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FUNDAMENTOS DE CORTE
Ing. Manuel H. Vásquez Coronado
Curso: Máquinas y herramientas
•Movimiento de penetración (Mp). Define la profundidad del corte y que se realiza al comienzo de cada pasada que se realice en el mecanizado.
MOVIMIENTOS FUNDAMENTALES•Movimiento de corte (Mc). Permite que la
herramienta penetre en el material produciendo viruta. Se identifica mediante el parámetro de velocidad de corte. (primario).
•Movimiento de avance (Ma). Desplazamiento relativo de la pieza respecto a la herramienta. Se identifica mediante el parámetro de velocidad de avance. (secundario).
MOVIMIENTOS FUNDAMENTALES
FresadoraTorno
Taladro Rectificadora
Los movimientos pueden ser de la pieza o de la herramienta; de rotación o traslación dependiendo del tipo de trabajo a realizar y de la máquina que lo ejecuta.
Mc rectilíneo (traslación)PROCESO Mc Ma
Limado herramienta PiezaMortajado herramienta piezaCepillado herramienta piezaBrochado herramienta pieza
Mc circular (rotación)PROCESO Mc MaTorneado Pieza herramientaTaladrado herramienta herramientaFresado herramienta pieza
Mandrinado (t+f) herramienta herramienta o piezaRectificado herramienta Herramienta y pieza
PARÁMETROS DE CORTELos tres parámetros básicos del proceso de
mecanizado son:
Velocidad de corte (). Movimiento primario.
Velocidad de avance (). Movimiento secundario.
Profundidad de corte (). Penetración de la herramienta de corte dentro de la superficie de trabajo.
MOVIMIENTOS FUNDAMENTALES
1) VELOCIDAD DE CORTE (Vc)Es la velocidad con que se produce el movimiento de corte y por lo tanto la velocidad a la que se realiza el corte.
PARÁMETROS DE CORTE
b) En máquinas con movimiento rectilíneo: (m/min o ft/min)
= Longitud de corte, en metros o pies = Tiempo en minutos
a) En máquinas con movimiento circular: (m/min o ft/min)
= Diámetro de la pieza (m o ft) = número de revoluciones por minuto a que gira la herramienta
o la pieza.
Factores de la velocidad de corteEntre los factores que influyen en la velocidad de corte están:
1. Material de la pieza. En general, los materiales blandos se mecanizan con mayores velocidades de corte.
2. Material de la herramienta. El útil de corte debe ser duro, plástico, resistente al recocido y al desgaste.
3. Sección de la viruta. Las secciones grandes de viruta, se obtienen con velocidades pequeñas de corte.
4. Refrigeración y lubricación del filo de la herramienta. Para disminuir el calentamiento por rozamiento y aumentar la velocidad de corte.
5. Duración de la herramienta. Se considera como el intervalo que transcurre entre dos afilados consecutivos. Aumentando la velocidad de corte disminuye la vida útil de la herramienta.
HSS: Aceros rápidos. Además de carbono contienen cromo y vanadio. Cortes a altas velocidades afectan poco el filo de la herramienta. Resistentes a corrosión.
Carburo: WC, carburo de tungsteno o widia. Otros: TiC, TaC, NbC. Alta dureza y resistencia al desgaste.
2) AVANCE Y VELOCIDAD DE AVANCE El movimiento de avance se puede estudiar desde su velocidad o desde su magnitud.
Velocidad de avance entorno paralelo
Magnitud de avance entorno paralelo
Avance (magnitud) (av): Es el camino recorrido por la herramienta respecto a la pieza o por la pieza respecto a la herramienta en una vuelta o en una pasada (mm).
Velocidad de avance (amin): Longitud de desplazamiento de la herramienta respecto a la pieza o viceversa, en la unidad de tiempo (generalmente en un minuto).
AVANCE Y VELOCIDAD DE AVANCE En ciertas máquinas-herramientas no es posible programar la magnitud del avance, por lo que se hace necesario programar la velocidad de dicho avance. La magnitud del avance se relaciona con la velocidad de avance a través de la velocidad de giro:
(mm) (mm/min)
Donde:= avance por vuelta o carrera (mm). = avance por minuto (mm/min): Velocidad de avance = velocidad de giro en rpm (rev/min = 1/min).
El avance cuando se trata de un fresado se puede expresar de tres maneras:- : Avance por minuto - : Avance por vuelta- Avance por diente número de dientes
cortantes de la fresa
3) PROFUNDIDAD DE CORTE
a) En operaciones en superficies cilíndricas:
= diámetro final de la pieza (mm, in) = diámetro inicial de la pieza (mm, in)
b) En operaciones en superficies planas:
E = espesor inicial de la pieza (mm, in) = espesor final de la pieza (mm, in)
Es la profundidad de la capa arrancada de la superficie de la pieza en una pasada de la herramienta. Se mide en milímetros o pulgadas, en sentido perpendicular. Es la a profundidad de la capa arrancada de la superficie de la pieza en una pasada de la herramienta.
PARÁMETROS DE CORTE
Tasa de remoción de material (volumen de material removido por unidad de tiempo)
Para la mayoría de operaciones con herramientas monofilo se utiliza la fórmula:
= tasa de remoción de material. (mm3/s ), (in3/min)= velocidad de corte. (m/s), (ft/min)= avance. (mm/rev), (in/rev) = f velocidad de avance (mm/min; ft/min) = profundidad de corte, mm (in)D = diámetro de la pieza (mm, ft)
. .MR c vR V a d minmin. . .( ). . . .aD N d D a d
N min. .c
aV dN
Tiempo de mecanizado
𝒕= 𝒍𝒂𝒎𝒊𝒏
(𝒎𝒊𝒏)
= tiempo de mecanizado de la pieza (min, seg)
= longitud de la pieza de trabajo (mm, )
𝒇=𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆𝒂𝒗𝒂𝒏𝒄𝒆 (𝒎𝒎𝒎𝒊𝒏 ;𝒇𝒕𝒎𝒊𝒏 )
𝒇=𝒂𝒎𝒊𝒏 ¿𝒂𝒗 .𝑵 = avance (mm, ft)/rev o carrera
𝑵=𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆𝒍𝒉𝒖𝒔𝒊𝒍𝒍𝒐 (𝒓𝒑𝒎)
PARÁMETROS DE CORTE
En un proceso de torneado
MODELO CORTE ORTOGONALPara poder explicar el proceso de la formación de la viruta en el maquinado de metales, se hace uso del modelo de CORTE ORTOGONAL.
Aunque el proceso de maquinado es tridimensional, este modelo solo considera dos dimensiones para su análisis.
MODELO CORTE ORTOGONAL
Cuando la herramienta se presiona contra la pieza de trabajo se forma por deformación cortante la viruta a lo largo del plano de corte y se desprende de la pieza.
Este modelo asume que la herramienta de corte tiene forma de cuña, y el borde cortante es perpendicular a la velocidad de corte.
Corte ortogonal: a) Como un proceso tridimensional, yb) Tal como se reduce a dos dimensiones en una vista lateral.
MODELO CORTE ORTOGONAL
Relación de virutaDurante el corte, el borde cortante de la herramienta se coloca a cierta distancia por debajo de la superficie original del trabajo. Ésta corresponde al espesor de la viruta antes de su formación to (mm), (in)
Al formarse la viruta a lo largo del plano de corte, incrementa su espesor a tc (mm), (in).
La relación de to a tc se llama relación del grueso de la viruta (o simplemente relación de viruta) .
Como el espesor de la viruta después del corte siempre es mayor que el espesor correspondiente antes del corte, la relación de viruta siempre será menor a 1.0
𝒓= 𝒕𝟎𝒕𝒄
Ángulo del plano de corte
𝒕𝒂𝒏∅=𝒓 .𝒄𝒐𝒔𝜶
𝟏−𝒓 𝒔𝒆𝒏𝜶 ¿¿
𝒓= 𝒕𝟎𝒕𝒄= 𝒔𝒊𝒏∅𝒄𝒐𝒔 (∅ −∝)
Deformación cortante
Donde:
Deformación cortante
Deformación cortante durante la formación de viruta: a) Formación de viruta representada como una serie de placas deslizándose una respecto a la otra,b) Una placa aislada para ilustrar la definición de la deformación cortante basada en este modelo de placa paralela y c) Triángulo de deformación cortante usado para deducir la ecuación de deformación cortante.
Problema de corte ortogonal
En una operación de mecanizado que se aproxima al corte ortogonal, la herramienta de corte tiene un ángulo de 10°; el espesor de la viruta antes del corte es 0.50 mm y después del corte es de 1.125 mm.
Calcula el ángulo del plano de corte y la deformación cortante de la operación.
Ejercicio 01
Relación de espesor de viruta:
Ángulo del plano de corte:
Luego, ángulo de plano de corte: = 25.4°
La deformación cortante:
Solución
FUERZAS EN EL CORTEAl producirse el corte es necesario el desprendimiento de viruta y como consecuencia de éste la rotura de parte del material; este material opone una resistencia a la rotura que es necesario vencer para poder realizar el trabajo.
Las principales fuerzas son:
Suma vectorial de F y N = Fuerza Resultante R
- Fuerza de Fricción (F)- Fuerza Normal a la fricción (N)
Suma vectorial de Fc y Ft = Fuerza Resultante R’’
- Fuerza de Corte (Fc)
- Fuerza de Empuje (Ft)
Suma vectorial de Fs y Fn = Fuerza Resultante R’
- Fuerza Cortante (Fs)
- Fuerza Normal a la cortante (Fn)
FUERZAS EN EL CORTE
Las fuerzas que actúan sobre la viruta, deben estar balanceadas; es decir que R y R’ deben ser:- De la misma magnitud,- De la misma dirección,- De sentido contrario.
Diagrama de fuerzas
Muestra las relaciones geométricas de las fuerzas que intervienen en el modelo de corte ortogonal.
FUERZAS EN EL CORTE
Coeficiente de fricción
𝝁= 𝑭𝑵=𝒕𝒂𝒏 𝜷
= Coeficiente de fricción = Fuerza de fricción (N), (lb) = Fuerza normal a la fricción (N), (lb) = Ángulo de fricción (ángulo de la resultante entre F y N)
𝝉=𝑭 𝒔
𝑨𝒔t = Esfuerzo cortante en el plano de corte. [Pa] {PSI} = Fuerza cortante. (paralela al plano de corte) [N] {lb}= Área del plano de corte. [m2] {in2}S = resistencia cortante del material de trabajo bajo las condiciones de corte. [Pa] {PSI}
Pa (Pascal) = N/m2 PSI = libra por pulgada2
Esfuerzo cortante
= ancho de la operación de corte ortogonal 𝝉=𝑺
FUERZAS EN EL CORTE
F= Fuerza de fricción. [N] {lb}N= Fuerza normal a la fricción. [N] {lb}Fc= Fuerza de corte. [N] {lb}Ft= Fuerza de empuje. [N] {lb}Fs= Fuerza cortante. [N] {lb}Fn= Fuerza normal a la cortante. [N] {lb}
Durante el maquinado, en algunos casos, es posible medir dos fuerzas: fuerza de corte , (paralela a la superficie de la pieza) y la fuerza de empuje (perpendicular a la superficie de la pieza).Con estas dos fuerzas se pueden calcular otras (F, N, Fs, Fn, )que no se pueden medir directamente.𝑭=𝑭 𝒄𝒔𝒆𝒏𝜶+𝑭 𝒕𝒄𝒐𝒔𝜶𝑵=𝑭𝒄 𝒄𝒐𝒔𝜶−𝑭 𝒕 𝒔𝒆𝒏𝜶𝑭 𝒔=𝑭𝒄𝒄𝒐𝒔∅−𝑭 𝒕 𝒔𝒆𝒏∅𝑭𝒏=𝑭 𝒄𝒔𝒆𝒏∅+𝑭 𝒕𝒄𝒐𝒔∅
= ángulo de fricciónR = Resultante de
𝑭=𝑹𝒔𝒆𝒏 𝜷𝑵=𝑹𝒄𝒐𝒔 𝜷
FUERZAS EN EL CORTE
Ecuación de Merchant
𝝉=𝑭𝒄 𝒄𝒐𝒔∅ −𝑭 𝒕𝒔𝒆𝒏∅
(𝒕𝟎𝒘
𝒔𝒆𝒏∅ )
∅=𝟒𝟓+𝜶𝟐 −𝜷𝟐
Ejercicio 02
= ángulo de fricción
F . sen ( - )cos ( )= s
cF
F . sen ( - )cos ( )= s
tF
Fs = Fuerza cortante (N), (lb)Fc = Fuerza de corte (N), (lb)Ft = Fuerza de empuje o de avance (N), (lb) = ángulo de inclinación = ángulo de fricción = ángulo del plano de corte
Fuerza de corte y fuerza de empuje
FUERZAS EN EL CORTE
Ejercicio 03
Para calcular la potencia necesaria para realizar el torneado hay que multiplicar la fuerza que se ejerce por la velocidad de corte. La fuerza de corte viene dada por la resistencia del material y la sección de corte:
FUERZA DE CORTE
FC = K * a * p
K (kp/mm²): fuerza específica de corte, relacionada con la resistencia del material,
a (mm): avance, la distancia que se desplaza la cuchilla en cada vuelta,
p (mm): profundidad de pasada, lo que se introduce la cuchilla.
kp = kilopondio (unidad de fuerza)
POTENCIA DE CORTE
𝑷 𝒄=𝑭𝒄 .𝑽 𝒄
= Potencia de corte. [W o Nm/s] {ft-lb/min} = Fuerza de corte [N] {lb}= velocidad de corte. [m/s] {ft/min}
Potencia de corte en caballos de fuerza:
Potencia. Es la cantidad de trabajo por unidad de tiempo.Una operación de mecanizado requiere potencia.
𝑯 𝑷𝒄=𝑭 𝒄 .𝒗𝟑𝟑𝟎𝟎𝟎
= Potencia en caballos de fuerza. {hp} = Fuerza de corte {lb} = velocidad de corte. {ft/min}
La potencia bruta (Pg) requerida para operar la MH es más grande que la potencia usada en el proceso de corte, debido a las pérdidas del motor y la transmisión de la máquina. Estas pérdidas se pueden contabilizar teniendo en cuenta la eficiencia mecánica (E) de la MH:
POTENCIA DE CORTEPotencia bruta
o =
= potencia bruta del motor de la máquina herramienta en Watts.
HPg = potencia bruta del motor de la máquina herramienta en HP.
E = Eficiencia Mecánica de la Máquina Herramienta.
Muchas veces es útil convertir la potencia en potencia por unidad de volumen (Pu), denominándose entonces potencia unitaria:
Potencia unitaria
En una herramienta gastada, la potencia requerida para el corte es mayor, traduciéndose en valores mayores de potencia unitaria o energía requerida para el proceso.
𝑷𝒖=𝑷𝒄𝑹𝑴𝑹
𝒐𝑯 𝑷𝒖=𝑯 𝑷𝒄𝑹𝑴𝑹
= Potencia unitaria. [W] = Caballos de fuerza unitario. {hp} = tasa del remoción de material. [mm3/s], {in3/min}
Energía específicaA la potencia unitaria también se le conoce como energíaespecífica, esta se puede calcular según la ecuación:
𝑼=𝑷𝒖=𝑷𝒄𝑹𝑴𝑹
=𝑭𝒄 .𝒗
𝑽 𝒄 .𝒕𝟎 .𝒘=𝑭𝒄𝒕𝟎 .𝒘
= Energía específica. [N-m/mm3 o J/mm3] {in-lb/in3} (N-m = Newton metro = 0.7375621 libra-pie)= Velocidad de corte. [m/s] {ft/min} = Fuerza de corte. [N] {lb}= Espesor de viruta antes del corte. [mm] {in} = Ancho del corte [mm] {in}
Ejercicio 04
Ejercicio 05
Determinar la potencia unitaria y la energía requerida para desempeñar el proceso de maquinado, si la velocidad de corte es de 200 m/min. Los datos de la pieza a maquinar son los siguientes: t0 = 0.020 mm , w =0.125 mm y Fc= 350 N.
Solución:
La potencia de la operación: P = Fc· Vc = 350 N · 200 m/min = 70000 Nm/min
Por tanto, la potencia unitaria o energía requerida para la operación sería:
Energía requerida = Pu Pu = Fc/t0w = 350 N / (0.020 mm · 0.125 mm)= 140000 N/mm2
TEMPERATURA DE CORTELa elevación de la temperatura en la interfaz herramienta-viruta durante el maquinado se puede calcular según laecuación de Cook :
∆ 𝑻 = Incremento de la temperatura media en la interfaz herramienta-viruta °C (°F), = Energía específica en la operación (N-m/mm3 o J/mm3 {in-lb/in 3} = Calor específico volumétrico del material de trabajo (J/mm3 - °C) {in-lb/in3 - °F} = Velocidad de corte, {m/s} (in/s), = Espesor de la viruta antes del corte,= Difusividad térmica del material de trabajo, {m2/s} (in2/s).
Difusividad térmica: Rapidez con que se difunde el calor a través de un material
Ejercicio 05
TEMPERATURA DE CORTE
Para calcular la temperatura en la interfaz herramienta-viruta, en forma experimental Trigger propuso la ecuación:
= temperatura medida en la interfaz herramienta-viruta.= velocidad de corte. y = constantes que dependen de las condiciones de corte (diferentes a y del material de trabajo.
𝑻=𝑲 .𝑽𝒄𝒎
Una temperatura excesiva afecta negativamente la resistencia, dureza y desgaste de la herramienta de corte.
Referencias bibliográficas
Groover, M. (2007). Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas (3a. ed.). España: McGraw-Hill.
Escalona, I. (2009). Máquinas: herramientas por arranque de viruta. Argentina: El Cid Editor | apuntes.
Cabrero, J. (2012). Proceso de mecanización por arranque de viruta: mecanizado por arranque de viruta. Argentina: IC Editorial.
Montes de Oca y Pérez López (2002). Manual de Prácticas para la asignatura MANUFACTURA INDUSTRIAL II, Ingeniería Industrial. Editorial: UPIICSA – IPN.
Instituto Politécnico nacional. (2006). Selección y usos de los fluidos de corte para operaciones de maquinado. México.
