mecanizado

Mecanizado

SánchezUrrutia

Teoría delcorte demetales

Temperaturayenfriamiento

Herramientade corte

Maquinabilidad

Materialesde laherramienta

Selección delosparámetrosdel proceso

Mecanizado

Dr. Victor Sánchez Urrutia

Universidad Tecnológica de Panamá

Mecanizado

SánchezUrrutia

Teoría delcorte demetalesCorte ortogonalideal

Fuerzas de corte

Corte ortogonalrealista

Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte ortogonal ideal

• El proceso de corte puede ser muy complejo, unaaproximación idealizada y simple es el corte

ortogonal.

• Estudiaremos el procesos de formación de viruta

• Luego se explicarán las diferencias entre el procesoidealizado y formas mas realistas de modelar elfenómeno.

• Se asume que una herramienta de corte inclinada conun ángulo de ataque α corta en un plano ortogonal auna pieza rectangular de ancho grande.

• La herramienta presenta un ángulo de alivio θ paraminimizar la fricción.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte ortogonal ideal...• h: espesor de la viruta

sin deformar.

• φ: ángulo de corte.

• rc = h/hc = lc/l: razónde corte.

• 1/rc : factor decompresión de la viruta.

• En la práctica rc < 1.

• Los valores de rcpermiten aproximar φ ynos da datosimportantes sobre laeficiencia del proceso.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte ortogonal ideal...• Cuando α ↓ entonces φ, rc ↓,

• φ, rc disminuyenespecialmente cuando α < 0.

• Dada la geometría delproceso:

tanφ =rc cosα

1− rc senα

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte ortogonal ideal...• Debido a la invariabilidad del

volumen:

rc =νc

ν=

senφ

cos(φ−α)

• Aumentando el ángulo decorte φ, la viruta se vuelvemás delgada y sale a unavelocidad mayor.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte ortogonal ideal...

• En el caso ideal todo elcorte se concentra enuna zona de corteinfinitamente delgada yla deformación porcortante γ es:

γ =AB

CD=AD

CD+DB

CD= tan(φ−α)+ cotφ

• Baja de 5 a 2 (defnatural) cuando φ seeleva de 10◦ a 35◦.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte ortogonal ideal...

• La tasa de deformación por cortante, con plano decorte de espesor finito ∆y es:

γ̇ =νs∆y

=cosα

cos(φ−α)ν

∆y

• Un ángulo de corte φ pequeño significa en un planode corte largo y fuerzas y energías de corte altas.

• También implica deformación por cortante elevada yendurecimiento por deformación.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Fuerzas de corte vistas por elportaherramientas

• Pueden ser medidas condinamómetros colocados en lamáquina herramienta.

• Para el caso del corteortogonal se dividen en doscomponentes: Pc en ladirección del corte y Pt lafuerza de empuje.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Fuerzas de corte vistas por laherramienta

• La fuerza resultante Pr sepuede descomponer en unafuerza normal Pn a la cara dela herramienta y F la fuerzade fricción contra laherramienta.

• Puede ser calculadas luego demedir las fuerzas en elportaherramientas:

Pn = Pc cosα− Pt senα

F = Pc senα+ Pt cosα

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Fuerzas de corte vistas por laherramienta...

• A partir de F y Pn se puededefinir una coeficiente defricción µ pero se prefierehablar del ángulo de fricciónψ:

tanψ =F

Pn(= µ)

=Pt + Pc tanαPc − Pt tanα

• A µ se le llama el coeficientede fricción medio aparente.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Fuerzas que actúan sobre elmaterial...

• La fuerza resultante Pr sepuede descomponer en unafuerza cortante Fs en el planode corte y Ph que ejerce unapresión hidrostática sobre elmaterial cortado.

• La Ph retrasa la fractura,permitiendo la formación devirutas continuas (si elmaterial es dúctil).

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Ecuación de Merchant

• Debida a Eugene Merchant (1949).

• Poniendo el esfuerzo de corte en función de lasfuerzas externas medidas:

τ =Pc cosφ− Pt sinφ(hw/ sinφ)

• asumiendo que la inclinación del plano de corte (φ)se encuentra en el punto de menor esfuerzo cortante,haciendo: dτdφ = 0

• obtenemos:

φ = 45+α

2−ψ

2

• Relación aproximada ya que no toma en cuentaefectos de temperatura y endurecimiento pordeformación.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



1 El aumento del ángulo de ataque aumenta el ángulodel plano de corte.

2 La disminución del coeficiente de fricción, al bajar ψhace que φ aumente.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte ortogonal realista

• Existe endurecimiento por deformación, y la tasa dedeformación es alta. Además las temperaturas subenen el área de corte. No existe un plano de corte si noun área de corte.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte ortogonal realista...

• La presión de la interfase es muy alta y se forma unazona secundaria de corte.

• En el flanco de alivio se forma una zona terciaria decorte debido a la indentación de la herramienta decorte.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Formación de la viruta

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Formación de la viruta...

Para el acero: 2m/min, 7m/min, 20m/min y 40m/min.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Virutas continuas conacumulación y sin

Latón a 30 m/min y a 100 m/min

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Virutas onduladas• Virutas continuas pero

onduladas.

• Debido a el castañeo: cambiosperiódicos en las fuerzas decorte (elasticidad de la MH)

• Castañeo regenerativo: debidoa cambios de dureza delmaterial o la pérdida en laacumulación del filo.

• Vibración forzada: caja deengranes, vibración demáquinas adyacentes.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Virutas segmentadas• Virutas continuas pero

dientes de sierra.

• Debido a temperaturas altasen la viruta en materiales conbaja conducción térmica(Titanio)

• Maquinado de muy altavelocidad, donde le calor nopuede ser disipado losuficiente rápido (acerotratado térmicamente ≈ 1,000m/min).

• El aumento de la temperaturapropicia cortes a fuerzas másbajas pero el material debecalentarse antes de romperse.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Virutas discontinuas

• Cuando se cortan materiales dúctiles a bajavelocidad... el endurecimiento por deformación esgrande y el plano de corte se engrosa. La fuerza seacumula hasta romper la viruta, repitiéndose elproceso.

• Se puede conseguir a propósito, al introducirpartículas o inclusiones en el material a cortar paracrear sitios de debilidad. Estos reducen las fuerzas decorte requeridas y ayudan en la formación de laviruta.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Rompedores de virutas

Tipo de acanaladura y de obstrucción

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Rompedores de virutas

En los insertos ajustables sediseñan con patrones complejosde rompimiento de viruta.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte oblicuo

• La viruta fluye a una velocidad νc , en un ángulo ηc ,igual al ángulo de inclinación i.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte oblicuo

• La viruta fluye a una velocidad νc , en un ángulo ηc ,igual al ángulo de inclinación i.

• El ángulo normal de ataque (αn) se mide del planoque contiene la normal hacia la superficie de la piezade trabajo y la velocidad de la herramienta ν .

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Corte oblicuo

• El ángulo efectivo de ataque (αe) se mide en el planoν y νc y es mayor que αn:

senαe = sen2 i+ cos2 i senαn

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Avance• El avance (f )es

movimiento que hace laherramienta paraalcanzar nuevo materialque cortar.

• Es un parámetroimportante del proceso,cuyo cálculo esdiferente dependiendodel proceso.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Geometría del torno• El filo de corte se fija a un

ángulo (Cs) de la dirección delavance.

• Un incremento del ánguloreduce h = cosCs y eleva lasfuerzas axiales y radiales.

• El ángulo típico varía entre15◦ a 30◦, excepto para piezaslargas que pueden pandearse.

• La herramienta de corte deltorno tiene otro filo, el filomenor unido al mayor poruna nariz de radio dado.

Mecanizado

SánchezUrrutia


Fuerzas de corte


Corte oblicuo


Herramientade corte

Maquinabilidad



Geometría del torno...

• La herramienta de corte del torno tiene otro filo, elfilo menor unido al mayor por una nariz de radiodado.

Mecanizado

SánchezUrrutia


TemperaturayenfriamientoFuerzas yrequerimientos deenergía

Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Fuerzas y requerimientos deenergía: Cálculos aproximados

• Aunque existen buenas teorías para el corte, todasdependen de conocer φ y esto depende mucho delesfuerzo de fluencia del material.

• Como quiera que las condiciones en el proceso decorte son muy complejas (alta temperatura yvelocidades) se requieren análisis numéricos.

• Sin embargo se puede hacer aproximaciones válidaspara muchos casos.

• El esfuerzo nominal de corte o presión específica decorte:

pc =Pchw

(

N

m2

)

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Energía aproximada...

• La Energía específica de corte (E1) es laenergía/volumen requerida para arrancar el material.

• El volumen arrancado es: V = hwl.

• La energía utilizada es la fuerza de corte multiplicadopor la distancia del corte: E = Pcl.

• Entonces:

E1 =Pcl

hwl

(

J

m3 oN

m2

)

• Para herramientas desgastadas E1 puede subir un30 %.

• El factor de remoción de material (K1) es el inverso(1/E1).

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Energía aproximada...

1 Aparentemente E1 depende de h pero esto no es tancierto, ya que la Pc depende también de h. Porconsiguiente, K1, E1 y pc pueden considerarse“constantes” del material.

2 Se necesita energía adicional para vencer la friccióndel flanco y del arado. Esta energía no depende de h yes la causante principal del gasto energético cuandoh es pequeña.

3 Entonces E1 aumenta al disminuir h. Si se usa unatabla que de E1 en función de una href dada, sepuede ajustar usando:

E′1 = E1

(

h

href

)−a

a ≈ 0,3

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Potencia aproximada

• Dada la eficiencia de la máquina η se puede calcularla potencia requerida:

Potencia (W) =EVtη

(

W · s

mm3

mm3

s

)

Potencia (hp) =EVtη

(

hp ·min

pulg3

pulg3

min

)

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Fuerzas aproximadas

• La fuerza se puede obtener sabiendo la velocidad decorte:

Pc =potencia (W)

ν(N)

• Si estamos usando unidades inglesas, (ν en pie/min):

Pc =33,000potencia (hp)

ν(lbf)

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Temperaturas

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Temperatura...• Una estimación burda de la

temperatura asume quetoda la energía se va encalor:

Tt = E

(

νh

κρc

)1/2

donde κ es laconductividad térmica, ρ ladensidad y c el calorespecífico del material.

• Se esperan temperaturasmayor al trabajar materialmás resistente.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Fluidos de corte o refrigerantes

Cumplen 3 funciones principales:

1 Lubricación

2 Enfriamiento

3 Remoción de la viruta

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Lubricación

• Es difícil que entre en la región de ataque, pero si enla zona de deslizamiento y algo se filtra desde loslados de la viruta.

• Es más efectivo cuando el contacto de la herramientacon la pieza es intermitente.

• En el corte a baja velocidad, con fricción deslizante,la fricción en la cara de ataque se reduce, seincrementa el ángulo de corte, la viruta se hace masdelgada y el consumo de energía baja.

• La acumulación en el borde ocurre a velocidadmayores.

• Cuando se desarrolla la zona de adhesión, la longitudde ésta se reduce.

• Mejora el acabado superficial.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Enfriamiento

• La temperaturas en la zona de corte no se afectanmucho.

• Sin embargo, se reduce la temperatura de la viruta amedida que deja la zona secundaria de corte,enfriando la pieza de trabajo.

• Puede reducir la temperatura volumétrica de laherramienta, permitiendo en algunos casos aumentarla velocidad de corte posible.

• Solo es útil si inunda la zona de corte, en el caso decortes intermitentes evita fluctuaciones grandes detemperatura.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Remoción de la viruta

• Una labor importante es ayudar al desalojo de lasvirutas, evitando que se trabe la herramienta de corte.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Fluidos de corte

1 Aceites empleados en el corte: aceites minerales conaditivos. Se usan a velocidades bajas y conherramientas de acero de alta velocidad (HSS).

2 Los fluidos con base de agua (acuosos) puede seremulsiones, fluidos semi sintéticos que se empleangrandes cantidades de agentes tensoactivos parareducir el tamaño de las partículas del aceite. Losfluidos sintéticos con solo agentes humectantessolubles en agua, inhibidores de la corrosión y sales.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Aplicación de los fluidos decorte

• Aplicación manual: Método poco eficaz que consisteen la aplicación de una pasta (en aplicaciones de bajavelocidad) o de un fluido por medio de una aceiterade presión. No es efectivo y tiende a ensuciar la piezay la máquina.

• Inundación: El método más común, se basa en unsistema recirculante del lubricante que se aplica de auna velocidad de hasta 15 L/min por cada filo.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Aplicación de los fluidos decorte...

Por conveniencia se tiende a aplicar desde el lado de laviruta, aunque es mejor hacerlo en el flanco de alivio. Ensistemas de alta presión (5 a 35 MPa) el fluido ayuda a laremoción de la viruta pero se requiere que encerrar elárea de trabajo ya que puede chocar a velocidades deentre 350 y 500 km/h.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Temperaturas

Fluidos de corte

Herramientade corte

Maquinabilidad



Aplicación de los fluidos decorte...

• Herramientas alimentadas con refrigerante: Existentaladros y otras herramientas con agujeros para queel refrigerante pase por la herramienta y, bombeado apresión, salga cerca del área de corte, aumentando sueficacia y ayudando a eliminar la viruta.

• Atomización del refrigerante: Se puede atomizar paraproporcionar un enfriamiento efectivo debido aevaporación. Se debe controlar la cantidad derefrigerante en el aire.

• Tratamiento de lubricantes y virutas: Para serefectivos, estos si temas deben recircular ellubricante. Se debe controlar la calidad ycomposición del lubricante y las virutas deben serfiltradas. Si se quieren reciclar las virutas, estasdeben estar limpias de impurezas.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corteVida de lasherramientas

Maquinabilidad



Vida de las herramientas

• En los procesos de corte, el desgaste de laherramienta juega un papel muy importante en laeconomía del proceso.

• La vida de la herramienta depende de muchosfactores: material, proceso, la herramienta, lavelocidad de corte, el avance, la temperatura, etc...

• La herramienta puede tener vidas promedios de solohoras.

• Es crucial entonces poder controlar el desgaste ypoder predecir la vida de la herramienta, para evitarcostosas paradas en el proceso.

Mecanizado

SánchezUrrutia




Maquinabilidad



Desgaste de la herramienta1 Desgaste del flanco Este es el modo

normal de desgaste. Ocurre en lacara de alivio y tiene orígenesabrasivos y adhesivos. Es indeseableporque se pierde el controldimensional. (VB)

2 Desgaste de muesca Se presenta a laaltura de la linea de corte. Esfrecuente que la abrasión por capassuperficiales se acelere a través dela oxidación u otras reaccionesquímicas. Puede conducir a fallascatastróficas de la herramienta.

Mecanizado

SánchezUrrutia




Maquinabilidad



Desgaste de la herramienta...

3 Desgaste de cráter Las altas temperaturas y los altosesfuerzos se combinan para crear un cráter en la carade ataque a cierta distancia del filo.Aunque no es dañino, de hecho hace que el ángulo deataque sea más positivo, si puede producir falloscatastróficos por lo cual trata de evitarse ocontrolarse.

Mecanizado

SánchezUrrutia




Maquinabilidad




4 Redondeo del filo Debido a la abrasión, el filo de cortese redondea produciendo un ángulo de ataque cadavez más negativo. El proceso se puede hacer muyineficiente, aumentan las temperaturas y lasherramientas pueden fallar. Una forma de minimizareste problema (en herramientas lo suficientementeduras) es esmerilar un “campo T” que promueve lacreación de una acumulación estable en el borde.

Mecanizado

SánchezUrrutia




Maquinabilidad




5 Despostillado del filo Remoción de laminas cerca delfilo debido a impactos en herramientas frágiles. Losimpactos se pueden deber a cortes interrumpidos oel rompimiento periódico de la acumulación del filo.

6 Agrietamiento del filo Las cargas mecánicas cíclicasconduce a grietas paralelas al filo, en tanto que lafatiga térmica causa grietas perpendiculares al filo(grietas de peine).

7 Falla catastrófica Presente en todos los materialesfrágiles, como los cerámicos, cuando los cortes soninterrumpidos. Se utilizan ángulos negativos de cortey se controla el proceso con más precisión.

Mecanizado

SánchezUrrutia




Maquinabilidad



Criterios de vida de laherramienta

• Desgraciadamente no se puede dar un criterio devida única para las herramientas.

• Depende del proceso efectuado: Si es un proceso determinado, lo importante es la capacidad de produciruna buena superficie y tolerancia, si es un proceso dedesbaste, entonces se puede permitir peorestolerancias.

• Al final necesitamos criterios medibles, que puedenser VB o VBmax dependiendo de la herramienta yproceso:

HSS, desbastado VBmax = 1.5mmAcabado VB = 0.75mm

Carburo VB = 0.4mm, o VBmax = 0.7mmCerámicas VBmax = 0.6mm

Mecanizado

SánchezUrrutia




Maquinabilidad



Predicción de la vida de laherramienta

• El desgastes esta muyrelacionado con la temperaturade corte y por consiguiente conla velocidad de corte.

• Taylor (1907) fue el primero endeterminar que era una ley depotencias:

vtn = Ctnref , tref = 1min

• C es básicamente una constantedel material de la pieza detrabajo y n de la herramienta.

Mecanizado

SánchezUrrutia




Maquinabilidad



Predicción de la vida de laherramienta...

• Para calcular el tiempo, la ecuación se expresa mejorcomo:

t =K

ν1/n

• El avance y la profundidad del corte también sonimportantes:

t =K

ν1/n1f 1/n2w1/n3

• Los componentes no son del todo independientes, yn1 < n2 < n3.

• Si se quiere aumentar la tasa de remoción de materialdebemos aumentar primero la profundidad, luego elavance y finalmente la velocidad.

Mecanizado

SánchezUrrutia




Maquinabilidad



Rugosidad superficial

La rugosidad transversal ideal está dada por:

Rmax =f 2

8R

El promedio aritmético para una rugosidad triangular esRa = Rmax/4, entonces:

Ra ≈f 2

32R

En el corte perfecto, la rugosidad longitudinal sera cero.

Mecanizado

SánchezUrrutia




Maquinabilidad



Integridad superficial

• El endurecimiento por deformación de una capasuperficial es una consecuencia natural de laformación de la viruta. También se puede formar unesfuerzo residual, en compresión, lo cual es benéfico.

• Las grietas debido a velocidades de corte lenta o porinestabilidades en la acumulación en el borde sondañinas.

• Los aceros tratables térmicamente pueden sertemplados cuando se corta a alta velocidad, debido alas altas temperaturas que se forman.

• Cuando las condiciones de corte no son ideales, sepueden crear grandes esfuerzos residuales.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

MaquinabilidadMaquinabilidad

Características delos materialesmaquinables

Maquinabilidad dematerialesferrosos



Maquinabilidad

Existen varios criterios, ninguno aplicableuniversalmente, para definir maquinabilidad:

1 Índice de Maquinabilidad,

2 Vida de la herramienta

3 Desgaste de la herramienta

4 Acabado superficial

5 Fuerza de corte, potencia, temperatura, o formaciónde viruta.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte






Índice de maquinabilidad

• Clasificación promedio dada en comparación de unmaterial de referencia.

• En el caso de los aceros, un acero Bessemer B1112 demaquinado libre, muy similar al actual AISI 1212

• Para aleaciones del aluminio, el 7075T6.

• Se basa en la velocidad de corte al tornear para unavida de la herramienta de 60 minutos.

• Engañoso, porque el índice cambia para procesosdiferentes.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte






Vida de la herramienta

• Se basa en el tiempo para obtener un fallo total deuna herramienta por despostillado o agrietamientobajo condiciones específicas.

• Las especificaciones se basan en la velocidad de cortepara una vida de la herramienta dada en minutos osegundos.

• Otra posibilidad es el volumen del material removidopara un critero de vida de la herramienta.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte






Desgaste de la herramienta

• Se relaciona con el desgase gradual de la cara delflanco o con el desarrollo del cráter.

• Se da como cambio de la dimensión de la piezamaquinada debido al desgaste por tiempo unitariopara una velocidad de corte y alimentacióndeterminadas.

• O el tiempo necesario para desarrollar un desgasteestándar del campo del flanco.

• En otros casos se especifica la profundidad del cráter.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte






Características de losmateriales maquinables

1 Es deseable que el material tenga baja ductilidad, demanera que la separación de la viruta ocurrarápidamente. Se quiere entonces una baja n y unabaja tenacidad a la fractura.

2 Para obtener una baja energía de corte, deseamosmateriales con resistencia (TS) y durezas bajas.

3 Es indeseable que haya una unión metalúrgica fuerteentre herramienta y pieza de trabajo (adhesión) si esposible la difusión. ya que ésta produce undebilitamiento de la herramienta por agotamiento dealeantes.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte






Caracteristicas...

4 Los compuestos muy duros (algunos óxidos, loscarburos, compuestos intermetálicos y silicio)embebidos en el material actuan como particulas deesmeril consumiento la herramienta.

5 Son deseables las partículas suaves o que se suavizana altas temperaturas, ya que contribuyen alrompimiento de la viruta y hasta funcionan comolubricantes internos. Disminuyen las energías decorte.

6 La alta conductividad térmica es útil al minimizar lastemperaturas de corte.

7 Un bajo punto de fusión tambien garantiza unatemperatura de corte baja.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte






Aceros al carbono

Son aceros con contenidos de carbono bajos y medios. Sepresentan en 3 formas:

1 Recocidos. La resistencia aumenta y la ductilidaddisminuye al aumentar el carburo, el cual estapresente en forma perlítica laminar.

2 Esferoidizados. Tratados de forma térmica parallevar a los carburos a su forma esferoidal. Tiene bajaresistencia y alta conductividad.

3 Trabajados en frío. Aumenta la resistencia ydisminuye la ductilidad.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte






Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad

Materialesde laherramientaCaracterísticasdeseables

Aceros al carbono

Acero de altavelocidad

Carburos

Cerámicas


Materiales de la herramienta

• Aunque se ha mejorado la maquinabilidad de losmateriales, los avances mas importantes se deben ala mejora de las herramientas de corte.

• En general, debemos esperar características delmaterial de herramienta opuestas al material detrabajo.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Materiales de la herramienta...

1 La herramienta debe sermas dura que elmaterial más duro quese vaya a cortar. Ademáses importante la durezaen caliente, para evitarla deformación plástica,asegura lascaracterísticasdimensionales y ayuda aminimizar el desgaste.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas



2 La tenacidad es importante para sobrevivir a choquesmecánicos en los cortes interrumpidos (fresado) o enprocesos continúos, cuando la herramienta seencuentra una zona de dureza localizada.

3 La resistencia al impacto térmico, especialmente encortes interrumpidos. La alta conductividad térmicaes preferible.

4 La baja adhesión al material de la pieza de trabajo.Sin embargo es necesaria si se quiere forma una zonasecundaria de corte. Entonces se necesita una unabarrera de difusión.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas



5 La difusión de los aleantes de la herramienta en elmaterial es una de las principales causas de undesgaste rápido. Debe haber una baja solubilidad dela herramienta en el material de la pieza de trabajo.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Materiales de herramienta

1 Aceros al carbon,

2 Acero de alta velocidad (HSS),

3 Carburos fundidos,

4 Carburos cementados,

5 Carburos revestidos,

6 Cermets,

7 Herramientas cerámicas,

8 Nitruro de boro cúbico policristalino (PCBN),

9 Diamante policristalino (PCD).

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Aceros al carbono

• Se utilizan aceros templados (martensíticos),

• Limitados a temperaturas menores de 250◦C,

• Adecuados solamente para maquinar materialessuaves como la madera o para tasas bajas deproducción.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Acero de alta velocidad (HSS)

• Es el material más usado, los dos grupos principalesson los tipos al molibdeno (M1, M2, ... ) y al tungsteno(T1, ...)

• Tipo molibdeno tienen composiciones típicas de0.8C4Cr5 a 8 Mo, 0 a 6W y entre 1 y 2 V.

• Tipo tungsteno 0.7C4Cr18W1V.

• Permiten ciclos de calentamiento y enfriamientosrepetidos hasta de 550◦C sin pérdida de dureza.

• Se consiguen temperaturas mayores agregando de 5 %a 8 % de Co, algunas veces acoplado con un contenidoalto de carbono (M40 y T15).

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Acero de alta velocidad (HSS)

• Se fabrican por forjado y laminado. Pueden sermaquinados al ser recocidos y luego se les aplica eltratamiento térmico para hacerlos mas duros. Elesmerilado final se hace luego del tratamientotérmico.

• Los recubrimientos superficiales juegan un papelmuy importante.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Acero de alta velocidad (HSS)—Recubrimientos

• El “pavonado” (revenido con vapor) crea capas durasy porosas de Fe3O4, que aumenta la vida de laherramienta.

• La nitrurización es más efectiva, especialmente elrecubrimiento por deposición al vacío (PVD) de TiNde color dorado.

• Recubrimientos de TiC (de color negro) po deposiciónquímica de vapor.

• Los recubrimientos de carburo de cromo son mejorespara cortar Ti y Al.

• Los recubrimientos aumentan la vida de laherramienta de dos a seis veces...

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Ejemplos de herramientas deHSS

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Carburos fundidos

• Si la proporcion de carburos aumenta mas allá de unlímite el trabajo en caliente se hace muy difícil y laherramienta debe hacerse por fundición.

• La matriz (aprox. 45 %) se compone por lo general deuna aleación de cobalto en la que se embebencarburos de cromo y Tungsteno y de 2 a 3 % de C.

• El suavizado por temperatura no es tan marcado loque permite velocidades de corte mayores.

• Sin embargo la ductulidad y tenacidad se reducenmucho.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Carburos cementados

• Son producidos usando metalurgía de polvos.

• Si utiliza una matriz de cobalto con 3 a 6 % cuando sedesea dureza y de 6 a 15 % cuando se desea mayortenacidad.

• La fase de carburo puede ser totalmente de WC, peropara metales ferrosos es necesario agregar de 10 a40 % de TiC o TaC o ambos.

• Solo se suavizan gradualmente y funcionanóptimamente a temperaturas mayores de 600◦C.

• Este tipo de herramientas domina el mercadoactualmente.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Carburos revestidos

• Lo ideal es una herramienta con superficie muy duray con poca reactividad al material que se estácortando, pero que tenga un núcleo mas tenaz capazde resistir algo de impacto.

• En estas herramientas se utiliza una base de WCcementado con recubrimientos delgados (5 µm) deun cerámico.

• Pueden hacerse varias capas de recubrido con varioscerámicos para conseguir características deseables.

• El TiC eleva la resistencia al desgaste, el TiN reduce lafricción y el Al2O3 da resistencia contra la oxidación.

• Por sus buenas cualidades han capturado un 80 % delmercado y se usan ampliamente en la producción deaceros y de hierros fundidos.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Cermets

• Los carburos cementados y revestidos son tipos decermets: cerámicos aglutinados en una fase metálica.

• El TiC aglutinado con níquel y molibdeno se utilizanmucho para el corte del acero y el acero inoxidable.

• Para el acabado a alta velocidad y para el maquinadode partes de forma casi neta, se utilizan grados demezclados de TiCTiN, debido a su mejorconductividad térmica y mayores velocidades decorte.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Herramientas cerámicas

• Se pueden fabricar insertos sólidos totalmente demateriales cerámicos.

• Son adecuados para velocidades muy altas pero concargas ligeras u continuas.

• Las herramientas de Al2O3 reforzadas con 25 y 40 %de SiC y las hechas con Si3N4 y cerámicos SiAlON(sialón) son más tenaces y resistentes al desgastes yse pueden emplear para cortes interrumpidos.

• Se usan para el corte de superaleaciones, hierrofundido gris y, en el caso del sialón, también para elacero.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Vida de la herramienta vs tipode material

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Otros ceramicos

• PCBN: Nitruro de boro cúbico policristalino.

• PCD: Diamante policristalino.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Construcción de lasherramientas

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Aceros al carbono


Carburos

Cerámicas


Construcción de lasherramientas...

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad


Selección delosparámetrosdel procesoVelocidades yavances de corte

Tiempo y potenciade corte

Optimización delprocesos de corte

Selección de los parámetros delproceso

• Cuando se decide que una pieza se va a maquinar,queda por determinar los avances, velocidad de corte,profundidad del corte y herramientas a utilizar.

• Cuandos se quieren eliminar volumenes significativosde material se usan cortes de desbaste.

• Las tolerancias dimensionales se obtienen por mediode un corte de acabado.

• En un taller pequeño la elección se basa enexperiencia personal del operador y usualmente esconservadora.

• En la producción competitiva es más crítica ya queelecciones conservadoras implican mayor tiempo ydemasiada agresivas mayores costos.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad





Selección de los parámetros delproceso...

• Una elección inicial de los parámetros se basa en laexperiencia colectiva.

• Existen compilaciones producidas internamente enlas grandes industrias o, de forma pública pororganizaciones especializadas como el Machinability

Data Center y el Mercut Research Associates ahora elInstitue of Advanced Manufacturing Science.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad





Materiales ferrosos• Operaciones de

debaste, con unaprofundidad decorte de 0.150".

• 20 % aumento develocidad coninsertosdesechables decarburo.

• Disminuir lavelocidad 20–30 %para acerosinoxidablesausteníticos yaceros deherramienta.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad





Materiales no ferrosos

• Operaciones dedebaste, con unaprofundidad decorte de 0.150".

• En algunosmateriales lavelocidad cambiapoco con la dureza.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad





Otras consideraciones

• Los datos de las graficas son para torneado yperforado, pero sirven de guía para la mayoría de losprocesos. Se multiplican vs y fs por factores decorrección.

• Los carburos revestidos permiten velocidadesmayores que van desde 25 % para TiN hasta 75 % conrevestimiento de Al2O3.

• Las herramientas cerámicas se prueban al doble de lavelocidad recomendada para carburos cementados enlos cortes de acabado y luego incrementar hasta 5veces la velociadad.

• Se consiguen muy altas velocidades con PCBN ydiamante (hasta 70m/s en algunos casos).

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad





Tiempo y potencia de corte

1 Se calcula el volumen V que se va a eliminar.

2 La velocidad de remoción de viruta Vt se calculamultiplicando la velocidad de corte por el área de lasección transversal de la viruta.

3 El tiempo neto de corte es:

tc =V

Vt

En algunos procesos como el torneado es más fácilcalcular el largo total de la viruta entonces tc =

lv

4 Con esto se pueden aproximar la energía específica,la potencia de la máquina y la fuerza de corte.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad





Optimización

• En un entorno competitivo estas estimaciones no sonsuficientes y se debe pasar a la Optimización delproceso.

• Se puede usar varios criterios de optimización:1 Rapidez de producción máxima,2 Maximización de la ganancia,3 Criterio del costo mínimo.

• Como ejemplo haremos un ejercicio simplificado deun análisis de costo mínimo.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad





Costos asociados a laproducción

Cl Costo de carga y descarga de la pieza (fijo).

tc Tiempo de corte por pieza.

Rt Costo del tiempo, que incluye la paga deloperador, los gastos indirectos y el cargo porla máquina herramienta.

Ct Costo de la herramienta.

tch Tiempo de recambio de la herramienta.

Nt El número de piezas antes de que se debacambiar la herramienta.

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad





Costo total por parte

El costo de “herramienta por pieza” está dado por:

Ctp =1Nt(tchRt + Ct)

para encontrar el costo variable total por pieza hay queañadirle el costo del corte en sí:

Cpr = tcRt + Ctp = tcRt +1Nt(tchRt + Ct)

El tiempo de corte es tc = l/v y el número de piezascortadas por herramienta Nt = t/tc . Tenemos comoresultado:

Cpr =l

vRt +

tc

t(tchRt + Ct)

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad






De la ecuación de Taylor, la vida de la herramienta es:

t = tref

(

C

v

)1/n

y substituyendo da:

Cpr =l

vRt +

1trefC1/n (tchRt + Ct)v

1/n

Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad






Mecanizado

SánchezUrrutia



Herramientade corte

Maquinabilidad





Costo mínimo

El mínimo se encuentra donde la primera derivada conrespecto a v se hace cero.

dCpr

dv= 0 = −

Rtl

v2+

1−nn

l

trefC1/n(tchRt + Ct)v

(1−2n)/n

despejando v:

vmin = C

[

n

1−n

(

trefRt

tchRt + Ct

)]n

Documents

mecanizado