Formacion de La Viruta

FORMACIÓN DE LA VIRUTA

Tecnología de Fabricación y Tecnología de Máquinas

Ingeniería de Sistemas y Automática


INDICE



FORMACIÓN DE LA VIRUTA •

Introducción

•

MECANICA DE FORMACION DE VIRUTAS

•

TIPOS DE VIRUTA

•

ROZAMIENTO Y TEMPERATURA

•

CÁLCULO DE LAS FUERZAS DE CORTE

•

TEORÍA DE ERNST-MERCHANT

INTRODUCCIÓN



Los procesos de corte quitan material de la superficie de una pieza y producen virutas. Uno de los procesos más comunes es el cilindrado. La herramienta de corte se ajusta a determinada profundidad de corte y se mueve hacia la izquierda con cierta velocidad a medida que gira la pieza. El avance o velocidad de avance es la distancia que recorre la herramienta en cada revolución. Como consecuencia de esta acción se produce una viruta, que se mueve cuesta arriba por la cara de la herramienta.

INTRODUCCIÓN



Variables independientes en el proceso de corte son las siguientes: El material, recubrimientos y estado de la herramienta; la forma, acabado superficial y filo de la herramienta; los parámetros del corte, tales como velocidad, avance y profundidad del mismo; los fluidos de corte; las características de la máquina herramienta, como por ejemplo rigidez y amortiguamiento; la sujeción y soporte de la pieza. Variables dependientes son las siguientes: El tipo de viruta producida; la fuerza y energía disipadas en el proceso de corte; el aumento de temperatura en la pieza, la viruta y la herramienta; el desgaste y eventual fallo de la herramienta; el acabado superficial producido en la pieza despuésde maquinarla.




Aunque casi todos los procesos de corte son de naturaleza tridimensional, el modelo que aquí describiremos, bidimensional, es suficientemente útil para estudiar la mecánica básica del corte. En ese modelo, llamado corte ortogonal, se supone lo siguiente : - Corte Ortogonal (L=0) - Material maleable. Flujo continuo de viruta - El ancho de corte permanece constante tanto en base como en viruta. No hay expansión lateral - Herramienta rígida de filo perfecto En exámenes macroscópicos se ha visto que las virutas se producen por un proceso de cizalladura, acción que se produce a lo largo de una zona de cizalladura (plano cortante). El espesor de la viruta se puede calcular si se conocen la profundidad de corte, el ángulo de desprendimiento y el ángulo que forma el plano cortante con la superficie de la pieza, φ (cizalladura)


Relación de corte : r=



t sin φ = tv cos(φ - γ )

El espesor de la viruta siempre es mayor que la profundidad de corte; por consiguiente, el valor de r siempre es menor que la unidad. El recíproco de r se llama relación de compresión de viruta o grado de recalcado, y es una medida de lo gruesa que es la viruta en relación con la profundidad de corte. Por consiguiente, el grado de recalcado siempre es mayor que la unidad Grado de recalcado

ε = 1/ r




La relación de corte es un parámetro útil e importante para evaluar las condiciones del corte. Ya que el espesor t de la viruta no deformada es un ajuste de la máquina, y en consecuencia es conocido —y es una variable independiente—, la relación de corte se puede calcular con facilidad midiendo con un micrómetro de tornillo o de carátula el espesor de la viruta tv. Angulo de cizalladura : Como también se conoce el ángulo de desprendimiento, para determinada operación de corte, se puede calcular la deformación cortante γ que sufre el material (ángulo de cizalladura)

r=

senϕ tgϕ = cos ϕ cos γ + sin ϕ sin γ cos γ + tgϕ sin γ

r cos γ + rtgϕ sin γ = tgϕ

r cos γ cos γ = tgϕ = 1 − r sin γ ε − sin γ




El ángulo del plano cortante posee una gran importancia en la mecánica de las operaciones de corte. Influye sobre los requisitos de fuerza y de potencia y sobre el espesor y la temperatura de la viruta (debido al trabajo de deformación). En consecuencia, se ha prestado mucha atención a determinar las relaciones entre el ángulo del plano cortante y las propiedades del material de la pieza, y las variables del proceso de corte.




Triangulo de velocidades : También se puede construir un diagrama de velocidades y, con relaciones trigonométricas, obtener la ecuación

cos γ Vs = V cos(φ - γ )

Vv = V

sin γ cos(φ - γ )

Donde : Velocidad de corte (V) : Velocidad relativa entre la herramienta y la pieza Velocidad de deslizamiento (Vs) : Velocidad relativa de la viruta respecto a la pieza. Velocidad de desprendimiento (Vv) : Velocidad de la viruta respecto al util o herramienta Estas relaciones de velocidad se usan para determinar la potencia necesaria en las operaciones de corte

TIPOS DE VIRUTA



Al observar la formación real de virutas bajo distintas condiciones de corte de metales, se ven desviaciones apreciables del modelo ideal. Se describirán los siguientes tipos de viruta: continua, de borde acumulado o recrecido, escalonada o segmentada y discontinua. Una viruta posee dos superficies: una en contacto con la cara de la herramienta (cara de ataque) y otra de la superficie original de la pieza. La cara de la viruta hacia la herramienta es brillante o bruñida, y ello se debe al frotamiento de la viruta al subir por la cara de la herramienta. La otra superficie de la viruta no se pone en contacto con cuerpo alguno. Esta superficie posee un aspecto rasgado y áspero, que se debe al propio proceso de corte.

TIPOS DE VIRUTA



Viruta continua

Las virutas continuas se suelen formar con materiales dúctiles a grandes velocidades de corte y/o grandes ángulos de ataque. La deformación del material se efectúa a lo largo de una zona de cizalladura angosta, la zona primaria de corte. Aunque en general producen buen acabado superficial, las virutas continuas no siempre son deseables, en especial en las máquinas herramientas controladas por computadora que son habituales hoy en día. Tienden a enredarse en el portaherramientas, los soportes y la pieza, así como en los sistemas de eliminación de viruta, y se debe parar la operación para apartarlas. Este problema se puede aliviar con los rompevirutas, y cambiando los parámetros de maquinado, como la velocidad de corte, el avance y los fluidos de corte

TIPOS DE VIRUTA



Virutas de borde acumulado o recrecido Una viruta de borde acumulado consiste en capas de material de la pieza maquinada que se depositan en forma gradual sobre la herramienta (de aquí el término acumulada). La viruta puede formarse en la punta de la herramienta durante el corte. Al agrandarse, esta viruta se hace inestable y finalmente se rompe. Parte del material de la viruta es arrastrado por el lado que ve a la herramienta, y el resto se deposita al azar sobre la superficie de la pieza. El proceso de formación y destrucción del borde acumulado se repite en forma continua durante la operación de corte, a menos que se tomen medidas para eliminarlo

TIPOS DE VIRUTA



Virutas de borde acumulado o recrecido El borde acumulado se observa con frecuencia en la práctica. Es uno de los factores que afecta de manera más adversa al acabado superficial en el corte. De hecho, un borde acumulado cambia la geometría del filo de corte. A medida que aumenta la velocidad de corte disminuye el tamaño del borde acumulado; de hecho, puede no formarse. La tendencia a la formación de borde acumulado se reduce también con cualquiera de los siguientes métodos: disminuir la profundidad de corte; aumentar el ángulo de ataque; usar una herramienta aguda; usar un buen fluido de corte.

TIPOS DE VIRUTA



Virutas escalonadas o segmentadas Las virutas escalonadas (también denominadas virutas segmentadas o no homogéneas) son semicontinuas, con zonas de baja y alta deformación cortante. Los metales con baja conductividad térmica y resistencia que disminuye rápidamente con la temperatura, como el titanio, muestran este comportamiento. Las virutas tienen un aspecto de diente de sierra.

TIPOS DE VIRUTA



Virutas discontinuas Las virutas discontinuas consisten en segmentos que pueden fijarse, de forma firme o floja, entre sí. Se suelen formar bajo las siguientes condiciones: – – – – – – –

Materiales frágiles en la pieza, porque no tienen la capacidad para absorber las grandes deformaciones constantes que se presentan en el corte. Materiales de la pieza que contienen inclusiones e impurezas duras. Velocidades de corte muy bajas o altas. Grandes profundidades de corte. Ángulos de ataque bajos. Falta de un fluido de corte eficaz. Baja rigidez de la máquina herramienta.

Por la naturaleza discontinua de la formación de virutas, las fuerzas varían en forma continua durante el corte. En consecuencia, adquieren importancia la rigidez del portaherramientas y de los sujetadores de la pieza, así como de la máquina herramienta, cuando se forman virutas discontinuas o escalonadas.

TIPOS DE VIRUTA



Rompevirutas Las virutas largas y continuas son indeseables, porque constituyen un riesgo potencial de seguridad, tienden a enredarse e interferir con las operaciones de corte. Si todas las variables independientes de maquinado están bajo control, el procedimiento normal para evitar esta viruta continua es romperla en forma intermitente con un rompevirutas. Aunque el rompevirutas ha sido por tradición una placa de metal fija a la cara de ataque de la herramienta que dobla la viruta y la rompe, la mayor parte delas herramientas de corte poseen características incorporadas de rompevirutas, con distintos diseños de insertos individuales. También se pueden romper las virutas debido a la geometría de la herramienta, controlando así el flujo.




Debido a los elevados valores de los esfuerzos involucrados en el proceso de corte, se producen asimismo valores elevados en la fuerza de rozamiento, que suponen un incremento considerable de la temperatura de la herramienta y de la pieza en la zona de corte. Esta elevación de la temperatura trae consigo, entre otras posibles consecuencias, la disminución de los valores de dureza y resistencia al desgaste de la herramienta y variaciones dimensionales de ésta por dilataciones térmicas. Por todo ello, resulta de vital importancia en los procesos de mecanizado facilitar al máximo la evacuación del calor generado por las fuerzas de rozamiento, a fin de minimizar los efectos negativos que éste genera.




El modelo de rozamiento normalmente aplicado en el mecanizado convencional es el de rozamiento de semiadherencia, ya que el modelo de rozamiento de Coulomb empleado en mecánica clásica Fr = N, no resulta aplicable debido a que la componente normal a la superficie presenta valores muy superiores a los admitidos por este modelo. Así, la fuerza de rozamiento es proporcional a la tensión de fluencia a cortadura del material de la pieza (K) y a la sección de contacto entre pieza y herramienta, siendo el coeficiente de proporcionalidad el denominado factor de rozamiento de semiadherencia (m) Fr = m K Área.




Por su parte, el incremento de temperatura debido al rozamiento, resulta más crítico en la herramienta que en la pieza. La razón es que la pieza presenta en general unas dimensiones mayores que permiten la evacuación del calor por conducción hacia el interior y por convección hacia el exterior de la misma y que sólo una pequeña parte de la superficie de mecanizado se ve afectada en cada instante por el proceso. En el caso de la herramienta la situación es la inversa, es decir, sufre continuamente el efecto del rozamiento durante el proceso de corte y no dispone de las mismas posibilidades de evacuación del calor generado.




En una sección normal, se localizan tres zonas en las que se alcanza un mayor incremento de temperatura tal y como muestra la figura




La primera de ellas (zona I) engloba el plano o la zona de deslizamiento, que es aquélla en la que se produce un rozamiento interno del material de la pieza que está siendo deformado. La segunda zona (zona II) se localiza en la cara de desprendimiento de la herramienta y aparece como consecuencia del rozamiento entre ésta y la viruta. En esta zona se detecta el punto de máxima temperatura, coincidiendo con el punto final de contacto virutaherramienta. Finalmente aparece una tercera zona (zona III) en las inmediaciones de la cara de incidencia de la herramienta debida al rozamiento aparecido entre ésta y la superficie ya mecanizada de la pieza.




El calor generado en las zonas I y III afecta fundamentalmente a la pieza que, tal y como ha sido indicado, presenta mayores posibilidades de evacuación del mismo por conducción hacia el interior y por convección hacia el ambiente exterior. La zona más crítica es la zona II, puesto que, aunque el calor generado se distribuya entre la viruta y la herramienta, la parte correspondiente a la herramienta resulta más difícil de eliminar y va acumulándose a medida que se desarrolla el proceso. Un efecto muy nocivo, derivado del incremento de temperatura, es el conocido como "filo recrecido" cuya aparición depende además de los materiales de pieza y herramienta. El filo recrecido consiste en la deposición progresiva de material de la pieza sobre la cara de desprendimiento de la herramienta. Este material queda adherido por soldadura y modifica la geometría de la herramienta, de forma tal que se hace necesario detener el proceso y proceder a la eliminación del recrecimiento antes de proseguir.




La determinación de la fuerza de corte en el mecanizado permite conocer, no sólo las solicitaciones dinámicas a las que se ve sometida la herramienta o la pieza, sino también el valor de la potencia requerida para poder efectuar el proceso. La mayor parte de dicha potencia se consume en la eliminación del material de la pieza, de ahí que la componente de la fuerza que reviste una mayor importancia desde este punto de vista es aquélla que tiene la misma dirección que la velocidad resultante de corte. A esta componente es a la que normalmente se denomina fuerza de corte (Fc o Ft)







Fuerzas y tensiones de corte: Ft = R cos( ρ - γ ) N t = R sin( ρ - γ ) = Ft tan( ρ - γ )

Según las direcciones de corte: Según las direcciones de la cara de desprendimiento:

µ = tan ρ

sin ρ cos( ρ - γ ) cos ρ N = R cos ρ = Ft cos( ρ - γ )

F = R sin ρ = Ft

Según el plano de cizallamiento: Fs = R cos(φ + ρ - γ ) = Ft

Cálculo de ρ:

cos(φ + ρ - γ ) cos( ρ - γ )

tan ρ =

N s = R sin(φ + ρ - γ ) = Ft

N t + Ft tan γ Ft - N t tan γ

sin(φ + ρ - γ ) cos( ρ - γ )

TEORÍA DE ERNST-MERCHANT



Por otro lado y suponiendo una distribución de tensiones uniforme sobre el plano de deslizamiento de valor τ s, tal y como la representada en la figura


TEORÍA DE ERNSTMERCHANT


Se tiene que :

τ s recibe el nombre de tensión dinámica de deslizamiento, siendo una constante propia de cada material. Sustituyendo la expresión anterior en la que relaciona Ft (Fc) y Fs se llega a :

(ρ − γ ) −γ)




Esta expresión proporciona el valor de la fuerza de corte en función de la tensión dinámica de deslizamiento, de la sección de viruta indeformada, del ángulo de deslizamiento y del ángulo de rozamiento. De estas cuatro variables, tres de ellas son conocidas, mientras que el ángulo de rozamiento es desconocido. Por tanto se requiere una ecuación más que relacione el ángulo de rozamiento con las otras variables conocidas. Esta ecuación se obtiene a partir de la llamada "hipótesis de Merchant", que establece lo siguiente: "El plano de deslizamiento en un proceso de corte ortogonal, se sitúa de forma tal que la potencia necesaria para la deformación es mínima". cos( ρ − γ )

−γ)




A partir de esta hipótesis se tiene que la potencia será mínima cuando el denominador sea máximo, es decir

−γ)

esta condición implica que

2ϕ + ρ − γ =

π 2




Merchant encontró que existía una buena correspondencia entre los resultados de su teoría y los experimentos de corte en plásticos sintéticos, pero que la correspondencia era bastante pobre para otros materiales, como por ejemplo el acero. Esto se debía a que se había considerado los materiales como isótropos, es decir, que su resistencia al corte era constante en todo el plano de cizalladura y no se veía afectada por la temperatura, velocidad de deformación, etc. Consiguió demostrar que la relación entre los ángulos de cizalladura, rozamiento y desprendimiento cumplía:

2φ + ρ - γ = C Donde C es la constante de mecanizado y está tabulada para cada material.




-Si el ángulo de desprendimiento aumenta, el ángulo de cizalladulla aumenta. -Si el ángulo de rozamiento disminuye (disminuye la fricción), el ángulo de cizalladura aumenta. -Si el ángulo de cizalladura aumenta, disminuye el área de corte (menor potencia necesaria). -Si el ángulo de cizalladura disminuye, aumenta el área de corte (mayor potencia necesaria).

Formacion de La Viruta

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