 2-12, a dimensão do ângulo da lâmina β afecta diretamente a resistência da aresta de corte, a qualidade do corte e a força de corte. A dimensão do ângulo da lâmina β é normalmente determinada pela dureza do material. Ao cisalhar chapas mais duras, β deve estar entre 75°-85°; ao cisalhar chapas muito macias (como cobre puro, alumínio, etc.), β deve estar entre 65°-75°.

Figura 2-12: O ângulo de corte da lâmina numa máquina de corte de lâmina inclinada

No entanto, quando o ângulo da lâmina β é inferior a 90°, a chapa dobra-se sob pressão e é empurrada para longe do corte, um fenómeno particularmente notório para as tiras grossas e estreitas que necessitam frequentemente de ser endireitadas após o corte.

Por conseguinte, numa máquina de corte eléctrica típica, para a conveniência da retificação da lâmina, β é frequentemente fixado em 90°. Ao mesmo tempo, para reduzir o atrito entre a parte superior da lâmina e a folha, um ângulo traseiro α deve ser retificado na lâmina, geralmente α é 1,5 ° -3 °.

(4) Força de corte

A força de corte utilizada no corte de lâminas planas pode ser calculada pela seguinte fórmula:

Fplano = KBtτ

Aqui,

  • Fplano - a força de corte (N);
  • B - a largura da folha (mm); t é a espessura da folha (mm);
  • τ - a resistência ao cisalhamento do material (MPa).
  • K - o coeficiente, tendo em conta factores como o embotamento da lâmina, alterações na folga da lâmina, flutuações na espessura do material e desempenho que aumentam a força de corte. K é geralmente considerado como 1,3.

A fórmula para calcular a força de corte de uma lâmina de corte angular é:

Fangular = K - 0,6τ × t2/tanφ

Aqui, K é o coeficiente de embaciamento da pá, tomado como 1,3; φ é o ângulo de inclinação da pá (°).

Geralmente, não é necessário calcular a força de corte. Pode simplesmente escolher de acordo com as principais especificações t × B marcadas na guilhotina. Aqui, t indica a espessura máxima da chapa que pode ser cortada e B indica a largura máxima que pode ser cortada. No entanto, ao projetar o cisalhamento, a espessura máxima de cisalhamento da chapa é normalmente baseada na resistência ao cisalhamento do aço 25 ou do aço 30.

Por conseguinte, se o material a ser cisalhado exceder a resistência de projeto, não pode ser utilizado de acordo com a espessura máxima da folha marcada no cisalhamento. Nesta altura, a espessura máxima de corte de diferentes materiais deve ser recalculada de acordo com a fórmula da força de corte.

Cisalhamento de rolos

(1) Princípio do corte de rolos

O cisalhamento de rolos, também conhecido como cisalhamento de discos, é um método de corte de material passando-o entre dois discos de corte que rodam em direcções opostas. Esta técnica é frequentemente utilizada para cisalhar longitudinalmente folhas ou bobinas extremamente longas, o que a torna um meio crucial para a preparação de materiais. O princípio deste método de corte é ilustrado na Figura 2-13.

Figura 2-13: Princípio do cisalhamento do disco

Os dois eixos da tesoura de rolos são normalmente paralelos um ao outro e ao plano do material que está a ser cortado. No entanto, alguns optam por conceber intencionalmente as lâminas do disco para serem inclinadas para tarefas de corte curvo.

Durante o corte com rolo, o material é alimentado pela fricção entre o disco de corte rotativo e o material. Para garantir o funcionamento normal do processo de corte, o ângulo de contacto entre a lâmina e o material deve ser inferior a 15°. Por conseguinte, ao conceber o cortador de disco, a seguinte fórmula deve ser satisfeita em primeiro lugar:

1+φ2) / 2 ≥ 35t

Normalmente, o diâmetro do cortador de discos de laminagem deve ser superior a 100t.

Além disso, outras dimensões de design podem ser definidas da seguinte forma: a quantidade de escalonamento do cortador de rolos é (0,2~0,3)t; a largura do cortador de rolos é 25~30mm; o espaço entre os cortadores de rolos é (0,025~0,05)t; o ângulo de inclinação do cortador de rolos, α, é 30°~45°.

Nomeadamente, quando a quantidade de escalonamento do cortador de rolos é zero ou os dois cortadores de rolos estão separados, a chapa metálica pode rodar dentro das lâminas e ser cortada em peças com arestas curvas arbitrárias.

Uma máquina de corte de rodas de rolo único tem apenas um par de cortadores de rolo. Devido aos diferentes ângulos de configuração, pode cisalhar peças com várias arestas de contorno curvas ou de furos interiores. A Figura 2-14 mostra uma máquina de cisalhamento de disco com o cortador de rolos inferior inclinado. A Figura 2-15 ilustra uma máquina de corte por laminagem de discos com os cortadores de laminagem superior e inferior inclinados. Ambos os tipos de máquinas de corte por laminagem podem cortar peças rectas e curvas.

Figura 2-14: Tesoura de disco com cortador inferior inclinado

1. Cortador inferior, 2. Material em folha, 3. Cortador superior.

Figura 2-15: Cisalhamento de disco com os cortadores superior e inferior inclinados.

(2) Âmbito das aplicações de corte de rolos

O corte de rolos pode ser utilizado para as seguintes tarefas:

1) Corte longitudinal. Uma caraterística distinta do corte com rolos é o facto de a linha de corte não ser limitada pelo tamanho da matriz, permitindo um comprimento infinito. Com este princípio, vários pares de discos de corte são dispostos nos eixos superior e inferior. De acordo com a largura definida, o disco de corte pode dividir o material em folha enrolado em várias tiras paralelas. A distância entre cada par de bordas do disco de corte é a largura da tira, como mostra a Figura 2-16.

Figura 2-16: Cisalhamento de rolos para corte de tiras

Este processo é particularmente importante para conservar o material e aumentar a eficiência do trabalho, especialmente para alguns punções com arestas longas paralelas à direção de alimentação, que podem reduzir significativamente o força de perfuração. Durante o processo de separação longitudinal, a borda de cisalhamento do rolo exerce uma força de tração horizontal sobre o material.

Para as tiras no meio da folha, as forças horizontais de ambos os lados estão equilibradas, mas as linhas de corte mais exteriores perdem este equilíbrio, pelo que o par de rodas de corte mais exterior deve ter um ângulo de corte β de cerca de 75°.

2) Cisalhamento de peças cilíndricas e em forma de taça. No fabrico de produtos de aço inoxidável, o corte é normalmente utilizado para aparar as arestas de peças estiradas rotativamente com diâmetros ≤400mm, como mostra a Figura 2-17.

Figura 2-17: Máquina de corte de rolos para peças cilíndricas

1 - Contra recuo, 2 - Roda de pressão, 3 - Peça de trabalho, 4 - Roda de corte superior, 5 - Veio principal, 6 - Roda de correia

3) Cisalhamento em anel de produtos tipo bacia. O cisalhamento em anel pode substituir a matriz de corte de grandes peças trefiladas, especialmente aquelas com diâmetros superiores a 400 mm. No corte em anel, os discos de corte superior e inferior substituem o punção e a matriz, poupando uma quantidade significativa de aço de matriz, tratamento térmico e custos de corte de metal. Quanto maior for o diâmetro da peça a cisalhar, mais económico é o processo.

Isto deve-se ao facto de quanto maior for o diâmetro da matriz de perfuração, mais espessa será a matriz e as suas paredes, maior será o tamanho dos assentos superior e inferior da matriz e maior será o consumo de material. O cisalhamento de anel tem grande versatilidade e pode economizar o investimento em equipamentos, substituindo grandes prensas por trabalho manual (ver Figura 2-42).

Por exemplo, para uma peça com uma espessura de 1,0 mm e um diâmetro de 800 mm, se o corte de arestas for efectuado por perfuração, o consumo de material para todo o conjunto de matrizes é de pelo menos 500 kg e a especificação da máquina-ferramenta deve ser superior a 1500 kN.

Em contraste, utilizando um mecanismo de alavanca para o corte, os discos de corte e os suportes podem ser peças universais, o que, de certa forma, pode ser considerado isento de custos; do ponto de vista dos componentes, o corte apenas requer a substituição de um núcleo do molde, equivalente à placa superior no molde de perfuração.

Do ponto de vista da produção, a força na pega de corte só precisa de ser de cerca de 50N. Comparando os dois, as vantagens do corte de anel são óbvias, especialmente quando o tamanho do lote não é grande.

4) Cisalhamento em anel de peças planas em bruto. Uma grande vantagem do corte em anel de peças planas em bruto é que o material pode entrar diretamente no processo de flangeamento ou afiação após o corte, e o molde de corte não afecta a implementação do processo seguinte. A peça de trabalho só precisa de ser fixada uma vez para completar o trabalho de corte de arestas, flangeamento ou afiação, sem qualquer problema de recentragem.

5) O corte em anel tem um problema de diâmetro de trabalho mínimo, ou seja, o diâmetro da roda de corte sob pressão deve ser inferior a 1/5 do diâmetro do rasto de corte; caso contrário, facilmente dará origem a arestas de corte irregulares. O diâmetro do disco de corte e o diâmetro da pista de corte são apresentados na Figura 2-18.

Figura 2-18: Relação entre o diâmetro do disco de cisalhamento e o diâmetro da marca de cisalhamento

(3) Processamento de discos de corte

Os discos de corte podem ser divididos em discos de pressão e discos de suporte de carga, também conhecidos como discos de corte superiores e discos de corte inferiores.

Antes do tratamento térmico, o rebolo de corte deve ter a área fora da largura reservada da lâmina escavada para reduzir a quantidade de calor gerada durante a retificação da lâmina. A excentricidade radial e axial do disco de corte deve ser inferior a 0,02 mm.

O ângulo posterior da lâmina da roda de pressão deve ser de 25°. Deixar uma secção reta ou um ângulo traseiro de 3° na extremidade da lâmina (0,5~1)t; isto pode evitar puxar o material durante a separação. Os discos de corte devem, em geral, ser concebidos com rolamentos duplos para garantir trajectórias de corte precisas e um trabalho fiável. Se, de facto, as condições o limitarem e só puder ser utilizado um único rolamento, deve ser adotado um rolamento de precisão de grau E ou superior.

Tesoura oscilante

O nome formal da tesoura oscilante é a matriz flutuante rotativa de corte de peças de repuxo profundo (ver Figura 2-43). Com base na regra de movimento do ponto de massa na ranhura em espiral, ocorre uma mudança de posição entre o punção e a matriz, conseguindo assim a separação da peça de trabalho. O movimento da matriz na ranhura em espiral é semelhante ao de uma vara de bambu a balançar num cilindro de vara, pelo que este método de corte é conhecido como corte de balanço na produção.

Ao contrário do corte, o punção no corte em balanço também efectua um movimento vertical, mas o plano de corte é paralelo ao plano horizontal. Por conseguinte, quanto maior for o ângulo central da peça a cisalhar, melhor, ou, por outras palavras, quanto mais próximo o ângulo de intersecção entre o ponto de cisalhamento e o plano horizontal for de um ângulo reto, melhor.

A tesoura de corte oscilante é normalmente utilizada para cortar peças desenhadas em que o ângulo de intersecção entre o ponto de corte e o plano horizontal é superior a 40°, tais como peças cónicas profundas, peças em forma de taça, etc.

A tesoura oscilante é fornecida com a sua própria coluna de guia e manga de guia, pelo que os requisitos de precisão para a máquina-ferramenta não são elevados. Possui uma certa versatilidade relativamente ao tamanho e à forma da peça de trabalho. As peças mais pequenas do que o tamanho máximo da matriz podem ser cortadas na mesma base, mudando a matriz e o punção.

Como a separação dos diferentes quadrantes da peça estirada é concluída em diferentes fases durante a descida do punção, a tesoura oscilante também pode utilizar prensas de menor potência para cisalhar peças maiores.

A vantagem da tesoura de balanço é que é fiável e o gume da lâmina pode ser rapidamente reparado. A desvantagem é que é relativamente difícil de conceber e fabricar, especialmente quando o diâmetro da peça de trabalho é grande. Por isso, este tipo de cisalhamento é frequentemente utilizado para aparar peças trefiladas com diâmetros inferiores a 300 mm.

Os pontos-chave para a realização do corte em balanço são os seguintes:

1) A diferença de raio e1 entre o punção e a peça de trabalho não pode ser maior do que a excentricidade do cursor em espiral. É melhor controlá-lo dentro do intervalo de 2/3 a 4/5 da excentricidade do cursor (ver Figura 2-19), ou seja,

e1≤4/5×e

Figura 2-19: A diferença de raio entre o punção e a peça de trabalho.

1 - Calcador, 2 - Peça de trabalho, 3 - Punção.

Na fórmula, "e" representa a excentricidade do cursor helicoidal.

2) O núcleo da prensa deve ser ajustado a uma altura que exceda a folga unilateral da superfície da matriz.

3) O ângulo de hélice da rosca não deve ser inferior a 3,5°.

4) O ângulo de intersecção entre o contorno do cursor e o eixo não deve exceder 40° e deve ser simétrico ao longo da linha central horizontal, como se mostra na Figura 2-20.

Figura 2-20: Corrediça helicoidal de corte oscilante.

1 - Matriz, 2 - Calço de ajuste, 3 - Corrediça.

5) A manga helicoidal deve ser feita de aço de matriz com uma manga térmica de aço de baixo carbono, o que pode aumentar a resistência ao desgaste e a tenacidade da matriz.

6) O diâmetro do punção não pode ser demasiado pequeno. Quando o diâmetro do punção é inferior a 18 mm, deve ser instalado um batente para partilhar o impulso vertical descendente.

7) As superfícies de trabalho da corrediça e da ranhura helicoidal devem ter um valor de rugosidade superficial relativamente baixo e manter uma boa lubrificação durante o funcionamento.

8) Quando o cursor está em movimento, não deve colidir ou interferir com o suporte da matriz.

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