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Fuerza y potencia de corte
FUERZA Y POTENCIA DE CORTE EN ARRANQUE ARRANQUE DE VIRUTA
Álvaro Pérez Rodríguez, Luis A. A. Mayor Moreno, David González López, Daniel González Abad, José L. del Nogal García, Luis Mediero Muñoyerro, Eduardo Medina Santos. SEIS (6)
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[email protected] [email protected] [email protected] PALABRAS CLAVE :
fuerza, potencia, maquinabilidad.
The forces acting on the tool are an important aspect of machining. For those concerned with the manu manufa fact ctur uree of machi machine ne tool tools, s, a knowl knowled edge ge of the the forc forcee is neede neededd for for esti estima mati tion on for for powe power r requirements and for design of structures adequately rigid and free for vibration. The cutting forces vary with the tool angles an accurate measurement of force is helpful in optimising tool design. Scientific analysis of metal cutting also requires knowledge of the forces, and in the last eighty years many dynamometers have been developed, capable of measuring tool force with considerable accuracy. FUERZAS DE CORTE
Las fuerzas de corte están compuestas principalmente por el esfuerzo del arranque de viruta y el esfuerzo para romper la viruta. La intensa presión y fricción en el proceso da lugar a fuerzas que actúan en varias direcciones. El esfuerzo aplicado sobre el filo es principalmente de compresión, pero también existen esfuerzos de cizalladura. El área de contacto entre la viruta y la cara de desprendimiento está relacionada con las fuerzas de corte, razón por la que habrá que optimizar optimizar su geometría. El material de la herramienta también afecta a las fuerzas de corte.
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Fig. 1. Esfuerzo de compresión compresión y fuerzas en el filo de corte
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Fuerza y potencia de corte
Desde un punto de vista tridimensional, la fuerza de corte puede dividirse en tres componentes: fuerza tangencial (Fc), fuerza radial (F p), y fuerza axial (Ff ). La fuerza tangencial depende en gran parte no sólo del contacto pieza-herramienta, sino también del tipo de contacto entre la viruta y la cara de desprendimiento. La calidad de la viruta real y la rotura de ésta afectan considerablemente a la fuerza tangencial. También existe un a relación directa entre el espesor de viruta no deformado (hd) y la fuerza tangencial. Fig.2 . Fuerza de corte:
componentes.
Fig.3. Fuerza de corte/espesor viruta.
En la figura 3, la fuerza Fco es la fuerza necesaria para deformar el material antes de que se forme ninguna viruta. La magnitud de esta fuerza varía con el tipo y condición del material de la pieza. Por otro lado, para la mayoría de los materiales, el aumento de la velocidad de corte conduce a unas fuerzas de corte más bajas, debido a un aumento de temperatura en la zona de influencia en un área más reducida de contacto.
Fig.4. Fuerza/velocidad de corte.
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Fuerza y potencia de corte
El tamaño de la fuerza tangencial contribuye al par de torsión que tiene lugar, y por ello influye en los requerimientos de potencia para el corte en cuestión. En principio, el producto de la fuerza tangencial por la velocidad de corte representa la potencia necesaria. El diagrama comparativo para fuerza específica de corte Kc muestra que ésta disminuye conforme aumenta el espesor de viruta sin deformar, dependiendo del tipo de material, como puede verse para (A) acero inoxidable, (B) acero aleado y (C) fundición gris. La fuerza depende de la tensión de fluencia del material en la zona de cizalladura de la pieza y el área de cizallamiento. Este área varía considerablemente y con la misma, la fuerza de corte. Se cree que tiene una mayor influencia que la tensión de fluencia del material, que en realidad no varía tanto en el proceso de corte. Fig.5. Kc según materiales.
Las aleaciones y el tratamiento térmico incrementan la tensión de fluencia del material. Por lo tanto, esto tiene una influencia importante en lo que respecta al cálculo de potencia (Pc) para cualquier proceso de mecanizado. El efecto de esta fuerza se expresa por medio de la fuerza específica de corte (Kc). Ésta se define como la fuerza de corte tangencial necesaria por sección de viruta, y se expresa en N/mm2
Fig..6. Fuerza/potencia específica de corte
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Fuerza y potencia de corte
Como tal, la potencia está muy estrechamente relacionada con el trabajo/energía (energía específica) necesaria por volumen de metal arrancado. El valor de la fuerza específica de corte se conoce para diferentes materiales, permitiendo el cálculo del material de pieza eliminado por unidad de potencia. También es un factor en lo que respecta a maquinabilidad de los materiales. El valor es válido para un material bajo ciertas condiciones y datos de corte. Por ejemplo, el valor variará con la velocidad de corte: una mayor velocidad dará como resultado unas temperaturas más elevadas, y generalmente conduce a un menor valor. También la geometría del filo de corte influye, ya que un ángulo de desprendimiento positivo proporciona un valor menor que un ángulo negativo. De esta forma, la fuerza específica de corte siendo una unidad para la fuerza de corte tangencial, está estrechamente relacionada con el régimen de avance y el espesor de la viruta no deformada. Un incremento en h1 conduce a una reducción de kc. Esto significa que cuando se utiliza una sección de viruta menor y una geometría de corte no adecuada, mayor será la fuerza específica de corte y la necesidad de potencia. Esto también motiva la recomendación de maximizar los regimenes de avance en el proceso de mecanizado. Fig.7. Fuerza/ Vcorte específica
La componente radial F p se dirige en ángulo recto con respecto a la fuerza tangencial desde el punto de corte. La fuerza de corte axial Ff se dirige a lo largo del avance de la herramienta, axialmente en dirección del mecanizado de la pieza. Es un factor importante de fuerza en las operaciones de taladrado. La capacidad de corte de la geometría de la broca influirá considerablemente en el valor de la fuerza necesaria, y como norma, el requerimiento de fuerza axial se incrementa con el diámetro de la broca. La geometría, especialmente el ángulo de posición, determinará el tamaño de las dos componentes. La relación entre ellas llega a ser especialmente importante por su influencia en la flexión de la herramienta cuando se utilizan grandes voladizos, o en piezas débiles, donde pueden ser un factor relacionado con la precisión y tendencia a las vibraciones. Fig.8. Componentes de fuerza de corte.
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Fuerza y potencia de corte
El ángulo de desprendimiento también influye en el tamaño de la componente radial de la fuerza de corte. Los ángulos de desprendimiento positivos también significan en general fuerzas de corte más bajas. Como puede deducirse, el valor de la relación entre las fuerzas componentes varía considerablemente con el tipo de operación de mecanizado. La fuerza tangencial domina a menudo en las operaciones de fresado y torneado, especialmente en lo que respecta a los requerimientos de potencia. La fuerza radial es de particular interés en las operaciones de mandrinado, y la fuerza axial o fuerza de avance, en el taladrado. El tamaño de la fuerza radial de corte depende del ángulo de posición utilizado y del radio de punta. Un ángulo de posición de 90 grados y un pequeño radio de punta minimizarán la componente radial de la fuerza de corte, que intenta flexar la herramienta y da lugar a vibraciones (Fig. 9). Fig. 9 Fuerza corte/ángulo de posición
Las tres componentes aumentan su valor cuando se aumenta la sección de viruta, la tangencial en mayor medida. Para el torneado en desbaste, una relación típica podría ser Fc: Ff :F p =>4:2:1. La fuerza de corte tangencial es dos veces mayor que la radial, y cuatro veces mayor que la fuerza axial. En el taladrado, la relación será bastante diferente y dependerá en gran parte del régimen de avance. La tendencia a las vibraciones es una consecuencia de las fuerzas de corte. Al igual que la flexión de la herramienta o pieza, éstas pueden verse afectadas por variaciones en el proceso de corte, como por ejemplo, creces variables en la pieza o condiciones del material, así como la formación de filos de aportación. Al igual que es importante el diseño de la geometría de corte para proporcionar una rotura de viruta suave, la utilización de un ángulo de desprendimiento positivo (Fig. 10), y las velocidades de corte más altas tienen generalmente una influencia favorable en las vibraciones producidas por las fuerzas de corte. Es importante alcanzar la estabilidad del sistema, que se obtiene por los distintos factores en el proceso de mecanizado. La calidad del portaplaquitas y su capacidad para fijar con seguridad las plaquitas intercambiables es uno de los factores más importantes. Fig.10 Fuerza corte/ áng. desprendimiento
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Fuerza y potencia de corte
POTENCIA DE CORTE
La fuerza específica de corte, K c (N/mm2), es importante cuando se calcula la fuerza de avance, el par de torsión y la potencia requerida. Esta fuerza es una medida de la maquinabilidad para un material en particular con un determinado ángulo de incidencia y espesor de viruta. La fuerza específica de corte es definida como la fuerza tangencial de corte necesaria para cortar viruta con una sección de 1 mm2 o la fuerza efectiva de corte dividida por el área teórico de viruta. Para aceros al carbono (0.8%) es 2700 N/mm2 y para una aleación normal de aluminio 750 N/mm2. La fuerza específica de corte se obtiene de las tablas en las que los valores están relacionados principalmente con el material de la pieza, el ángulo de desprendimiento y el espesor medio de viruta. Las fuerzas específicas de corte disminuyen cuando se hace más positivo el ángulo de desprendimiento y cuando se aumenta el espesor medio de viruta. Con el aumento de cada grado en el ángulo de desprendimiento disminuirá K c en 1-1.5%. Así por ejemplo, la potencia de taladrado (Pc en kW) es el producto del momento de la broca por su velocidad angular (w) en movimiento uniforme, siendo la velocidad angular 2.π por la velocidad del husillo. Las fórmulas son aproximadas puesto que el hecho de que la velocidad y ángulo de desprendimiento varíen a lo largo de los filos no se ha tenido en cuenta. Y lo que es más, no se ha considerado el hecho de que las fuerzas de fricción que surgen en los filos, y las originadas por las virutas influyen en el momento y la potencia.
P c
=
M ⋅ w
w
=
2.π .n
n
=
Eq.1 Eq.2
v c .1000
Eq.3
π . D
F p
F p µ
+
k c .a p . f . sin k r
= 0.65 .
siendo:
Eq.4
Fc = Fuerza tangencial (N). Fcμ =Fuerza tangencial debida al torsor originado por los patines guía(N). a p= profundidad de corte (mm). vc = velocidad de corte (m/mm). f = avance por revolución (mm/rev). D = diámetro de la broca (mm).
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Fuerza y potencia de corte
Con el fin de obtener la potencia requerida por la máquina (P en kW), se debe tener en cuenta la potencia perdida en la máquina. La potencia bruta necesaria puede ser calculada dividiendo la potencia de taladrado (Pc+Pμ), entre la eficiencia de la máquina (η). P c
P µ
+
P =
P c
=
k c . f .a p .vc 60000
P µ
+
η
(1.17
−
ap D
)
Eq.5 Eq.6
AGRADECIMIENTOS
A todos los miembros del grupo, sin excepción, por su inestimable colaboración en el mismo, sin la cual no hubiera sido posible su desarrollo. REFERENCIAS
[1] Sandvick Coromant. Depto. Ediciones Técnicas. Suecia,1994. [2] Milton C. Shaw ”Metal cutting principles”. Oxford Science Publications, 1997 [3] Trent E. M. “Metal cutting”. Second edition, Butterworths, 1984
