procesos de corte

Procesos de Corte. Unidad 1

Apuntes del Cursos. M. Ramos ® 2003

PPrroocceessooss ddee CCoorrtteeAAppuunntteess ddeell CCuurrssoo

α

γ Fn

Fp

R

FaN

λ

ρ

ev

Va

Prof. Mario Ramos Maldonado



1 Teoría del CorteTextos de referencia:

Koch 1964. Koch, P. Wood Machining Processes, The Ronald Press Company, 1964

Juan 1990. Juan, J. Le Bois: Comment bien l’usiner, Centre Technique du Bois et del’Ameublement 1990

INFOR 1989. INFOR, Manual de Aserrío N° 16, Instituto Forestal, 1989

Sales 1990. Sales, C. La Scie a Ruban, Centre Technique Forestier Tropical, 1990

1.1 Definiciones

Se define el corte como el proceso de transformación mecánica delmaterial para producir cambios de:

• Forma

• Dimensiones

• Calidad superficial

Material

Herramienta decorte

MovimientoPrincipal o de

Corte

Movimiento Secundario ode Avance

Viruta

SuperficieMecanizada

Espesor deviruta nodeformada

Figura 1. Movimientos de la herramienta de corte



La transformación se produce con dos movimientos relativos entre elelemento cortante y el material. El elemento cortante es una herramienta decorte que remueve capas del material, llamada viruta. El corte recibe tambiénel nombre de operación de mecanizado.

Los dos movimientos relativos son (Figura 1):

• Un movimiento de avance

• Un movimiento principal o de corte1. Movimiento Principal: es aquel proporcionado por una máquina para dar

movimiento relativo entre la herramienta y el material (la velocidad decorte Vc) de manera que la cara de la herramienta alcance el material dela pieza. Es el movimiento que consume la mayor potencia.

2. Movimiento de Avance: es aquel proporcionado por la máquina al materialo a la herramienta y que sumado al movimiento principal conduce a unaremoción continua o discontinua de viruta y a la creación de unasuperficie mecanizada con las características geométricas deseadas.Este movimiento puede ser continuo o escalonado. Consume unapequeña parte de la potencia.

En la relación herramienta material existen tres ángulos que la definenen relación el tipo de corte a obtener (Figura 2):

2πγβα =++ Ec 1

Vc

α

β

γ

Figura 2. Angulos de corte

α: ángulo de alivio o de incidencia. Con valores entre 1 y 25°, esteángulo evita la fricción entre la parte posterior de la herramienta y el material.

β: ángulo de filo o de punta. Valores entre 20 y 75°, da a laherramienta su robustez y su capacidad de absorber cargas de impacto.



γ: ángulo de ataque. Causa la formación de la viruta. Es elresponsable del estado de la superficie obtenida y del nivel de energíaabsorbida por el corte

1.2 Direcciones de corte

Debido a que la madera es un material anisotrópico y en particularortotrópico, sus propiedades pueden definirse según tres ejes decoordenadas. R (Radial), L (Longitudinal) y T (Tangencial) (Figura 3). Lavariabilidad de las propiedades, en particular de la propiedades mecánicasobligan a especificar el corte según las direcciones R, L y T.

L

T

R

Figura 3. Ejes ortotrópicos

La consecuencia es que el comportamiento “cortante” es diferentesegún la dirección de la solicitación mecánica bajo la acción de laherramienta de corte. Esto explica porqué las herramientas de corte tienengeometrías diferentes según su dirección de corte. Se verá que laspropiedades mecánicas de la madera, el ángulo de ataque y otras variablesdeberán combinarse adecuadamente para obtener el mejor corte posible.

Existe una convención para identificar el tipo de corte según sudirección. Esta notación fue desarrollada por Mackenzie y es reconocida porsu simplicidad y capacidad de explicar las diferentes direcciones de corte

Notación de MacKenzie

MacKenzie propuso una notación con dos cifras (dos ángulos, ϕ-φ)para describir las diferentes situaciones que pueden presentarse durante elcorte de la madera (Figura 4). En esta notación:



ϕ: ángulo entre el filo y la dirección de la fibra

φ: ángulo entre la dirección del movimiento de corte y la fibra

Figura 4. Clásicos tipos de corte según la notación de MacKenzie

Algunos ejemplos de direcciones de corte se dan en la Figura 5 yTabla 1.

1

23 4 5

6

Figura 5. Ejemplo de direcciones de corte



Corte ϕ φ Ejemplo

1 90 90 Aserrío longitudinal con sierra huincha

2 90 0 Cepillado plano

3 0 90 Debobinado, torneado

4 0 90 Trozado

5 90 0 Moldurado

6 90 90 Escopleado, fresado

Tabla 1. Ejemplos de direcciones de corte

Naturalmente, no siempre los ángulos son 0° o 90°. La inclinación dela fibra o el tipo de proceso de corte alteran estos valores. Por ejemplo, en uncorte 90-0 con cepillado circular, el ángulo de la dirección del movimiento decorte con respecto a la dirección de la fibra es 0° solo en un punto de latrayectoria de la herramienta de corte.

1.3 Fuerzas de corte

En la interacción herramienta-madera, se produce una serie defuerzas originadas por la resistencia que el material opone al retiro de laviruta. La herramienta de corte debe ejercer una fuerza superior a lacohesión del material, de manera de ocasionar la remoción de este. Ladeformación plástica producida y el frotamiento entre el dorso de laherramienta y la superficie mecanizada son fundamentales en ladeterminación de la calidad superficial y la potencia de corte necesaria.

La fuerza de corte es función de una gran cantidad de variables lasque podemos agrupar en tres grandes grupos. Describimos más abajoaquellas variables más relevantes.a) Condiciones de trabajo

• dirección del corte

• espesor de la viruta, ev: corresponde al espesor de la viruta nodeformada que extrae la herramienta de corte

• velocidad de corte y de avance: velocidades de los movimientos deprincipal y de avance; Vc, Va, respectivamente

b) Material:

• densidad de la especie: principalmente asociada a las propiedadesmecánicas de la madera

• contenido de humedad



• abrasividad de la especie: contenidos de sílice que contribuyen aldesgaste la herramienta de corte

c) Herramienta

• ángulos de la herramienta: principalmente el ángulo de ataque γ

• material de la herramienta: composición del material de la herramientade corte

• desgaste del filo: desgaste debido al roce entre herramienta y materialque produce el desgaste progresivo del filo.R es la fuerza resultante de rechazo que el material opone a la

herramienta de corte. Es la fuerza necesaria para fracturar el material. Sedescompone en una fuerza normal (Fn) y una paralela al movimiento principal(Fp).

np FFRvvv

+= Ecuación 1

La ecuación anterior representa la composición vectorial de R. Elpunto de aplicación de R se establece en un punto de contacto entre la carade la herramienta y el material. El movimiento principal o de corte debe sercapaz de suministrar la fuerza necesaria R para producir el corte. Ladirección de R depende del ángulo de ataque γ. Si γ es muy grande, Fnpuede llegar a ser negativa. Ver Figura 6.

α

γ Fn

Fp

R

FaN

λ

ρ

ev

Va

Figura 6. Fuerzas de corte



La fuerza normal Fp es la resistencia al movimiento principal dado porla herramienta o el material y la fuerza paralela Fn es la componente normalque es soportada por la herramienta, su estructura y el soporte de la pieza.

En el punto de contacto, la misma fuerza R puede descomponerse endos componentes: una fuerza de roce Fa paralela a la cara de la herramientaque tiene un sentido contrario a la dirección de la evacuación de la viruta yuna fuerza normal a esa cara, N (Figura 7).

EL siguiente modelo supone una radio de curvatura r en el filo de laherramienta. El punto de contacto cara-viruta se desplazará en la cara, apartir del punto definido por ese radio de curvatura.

El punto de contacto entre la herramienta y la viruta depende delángulo de ataque y del desgaste de la herramienta de corte, dado por en elradio del filo r. El aumento del desgaste de la herramienta y porconsecuencia del radio r, implica un corrimiento de R y un aumento de lafuerza paralela Fp. Esto significa, además, una disminución de Fn.

Fn

Fp

R

e ρ

Figura 7. Fuerzas de corte y radio de curvatura

Si se desea obtener una relación entre las fuerzas paralela y normal yel ángulo de ataque y viendo la Figura 6:

p

n

FFtg =ϕ

NFtg a=λ

Además

NFa *µ= y tgλµ =

Lo angulos γϕλ += permiten deducir que:



)FF(p

n γµ += arctgtg Ecuación 2

o )(FF

p

n γµ −= arctgtg Ecuación 3

El coeficiente de roce µ depende del contenido de humedad, delmaterial de la herramienta y de la especie. La Tabla 2 muestra algunoscoeficientes de roce entre madera y acero.

Coeficiente de roce, µ (madera sobre acero)

CH % Pino Abedul Fresno

1,5 0,35 0,45 0,51

8 0,35 0,41 0,49

PSF 0,69 0,48 0,42

Tabla 2. Coeficientes de roce para algunas especies (Koch 1964)

1.4 Formación de la viruta

El corte convencional es definido como la acción de una herramientade corte en una pieza de madera, la cual produce virutas de dimensiones yespesores variables. La formación de estas virutas depende de la geometríade la herramienta, de la humedad de la madera y del movimiento de laherramienta con respecto a la orientación de la fibra. El objetivo de lamayoría de los procesos de corte es la calidad de la pieza de maderaproducida. La formación y calidad de la viruta no es, en muchos casos,objeto de atención (salvo en los procesos de formación de astillas y chapas).Lo que interesa es que para ciertos tipos de viruta se obtengan mejorescalidades de corte.

En general, la capa de viruta retirada es comprimida y acompañada dedeformaciones elastoplásticas que conducen a la ruptura del materialcortado. La deformación y la ruptura dependen de las condiciones de corte.

Los tipos de virutas, y por consecuencia la calidad del corte, sepueden estudiar según la notación de MacKenzie. Se explica más adelante laformación de viruta para los tres tipos cortes más relevantes: corte 90-0,corte 0-90 y corte 90-90.



1.4.1 Corte paralelo a la fibra: 90-0

Este es el tipo de corte más importante y el más estudiado debido aque este tipo de corte está presente en la mayoría de los procesos. Elcepillado es el proceso de corte más común que posee un corte 90-0.

Cuando el corte es de tipo 90-0 se observan tres tipos básicos deviruta que fueron definidos por Franz en 1958. Los estudios muestran que sepuede identificar tres tipos de viruta: tipo I, tipo II y tipo III.

a) Viruta tipo I: Discontinuo por clivaje

Se forma esta viruta para ángulos de ataque superiores a 25°. Laviruta es formada al frente del filo de la herramienta de corte, por clivaje y sefractura como una viga empotrada en flexión (Figura 9).

Esta viruta está generalmente asociada, o es producida, cuando lamadera presenta baja resistencia a la tracción perpendicular y altaresistencia a la compresión paralela de las fibras y a la flexión. Un ángulo deataque elevado favorece la formación de este tipo de viruta (γ>25°) y el cortese realiza contra la fibra. Grandes espesores de corte o de espesor de laviruta no deformada (ev) también aumentan las posibilidades de que seproduzcan este tipo de viruta, debido a que la falla o corte se produce porclivaje longitudinal. La falla tiende a seguir la fibra de la madera. En muchoscasos la falla ocurre por debajo del plano de corte, provocando el efectoconocido con el nombre de “grano arrancado” (Figura 8).

Figura 8. Corte 90-0, viruta tipo I

En la viruta de tipo I, la cohesión de las fibras se sitúa delante de laherramienta de corte. Además, el ángulo entre la fibra y la fuerza resultantede corte R es mayor en este caso. Cuando la herramienta penetra en lamadera, se origina una rasgadura que se propaga delante de la aristacortante. La rasgadura penetra en una dirección que no se puede controlar y



ocurre en el plano de falla que presenta la menor resistencia. Esto originauna deficiente calidad superficial.

Aquí, la fuerza normal Fn es superior a la resistencia a la tracciónperpendicular a la fibra. Esto ocurrirá cuando el espesor de la viruta nodeformada sea lo suficientemente grande para que la falla no se produzcapor compresión. Si el ángulo de ataque es más grande, la componente Fnserá más importante.

Por otro lado, si el coeficiente de roce µ entre la viruta y la herramientaes bajo, existe una mayor propensión a la formación de este tipo de viruta.

La viruta se comportará como una viga que se opone al movimiento dela herramienta de corte y va a elevarse como una viga empotrada encompresión.

��

��

��

RFnFp

ev

Empotramiento

superf iciemecanizada

l

Figura 9. Modelo para la formación de viruta tipo I

Según este modelo, la viruta se fracturará en el empotramiento a unlargo l desde el punto de contacto con la fuerza R. Es en el empotramientodonde el momento flector es máximo. La fuerza Fn origina un momentomáximo M igual a:

lFM n *=

Si la resistencia a la flexión es el MOR, el largo l de la viruta se puedeestimar por:

IelFMOR vn

*2**

=

Donde, I es el momento de inercia de la sección de la viruta deespesor b (porción del elemento de corte en contacto con la viruta) y alturaev.

El ángulo de ataque, espesor de la viruta y resistencia mecánica secombinan para dar origen a la viruta de tipo I. La Tabla 3 presenta valores



cualitativos de las variables más relevantes para la formación de este tipo deviruta.

Angulo deataque γ

Espesor de viruta,ev

Resistencia a latracción

perpendicular

Resistencia a lacompresión

paralela

Contenido dehumedad

Grande(>25°)

Grande Baja Grande Bajo o medio

Tabla 3. Variables más relevantes para viruta tipo I

Las fuerzas de corte paralela Fp y normal Fn tienen un comportamientointermitente, teniendo un máximo en el momento en que se produce lafractura luego de la falla por clivaje (Figura 10). Inmediatamente después deeste máximo la fuerza cae debido a la rápida propagación de la grieta,reanudándose el ciclo.

Fp Fn

Tiempo Tiempo

Aparición dela grieta

Fuerza paraleladébil, pero conpropagación

rápida

Grieta

Propagaciónde la grieta

Figura 10. Fuerzas de corte en tipo I (Juan 1988)

En presencia de un ángulo inclinado, con un corte 90-φ (0<φ<90),existirá una mayor probabilidad de que la rasgadura se propague al interiorde la madera lo que originará una calidad superficial muy deficiente (VerFigura 11).



Figura 11.Penetración de la grieta

b) Viruta tipo II: por compresión y cizalle

La viruta se rompe por cizalle oblicuo en un plano inclinado que seforma directamente en el filo de la herramienta. Es el tipo deseado, ya queproduce una buena calidad superficial.

Para producir este tipo de viruta se requiere buscar una adecuadageometría de la herramienta para una determinada especie y de acuerdo alcontenido de humedad de la madera. La viruta tipo II se forma encondiciones intermedias de corte (ángulo de ataque moderado y espesor deviruta pequeño).

Figura 12. Cizalle oblicuo en compresión

Aquí, la madera es comprimida hasta la ruptura de las fibras porcizalle oblicuo entre el filo de la herramienta y la superficie de la pieza (Figura12). Para obtener esta forma de viruta, la fuerza resultante de corte R debeestar en una dirección cercana a la de las fibras, lo que significa que sucomponente normal Fn debe ser muy pequeña o en algunos casos negativa.Este es el tipo de viruta deseado, ya que la calidad superficial obtenida esbuena.



Figura 13. Corte 90-0, viruta tipo II

Las fibras son fracturadas por compresión y la superficie generadacorresponde exactamente a la trayectoria de la herramienta. Si la resistenciaa la compresión no es elevada se facilita la obtención de este tipo de viruta.El menor espesor de la viruta no deformada ayuda a disminuir la compresiónparalela. La resistencia a la tracción paralela también ayuda a este proceso.

La influencia de los principales factores en el origen a la viruta de tipoII puede resumirse en la tabla siguiente.

Angulo deataque γ

Espesor de viruta,ev

Resistencia a latracciónperpendicular

Resistencia a lacompresiónparalela

Contenido dehumedad

Medio (10 a25°)

Pequeño Alta Moderado Bajo o medio

Tabla 4. Variables más relevantes para viruta tipo II

Como el ángulo de ataque es menor que en el caso de la viruta tipo I,la fuerza resultante total R tiene una inclinación menor con respecto a lafibra. Fn es menos importante cuando el ángulo de ataque es pequeño(10°<γ<25°), lo que significa una fuerza paralela Fp mucho más importante.Estas componentes de fuerza tienen un comportamiento continuo en eltiempo, ya que la remoción del material es continua (Ver Figura 14).



Fp Fn

Tiempo Tiempo

Figura 14. Figura fuerzas en tipo II

c) Viruta tipo III: por pandeo

Esta viruta se forma cuando la fuerza en la herramienta provoca laruptura por compresión y cizalle longitudinal de la madera el frente del filo dela herramienta. El mecanismo de falla corresponde al de una elemento quefalla por pandeo. El elemento en este caso es la viruta sometida a cargas decompresión. Esta viruta puede provocar defectos tales como la fibralevantada o superficies con aspecto de “felpudo” o “lanosas”. A esta viruta seasocia un ángulo de ataque pequeño o negativo (<10°) y con herramientaspoco penetrantes o desgastadas. Estas situaciones provocan excesivasfuerzas de corte, lo que aumenta la gravedad de los defectos.

Figura 15. Falla por pandeo

Inicialmente la madera se comprime y se pandea como una vigaempotrada, y a diferencia de la viruta tipo I, en este caso la falla se producepor cizalle longitudinal (Figura 15). Este efecto se obtiene cuando el espesorde la viruta no deformada es pequeño o muy pequeño y cuando lacomponente paralela Fp de la fuerza de corte R es preponderante. En estasituación, la viruta falla por cizalle delante del filo de la herramienta en unaplano muy parecido al de la dirección del corte. Cuando la fuerza paralelasupera la resistencia a la compresión paralela, se produce también la fallapor compresión.



Figura 16. Corte 90-0, viruta tipo III

Aunque la calidad superficial obtenida no es perfecta, esta esaceptable ya que una lijado posterior puede eliminar el efecto “lanoso” de lasuperficie.

Con un espesor de viruta muy pequeño, la tendencia será al pandeo yluego la compresión. Si el espesor es más importante, el efecto de pandeoserá menos importante y la falla será por compresión sucesiva y cizallelongitudinal.

Fp Fn

Tiempo Tiempo

Figura 17. Figura fuerzas tipo III

Aquí, la fuerza paralela Fp es la fuerza principal que actúa sobre elmaterial. La fuerza paralela Fn es menor y ambas tienen un comportamientodiscontinuo: compresión, cizalle y retiro de la viruta (Figura 17).



1.4.2 Corte perpendicular a la fibra: 90-90

El corte 90-90 es de gran interés práctico, ya que es el realizado, porejemplo, en el corte con sierra huincha en corte longitudinal. Este cortetambién ocurre para producir mortajas, escoplos o uniones longitudinales.

Figura 18. Flexión de las fibras

El filo de la herramienta debe separar la estructura celular en direcciónperpendicular al grano. La viruta, a medida que va deformándose, vasufriendo una deformación por cizalle y se rompe debido a una flexión(Figura 18). Posteriormente esta viruta se desliza o se mueve hacia fuera dela cara de corte formando una especie de cordón compuesto de pequeñossegmentos rectangulares. Teniendo en cuenta que la herramienta de cortedebe separar las fibras perpendicularmente, un pequeño ángulo de ataquedeberá deformar drásticamente la madera en compresión perpendicular a lasfibras durante el corte. Un efecto similar se produce cuando la herramientaesta desafilada. Estas condiciones producen que las fibras sean malcortadas, flexionadas en la superficie de corte o inclusive rajadas por debajode esta superficie. Por esta razón se recomienda el uso de grandes ángulosde ataque y herramientas bien afiladas, pues estas condiciones minimizanlos daños superficiales en la pieza causados por el corte.



Figura 19. Corte 90-90

Se puede considerar que la madera es una yuxtaposición de fibras ycada una de ellas puede ser asimilada a una viga empotrada en un materialsemi-elástico. Cortar una fibra es equivalente a seccionar una viga aplicandoun esfuerzo perpendicular a su eje (Figura 20). Según si el punto deaplicación de este esfuerzo es cerca o lejos del punto de empotramiento, seobtiene una ruptura por cizalle o por flexión. La ruptura por flexión se obtieneo en el punto de carga máxima o donde las características mecánicas son lasmás débiles. Para el corte, cuando se desea que el plano de falla esté en latrayectoria de la herramienta de corte, la fractura por flexión no es deseable.Lo ideal es la obtención de la falla por cizalle.

Figura 20. Modelo de falla en corte 90-90



El corte por cizalle se produce cuando se impide el corte por flexión.La madera puede ser considerada como semi-elástica. Las fibras no estánperfectamente empotradas lo que explica la dificultad de escoplear ciertasespecies de fibras largas y cruzadas.

La calidad del corte dependerá del nivel de cohesión que tengan lasfibras, ya que cada fibra es soportada por aquellas que se encuentras másadelante. Si la matriz de fibras así constituida posee una resistenciamecánica superior a las fuerzas de corte, la calidad superficial será laadecuada.

Se distinguen dos calidades obtenidas por cizalle:

a) Gran cohesión de la madera

En este caso existe una gran cohesión de la madera, esto es unamayor resistencia a la tracción perpendicular es importante. En este caso,aparecen muy pocas fisuras luego del paso de la herramienta de corte. Lasgrietas son de dimensiones reducidas y se vuelven a cerrar enseguida que laherramienta pasa. La calidad superficial es buena.

Figura 21 Gran cohesión la fibra

b) Menor cohesión de las fibras

En este caso los esfuerzos de corte son mucho más importantes quela cohesión interna de las fibras. Fisuras mas profundas aparecen y no sevuelven a cerrar una vez que la herramienta de corte pasa. En general, lasuperficie es plana, pero las rupturas alteran el aspecto de la superficie yalgunas características mecánicas. Ya que la cohesión es insuficiente, lasfibras se flexionan y se fracturan en lugares no deseados. Esto da lugar auna superficie accidentada que no corresponde a la trayectoria de laherramienta. Finalmente, si esta flexión es muy grande un segundo plano deruptura puede producirse bajo la herramienta. Ver Figura 22.



Figura 22. Menor cohesión de las fibras

Las mejores calidades superficiales se obtienen con maderas duras yhomogéneas en las que las fibras tienen una buena cohesión. Es preferibleque el ángulo de ataque sea el más elevado posible (mayor 30°), de manerade disminuir el efecto de la fuerza paralela Fp, la que acentúa la flexión de lafibra. La influencia del espesor de viruta es casi despreciable.

Cuando la herramienta termina el corte, no hay más fibras que apoyena aquellas se soportan el corte. Estas últimas fibras se fracturan, dando lugara los desprendimientos en los bordes de la madera (Ver Figura 23)

Figura 23. Falla en los bordes

1.4.3 Corte perpendicular a la fibra: 0-90

Este tipo de corte corresponde esencialmente a ciertas forma detorneado o de espigado. Las aplicaciones industriales son limitadas a laobtención de chapas por debobinado y el foliado que se discutirá másadelante.

Teóricamente la viruta se forma sin que las fibras sean cortadas, Enefecto, la fuerza paralela, Fp, comprime las fibras que se separan entre ellas,al nivel del plano de corte (VerFigura 24).



Figura 24. Corte 0-90

Un pequeño ángulo de ataque (5 a 10°) genera una fuerza paralelaimportante, mientras que la fuerza normal puede ser negativa. Las virutas sefragmentan y la calidad superficial da el efecto de “felpudo” o condesprendimiento de fibras.

Un ángulo de ataque elevado (mayor a 30°) permite obtener una virutalarga (y a veces continua) con fuerzas de corte reducidas. La calidadsuperficial, en este caso, es mejor.

Un espesor de viruta no deformada delgado origina una mejor calidadsuperficial.

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