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PROYECTO DE MANUFACTURARESUMEN DE TEMA: HERRAMIENTAS DE CORTE
Frank González
RESUMEN
FUNDAMENTOS DE CORTEProceso de Corte (Mecanizado)
Realizado por:
T.S.U. Frank González
Universidad Politécnica de Falcón
Alonso Gamero
PROYECTO DE MANUFACTURARESUMEN DE TEMA: FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE
CORTE
Frank González
MECÁNICA DE FORMACIÓN DE VIRUTA
El maquinado es un proceso de manufactura en el que una herramienta de corte
se utiliza para remover el exceso de material de una pieza, de forma que el material
que quede tenga la forma deseada. La acción principal de corte consiste en aplicar
deformación en corte para formar la viruta y exponer la nueva superficie. Entonces
en los procesos de corte es importante tomar en cuenta lo siguiente:
Materiales que se pueden Cortar:
Metales
Madera
Plásticos
Cerámicos
Compuestos
Ejemplos de algunos procesos de
corte:
Torneado
Fresado
Taladrado
Clasificación Básica de los tipos de corte:
Corte Ortogonal
El filo cortante de la herramienta es
perpendicular la velocidad de corte, ver figura
siguiente:
Fig. 1: OF perpendicular a v
Corte Oblicuo En el corte oblicuo, el ángulo entre el filo
cortante y el vector de velocidad cortante es
diferente de 90º, ver figura siguiente:
Fig. 2: OF no es perpendicular a v
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TIPOS DE VIRUTAS
Virutas Continuas
Virutas de borde acumulado o
recrecido
Virutas escalonadas o segmentadas
Virutas discontinuas
LA MECÁNICA DEL CORTE OBLICUO
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La mayor parte de las operaciones de corte implican formas de herramientas
tridimensionales (oblicuas). Una diferencia básica entre el corte bidimensional y el
oblicuo se ve en la (fig. 7). Como ya vimos, en el corte ortogonal el filo de la
herramienta es perpendicular al movimiento de ella y la viruta se desliza cuesta
arriba de la cara de la herramienta.
En el corte oblicuo el filo de corte forma un ángulo i. llamado ángulo de
inclinación (fig. 7). Nótese la dirección lateral del movimiento de la viruta en el corte
oblicuo. Este caso se parece al de una conformadora con cuchilla oblicua, que
empuja la tierra hacia un lado.
Fig. 7: Representación del corte oblicuo.
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Nótese que la viruta de la (fig. 7). Va hacia arriba de la cara de ataque de la
herramienta formando un ángulo αf (ángulo de flujo de viruta), que se mide en el
plano de la cara de la herramienta. El ángulo αn (ángulo normal de ataque), es una
propiedad geométrica básica de la herramienta. Es el ángulo entre la normal α z a la
superficie de la pieza, y la recta oa en la cara de la herramienta.
El material de la pieza llega a la herramienta a una velocidad V y deja la
superficie, en forma de viruta, con una velocidad vc. El ángulo efectivo de ataque αe,
se calcula en el plano de estas dos velocidades. Suponiendo que el ángulo de flujo
de la viruta αf sea igual al ángulo de incidencia i, hipótesis que, mediante
experimentos ha demostrado ser aproximadamente correcto, el ángulo efectivo de
ataque αe es:
α e=sen−1 (sen2 i+cos2i . senαn )
Como i y αn se pueden medir en forma directa, se puede calcular el ángulo
efectivo de ataque. A medida que aumenta i el ángulo efectivo de ataque aumenta y
la viruta se adelgaza y se alarga.
Una herramienta monofilo típica para torneado (un buril) se ve en la (fig. 8a).
Nótese los diversos ángulos que intervienen, cada uno de los cuales se deben
seleccionar en forma adecuada para obtener un corte eficiente. Aunque por lo
general se pueden obtener estos ángulos en las herramientas por esmerilado.
Hoy, las herramientas se consiguen con mucha frecuencia en forma de insertos o
pastillas (fig. 8b), montados en porta herramientas con diversos ángulos para
orientarlos en distintas aplicaciones.
Rasurado y pelado. Se pueden sacar capas delgadas de material de superficies
rectas o curvas con un proceso parecido a cuando se usa un cepillo para alisar la
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madera. El rasurado tiene utilidad especial cuando se requiere mejorar el acabado
superficial y la exactitud dimensional de partes cizalladas y tejos punzonados.
Fig. 8: Esquema de un buril derecho.
FUERZAS Y POTENCIAS DE CORTE
La Fuerza de Corte, Fc, actúa en la dirección de la velocidad de corte Vc, y
suministra la energía necesaria para cortar.
La fuerza de Empuje, Ft, actúa en una dirección normal a la velocidad de corte,
esto es, perpendicular a la pieza. Estas dos fuerzas producen la fuerza resultante, Fr.
Nótese que la fuerza resultante se puede descomponer en dos fuerzas sobre la
cara de la herramienta: una fuerza de fricción, Ff, a lo largo de la interface entre la
herramienta y viruta, y una fuerza normal, N, perpendicular a ella.
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Fig.9: Fuerzas de Corte
F f=F r . senβ
N=F r . cosβ
Las fuerzas de corte, se pueden medir con dinamómetros adecuados (celdas de
deformación con alambre de resistencia) o con transductores de fuerza (como
cristales piezoeléctricos) montados en la máquina herramienta. También se pueden
calcular partiendo del consumo de potencia durante el corte, que con frecuencia se
mide con un potenciómetro, siempre que se pueda determinar la eficiencia de la
máquina herramienta.
La potencia, es el producto de la fuerza de corte y la velocidad.
P=F c .V
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Ya que intervienen tantos factores, una determinación de las fuerzas y potencia
de corte se basa todavía en datos experimentales. Los amplios limites de valores que
se muestran se pueden atribuir a diferencias en resistencia dentro de cada grupo de
materiales, así como a diversos factores, como la fricción, el uso de fluidos de corte
y las variables de procesamiento.
La agudeza de la punta de la herramienta también influye sobre las fuerzas y
potencia. Como se frota contra la superficie maquinada y agranda la zona de
deformación delante de ella, las herramientas desafiladas requieren mayores
fuerzas y potencias.
TEMPERATURA DE CORTE
El primer factor del fenómeno de corte es la existencia de una alta temperatura
de corte. La fig. 10 muestra la relación entre la temperatura y la velocidad de corte
para el mecanizado de acero al carbono. A un avance de 0.2 mm/rev la temperatura
alcanza los 1000ºC a una velocidad de corte de 200m/min.
Fig.10: Relación entre Temperatura y velocidad de Corte
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Los materiales tales como acero inoxidable y aleación de titanio tienen baja
conductividad termal y causan un gran incremento en la temperatura de corte.
Además, la temperatura se incrementa cuando los insertos de las herramientas
sufren desgaste o daños (astillamiento, fracturas, etc.) La temperatura del filo se
incrementa debido al calor generado en el punto de corte. También, las mesas y los
porta-herramientas de la máquina son afectadas térmicamente por el despeje de
virutas de alta temperatura sobre sus superficies. Con respecto al problema de
desempeño, debe ser tomado en consideración que la herramienta y la máquina
están en contacto directo con las altas temperaturas generadas durante el
mecanizado.
Fig.12: Fuentes de Calor
Fuentes de calor en la formación de virutas.
Es esperable que, todo aceite de corte emulsionable, provea a los filos de la
herramienta, una acción combinada de lubricación-refrigeración eficiente, cuya
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principal función será prolongar la vida útil del filo por disminución de su
temperatura mediante dos acciones: enfriamiento y reducción de la fricción
En consecuencia, la eficiencia de un aceite emulsionable en condiciones de
mecanizado, podrá ser evaluada efectuando una o más mediciones de distintos
tipos, a saber: esfuerzos de mecanizado; temperatura en la zona de corte; consumo
de potencia; evolución del desgaste de la herramienta; rugosidad de la superficie
mecanizada; etc.
El mecanizado de alta velocidad Ideado por Carl Salomon entre los años 1924 y
1931, fija una idea sorprendente: Dado un material a mecanizar, existe una
velocidad crítica (5 a 10 veces la usada en mecanizado convencional), a la que la
temperatura deformación de viruta comienza a descender. La disminución es
pequeña para fundición y aceros, pero muy importante en materiales no ferrosos),
abriendo la posibilidad de mecanizar materiales con más de 50 HRc.
Fig.13: Relación Temperatura de Corte-Velocidad de corte
Las herramientas de acero no aleado son buenas para trabajos que no requieran
de mucha precisión ya que pierden su filo a temperaturas mayores a los 250ºC, y
como se sabe el filo de la herramienta es muy importante para la calidad superficial
de la pieza. En el caso que se quiera trabajar con altas velocidades, altas
temperaturas se recomienda utilizar herramientas de aceros aleados o (SS), ya que
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mantienen su dureza y filo a estás condiciones tan extremas, para trabajos donde se
desea trabajar a altas velocidades y materiales muy duros se recomienda trabajar
con carburos cementados, que poseen una dureza elevada, reducen el tiempo de
trabajo de una pieza, pero no son baratos son muy caros, se obtienen superficies
muy lisas.
Vida de las herramientas
La duración de una herramienta de corte es uno de los aspectos económicos
más importantes en el corte y se ha realizado un gran esfuerzo en investigar los
factores que limitan la duración de una herramienta de corte. La vida de una
herramienta puede terminar en varias formas y estas pueden separarse en dos
grupos principales:
a) Por desgaste gradual o progresivo de ciertas zonas de la cara o el flanco de
la herramienta de corte.
b) Por una falla o fractura que produzca la terminación prematura de la vida de
la herramienta.
Se han sugerido tres formas de desgaste progresivo en el corte de metales,
ellas son, desgaste por adhesión, por abrasión y por difusión. En la práctica, se
conoce poco acerca de la importancia relativa, de estos mecanismos de
desgaste, aunque se ha obtenido mucha información del desgaste de la
herramienta. El desgaste progresivo de una herramienta de corte ocurre en dos
formas distintas:
a) Etapa de factura inicial, en la cual el filo agudo se fragmenta rápidamente
una zona de desgaste de dimensiones finitas.
b) Etapa media, en donde el desgaste por unida de tiempo es uniforme.
c) Etapa final de fragmentación rápida, en la cual se piensa que el desgaste de
la herramienta por unidad de tiempo aumenta a causa del incremento
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rápido de las temperaturas generadas por la fricción entre la zona de
desgaste del flanco y la superficie transitoria de la pieza.
Las herramientas durante el trabajo están sometidas a las acciones siguientes:
a. Grandes esfuerzos localizados
b. Altas temperaturas
c. Deslizamiento de la viruta por la superficie de ataque
d. Deslizamiento de la herramienta de trabajo por la superficie mecanizada
En general, el desgaste de la herramienta es un proceso gradual, muy parecido al
desgaste de la punta de un lápiz ordinario. La rapidez del desgaste depende de los
materiales de la herramienta y de la pieza, la forma de la herramienta, el fluido de
corte, los parámetros del proceso (como la velocidad de corte, avance y profundidad
de corte) y las características de la máquina herramienta. Que corresponden a dos
regiones de la herramienta: desgaste de flanco y desgaste de cráter.
Existen tres formas posibles de falla en la herramienta de corte:
Falla por fractura - Falla por temperatura - Desgaste gradual.
Duración de la Herramienta:
La duración de la herramienta entre dos afilados consecutivos puede valorarse
según los siguientes criterios:
1. Tiempo efectivo o total de mecanizado.
2. Volumen de material arrancado.
3. Número de piezas mecanizadas.
4. Velocidad de corte equivalente, es decir, la velocidad de corte a la que la
herramienta tendría una duración preestablecida, expresada en tiempo efectivo.
5. Velocidad de corte relativa, es decir, la velocidad a la cual la herramienta presenta
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la misma duración tanto para el material que se ensaya como para un material de
referencia a igualdad de las restantes condiciones de corte.
Criterios para determinar la Vida de la Herramienta:
La duración económica de la herramienta puede ser definida con ayuda de los
siguientes criterios:
• Destrucción total del filo, con esta condición la herramienta no puede trabajar más
sin afilado. Este criterio es aplicable a herramientas de aceros rápidos y máquinas no
automáticas.
• Dimensiones preestablecidas de la franja de desgaste y del cráter. Al aumentar la
anchura de la franja de desgaste, aparecen modificaciones en las dimensiones de las
piezas, esto es muy importante en las máquinas automáticas.
• Acabado superficial de la pieza, las variaciones de calidad de la pieza en su
superficie, indican un deterioro de la herramienta. La aparición de este criterio no es
fácil, ya que el acabado superficial de la pieza no varía uniformemente con el
desgaste de la herramienta.
• Variaciones de las fuerzas de corte, ya que éstas varían a causa del desgaste.
El material de la herramienta debe cumplir con habilidades específicas tales
como:
Ser suficientemente dura para resistir el desgaste y deformación pero tenaz
para resistir los cortes intermitentes e inclusiones.
Ser químicamente inerte en relación al material de la pieza de trabajo y
estable para resistir la oxidación, para evitar que se genere el filo recrecido y
desgaste prematuro.
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Estas propiedades permitirán mecanizar con altas velocidades de corte, aumentar
la vida de las herramientas, permitir obtener la mejor calidad superficial y
dimensional posible en la pieza a mecanizar.
MAQUINABILIDAD
La maquinabilidad no responde a una e individual característica sino a un
conjunto de características distintas, cada una de las cuales puede variar
independientemente de las demás. Esto comporta serias dificultades para dar una
definición de maquinabilidad y además para preparar los medios y procedimientos
adecuados para permitir una precisa y válida medida de esta propiedad. Se le podría
definir como la aptitud de metales o aleaciones, para ser conformados por
mecanización en máquinas-herramientas o sea por arranque de material.
En condiciones normalizadas, se mide por medio de ensayos, valorándolos según
alguna de las siguientes características:
Duración del afilado de la herramienta de corte.
Velocidad de corte que debe aplicarse para una duración del afilado de la
herramienta.
Fuerza de corte de la herramienta.
Trabajo de corte.
Temperatura de corte.
Producción de viruta.
CALIFICACIÓN DE LA MAQUINABILIDAD
Hay muchos factores que afectan a la maquinabilidad, pero no hay un consenso
en la forma de cuantificarla. En lugar de ello, a menudo la maquinabilidad se evalúa
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caso por caso y las pruebas se adaptan a las necesidades específicas de una fábrica.
Existen tablas y gráficos que proporcionan una referencia para comparar la
maquinabilidad de diferentes materiales, pero son necesariamente imprecisas
debido a la multitud de variables de proceso y otros factores externos que pueden
tener una influencia significativa. Estas tablas suelen medir la maquinabilidad en
términos de velocidad de corte para una determinada vida útil de la herramienta.
Por ejemplo, la maquinabilidad relativa podría darse como:
Donde Vc60 es la velocidad de corte para una vida útil de la herramienta de 60
minutos. ]Las pruebas de maquinabilidad más conocidas fueron las llevadas a cabo
por Frederick W. Taylor y dieron lugar a lo que se conoce como ecuación de Taylor
que relaciona la velocidad de corte con la vida de la herramienta.[]
Factores que afectan la maquinabilidad de los materiales
La maquinabilidad no depende solamente de las características intrínsecas del
material, ya que las condiciones de corte y las características de la herramienta,
pueden determinar notables y profundas variaciones en la máquina. Además del
tipo de herramienta, sobre la maquinabilidad influyen los siguientes factores:
1. Composición química del material
2. Construcción de los materiales
3. Inclusiones contenidas
4. Dureza
5. Acritud
6. Tamaño de grano
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Maquinabilidad de los Aceros
Debido a que los aceros son de los metales más importantes en ingeniería, se ha
estudiado en forma extensa su maquinabilidad, esta propiedad de los aceros se ha
mejorado, principalmente agregándose plomo y azufre para obtener los llamados
aceros libres-maquinado, o aceros de maquinado libre.
Aceros resulfurados y refosforados.
El azufre en los aceros forma inclusiones de sulfuro de manganeso que actúa
como elevadores de esfuerzos en la zona de corte primario. En consecuencia, las
virutas producidas se rompen con facilidad y son pequeñas; esto mejora la
maquinabilidad. El tamaño, forma, distribución y concentración de estas inclusiones
influyen mucho sobre la maquinabilidad. l. Nótese que puede ser que los aceros
suaves sean difíciles de maquinar, con formación de borde acumulado y mal
acabado superficial. El segundo efecto es que la mayor dureza causa la formación de
virutas cortas, en lugar de hilos continuos, y con ello mejora la maquinabilidad.
Aceros con plomo
Un gran porcentaje del plomo en los aceros se solidifica en las puntas de las
inclusiones de sulfuro de manganeso. En los tipos no resulfurados de acero, el
plomo toma la forma de partículas finas dispersas. El plomo es insoluble en el hierro,
cobre y aluminio y en sus aleaciones. Por su baja resistencia al corte, en
consecuencia, el plomo funciona como lubricante solido y se reparte sobre la
interface herramienta-viruta durante el corte.
Aceros inoxidables
Los aceros austeniticos (serie 300 o 400) son difíciles de maquinar. El traqueteo
puede ser un problema, necesitando maquinas y herramientas con gran rigidez. Sin
embargo, los aceros inoxidables ferríticos tienen buena maquinabilidad. Los aceros
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martensiticos son abrasivos, tienden a forma de borde acumulado y requieren
materiales de herramienta con gran dureza en caliente y resistencia al desgaste de
cráter. Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación son fuertes y
abrasivos, requieren materiales de herramientas duros y resistentes a la abrasión.
Maquinabilidad en Aleaciones del Cobre
Dentro del grupo de aleaciones de cobre de fácil maquinabilidad se incluyen las
aleaciones con elementos que, por ser prácticamente insolubles en el cobre,
facilitan la rotura de la viruta. Entre estas aleaciones se encuentran:
Aleación Cobre-Teluro: Se obtienen por adición de 0,3 a 0,7% de Te a cobres
tenaces o OFHC. El teluro es casi insoluble en el cobre a temperatura ordinaria y
forma teluros que precipitan en los bordes de grano, facilitando la rotura de la
viruta, proporcionando una maquinabilidad comparable a la de los latones con
plomo. La adición de teluro aumenta la temperatura de recristalización
Aleación Cobre-Azufre: Una adición de 0,3 a 0,5% de azufre confiere al cobre las
mismas propiedades que el teluro, siendo la transformación de la aleación más
sencilla y barata que con teluro.
Aleación Cobre-Plomo: Un contenido de plomo de 0,5 a 1 % confiere al cobre una
maquinabilidad elevada aunque un poco inferior a la de los Cu-Te y Cu-S.
Maquinabilidad en fundiciones
Fundición nodular: Tiene una importante dureza, mejorada por una gran
maquinabilidad, por lo cual todas aquellas piezas fundidas tienen que ser realizadas
mediante este proceso ya que el acabado final puede ser dado con procesos de
arranque de viruta.
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Maquinabilidad en aleaciones de aluminio
Las aleaciones de aluminio-magnesio son superiores a casi todas las otras
aleaciones de fundición de aluminio en cuanto a resistencia, corrosión y
maquinabilidad; además de excelentes condiciones de resistencia mecánica y
ductilidad.
El aluminio puro y las aleaciones de aluminio-manganeso son duros para
maquinar, a no ser que se empleen herramientas especiales con mayor ángulo de
salida que el acostumbrado para el acero. Las herramientas duras de carburo
cementado son esenciales para el aluminio-silicio. Las aleaciones que contienen
cobre y las forjadas tratadas térmicamente tienen buena maquinabilidad.
Maquinabilidad del Bronce
El bronce aleado (C93700) con excelentes características de maquinabilidad,
resistencia media, con buena resistencia a las condiciones de acidez media como son
las aguas duras. Se utiliza normalmente en piezas que giran a velocidad tangencial
máxima de 4 m/seg, y para presiones medias a altas.
Normalmente se requiere una superficie endurecida del eje (pieza contraria).
También se conoce como bronce 80-10-10.
Aplicaciones
Chumaceras y cojinetes usados en herramientas, maquinas, grúas, dragas,
molinos, trituradoras. Bujes para alta velocidad y alta presión, guías para molinos
acereros, fundiciones para alta presión, baleros de alta presión, partes que
requieran resistencia acida a fluidos con sulfitos.
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