Teoria de Krinberg-merchant

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA-ENERGÍA

PROCESOS DE MANUFACTURA I FUNCIONES BASICAS DE LA FUERZA DE CORTE. FUERZAS EN EL CORTE DE METALES. Considerando las fuerzas que actúan en la viruta durante el corte ortogonal, las fuerzas que la herramienta aplica contra la viruta se pueden separar en dos componentes mutuamente perpendiculares entre si:

1) Fuerza de fricción Fγ . Es la fuerza de fricción entre la herramienta y la viruta que resiste el flujo de la viruta a lo largo de la cara inclinada de la herramienta.

2) Fuerza normal a la fricción Fγ n. Es la fuerza perpendicular a la fuerza de fricción.

Los dos componentes se pueden usar para definir el coeficiente de fricción µ entre la herramienta y la viruta:

µ=

Fγ Fγn

La fuerza de fricción y la fuerza normal se pueden sumar vectorialmente para formar una fuerza resultante F, la cual se orienta en un ángulo de fricción. El ángulo de fricción se relaciona con el coeficiente de fricción de la siguiente manera: µ = tan τ Además de las fuerzas de la herramienta que actúan sobre la viruta, el trabajo impone dos componentes de fuerza sobre la viruta: 3) Fuerza de cizallamiento o cortante F s . Es la fuerza que causa la deformación del corte que ocurre en el plano de cizallamiento o corte. 4) Fuerza normal de cizallamiento F ns . Es la fuerza normal a la fuerza de cizallamiento o cortante: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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PROCESOS DE MANUFACTURA I

Con base en la fuerza de corte podemos definir el esfuerzo cortante que actúa a lo largo del plano de corte entre el trabajo y la viruta:

τt =

Fs As

(1)

Donde As = área del plano del corte, esta se puede determinar como:

AC sen φ e .b AS = S sen φ AS =

Donde: Ac = área no deformada. eS = espesor deformado. b. = ancho de la viruta. Sen φ = dirección del ángulo de cizallamiento. El esfuerzo cortante determinado por la ecuación (1) representa el nivel de esfuerzo requerido para realizar la operación del maquinado. En principio, este esfuerzo es igual al esfuerzo cortante del material de trabajo bajo las consideraciones en las que ocurre el corte. La suma vectorial de las componentes de las fuerzas Fs y Fsn, da por resultado la fuerza resultante F. Para que las fuerzas que actúan sobre la viruta estén balanceadas, la fuerza equivalente F debe ser igual en magnitud, pero en dirección opuesta y colineal con la resultante F. Ninguna de las cuatro fuerzas componentes Fγ, Fγn, Fs y Fsn pueden medirse directamente en una operación de maquinado. Sin embargo, es posible instrumentar en la herramienta de corte un dispositivo de medidor de fuerzas llamado dinamómetro, de manera que pueda medirse directamente las dos fuerzas en componentes adicionales. Estos dos componentes actúan sobre la herramienta: 5) Fuerza de corte F c . Es la fuerza que va en dirección del corte, la misma dirección de la velocidad de corte Vc y el avance a. 6) Fuerza de empuje F L . Es la fuerza que va en dirección de e o es perpendicular a la fuerza de corte. La fuerza de corte y la fuerza de empuje se muestran en la figura. Junto con la fuerza resultante F. La dirección respectiva de estas fuerzas es conocida, así que los transductores de fuerza en el dinamómetro pueden alinearse en concordancia. Tomando como base las fuerzas que pueden calcularse, es posible derivar las ecuaciones para relacionar los cuatro componentes de la fuerza que no pueden medirse. Usando el diagrama de fuerzas de la figura, se pueden definir las siguientes relaciones trigonométricas: Fγ = Fc sen γ + FL Cos γ Fnγ = Fc Cos γ + FL sen γ Fs = Fc Cos ∅ + FL sen ∅ Fns = Fc sen ∅ + FL Cos ∅ Si la fuerza de corte y la fuerza empuje son conocidas, se pueden usar estas cuatro ecuaciones para calcular estimaciones de la fuerza cortante, la fuerza de fricción y la fuerza normal a la de fricción, y con base en estos estimados se pueden determinar el esfuerzo cortante y el coeficiente de fricción.

Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Nótese que en el caso especial del corte ortogonal, cuando el ángulo de ataque γ = 0, las primeras ecuaciones anteriores se reducen a Fγ = FL y Fnγ = Fc, respectivamente. Entonces en este caso especial, la fuerza de fricción y su fuerza normal podrían ser directamente medidas por el dinamómetro. La Ecuación de Merchant . Razón de corte: Una relación importante en el corte de metal fue derivada por Eugene Merchant. La derivación está basada en la suposición del corte ortogonal, pero su validez general se extiende a operaciones de maquinado en tres dimensiones. Merchant empezó con la definición de esfuerzo cortante, expresado mediante la siguiente relación:

τs =

FC . cos φ − FL . cos φ es sen φ

Se sugiere, que entre los ángulos posibles que emanan del borde cortante de la herramienta donde puede ocurrir la deformación de corte, hay un ángulo ∅ que predomina. En este ángulo, el esfuerzo cortante es justamente igual a la resistencia al corte del material de trabajo, y por esta causa la deformación cortante ocurre a este ángulo. El esfuerzo cortante τt en la ecuación con respecto al ∅, e igualando la derivada a cero. Resolviendo para ∅, obtenemos la relación llamada ecuación de Merchant:

φ = 45 +

τ γ − 2 2

Una de las suposiciones en que se basa la ecuación de Merchant, es que la resistencia al corte del material de trabajo es una constante a la que no le afecta la velocidad de deformación, la temperatura y otros factores. Dado que estas suposiciones no corresponden a las operaciones prácticas de maquinado, debe considerarse más como una relación aproximada entre sus términos que un enunciado matemático preciso. TEORÍA DE FORMACIÓN DE LA VIRUTA La geometría de la mayoría de las operaciones de maquinado práctico es algo complejas. Se dispone de un modelo simplificado del maquinado que desprecia muchas de las complejidades geométricas y describe la mecánica de los procesos con buena precisión. Se llama modelo de corte ortogonal. Aun cuando un proceso real de maquinado es tridimensional, el modelo ortogonal tiene solamente dos dimensiones que juegan un papel activo en el análisis. Modelo del corte ortogonal . El corte ortogonal usa por definición de una herramienta en forma de cuña, en la cual el borde cortante es perpendicular a la dirección de la velocidad de corte. Al presionar la herramienta contra el material se forma una viruta por deformación cortante a lo largo de un plano llamado plano de corte, éste forma un ángulo γ con la superficie de trabajo. Solamente el afilado borde de corte de la herramienta hace que ocurra la falla del material, como resultado, la viruta se separa del material original. El material se deforma plásticamente a lo


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largo del plano de corte, por consiguiente, durante el maquinado se realiza el grueso del trabajo de corte. La herramienta para corte ortogonal tiene solamente dos elementos geométricos, el ángulo de ataque y el ángulo del claro o de incidencia. Como se indicó previamente, el ángulo de ataque γ determina la dirección en la que fluye la viruta formada en la parte de trabajo, y el ángulo del claro provee un claro pequeño entre el flanco de la herramienta y la superficie de trabajo recién generada.

Durante el corte, el borde cortante de la herramienta se coloca a vierta distancia por debajo de la superficie original del trabajo. Ésta corresponde al espesor de la viruta antes de su formación es al formar la viruta a lo largo del plano de corte incrementa su espesor a ec. La relación de es a ec se llama razón de corte de la viruta (o simplemente relación de viruta) rC.

rC =

eS ec

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. Además de es, el corte ortogonal tiene una dimensión de anchura b, como se muestra en la figura, aun cuando esta dimensión no contribuye mucho al análisis en el corte ortogonal. La geometría del modelo de corte ortogonal nos permite establecer una relación importante entre el espesor de la viruta, el ángulo de ataque y el ángulo del plano de corte. Sea ls la longitud del plano de corte. Podemos hacer la sustitución es = ls sen φ y ec = ls cos (φ - γ ). Con un artificio matemático, puede determinarse de la siguiente manera:

Tgφ =

rC .Cosγ 1 − rC .Sen γ

Formación real de viruta. Debemos observar que hay diferencias entre el modelo ortogonal y el proceso de maquinado real. En primer lugar, el proceso de deformación cortante no ocurre sobre un plano. Si el corte tuviera lugar a través de un plano, ello implicaría que la acción de corte debería ocurrir instantáneamente al pasar a través del plano, en lugar de hacerlo en un periodo de tiempo finito (aunque breve). Para el material que se comporta en forma real, la deformación cortante debe ocurrir dentro de una zona delgada de corte, más que en un plano de espesor cero. Éste es el modelo más realista del proceso de deformación al corte en Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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maquinado. Los experimentos de corte de metal han demostrado que el espesor de la zona de corte es solamente de pocas milésimas de in. Como la zona de corte es tan delgada, en la mayoría de los casos no hay mucha pérdida de precisión si se supone como un plano. En segundo lugar, además de la deformación al corte que ocurre en la zona de corte, ocurre otra acción de corte en la viruta después de haber sido formada. Nos referiremos al corte adicional como corte secundario, para distinguirlo del corte primario. El corte secundario resulta de la fricción entre la viruta y la herramienta al deslizarse a lo largo de la cara inclinada de la herramienta. Su efecto aumenta con incremento de la fricción entre la herramienta y la viruta. Las zonas de corte primario y secundario. En tercer lugar, la formación de viruta depende del tipo de material que se maquina y de las condiciones de corte de la operación. Se pueden distinguir tres tipos básicos de viruta.

a)

Viruta discontinua. Cuando se maquinan materiales relativamente frágiles (por ejemplo, hierro fundido) a bajas velocidades de corte, la viruta se forma frecuentemente en segmentos separados. Eses tiende a impartir una textura irregular a la superficie maquinada. Una alta fricción herramienta viruta y los avances y profundidades grandes de corte promueven la formación de este tipo de viruta.

b)

Viruta continúa. Cuando se cortan materiales de trabajo dúctiles a velocidades altas con avances y profundidades pequeños se forman virutas largas y continuas. Cuando se forma este tipo de viruta se obtiene un buen acabado de la superficie. Un borde cortante bien afilado en la herramienta y una baja fricción herramienta viruta propician la formación de virutas continuas.

c)

Viruta continúa con acumulación en el borde. Cuando se maquinan materiales dúctiles a velocidades bajas o medidas, la fricción entre la herramienta y la viruta tiende a causar la adhesión de porciones de material de trabajo en la cara inclinada de la herramienta. Esta formación se llama acumulación en el borde. La formación de esta acumulación es de naturaleza cíclica; se forma y crece, luego se vuelve inestable y se rompe. Gran parte de la acumulación de desecho se la lleva la viruta. Sin embargo, algunas porciones pueden incorporarse a la superficie de trabajo recién formada, ocasionando que la superficie se vuelva rugosa.

TEORÍA DEL MAQUINADO DE METALES El maquinado es un proceso de manufactura en el cual se usa una herramienta de corte para remover el exceso de material de una parte de trabajo, de tal manera que el material remanente sea la forma de la parte deseada. La acción predominante del corte involucra la deformación cortante del material de trabajo para forma una viruta; al removerse la viruta, queda expuesta una nueva superficie. El maquinado es uno de los procesos más importantes de manufactura. La Revolución Industrial y el crecimiento de las economías basadas en la manufactura de todo el mundo se pueden describir en gran parte por el desarrollo de varias operaciones de maquinado. -

El maquinado se puede aplicar a una amplia variedad de materiales de trabajo. Prácticamente todos los metales sólidos se pueden maquinar. Los plásticos y los


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compuestos plásticos se pueden cortar también por maquinado. Los cerámicos presentan dificultades debido a su alta dureza y fragilidad; sin embargo, la mayoría de los cerámicos se pueden cortar exitosamente mediante procesos de maquinado abrasivo. -

El maquinado se puede usar para generar cualquier forma geométrica regular, como superficies planas, agujeros redondos y cilindros. Combinando varias operaciones de maquinado en secuencia se pueden producir formas de complejidad y variedad ilimitada.

-

El maquinado puede producir dimensiones con tolerancias muy estrechas de menos de 0.0001in. (0.025) mm. Es más preciso que muchos otros procesos.

-

El maquinado es capaz de crear acabados superficiales muy tersos que pueden llegar a ser mejores que acabados aún.

Debido a sus características, el maquinado se realiza generalmente después de otros procesos de manufactura como fundición o deformación volumétrica (por ejemplo, forjado y estirado de barras). Otros procesos crean la forma general de la parte y el maquinado produce la geometría final, las dimensiones y el acabado. PANORAMA GENERAL DE LA TECNOLOGÍA DE MAQUINADO. El maquinado no es solamente un proceso, sino una familia de procesos. La característica común es el uso de una herramienta de corte que forma una viruta, la cual se remueve de la parte de abajo. Para realizar la operación, se requiere movimiento relativo entre la herramienta y el material de trabajo. Este movimiento relativo se logra en la mayoría de las operaciones de maquinado por medio de un movimiento primario, llamado la velocidad, y un movimiento secundario, denominado el avance. La forma de la herramienta y su penetración en la superficie del trabajo, combinan con estos movimientos, produce la forma deseada de la superficie resultante del trabajo. Tipos de operaciones de maquinado Hay muchas clases de operaciones de maquinado, cada una de las cuales es capaz de generar un acierta geometría y textura superficial. Es apropiado identificar y definir los tres tipos más comunes: torneado, taladrado, y fresado. En el torneado se usa una herramienta de corte con un borde cortante simple destinado a remover material de una pieza de trabajo giratoria para dar forma a un cilindro.


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El taladro se usa para crear un agujero redondo. Eses se realiza generalmente con una herramienta rotatoria que tiene dos filos cortantes. La herramienta avanza en una dirección paralela a su eje de rotación dentro de la parte de trabajo para formar el agujero redondo. En el fresado, una herramienta rotatoria con múltiples filos cortantes se mueve lentamente sobre el material para generar un plano o superficie recta. La dirección del movimiento de avance es perpendicular al eje de rotación. El movimiento de velocidad lo proporciona la fresa rotatoria. Hay varias formas de fresado, siendo las dos básicas el fresado periférico y el fresado de frente o normal. Además del torneado, el taladrado y el fresado, existen otras operaciones convencionales que incluyen perfilado, cepillado, escariado y aserrado. Otro grupo de procesos frecuentemente incluidos en la categoría del maquinado, son aquellos que utilizan abrasivos para cortar materiales. Estos procesos incluyen esmerilado y operaciones similares que se usan comúnmente para lograr acabados superficiales superiores de la parte de trabajo. La herramienta de corte. Una herramienta de corte tiene uno o más filos cortantes. El filo cortante sirve para separa una viruta del material de trabajo. Ligadas al filo cortante hay dos superficies de la herramienta: la superficie de ataque y el flanco o superficie de incidencia. La superficie de ataque que dirige el flujo de la viruta resultante se orienta en cierto ángulo, llamado ángulo de ataque a.. El ángulo se mide con respecto a un plano perpendicular a la superficie del trabajo. El ángulo d ataque puede ser positivo, o negativo como en la parte. El flanco de la Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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herramienta provee un claro entre la herramienta provee un claro entre la herramienta y la superficie del trabajo recién generada, de esta forma protege a la superficie de la abrasión que pudiera degradar el acabado. Esta superficie del flanco o de incidencia se orienta en un ángulo llamado ángulo de incidencia o de relieve. Es muy importante el diseño de la herramienta debido al rudo ambiente en el que opera. Debe tener la geometría apropiada para cortar efectivamente el material y debe hacerse de un material que sea más duro que el material de trabajo. En la práctica, la mayoría de las herramientas de corte tiene geometrías más complejas. Hay dos tipos básicos Herramientas de punta sencilla y (b) herramientas de múltiples filos cortantes. Una herramienta de una sola punta tiene un filo cortante y se usa para operaciones como el torneado. Una geometría típica para una herramienta de punta simple. Además de las características de la herramienta, mostradas en las figuras previas, hay un punes de la herramienta de la cual deriva su nombre de herramienta cortante. Durante el maquinado la punta de la herramienta penetra bajo la superficie original del trabajo. La punta está generalmente redondeada en cierto radio llamado el radio de la nariz. Las herramientas de múltiples filos cortantes tienen más de un borde de corte y generalmente realizan su movimiento respecto a la parte de trabajo mediante rotación. El taladrado y el fresado usan herramientas rotatorias de múltiples filos cortantes. Existe una gran variedad en estas herramientas y sus geometrías. Muestra una fresa helicoidal que se usa en fresado periférico. Aunque la forma es bastante diferente de la herramienta de punta simple, muchos de los elementos de la geometría son similares. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA FUERZA DE CORTE FUERZA DE CORTE Para cortar la viruta es necesario aplicar una fuerza determinada denominada como fuerza de corte. La determinación de la fuerza de corte es fundamental para los constructores de las máquinas, con el fin de dotarles de los elementos adecuados para soportarlos sin deformaciones excesivas. Por parecida razón tiene importancia para los fabricantes de herramientas. También el usuario de las máquinas y herramientas debe conocer estos esfuerzos y, sobre todo, saber cómo pueden reducirse al mínimo, con una utilización racional. El problema no es sencillo, ya que son muchas las variables que intervienen y sus interdependencias no son constantes. Intentaremos simplificar el problema hasta límites aceptables, de cara a tener unos conceptos claros y que sirvan para sacar unas consecuencias prácticas. FUERZA ESPECÍFICA DE CORTE Uno de los factores que más influye en la fuerza de corte es la sección de la viruta, es decir, los milímetros cuadrados que tienen la sección de la viruta, cortada y su forma y la relación entre su espesor y su ancho. La fuerza que se necesita para cortar una viruta de 1mm 2 y con una relación determinada entre su espesor e y su longitud l (de la figura), se llama fuerza específica o fuerza unitaria de corte.


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La fuerza de corte puede considerarse como la resultante de las tres que se representan en la figura, a saber: Fuerzas originadas en el corte:

F c = fuerza de corte que se opone a la fuerza principal y tiene dirección básica tangente a la superficie mecanizada. F a = fuerza de avance que se opone a la fuerza de avance y tiene la misma dirección de avance de la mesa que transporta la herramienta. F P = fuerza de penetración radial, es perpendicular a la superficie cortada, y es la que tiende a mantener en contacto a la herramienta y pieza. F = fuerza resultante o total de la cargas. Análisis de la fuerza de corte. Para el análisis y estudio real de estas fuerzas de corte emplean aparatos que aprovechan varios principios o leyes físicas; los más fiables son los eléctricos(A), pero también se emplean mecánicos (B), neumáticos(C) e hidráulicos (D). Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Aparatos para medir la fuerza de corte: A, eléctrico; B, mecánico; C, neumático, D, hidráulico. FUERZA DE CORTE Para simplificar los cálculos, la fuerza de corte Fc, puede expresarse por: Fc =p * a * K C

p = profundidad de corte, en mm. a = avance/rev, en mm/rev. Kc = Presión específica del corte, en Kgf/mm2 Los valores de Kc se han obtenido por experimentación y se hallan recopilados en tablas, según los diversos constructores y autores. Estos valores Kc están muy influenciados por las condiciones de ensayo, así que no hay que extrañarse que haya diferencias, incluso notables, entre diversos autores.


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•

Relación entre los componentes de las fuerzas de corte Los valores que se calculan suelen ser una relación de la fuerza principal de corte F c ; para los otros componentes se pueden tomar las relaciones:

Fa ≈

Fc 5

y

Fp ≈

Fc 2. 5

o

Fc 3

Y, si quiere tomarse en cuenta la sección de la viruta, puede emplearse el gráfico de la siguiente figura: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Factores que influyen en la fuerza específica de corte Ya se ha dicho que son muchos los factores que influyen en el valor de la fuerza de corte. Tampoco están completamente de acuerdo los diversos autores, sobre como influye cada uno de ellos. Intentaremos hacer un resumen de los criterios más acordes y que sirvan para dar unas orientaciones prácticas. •

Influencia de la velocidad de corte Según la mayoría de investigadores, la velocidad tiene poca importancia en la fuerza de corte. •

Influencia de la sección de la viruta También hay unanimidad en admitir qué es lo que más influye, pero no están tan acordes en cómo influye. Algunos investigadores como Kronenberg , calculan la fuerza específica en función de la sección de la viruta, pero prescindiendo de la relación entre profundidad y avance. La fórmula de Kronenberg es: Kc =

C fe A

1 / E fe

En el cual: Kc = Presión específica de corte (para 1mm2 de sección) Kgf/mm2 A = Sección de la viruta = p. a (mm2). Cfe y Efe = Coeficientes que dependen del material cortado y de la forma de la herramienta especialmente del ángulo de desprendimiento. Los valores Cfe se hallan en la tabla que se muestra a continuación, y para facilitar los cálculos en la siguiente tabla se dan los valores de M = Kronenberg quedaría así: K c =C

fe

1 1 / E fe

A

con lo que la fórmula de

×M

Valores de Cfe en Kgf/mm2 Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Ángulo de desprendimiento en grados

Acero Resistencia en kgf/mm 2 50 263 254 245 235 225 215

5 10 15 20 25 30

60 301 291 280 270 258 246

70 340 329 317 304 291 278

80 380 367 354 340 325 310

Fundición Dureza Brinell en kgf/mm 2 100 78.5 75.0 71.5 58.0 64.0 60.5

140 91.0 87.0 82.5 78.2 74.0 69.3

180 100 95.5 91.5 86.5 82.0 76.6

Valores de M Sección de la viruta en (mm 2 ) A Acero Fundición

5

10

15

20

0.8 75

0.8 00

0.7 0.72 0.6 0.58 0.56 0.9 75 0 40 6 0 00

2 3 4 5 10 15 20 2 3 4

M=

•

1 1 / E fe

A

0.8 0.82 0.8 66 5 00

0.7 30

0.6 93

0.6 60

Influencia de los ángulos de funcionamiento .


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Los ángulos de las herramientas tienen también su influencia en el valor de la fuerza de corte, principalmente el de desprendimiento y el de desviación de la arista principal. 

Influencia del ángulo de desprendimiento Si se aumenta el ángulo de desprendimiento, disminuye la fuerza de corte. Para aceros de distintas resistencias a la tracción, puede emplearse la siguiente

fórmula: Kc

=76 +4.15 .τ 0.03 .ϕ .( τ 15 ) S − S −

τS = Carga de rotura a la tracción en kgf/mm2 ϕ = Ángulo de desprendimiento en grados. Los ángulos de las herramientas tienen también su influencia en el valor de la fuerza de corte, principalmente el de desprendimiento y el de desviación de la arista principal. 

Influencia del ángulo de desprendimiento Si se aumenta el ángulo de desprendimiento, disminuye la fuerza de corte. Para aceros de distintas resistencias a la tracción, puede emplearse la siguiente

fórmula: Kc

=76 +4.15 .τ 0.03 .ϕ .( τ 15 ) S − S −

τS = Carga de rotura a la tracción en kgf/mm2 ϕ = Ángulo de desprendimiento en grados. Influencia del ángulo de posición El ángulo de posición tiene influencia distinta en los varios componentes en la fuerza de corte; así, las fuerzas Fc, FL disminuyen al aumentar el ángulo G, mientras Fa aumenta. 

El gráfico de la figura siguiente, nos muestra la relación de los componentes de la fuerza de corte para acero de FR = 85 kgf/mm2, que puede dar una idea de como variará para otros materiales. VELOCIDAD POTENCIA. Y MECANIZADO todos

un

DE CORTE, TIEMPOS DE

Una cuestión preocupante para los investigadores, que han


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estudiado el corte de los metales, ha sido encontrar las causas que producen la limitación en la velocidad de corte y las que producen el desgaste de la herramienta, así como la serie de fenómenos que se producen en esta importante actividad humana, para saber como actuar sobre ellos, a fin de lograr una mayor productividad. Para mantener la herramienta en contacto con la pieza y que sea capaz de producir el arranque de viruta, es necesario dotarla, al menos, de dos movimientos distintos: el movimiento propiamente de trabajo o corte y el de avance. La máquina herramienta ha sido el medio de que el hombre se ha valido para lograr eficazmente estos movimientos, combinándolos adecuadamente. Desde el principio se vio la importancia de la velocidad de corte, pues el tiempo necesario para mecanizar una superficie o arrancar una cantidad de viruta es inverso a esta velocidad; pronto se descubrieron dos problemas: 1.° que no todos los materiales se trabajan con igual facilidad; 2.° que la herramienta se desgasta de muy diversa manera, al variar las circunstancias de corte. Estos dos problemas aún no han encontrado cumplida solución hasta el momento, a pesar de los grandes progresos realizados. 1.2 ANALISIS DE CORTE PRINCIPALES FUNDAMENTOS DE LA FUERZA DE CORTE Mecanizado.- es el proceso de manufactura que se realiza en el arranque de viruta por medio de herramientas previamente afilados, en función de la forma y tipo de trabajo. a) Ventajas: - Mayor precisión. - Mejor acabado superficial. b) Desventajas: - Desperdicio de material. - Utilización de máquinas costosas. - Empleo de mayor tiempo. Formación de la viruta: El proceso de corte tiene lugar para el arranque del material en forma de virutas, las cuales debido al adecuado movimiento entre la pinza de trabajo y la herramienta se desliza a lo largo de la superficie de desprendimiento.


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o borde cortante es a la arista que resulta de la intersección de la superficie de desprendimiento y la superficie de incidencia. ANGULOS DE CORTE: α = Angulo de incidencia; formado por la superficie generada y la superficie de incidencia. Su finalidad es la de evitar el rozamiento entre la herramienta y la superficie generada. β = Angulo de filo de la herramienta; formado por la superficie de desprendimiento y la superficie de incidencia. γ =

Angulo de ataque; formado por la superficie de desprendimiento y la normal a la superficie generada. Puede tomar valores positivos y negativos; tiene influencia con la fuerza de corte y es fundamental en el análisis de la teoría de corte. α + β + γ = 90°

δ =

Angulo de Corte; es la suma de los ángulos de filo y de incidencia. δ=β+α

Influencia del ángulo de desprendimiento en el ataque. El corte de la viruta ejerce, sobre la superficie de ataque, una fuerza de fricción y otra normal, generándose como consecuencia ángulos positivo y negativo como se muestra en la figura.

ANÁLISIS DEL ÁNGULO TRABAJO: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Caso del ángulo positivo: ΣFy = Fny – Ffy. Aplicando ángulos de ataque. Fy = Fny – Ffy = Fn. Senγ – Ff. Cosγ Si la fuerza de fricción: Ff = Fn. f = Fn. tgµ, siendo f el factor de la fricción y μ el ángulo de rozamiento; sustituyéndose se tiene: Fy = Fny – Ffy = Fn. Senγ – Fn. tgµ .Cosγ = Fn. Cosγ (Cosγ /Senγ – tg μ). Fy = Fn. Cos γ (tgγ – tg μ). Si el ángulo γ es pequeño o nulo, el coeficiente de rozamiento es grande, resultara el paréntesis negativo y, por tanto, la fuerza Fy será negativa y tendera a deformarse la pieza. TIPOS DE VIRUTA La viruta es la consecuencia del proceso de corte y puede producirse en diferentes formas dependiendo de: a) La calidad del material. b) La forma de la herramienta. c) Los ángulos de incidencia, filo y corte. d) La velocidad de corte. e) La velocidad de avance. f) La profundidad de pasada. g) El lubricante. CLASIFICACION DE LA VIRUTA 1.- Viruta continúa: Es común en el mecanizado de materiales dúctiles, a altas velocidades de corte. Es el tipo de viruta deseable debido a que proporciona un mejor acabado superficial. Se obtiene mediante el cizallamiento del material de trabajo y el deslizamiento de la viruta sobre la cara de la herramienta de corte. 2.- Viruta continúa de filo recrecido: Bajo ciertas condiciones, la fricción entre la herramienta y la viruta es lo suficientemente grande como para que la viruta se suelde a la cara de la herramienta, este Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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material incrementa la fricción existente y es conocido como filo recrecido. Se produce debido a la alta resistencia al deslizamiento de la viruta sobre la superficie de desprendimiento. Es una característica de los materiales dúctiles trabajados a baja velocidad. Las partículas del borde recrecido son arrastradas continuamente por la superficie trabajada provocando un deficiente acabado superficial y desgaste rápido de la herramienta. El filo recrecido posee mayor dureza que el material del que proviene, debido a la deformación. 3.- Viruta discontinua: Se presenta en forma de fragmentos. Es característico de los materiales frágiles, pero también se pueden originar al trabajar materiales dúctiles a bajas velocidades. Cuando se produce en materiales frágiles se requiere un bajo consumo de potencia y se obtiene una vida de duración razonable para la herramienta, caso contrario ocurre en materiales dúctiles, presenta un acabado superficial pobre y un rápido desgaste de la herramienta.

PROCESO DE CORTE En todas las operaciones de corte de materiales puede considerarse que la herramienta pose forma de cuña y su movimiento esta restringido con respecto a la pieza de tal manera que una capa de material es removida en forma de viruta. El caso general de corte es conocido como corte oblicuo, en el cual varia el ángulo de ataque y se estira en el espacio por lo que se trabajara en tres dimensiones.


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CORTE ORTOGONAL Se le considera cuando el filo con la dirección del corte forman un ángulo de 90°. Es decir se simplifica el caso de corte a dos dimensiones. Se supone que el comportamiento es igual en todos los puntos a lo largo de la viruta. La longitud del filo debe ser mayor que el ancho de la superficie a trabajar a fin de evitar la influencia de los extremos. Luego de cada pasada la herramienta recibe una alimentación vertical igual a la profundidad de pasada, la cual debe ser pequeña en proporción al ancho del trabajo (modelos de capa delgada).  Modelos de capa delgada: a) Efectúan el estudio de la deformación sobre un plano llamado de cizallamiento (ϕ ). b) Explican mejor los fenómenos cuando se trabajan a altas velocidades de corte. Se observa experimentalmente que el ancho de la viruta no sufre mayor variación, pero su espesor no es igual al espesor de la profundidad de pasada sino es mayor y en consecuencia su longitud es menor que la longitud recorrida por la herramienta. El material se deforma por cizallamiento en una zona que es considerado como "el plano de cizallamiento". El cual forma un ángulo (ϕ ) con la superficie generada. El ángulo de cizallamiento (φ ): Es el más importante en el proceso de corte. A igualdad de profundidad de pasada: cuando el ángulo de cizallamiento disminuye el espesor de la viruta aumenta, así como la superficie de cizallamiento; por lo tanto se necesitará una fuerza mayor para el desprendimiento de la viruta.



En donde: φ = Angulo de cizallamiento. ls = Longitud del plano de cizallamiento. ec = e1 =Espesor de la viruta no deformada. eS = e2 = Espesor de la viruta deformada. b. = Ancho de la viruta. ANALISIS DE LAS FUERZAS DEL MECANIZADO: Considerando viruta continúa y corte ortogonal: F = Fuerza resultante. Fc = Fuerza de corte. Ft = Fuerza de empuje. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA-ENERGÍA Fs Fns Ff Fnf


= Fuerza de cizallamiento. = Fuerza normal al plano de cizallamiento. = Fuerza de fricción. = Fuerza normal de fricción.

Donde: F c y F t , se miden experimentalmente en el laboratorio. Del gráfico obtenemos:

Fs = Fc Cosφ − Ft Senφ Fns = Fc Senφ + Ft Cosφ F f = Fc Senγ + Ft Cosγ Fn Fc Fs Ff

= Fc Cosγ − Ft Senγ = Fr Cos(τ − γ ) = Fr Cos (φ + τ − γ ) = Fr Senτ

µ = Coeficiente aparente medio de fricción.

µ = tgτ =

Ff Fn

=

Fc Senγ + Ft Cosγ Fctgγ + Ft = FcCosγ − Ft Senγ Fc − Ft tgγ

τ = Ángulo medio de fricción en la cara de la herramienta Resistencia media de cizallamiento del material (τ s ) ls = Longitud del plano de cizallamiento. ec = Espesor de viruta no deformada. eo = Espesor de la viruta deformada. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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aw = Ancho de la viruta. φ = Ángulo de cizallamiento As = Área de cizallamiento. Ac = Área de la viruta no deformada.

As = l s × a w As = Ac / Senφ

τs =

Fs ( Fc Cosφ − Ft Senφ ) = × Senφ As Ac

Esfuerzo normal o de compresión (σn ) σn =

Fn ( F Senφ + Ft Cos φ ) = c × Senφ As AC

Razón de Corte (r c ) Es la relación de espesores de la viruta antes y después de realizado el mecanizado. Considerando el ancho de la viruta constate, se tiene que el ancho de la viruta (ao) por su longitud (lo) deberá ser igual al producto al producto del espesor de la viruta no deformada (ac) por la longitud recorrida por la herramienta (lc). ec × l c = e S × l S

e c lS / t = 〈1 e S lc / t V rc = o Vc

rc =

Vo = Velocidad de flujo de viruta. Vc = Velocidad de corte. Determinación del ángulo de cizallamiento (φ ) De la figura, obtenemos:

ls =

ac Senφ

ls =

eS Cos (φ − γ )

Igualando las expresiones anteriores, obtenemos: e Senφ = c Cos (φ − γ ) e S Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

21



e Senφ = c = rc Cos φ × Cos γ + Senφ × Senγ eS

rc × Cosφ × Cosγ + rc × Senφ × Senγ = Senφ rc × Cosφ × Cosγ = (1 − rc Senγ ) × Senφ tg φ =

rc × Cosγ (1 − rc Senγ )

⇒

 r × Cosγ  φ = Arc tg  c   (1 − rc Senγ ) 

φ : Se obtiene experimentalmente (microscopio protector), mediante: “el congelamiento de la viruta” a alta velocidad. Cálculo del espesor de la viruta deformada: W = l S × es × b × ρ W ω= = eS × b × ρ lS

ao =

ω pw × ρ

Donde: W = Peso de la viruta. (grf) (lbf) ρ = Peso específico. (grf/cm3) ω = Peso de viruta por unidad de longitud. (grf/m) b. = ancho de la viruta (mm) TEORÍA DEL MODELO DE ERNST Y MERCHANT Se determina el ángulo de cizallamiento a partir de las siguientes premisas simplificadoras:

2. 3. 4. 5. 6.

1. El corte es ortogonal, es decir, la deformación ocurre en dos direcciones y no existe flujo lateral de viruta. La viruta esta adherida a la herramienta y existe contacto solo en la superficie de ataque. La viruta es continua, sin filo recrecido. La deformación plástica ocurre solamente en el plano de cizallamiento. Los esfuerzos en el plano de cizallamiento están uniformemente distribuidos. La resistencia (esfuerzo) de cizallamiento del material es una constante.

La teoría de Merchant supone que el ángulo de cizallamiento (φ ), asume un valor que hace que el trabajo requerido para el corte sea el mínimo. Como la fuerza de corte es la única que realiza trabajo y es proporcional al trabajo, se puede deducir que es equivalente a encontrar un valor deφ , para hacer mínimo el valor de la fuerza de corte (Fc.):

dFc =0 dφ Sabemos:

Fc = Fr Cos (τ − γ )


22


PROCESOS DE MANUFACTURA I Fs = Fr Cos (φ + τ − γ ) De las expresiones anteriores:

Fc = Fs ×

Cos (τ − γ ) Cos (φ + τ − γ )

Además:

Fs = τ s × As = Reemplazando:

Fc = τ s × Ac ×

τ s × Ac Senφ Cos (τ − γ ) Senφ × Cos (φ + τ − γ )

Derivando Fc. en función deφ :

 − Senφ × Sen(φ + τ − γ ) + Cosφ × Cos (φ + τ − γ )  dFc = −τ s × Ac × Cos (τ − γ ) ×  =0 dφ Sen 2φ × Cos 2 (φ + τ − γ )   Cos (2φ + τ - γ ) = 0 ⇒ ∴

φ=

π 4

−

2φ + τ - γ = 90°

1 × (τ − γ ) 2

La existencia del plano de cizallamiento es muy discutido, experimentalmente se ha podido apreciar ciertas diferencias con la predicción teórica, sin embargo ello no implica que las formulas deducidas a partir de esta suposición sean falsas. Para verificar la predicción teórica podemos graficar los valores de (γ ) en función de la diferencia (τ-γ ) de la formula obtenida. Además se puede comparar la relación teórica de Merchant con los valores obtenidos por Pugh utilizando diferentes materiales.


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NOTACIONES: a) Cuantitativamente no se pueden obtener relaciones. b) Cualitativamente se obtienen relaciones lineales.

• • •

Si τ Si φ Si τ

convenir

B1.- Si aumenta τ -γ, disminuye φ y viceversa. B2.- Si γ es constante: aumenta → φ disminuye. disminuye → As aumenta → Fs aumenta, porque τ s = cte. aumenta, las fuerzas de corte aumentan. B3.- Si γ aumenta → φ aumenta → Fuerzas de corte disminuyen, luego podría un γ mayor, pero esto debilita la herramienta.

POTENCIA DE CORTE: Es el consumo de energía por unidad del tiempo durante el proceso de mecanizado, y del cual es como resultado del producto de la velocidad de corte y la fuerza de corte. Pm = Fc. × Vc Pm = Ps + Pf Pm = Fs × Vs + Ff × Vo Pe = Pm * η

Pm = Potencia absorbida en el corte. Ps = Potencia de cizallamiento. Pf = Potencia de rozamiento o de fricción. Pe = Potencia efectiva

Vo

Vs Vc

ENERGIA O PRESIÓN ESPECÍFICA DE CORTE (Kc) Es un parámetro que nos indica la eficiencia del proceso, independiente de la velocidad de corte. Es la energía consumida por unidad de volumen de material removido. KC =

Ps =

PC F × Vc = c Zw Ac × Vc

Zw = Caudal de remoción de viruta

Fc = Kc Ac

Debido a las dimensiones de fuerza por área también se le conoce como presión especifica de corte. La presión de corte puede variar para un determinado material y es afectada por los cambios de la velocidad de corte, el avance, inclinación de la herramienta, etc. Efecto de Vc y ec sobre Kc:


24



•

Distribución de los esfuerzos: El coeficiente medio de fricción puede variar en el mecanizado por las elevadas presiones normales.


25



Factores de la aplicación del ángulo de ataque, es: * Constantes: - Material de la herramienta. - Material de trabajo. * Variables: - Velocidad de corte (Vc). - Avance (a). Nota: Cuando la velocidad de corte y el avance varían se logra mantener el ángulo de ataque dentro de un rango.

•

Valores del ángulo de ataque (γ ) Expresado en grados, tenemos: Material de trabajo

Material de la herramienta Acero rápido Carburo 00 0.0 08 3.5 14 3.5

- Fe fundido, latón fundido. - Latón y bronce. - Latón blando y acero de alta resistencia. - Acero dulce. 17 3.5 - Aleaciones ligeras. 40 13.0 • Efecto del ángulo de incidencia (α); se aprecia: a) A mayor ángulo de incidencia (α), disminuye el desgaste en el flanco, y disminución de la resistencia del filo. b) El ángulo de incidencia varia entre 5° y 8°. 1.3 FORMACION DE LA VIRUTA El tipo de viruta producida durante el corte de metales depende del material que se esté mecanizando y de las condiciones de corte utilizadas. Sin embargo, existen tres tipos básicos de formación de virutas que se encuentran en la práctica: la viruta continúa, la viruta continúa con recrecimiento del filo y la viruta discontinua. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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La figura 1.1 muestra la formación de viruta continua. Este tipo de viruta es común cuando se mecanizan la mayoría de los materiales dúctiles, tales como hierro forjado, acero suave, cobre y aluminio. Puede decirse que el corte bajo estas condiciones es un proceso estable, pues es básicamente un cizallamiento del material de trabajo con el consecuente deslizamiento de la viruta sobre la cara de la herramienta de corte. La formación de la viruta tiene lugar en la zona que se extiende desde el filo de la herramienta hasta la unión entre las superficies de la pieza; esta zona se conoce como la zona de deformación primaria. Para deformar el material de esta manera, las fuerzas que se transmiten a la viruta en la interfase existente entre ella y la cara de la herramienta son suficientes para deformar las capas inferiores de la viruta a medida que ella se desliza sobre la cara de la herramienta (zona de deformación secundaria). A pesar de que generalmente con esta viruta se logra un buen acabado superficial, especialmente en máquinas automáticas, existe un grave peligro, cual es la posibilidad de que la viruta se enganche ya sea con el portaherramientas, la ropa del operador o incluso con la misma pieza. Esto se puede remediar usando “quebradores de viruta” en conjunto con las herramientas.

La figura 1.2 muestra la formación de viruta continua con recrecimiento del filo. Bajo ciertas condiciones, la fricción entre la viruta y la herramienta es suficientemente grande para que la viruta se suelde a la cara de la herramienta. La presencia de este material soldado aumenta aún más la fricción, y este aumento induce el auto soldado de una mayor cantidad de material de la viruta. El material apilado restante es conocido como filo recrecido. A menudo el filo recrecido continúa aumentando hasta que se aparta a causa de su inestabilidad. Los pedazos son entonces arrastrados por la viruta y por la superficie generada en la pieza. La figura muestra una superficie rugosa obtenida en estas condiciones. El recrecimiento del filo es uno de los principales factores que afectan el acabado superficial y puede tener una influencia considerable en el desgaste de las herramientas. Sin embargo, a pesar de ser generalmente indeseable, una capa delgada y estable de filo recrecido puede llegar a proteger y alargar la vida de una herramienta. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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La figura 1.3 muestra la formación de viruta discontinua. Durante la formación de la viruta, el material es sometido a grandes deformaciones, y si es frágil, se fracturará en la zona de deformación primaria cuando la formación de viruta es incipiente, segmentándose. Esta segmentación puede presentarse como serrucho o definitivamente discontinua. Se producen virutas discontinuas siempre que se mecanicen materiales tales como hierro fundido o bronce fundido, pero también pueden producirse cuando se mecanizan materiales dúctiles a muy baja velocidad y avances grandes. Debido a la naturaleza discontinua de esta viruta, las fuerzas varían continuamente durante el corte. Consecuentemente, la rigidez del portaherramientas y otros elementos debe ser suficiente, de lo contrario la máquina herramienta comenzará a vibrar, lo cual afecta adversamente la terminación superficial y la exactitud dimensional de la pieza. Además pueden existir daños o acortarse la vida útil de las herramientas. Gran parte de lo anteriormente discutido para metales se aplica también a materiales no metálicos. Se pueden obtener diversas virutas al cortar termoplásticos, dependiendo del tipo de polímero y los parámetros del proceso, dígase profundidad de corte, geometría de la herramienta y velocidad de corte. Debido a su naturaleza, los plásticos y cerámicas en su mayoría producirán viruta discontinua. 2 TECNOLOGIA DEL MAQUINADO 2.1 PRINCIPALES TIPOS DE OPERACIONES DE MECANIZADO Las operaciones de mecanizado se pueden subdividir en dos grandes grupos: 1. Mecanizado sin arranque de viruta. 2. Mecanizado con arranque de viruta. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Algunos ejemplos de estas operaciones se enuncian a continuación: • • • • • • • • •

Mecanizado sin arranque de viruta: Sinterización. Laminación. Estampado. Trefilado. Fundición. Extrusión. Forja. Doblado. Embutido.

Mecanizado con arranque de viruta: • Torneado. • Taladrado. • Escariado. • Mandrinado. • Limado. • Cepillado. • Fresado. • Aserrado. • Rectificado. • Bruñido. • Electro Erosión. Existen tres factores primarios que deben ser definidos en cualquier operación básica de mecanizado, éstos son: velocidad, avance y profundidad de corte. Otros factores como el tipo de material y el tipo de herramienta tienen bastante importancia, pero los tres primeros son los que el operador puede ajustar independientemente de los demás. Velocidad: se refiere a la velocidad de rotación del husillo de la máquina para el mecanizado. Está expresada en revoluciones por unidad de tiempo. Cada diámetro de trabajo nos entregará una velocidad de corte distinta, aunque la velocidad de rotación permanezca constante, y es por esto que debe tenerse especial precaución al decidirla. Avance: se refiere a la herramienta de corte, y se expresa como la razón de la distancia longitudinal recorrida por la herramienta por revolución del husillo (mm/rev). Profundidad de Corte: llamado también encaje axial, se refiere al espesor, diámetro o radio (según esté convenido) que es removido en la operación de mecanizado. Esta es una magnitud transversal, por lo que se expresará en milímetros o en otra unidad de longitud. 2.1.1.

Operaciones con herramientas monofilas A continuación se enuncian una serie de procesos de mecanizado con herramientas monofilo, éstos se desarrollan básicamente en un Torno. En cada caso se hará un análisis de los tiempos de mecanizado necesarios, potencia necesaria para cada proceso, entre otros. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Operaciones en el Torno La figura 2.1. Muestra un torno horizontal convencional.

Fig. 2.1 Las operaciones de mecanizado en un torno se realizan principalmente con las herramientas enumeradas a continuación. En la siguiente figura se muestran distintas herramientas monofilo, siendo todas del tipo pastilla.


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FIG 2.2 Para fijar la herramienta al torno se utiliza un porta-herramientas, éste varía según la operación a realizar, pero es común ver porta-herramientas que con pequeñas variantes logren distintas operaciones. Distintos porta-herramientas se muestran en la figura 2.3

Fig. 2.3 2.1.1.1Cilindrado: Tal como su nombre lo indica, ésta es una operación de mecanizado que produce partes cilíndricas. Tiene por objeto lograr una superficie cilíndrica de menor diámetro que la original. En forma básica, esta operación puede ser definida como el mecanizado de una superficie externa, que es realizada: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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- con la pieza rotando - con una herramienta de corte monofilo, y - con la herramienta de corte paralela al eje de la pieza y a una distancia que removerá la superficie externa de la pieza. Todo lo anterior se ilustra en la figura 2.4

Fig. 2.4 Como se muestra en la figura 2.4, en todo proceso de mecanizado podemos identificar tres superficies: Superficie de trabajo: Superficie que va a ser removida en el mecanizado. Superficie mecanizada: Superficie producida por la herramienta. Superficie de transición: La parte de la superficie formada en la pieza por el filo y que será removida en la siguiente carrera o revolución. Para el cilindrado exterior, los cálculos teóricos del mecanizado son los siguientes: El encaje axial se define como: p=

D-d 2

(2.1.1)

donde D es el diámetro del material, d es el diámetro de mecanizado la pieza. La velocidad de corte de la punta de la herramienta está dada por: VC = π * n * D * d (2.1.2) Donde n es la velocidad de rotación del husillo. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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El material removido por unidad de tiempo es el producto de la velocidad de corte y la sección (área) de la viruta sin cortar, Zw = Ac * Vc

(2.1.3)

Ac es el área de la superficie sacada, y se calcula como la multiplicación del avance f, medido en milímetros por revolución, y el encaje axial: Ac = a * p. Por lo tanto, Zw = π * b * p * n * ( dm + p )

(2.1.4)

Este cálculo se puede visualizar en la siguiente figura:

Fig. 2.5. Sistema de roscado El tiempo de mecanizado es: Tm =

Lw a *n

(2.1.5)

Donde Lw es el largo de mecanizado. Conociendo los datos podemos conocer la cantidad de material total removida en la operación de mecanizado, la cual es: Ztotal = Zw * Tm

(2.1.6)

Reemplazando (2.7) y (2.8), Ztotal =

L w * π * ( d 2w - d 2m ) 4

(2.1.7)

El espesor de viruta no deformada está definido por la multiplicación del encaje de avance y el seno del ángulo formado por el filo principal y la pieza. En el caso de herramientas monofilo, el encaje de avance es igual al avance, a: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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PROCESOS DE MANUFACTURA I ec = a * sen ( kr )

(2.1.8)

Para las condiciones anteriormente descritas debemos calcular la potencia necesaria para realizar la operación de mecanizado, cuyo valor está dado por la siguiente ecuación: PC = Kc * Z w (2.1.9) Donde Kc es la energía requerida para remover un volumen unitario de material, ésta es obtenida del gráfico 2.1 que se adjunta, considerando el espesor medio de la viruta no deformada, ec , y el material que está siendo maquinado.

Gráfico 2.1 Todo lo anteriormente descrito corresponde a un cilindrado exterior, pero se puede extender en forma análoga a cilindrados interiores (figura 2.6). Éstos consisten en mecanizar el agujero interior de una pieza cilíndrica mediante procesos similares a los descritos en el cilindrado exterior. Se utiliza, sin embargo, una herramienta y un porta-herramientas distinto.


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Fig. 2.6 Cilindrado Interior Para el cilindrado interior las fórmulas son básicamente las mismas, cambiando solamente la del material removido por unidad de tiempo, la cual queda como sigue: Zw= π * a * p * n * ( dm - p )

(2.1.10)

2.1.1.2 Refrentado: Este proceso consiste en mecanizar una de las caras de la pieza cilíndrica para dejarla perfectamente plana. Esto se realiza moviendo la herramienta en dirección normal al eje de rotación de la pieza. Con respecto a la herramienta de corte, cabe hacer mención que en este proceso se coloca con un cierto ángulo con respecto al eje de la pieza, ocupándose la misma herramienta usada para el cilindrado. Debe tenerse precaución para evitar romper la herramienta en caso de pasarse del centro del diámetro del cilindro, puesto que en esa mitad el cilindro gira en sentido contrario y puede agarrar la herramienta por detrás, causándole un daño irreparable. Para el proceso de refrentado, la velocidad de corte con que se realizan los cálculos numéricos se determina respecto al diámetro inicial de la pieza a mecanizar, ya que el diámetro de trabajo varía en cada instante ( figura 2.2 ). El tiempo de mecanizado en el refrentado es: Tm =

dm

2 * a *n

(2.1.11)

La velocidad máxima de corte y la cantidad máxima de material removido por unidad de tiempo son: Vmax = π * n * dm (2.1.12) π Zmax = Ac * Vmax = * a * p * n * dm (2.1.13) Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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La cantidad total de material removido es: Ztotal =

p * π * dm2 4

(2.1.14)

Finalmente, la potencia máxima necesaria para el refrentado se expresa como: Pmax = Kc * Zmax

(2.1.15)

En la figura 2.7 se muestra una operación de refrentado.

Fig. 2.7 Refrentado

2.1.1.3. Tronzado: Este proceso consiste en hacer un canal en un cilindro, el cual puede llegar a cortar la pieza de trabajo en dos partes ( figura 2.8 ). Este proceso se realiza con una herramienta más delgada y débil que la que se usa para el cilindrado, por lo que su manipulación requiere de especial cuidado. En los tornos convencionales este proceso se realiza manualmente, por lo que variables como el tiempo de mecanizado no son calculables en forma directa


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Fig. 2.8 Tronzado 2.1.1.4. Roscado: Este es un proceso en el cual se le da forma de rosca a una pieza cilíndrica. Existen muchos métodos para producir roscas, pero el torno fue el primero en implementarlo, y sigue siendo el más versátil y simple ( figura 2.9 ).

Fig. 2.9 2.1.2.

Operaciones con herramientas multifilo

2.1.2.1. Taladrado: Este proceso consiste en generar una superficie cilíndrica interior (agujero), por medio del uso de brocas en espiral. La herramienta acostumbra tener dos filos y cada uno de ellos corta la mitad del material al dar un giro. La velocidad de corte es máxima en el borde Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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exterior del filo principal y cero en la punta de la broca, la cual tiene forma de un filo de cincel corto. Este último, al taladrar, fuerza al material hacia los lados para ser removido por los filos. La calidad del orificio producido es principalmente determinada por las condiciones de los filos secundarios, siendo poco afectada por el estado de la punta. Hay que mencionar que la viruta formada por los filos toma una forma helicoidal y sale a través de las ranuras de la broca. En la figura 2.10 se muestra la punta de una broca.

Fig. 2.10 De acuerdo a la figura 1.13, y existiendo dos filos, se tiene que: ec =

a * sen ( kr ) 2

(2.1.16)

El tiempo de mecanizado será: Tm =

Lw a *n

(2.1.17)

El material removido por unidad de tiempo es: Zw =

π * d2 4

* a *n

(2.1.18)

al hacer un agujero de diámetro d. Finalmente, tenemos Zw =

π * ( de2 - di2 ) * a *n 4

(2.1.19)

Para agrandar un agujero de diámetro original di a un diámetro final de. 2.1.2.2. Fresado: Este proceso consiste en arrancar material de una pieza haciéndola pasar por una herramienta multifilo (varios dientes). A diferencia del mecanizado en un torno, en la fresa se Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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mueve la pieza a mecanizar (en el torno la herramienta) y la herramienta permanece fija rotando. Toda herramienta para fresado queda definida por tres parámetros, según la nomenclatura A * B * C, donde A es el diámetro, B es el ancho y C es el número de dientes. En la figura 2.11 se muestran algunas herramientas para el mecanizado en una fresa:

Fig. 2.11 El fresado se puede clasificar según la posición de la herramienta respecto del material de trabajo en: a.- Fresado horizontal: la superficie fresada es generada por los dientes localizados en la periferia del cuerpo cortante (herramienta). El eje de rotación de la herramienta está en un plano paralelo al de la superficie de la pieza de trabajo. b.- Fresado vertical: la herramienta es montada en un husillo, cuyo eje es perpendicular a la superficie de la pieza de trabajo. Aquí la herramienta corta solo con una parte de sus dientes. c.- Fresado superficial: es confundible con el fresado vertical, pero se diferencia en que la superficie de la herramienta en contacto con el material no es plana (fresado vertical), sino que tiene filo con formas diversas. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Todos estos procesos se muestran en la figura 2.12

Fig. 2.12 Fresado Horizontal Este proceso será en el que más profundizaremos en fresado, considerando que los otros tipos de fresado se analizan en forma análoga. Así, los resultados obtenidos en el fresado horizontal serán ilustrativos del fresado vertical y superficial. Todo proceso de fresado puede clasificarse según el sentido de rotación de la herramienta respecto del avance de la pieza a mecanizar (figuras 2.12 y 2.13). Rotación a favor del avance

FIG 2.13 Rotación en contra del avance


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FIG 2.14 En el caso de rotación a favor del avance se obtiene una mejor calidad superficial, pero la herramienta suele montarse sobre la pieza, con lo que se rompe. Además, se requiere menor potencia y existe mayor rigidez. En la rotación en contra se obtiene una superficie de menor calidad, pero la herramienta asegura una mayor duración. El sentido de rotación dependerá de las características del material a mecanizar. En el caso de un material blando, a favor del avance, y si es un material duro, en contra del avance. En la práctica se usa principalmente el sentido de rotación en contra del avance. Algunas operaciones de fresado horizontal se muestran a continuación en la figura 2.15.

º Para el fresado horizontal, el avance está dado por: a=

Va n

(2.1.20)

Donde Va es la velocidad de avance de la pieza. El encaje de avance se define como el avance por diente de la fresa: aZ =

a Z

(2.1.21)

Con Z igual al número de dientes de la herramienta. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Para el fresado horizontal tenemos la situación que se ve en la siguiente figura.

Fig. 2.1 El espesor máximo de viruta no deformada está dado por: emax =

VA * sen ( θ ) a = * sen ( θ ) Z *n Z y

em = emax 2

De la figura 1.19:

cos ( θ ) = 1 -

(2.1.22)

(2.1.23)

2*a D

(2.1.24)

Donde p es el encaje axial y D el diámetro exterior de la fresa. Entonces, sen ( θ

) =2 *

p

p −  D D

2

(2.1.25)

Y reemplazando (2.1.25) en (2.1.22), emax =

2 * VA Z * nw

p

p * −  D D

2

(2.1.26)

Reordenando (2.1.26),


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PROCESOS DE MANUFACTURA I emax =

p  p 2 * VA * * 1 -  Z *n D  D

Y, si p 〈 〈 D , emax =

p 2 * VA * Z *n D

(2.1.27)

El tiempo de mecanizado está dado por: Tm = Donde:

y

Lw + Lo + L1

(2.1.28)

VA Lo = p * ( D - p )

L1 ≥

D 2

Esta última es la distancia que debe ser retirada la herramienta para poder sacar la pieza. Estas dos dimensiones representan el punto en que comienza y termina el contacto entre la herramienta y la pieza, tal como se ilustra en la figura 2.17

FIG 2.17 El material removido por unidad de tiempo es: Zw = a * b * Vf

(2.1.29)

Siendo b el ancho de mecanizado, el cual es el mínimo entre el ancho de la herramienta y el ancho de la pieza. Para las condiciones anteriormente descritas podemos calcular la potencia necesaria para realizar la operación de mecanizado, cuyo valor está dado por la siguiente ecuación:


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PROCESOS DE MANUFACTURA I PC = KC * Zw

(2.1.30)

Fresado Vertical En este caso, el espesor máximo de viruta no deformada será: acmax =

Vf

N *n

(2.1.31)

El tiempo de mecanizado está dado por Tm =

Tm =

Lw + 2 *

Lw + d t Vf

(

(2.1.32)

ae * dt - ae Vf

)

(2.1.33)

O dependiendo, de si el eje de rotación de la herramienta pasa (1) o no (2) por sobre la pieza. Esto se ilustra en la figura 2.18, mirado desde arriba.

Fig. 2.18 2.1.2.3.

Muelas Abrasivas:

Las muelas abrasivas se usan en máquinas llamadas rectificadoras, las cuales generalmente son usadas para terminación, en rectificados planos o cilíndricos. Un ejemplo conocido es el llamado esmeril. Todas las muelas abrasivas poseen un husillo, que gira a gran velocidad, en donde se monta la muela. Esta muela abrasiva generalmente tiene forma cilíndrica, y está compuesta por material cortante (granos) y un aglutinante. El material de corte puede ser óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), carburo de titanio o nitrato cúbico de boro, y como aglutinantes se pueden usar resinas sintéticas, gomas o aglutinantes


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vitrificados. El tamaño de los granos varía entre los 0,00025 y 0,025 mm, es por esto que el encaje axial es muy difícil de calcular, pues se saca muy poco material. Las muelas se van desgastando con el tiempo, ya que el aglutinante deja que los granos se desprendan y así la muela no se alise, entregando una pieza bien mecanizada (acabada superficialmente). La superficie de la pieza se considera terminada cuando no salen mas chispas del contacto muela-pieza, lo cual demora. En una rectificadora la pieza tiene dos movimientos, uno de avance longitudinal y otro lateral intermitente. Esto se observa en la figura 2.19.

Fig. 2.19. El tiempo de mecanizado está dado por: Tm =

b + ts 2 * a *n

(2.1.34)

Donde ts es el tiempo que transcurre hasta que deja de chisporrotear, nw es la frecuencia de alternación y a es el avance lateral por carrera. Finalmente, el material removido por unidad de tiempo es: Zw = a * p * VA

(2.1.35)

Siendo VA la velocidad transversal, p el encaje axial y a el avance lateral por carrera de corte. TRONZADO Esta operación consiste en cortar una pieza en partes. Es una seguridad y experiencia, pero resulta más fácil si se tienen en cuenta las causas de la dificultad. El peligro principal está en los inconvenientes que encuentra la viruta para salir de la ranura, particularmente cuando el canal tiene cierta profundidad.


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Una de las dificultades de la operación es la variación de la velocidad de la periferia hacia al centro. A lo largo de la misma es conveniente, para grandes espesores, cambiar dos o más veces el número de revoluciones. Lo ideal sería disponer de un variador de velocidad en el eje del torno. Ésta es una de las dificultades a tener en cuenta, para evitar la rotura de las herramientas. El avance suele hacerse a mano pero es mejor realizarlo con avance automático, aunque hay que prestar mucha atención por si se presenta alguna dificultad. Una de las causas de rotura de la herramienta es que al girar en sentido normal, la pieza tiende a montarse sobre la herramienta y arrastrarla hacia adentro. Esto se evita en parte si el torno está en perfectas condiciones, sin juego en el eje y en el carro transversal. También se evita haciendo girar el torno en sentido contrario y poniendo la herramienta invertida. Para servirse de este sistema el plato debe fijarse de manera que no pueda aflojarse, con el consiguiente desplazamiento axial y casi segura rotura de la herramienta y aun mayores daños si no se está muy atento. En la mayoría de los tornos esto está solucionado por un sistema de fijación distinto al de los antiguos, por rosca directa al husillo. En esta operación hay que fijar la pieza con el menor voladizo posible y la herramienta con el filo a la altura adecuada. Si la herramienta está por encima del centro de la pieza, rozará la pieza en la cara de incidencia y la herramienta no cortará hasta obligarla a descender por razonamiento. Es preferible que la herramienta quede por debajo del centro de la pieza, aunque sea muy poco. También importa que esté perfectamente recta respecto a la canal para evitar el roce con las caras laterales, esta posición debe mantenerse durante toda la operación, lo cual supone que el portaherramientas y la torreta estén perfectamente apretados para evitar un giro, ya que el momento que se produce es muy considerable. La mayor dificultad, aunque un observador superficial no lo crea así, es que la viruta tenga salida fácil. Sería ideal que el material se quebrase en pequeñas virutas, pero esto no es siempre posible, sobre todo con materiales plásticos. Las virutas es de un ancho teórico igual al de la ranura, pero se deforma y aumenta de tamaño por el calor del corte. Al dilatarse, se aprieta contra la ranura y aumenta el rozamiento y el calor, complicando constantemente el fenómeno. De ahí la necesidad de refrigerar y lubricar eficazmente pieza y viruta para evitar el excesivo calentamiento y así disminuir la presión. Los aceites de corte resultan más adecuados que el mecanol, porque si bien es cierto que no son muy eficaces como refrigerantes, si lo son como lubricantes. Si el material no necesita lubricación, puede refrigerarse con aire a presión. MOLETEADO Consiste en cubrir la superficie de las piezas cilíndricas con dibujos especiales para hacerlas rugosas o más agradables a la vista. Se emplean herramientas llamadas moletas, montadas sobre un soporte llamado portaherramientas. Es una operación fácil que solo bien realizada produce resultados aceptables. Es preciso que las moletas conserven afiladas sus aristas, para la fácil penetración y correcta impresión de su dibujo. Al iniciar la operación se aproxima la moleta a la pieza de manera que sólo quede cubierta la mitad de la herramienta; y en esta posible se aprieta instantáneamente. El avance puede hacerse a mano o automáticamente, pero de modo relativamente rápido.


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Durante la operación debe refrigerarse abundantemente, de preferencia, con aceite de corte. La operación se desarrolla en dos o tres pasadas, limpiando la moleta y la pieza a cada pasada para eliminar por completo las finas virutas que se van desprendiendo. Al dar una pasada la otra hay que oprimir las moletas con energía, para que ocupen la misma posición y refuercen el dibujo en vez de destruirlo. Cuando el moleteado no deba cubrir toda la superficie conviene hacer una ranura de final de moleteado, para evitar una mala terminación.

ROSCADO El roscado en el torno puede hacerse por medio de machos y terrajas colocados en el cabezal móvil o por medio de una herramienta que tenga la forma de hilo de rosca y que se coloca en el portaherramientas. Las combinaciones de las cajas de avance son muy variadas; lo interesante es sacarles el máximo provecho. En el propio torno, y próximo a la caja, suelen llevar los tornos unas tablas impresas con los pasos que es posible obtener y las ruedas que hay que colocar en la lira. Para estos casos no hay más que colocar las palancas en su lugar y las ruedas convenientes en la lira. Con todo, siempre es bueno asegurarse de que se va a obtener el avance provisto dando una pasada fina con la herramienta o comprobando el recorrido del carro sobre la bancada. Para ello se hace girar el eje principal cierto número de vueltas. Se mide el recorrido logrado por el carro durante las mismas. Se divide el recorrido por el número de vueltas del eje principal y se tendrá el avance real del torno, que debe ser igual al deseado. Cuando el torno no dispone de caja de avances o cuando teniéndola ha sido anulada, puede lograrse cualquier paso poniendo en la lira ruedas apropiadas, que se calculan por medio de la regla siguiente: A. Se escribe una fracción que tenga por numerador el avance que se ha de construir y por denominador el paso del tornillo patrón, expresados ambos en la misma clase de unidades. Luego se transforma esta fracción en otra equivalente, de manera que sus términos que sus términos sean iguales al número de dientes de algunas de las ruedas de que se disponga. Si esto no es posible, se compone tanto el numerador como el denominador en factores que se correspondan de dichas ruedas (igual número de factores en Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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ambos términos). Los factores del numerador representan el número de dientes de las ruedas conductoras y los del denominador, los de las conductas. Paso o avance de la rosca Paso del husillo patrón Para hacer la transformación, cuando a primera vista no se ve el camino a conveniente proceder de la siguiente manera: B. Se simplifica totalmente la fracción.

seguir, es

C. Se multiplican por cinco ambos términos (en el caso más corriente de que las ruedas de que disponga tengan un número de dientes múltiplo de cinco). D. Se multiplican sucesivamente por 2,3,4... los términos de la fracción obtenida. E. En caso de que, por este procedimiento, no se encontrase solución, se descompone cada uno de los términos de la fracción simplificada en sus factores primos y se asocian éstos de las varias maneras posibles para construir dos únicos factores. Estos factores, multiplicados convenientemente, darán trenes de cuatro ruedas. Téngase en cuenta que si uno de los factores que aparece es 127, éste no debe ser multiplicado. Si el torno admite trenes de seis ruedas, se puede hacer la descomposición en tres factores. Los avances a construir y el del tornillo patrón deben estar expresados en el mismo tipo de unidades. Cuando esto no es así, no hay más remedio que reducir una de las partes a las unidades del otro. Las unidades empleadas son milímetros y pulgadas, o bien fracciones de éstas. Para reducir pulgadas a milímetros se multiplican las pulgadas por 25,4 o por la fracción equivalente a 127/5. Con frecuencia, en el lenguaje de taller y en algunos planos, se da el paso o avance de los tornillos en hilos por pulgada. Por ejemplo, se dice que el paso de un tornillo es de 20 hilos por pulgada. ¿Qué significado tiene esto? Quiere decir que en una longitud de rosca de 1´´ hay 20 hilos. El paso del tornillo patrón puede ser métrico o en pulgadas. Los pasos métricos están normalizados: 3, 6,12 o 24mm. En los tornos más corrientes del mercado el tornillo patrón tiene el paso de ¼ de pulgada, y otros de 3/8´´ o 1/12´´. Téngase presente en los cálculos que: 1´´= 6.35 mm = 127 mm El corte de una rosca en el torno se realiza en dos fases, desbaste y acabado; para cada una de ellas conviene emplear herramientas apropiadas. Para roscas pequeñas o de poca precisión puede bastar una sola herramienta.


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Los útiles para hacer roscas pueden clasificarse en útiles para roscas exteriores y útiles para roscas interiores. En ambos casos pueden ser herramientas simples o peines. La forma ha de adaptarse al perfil de la rosca correspondiente, según el sistema (métrico, inglés o estadounidense). Estas herramientas han de considerarse como herramientas de forma. Por ello es frecuente emplear útiles de perfil constante, rectilíneo o redondo, y portaherramientas especiales. Al afilar debe darse un ángulo de incidencia tal que las caras de útil no lleguen a rozar con el hilo. Esta precaución se ha de tomar sobre todo para roscas de mucho avance y poco diámetro, y principalmente para tuercas. El afilado de la herramienta de acabado se ha de efectuar de modo que la cara superior quede perfectamente plana y horizontal, lo cual equivale a hacer el ángulo de desprendimiento nulo para evitar que la forma del filete varíe. La herramienta debe colocarse en posición perfectamente a escuadra con el eje de la rosca, para que los chaflanes formen ángulos iguales. Esto se comprueba mediante galgas. La profundidad de pasada va de acuerdo con la robustez de la herramienta y del torno y con el diámetro y largo de la pieza. Para que dicha profundidad sea regular y uniforme es indispensable emplear el tambor. En el corte de roscas triangulares la profundidad de pasada debe ser mayor al comenzar, disminuyendo progresivamente conforme la viruta va saliendo más ancha. Si la herramienta penetra perpendicularmente en la pieza, cortaría igualmente por ambos lados, clavándose y produciendo vibraciones e incluso algún enganche. Para evitarlo se puede roscar por alguno de los procedimientos siguientes: Penetración normal. Al desbastar, además de tomar la profundidad de pasada con el carro transversal, se desplaza ligeramente la herramienta con el carro orientable, que debe estar paralelo a las guías de la bancada. El acabado se procura hacer con una pasada mínima pero de modo que la herramienta corte por las dos caras. Penetración inclinada. Para este procedimiento la herramienta debe tener corte sólo por el filo principal. Este corte debe quedar perfectamente horizontal y el ángulo de colocación debe coincidir con el perfil de la rosca. El procedimiento es el siguiente: 1. Inclinar el carro orientable con un ángulo igual a la mitad del ángulo del perfil de la rosca respecto a la perpendicular de la bancada.


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2. Colocar la herramienta en contacto con la pieza y ajustar a cero el tambor del carro transversal y del carro orientable. 3. Dar la profundidad con el carro orientable, teniendo en cuenta que el total del avance del husillo no es la profundidad de la rosca, sino el resultado de dividir esta profundidad de avance por el coseno de 60°/2 o 55°/2, según la rosca de que se trate. PROFUNDIDAD DEL FILETE Coseno del semiángulo del perfil 4. Retirar la herramienta al término de cada pasada, haciendo retroceder el carro transversal. Puesto el carro principal en posición para empezar una nueva pasada, se coloca el carro transversal a cero y se da la pasada con el carro orientable. Este procedimiento es muy rápido para desbastar. Solo tiene el inconveniente de que el flanco derecho de la rosca no queda pulido y hay que repasarlo con otra herramienta Roscas cuadradas. Las roscas cuadradas no están normalizadas. Si a pesar de ello se debiera hacer alguna, téngase en cuenta que tanto la anchura como la profundidad son iguales a la mitad del paso, con unos juegos prudenciales laterales y en el fondo. Por la misma razón este procedimiento es más apropiado como base para la construcción de roscas trapeciales que para roscas cuadradas. Esta clase de roscas suele construirse por medio de dos herramientas, una más estrecha que de coloca con su arista cortante perpendicularmente al hilo y la otra de anchura definitiva y colocada con su arista cortante paralela al eje del tornillo. Las rocas trapeciales se cortan con dos herramientas. La primera igual a la empleada para desbastar las roscas cuadradas, pero con un ancho ligeramente inferior al del fondo de la rosca. La segunda tiene forma de trapecio, con ángulo de 29° o 30°, según el sistema y ancho de la anterior; así se pulen sucesivamente las dos caras del hilo. Si han de pulirse simultáneamente, la anchura de la punta de la herramienta debe ser igual al fondo de la rosca. Téngase en cuenta, en las roscas cuadradas, la inclinación del filete, para evitar que la herramienta se destalone. Para roscas de mucho paso conviene emplear tres herramientas en ves de dos. La primera es como la empleada en la rosca cuadrada, con el ancho apropiado. Las otras dos son similares a las empleadas para roscas triangulares en el sistema de penetración normal, una izquierda y otra derecha. Todo lo dicho sirve tanto para roscas exteriores (los tornillos) como para roscas exteriores (las tuercas). Las herramientas, si bien son semejantes en la forma que han de dar al filete, en cuanto al cuerpo son distintas. La dificultad en el roscado interior es mayor que el torneado de interiores a causa de la inclinación de la hélice, que obliga a afilar los ángulos de incidencia con esmero para que no destalonen. Se puede facilitar la operación haciendo la altura de la rosca algo inferior a la del tornillo, mas no haciendo menor el diámetro exterior, sino haciendo mayor el diámetro del Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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agujero, naturalmente dentro de ciertos límites. Está demostrado que la capacidad portante de las rosca no disminuye apreciablemente con reducciones de ¼ de la altura teórica. La velocidad de corte para el roscado, especialmente para el interior, debe ser más reducida de lo normal. La profundidad de pasada también debe ser pequeña, pues las herramientas en general son débiles. A pesar de trabajar con velocidad reducida, se debe lubricar la herramienta con aceite o taladrina según los casos; de lo contrario la rosca no sale perfectamente pulida. Con este sistema puede llevar una velocidad mayor. La terminación de la rosca se puede hacer separando la herramienta, a cada pasada, un poco antes del lugar adonde llegó la anterior; pero como esto exige gran habilidad, es más aconsejable hacer un desahogo para la herramienta. Con las herramientas normales del torno no puede construirse la rosca en una sola pasada; por tanto la herramienta tiene que volver varias veces sobre el hilo que se construye hasta su completo acabado. El retorno del carro generalmente se obtiene haciendo girar el torno al revés después de haber separado la herramienta. Este procedimiento, cuando se trata de tornillos largos implica una gran pérdida de tiempo, aunque el torno disponga de retroceso acelerado. Además se produce un gasto importante de energía, y si la frecuencia de inversión es pequeña se calienta el motor peligrosamente. Sólo en tornos provistos de embrague de inversión es recomendable este sistema. Los inconvenientes descritos se evitan con el retroceso manual, que se realiza aflojando la tuerca de roscar, después de cada pasada, y haciendo retroceder el carro manualmente. Para que al apretar de nuevo la tuerca coincida exactamente la herramienta con el hilo que se construye, se han de cumplir las siguientes condiciones: A. Si el paso que se construye es submúltiplo del tornillo patrón, siempre coincidirá. B Si el paso que se construye es múltiplo del tornillo patrón, se marca con yeso una señal en el palto de arrastre y otra en un punto fijo del cabezal próximo al anterior. Para cada pasada se ha de apretar la tuerca cuando dichas señales coincidan, teniendo en cuenta que el carro, en el momento de apretar, ha de ocupar siempre la misma posición en la bancada. C. Si el paso que se construye no es múltiplo ni submúltiplo del tornillo patrón, se hace una señal, como en el caso anterior, y además otra en el tornillo patrón y en su apoyo. Para cada pasada se ha de apretar la tuerca, cuando dichas señales ocupan la posición inicial, teniendo en cuenta que en el momento de apretar, el carro ha de ocupar siempre la misma posición en la bancada. El roscado de un tornillo mediante el uso del tornillo patrón se hace por medio del avance automático. El movimiento giratorio del tornillo patrón tiene derivado mediante la transmisión por engranajes del cabezal. En la figura la rueda (z1), solidaria con el eje (a), transmite el movimiento, a través de la rueda libre (r0), a la rueda (z2), solidaria con el husillo patrón (m), que gira en el mismo sentido que el eje (a).


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Un giro del husillo patrón hace avanzar la tuerca (c), que estando fija al carro lo hace avanzar en dirección paralela al eje del torno. El mismo desplazamiento tiene, pues, la herramienta (u). Construcción de una rosca de paso determinado Dados el paso de la rosca que se debe construir y el del husillo patrón, determinar la relación de transmisión para unir cinéticamente estos dos elementos de modo que la herramienta realice sobre la pieza una rosca del paso requerido. La fórmula es

pr n t = p t nr

Pt = paso del tornillo patrón; Pr = paso de la rosca a construir; nt = número de revoluciones del tornillo patrón en la unidad de tiempo; nr = número de revoluciones de la rosca a construir en la unidad de tiempo. Sucede que el número de revoluciones va en función del número de dientes de la rueda conductora (Z1) y de la rueda conducida (Z2); por tanto, tenemos que: p 2 n2 Z = = 1 p 1 n1 Z 2

Ejemplo. Queremos construir un tornillo de paso a 2mm sobre un tornillo patrón de 10mm. ¿Cuál es el número de dientes de la rueda conductora (Z1) y de la conducida (Z2). Solución: Como

p2 2 1 = = p1 10 5

se deben usar unas ruedas tales que:

Z1 1 20 30 = = = Z2 5 100 150

Por tanto: Podemos poner Z1 = 20, Z2 = 100 o también Z1 = 30, Z2 = 150. SELECCIÓN DE LAS CONDICIONES DE CORTES Velocidad de corte Conviene tener siempre una tabla con las velocidades de corte más usuales para los casos en que no estén señaladas en las hojas de instrucción. Profundidad de la pasada La profundidad de la pasada depende ante todo del material a rebajar. Si es mucho, hay que aprovechar al máximo la potencia del torno, trabajando con profundidades que pueden variar de 2 a 10mm, sin olvidar que es preferible trabajar con profundidades medias y gran avance. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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El avance es distinto cuando se trata de desbastar o de acabar. El acabado, además de la herramienta apropiada, exige avances pequeños. Una vez realizado lo anteriormente expuesto, se debe realizar lo siguiente: a. Acercar la herramienta hasta tomar contacto con la pieza. A continuación, sin mover el carro transversal, se corre el carro principal hasta que la herramienta quede distanciada de la Poner el torno en marcha. b.

pieza unos pocos milímetros.

c. Poner en funcionamiento el equipo de refrigeración y graduar la cantidad y orientación del mismo. d. Dar una primera pasada. Si la pieza no es muy uniforme, esta pasada debe ser poco profunda, pero no tanto que la cascarilla de la primera capa pueda dañar la punta de la herramienta de 2 a 4mm resulta una buena profundidad. e. Poner el tambor a cero y medir el diámetro resultante. En las siguientes pasadas de desbaste no es necesario medir el diámetro, ya que la lectura del tambor marca la profundidad rebajada desde la primera pasada. Es muy importante asegurarse del manejo del tambor desde el principio. Se prosigue dando pasada tras pasada. Al retroceder el carro, se separa la herramienta para que no roce con la pieza. Puede ocurrir que al final de la pasada la herramienta no tenga salida. En tal caso conviene levantar el automático un poco antes de llegar al punto final y sujetar el volante de avance, con lo que se ha de frenar un poquito. Soltado el automático, se prosigue el avance a mano al mismo ritmo y sin interrupción hasta el final. Es preferible que cada pasada quede visible con un pequeño escalón. De no hacerlo así, es posible que al coger mayor pasada la herramienta tienda a clavarse en la pieza, provocando una muesca en aquella y quizás la rotura de la propia herramienta. Grado de acabado Conviene practicar en el torno con varios tipos de piezas hasta alcanzar seguridad en el mecanizado de acabado, por ser esto básico y fundamental en el torno. Aunque el torno no es una maquina muy apropiada para obtener grados de acabado muy finos, desde el punto de vista tanto de la rugosidad como de la precisión de las medidas hay que lograr un acabado uniforme en el desbastado, aunque las huellas de la herramienta queden bien patentes, como si fuese una rosca de paso fino. La uniformidad de estas huellas de la medida del grado de corte de la herramienta. La precisión en las medidas se logra con ayuda del tambor graduado. Así como en el desbaste lo fundamental no es la rugosidad ni la precisión, sino el rendimiento según la cantidad de viruta cortada, en el acabado, dentro de las limitaciones del torno, lo fundamental es precisamente la precisión en las medidas y la rugosidad que se exigen en los planos de taller.


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Una cosa importante en el mecanizado de los metales, y correctamente en el torneado, es el concepto de “mínima pasada”, ya que si no se tiene en cuenta, se suele perder tiempo y se obtienen acabados deficientes. Cada material y tipo de herramienta tiene un límite en la profundidad de cada pasada. Si esta profundidad es muy pequeña, la herramienta produce un efecto de martilleo que endurece la superficie haciendo que el aspecto no sea uniforme ni preciso las dimensiones o la forma. 2.2 INGENIERÍA DEL MAQUINADO Maquinabilidad Se puede decir que maquinabilidad es la facultad que tiene un material para ser trabajado con mayor o menor facilidad por medio de herramientas, o más brevemente: maquinabilidad es la facilidad que presenta un material para el arranque de viruta. Hoy día se ve más lejos, y se incluyen también, dentro de este concepto, el desgaste de la herramienta, la precisión que puede obtenerse en las medidas, la calidad de acabado superficial, la deformación de la pieza y el consumo de energía necesaria. Los primeros investigadores emplearon el llamado método destructivo, es decir, se dedicaron a mecanizar grandes cantidades de material y tras medios empíricos e intuiciones personales, llegaron a descubrir muchos de los valores que dificultaban o facilitaban el logro de grandes cantidades de viruta: fueron los pioneros en el estudio del corte y lograron resultados verdaderamente espectaculares, como el descubrimiento de los aceros rápidos y los metales duros para las herramientas. Los investigadores de hoy van por otros caminos, más o menos sofisticados, y procurando obtener resultados científicamente comparables. Están muy en boga los que se refieren al comportamiento de la viruta durante el proceso de corte; con pequeños dispendios de material se están alcanzando resultados altamente ilustrativos para saber como lograr mayor productividad, que es lo que en definitiva se busca. He aquí muy brevemente algunos de estos estudios y las consecuencias deducidas. • Proceso de recalcado Las propiedades de maquinabilidad van muy ligadas con el recalcado de la viruta, que puede valorarse numéricamente para ello, se determina la relación entre la longitud teórica que debería tener la viruta, sino hubiera deformación, y la longitud que realmente tiene; o bien, el espesor de la viruta real y el de la teórica, sin recalcar. Razón de corte o Coeficiente de recalcado: rC =

lS e = C 〈1 lc eS

Siendo: lc = longitud teórica de la viruta, en milímetros. lS = longitud real de la viruta, en milímetros. eS = espesor de la viruta recalcada, en milímetros. ec = espesor de la viruta teórica, en milímetros.


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Para facilitar la operación se hacen unas ranuras en la pieza a una distancia “l” determinada y se miden luego las virutas que salen entre esas ranuras, que podemos observar en la figura:

Ranuras para medir el efecto de recalcado. Otro método, para eliminar errores de medida en la viruta cortada, es calcular el recalcado a partir del peso de virutas arrancadas y del peso teórico:

rc =

1000 × G A ×δ ×l

En la cual: G = peso de las virutas, en gramos. A = sección de la viruta calculada = a. p, en mm2. δ = peso específico, en grf/cm3. l = longitud teórica de la viruta, en mm. Cuanto mayor es el coeficiente del recalcado, mayor es la deformación. Esta deformación se logra a expensas de la energía; por consiguiente, cuanto menor sea el recalcado, mayor será la maquinabilidad. •

Elementos que influyen en el coeficiente de recalcado: Se ha comprobado que son varios los factores que influyen en la maquinabilidad, aunque no todos de igual manera: 1.° Material de la pieza. Los materiales más tenaces tienen mayor coeficiente de recalcado que los agrios. 2.° Material de la herramienta. El recalcado es mayor con elementos de menor dureza y de mayor tendencia a producir gripado. Los metales duros, sobre todo el diamante, producen menos recalcado que los aceros rápidos. 3.° El ángulo de desprendimiento. El recalcado disminuye al crecer el ángulo de desprendimiento. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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4.° Velocidad de corte. Hay que distinguir: _ Con herramientas de metal duro disminuye el recalcado, al aumentar la velocidad. a partir de 150 m/min se mantiene más ó menos constante. _ Con herramientas de acero rápido al principio, crece el recalcado con la velocidad, hasta llegar a unos 50 m/min; a partir de ella el recalcado disminuye. Efectos del recalcado: Son varios los efectos que se pueden distinguir como consecuencia del recalcado. 

l.° Tamaño de la viruta. Cuanto menor es el recalcado, más cortos son los trozos en que se rompe la viruta. 2.° Velocidad de la viruta. Evidentemente, cuanto mayor es el recalcado, menor es la velocidad de salida de la viruta. 3.° Presión y temperatura de corte. Aumentan al aumentar el recalcado. 4.° Modificación de la superficie mecanizada. La deformación no es sólo en la viruta, sino también en la pieza; de manera que la estructura del material queda modificada en una cierta profundidad cuanto mayor son el recalcado y la sección de la viruta, mayor es el espesor de la capa deformada. Puede llegar a ser la mitad de la profundidad de pasada. Un caso especial, en el que no se sigue esta norma, es cuando se trabaja en la proximidad de la viruta límite: la deformación puede ser más profunda que la pasada. •

Proceso de cizallado

Hay dudas sobre la existencia real del ángulo de cizallado: fotografías, tomadas a gran velocidad, no han mostrado su presencia. A pesar de ello, y dado que este concepto ayuda mucho a determinar la maquinabilidad, se da como cierta su existencia y se define así: Se llama ángulo de cizallado ϕ aquél según el cual se corta el material para formar la viruta, que se puede observar en la figura, de donde se obtiene:

er = Cos (ϕ − C ) r

y

e = Senϕ r

Dividiendo miembro a miembro:

er Cos (ϕ − C ) = = Cr e Senϕ


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(Recordar que rc = es/ec) Luego, se puede hacer:

Pero:

rc × Sen ϕ = Cos(ϕ − γ )

Ángulo de cizallado

Cos(ϕ − γ ) = Cosϕ * Cosγ + Sen ϕ * Sen γ

Dividiendo los dos miembros de la ecuación anterior por Senϕ, resulta:

rc =

Cosϕ × Cosγ + Sen λ = Cotgϕ × Cosγ + Sen γ Sen ϕ

.

Despejando Cotgϕ : Cotg ϕ =

rC − Sen γ Cos γ

Lo cual manifiesta que el ángulo de cizallado depende del coeficiente de recalcado y del ángulo de desprendimiento de la herramienta. Para C = 0°, se tiene: Cotg ϕ =

•

rC − 0 = rC 1

Velocidad de cizallamiento

Se llama así la velocidad con que se rompe la viruta. Según la figura, Vz es la suma geométrica de las velocidades de corte Vc y de salida de la viruta Vr. Influencia del ángulo de desprendimiento en el recalcado


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Sí la velocidad Vc es constante, Vz depende de Vr, la cual, a su vez, depende del coeficiente de recalcado. Pero también depende del ángulo de desprendimiento C. De manera que las herramientas de ángulo negativo hacen aumentar la velocidad de cizallamiento y con ello disminuye el tamaño de la viruta.

Velocidad de corte Se entiende como tal el desplazamiento relativo de la herramienta respecto a la pieza en el sentido de corte; se mide en m/min. Para el torneado se tiene: VC =

π* d *n (m / mim ) 1000

d = diámetro de la pieza en bruto, en mm. n = revoluciones de la pieza en un minuto (rpm). No se puede trabajar a cualquier velocidad; con velocidad pequeña, la producción será pequeña, más, si por el contrario, se trabaja a demasiada velocidad, se desgastará y embotará la herramienta prematuramente. •

Relación de la viruta

Al redondear la punta de la herramienta o al terminarla en forma de chaflán, que podemos observar en la figura, el filo activo de la herramienta se hace más largo. Esta longitud activa del filo se llama longitud del arco de viruta. Si se divide la sección de la viruta Ac = p.a, por la longitud del arco de viruta, se tendrá el llamado espesor del arco de viruta:


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PROCESOS DE MANUFACTURA I ea =

A la

ea = espesor del arco de viruta, en mm. Ac = sección de la viruta = p. a, en mm2. la = longitud del arco de viruta, en mm.

Para un mismo valor de A, cuanto mayor sea la longitud del arco de viruta, tanto más se reparte la fuerza de corte en la herramienta y, en igualdad de condiciones, la velocidad de corte o el tiempo de duración podrían ser mayores. Como quiera que sea engorroso el cálculo para la determinación de la longitud del arco, suelen emplearse gráficos. Los alemanes emplean fichas AWF, y de ellas deducen las velocidades correspondientes. En la figura se reproduce dos de estas tablas:

Gráficas según AWF, para determinar el espesor del arco de viruta y la velocidad de corte. • Temperatura de corte El arranque de la viruta y el trabajo empleado en su deformación se transforma en calor, que se reparte muy desigualmente entre la viruta (del 65 al 80%) entre la pieza (del 15 al 25%) y entre la herramienta (del 5 al 10%). A pesar de que este reparto es favorable a la herramienta, es sin embargo muy elevada la temperatura a que puede llegar el filo de la misma con influencia muy grande en la capacidad de corte y en el tiempo de duración.


Avance a en mm.

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Se procura aminorar estas altas temperaturas: primero, haciendo que la sección de la herramienta sea lo mayor posible en la zona peligrosa (de la figura), y segundo, con un buen sistema de refrigeración y lubricación.

Con un eficaz lubricado y refrigerado puede aumentarse la velocidad de corte hasta un 40%, a la vez que se alarga la vida de la herramienta y se consigue un mejor acabado de la superficie mecanizada. La calidad del elemento empleado es fundamental: el agua es el mejor de los refrigerantes (tiene el mayor calor específico = 1), pero no es buen lubricante, además de que, empleada sola, oxida las máquinas. Cuando lo primordial sea refrigerar, se emplea el agua con aceites solubles (mecanol) y, cuando lo más importante es la lubricación para disminuir el rozamiento entre herramienta y viruta y entre herramienta y pieza, se utilizan los aceites de corte. Es importante que el líquido sea abundante y continuo y, a ser posible, que vaya dirigido al punto de contacto entre herramienta-pieza-viruta. Por estas razones se emplean distintos sistemas. Potencia de corte Se sabe que potencia es el trabajo producido en la unidad de tiempo, o el producto de la fuerza por la velocidad. PC =

FC * VC (Kgf −m / min) factor

El factor recurrente es: 1Kw = 102*60Kgf.m/min En el corte de material por arranque de viruta se ha visto que la fuerza total era la resultante de las fuerzas de trabajo, de avance y de empuje. Pero esta última, al no producir trabajo, no absorbe potencia y la potencia de avance es muy pequeña; por ser pequeña la fuerza de avance y muy pequeña la velocidad, queda como componente principal la fuerza de trabajo en dirección del corte, que es la que ordinariamente se considera, a la hora de calcular la potencia de corte. Según esto se tendrá: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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PROCESOS DE MANUFACTURA I Pc =Fc * Vc

Como Fc = Ac .Kc, también se podrá escribir: Pc =A C * K C * Vc

Dos son los problemas que se pueden presentar en la práctica: 1.° Determinar la potencia necesaria para cortar una sección A, de un material determinado y a la velocidad Vc, V60, etc. 2.° Calcular la sección de viruta A, de un material determinado y a una velocidad V c o Vt, etc., en una máquina de potencia total P. Para el primer problema se emplea la fórmula, que viene a continuación, transformada en una de las siguientes, según que la potencia se quiera en Cv o en Kw. PC =

A C * K C * VC (C V ) 75 × 60

PC =

A C * K C * VC (Hp ) 76 × 60

PC =

A C * K C * VC (Kw ) 102 × 60

Estas potencias serían las necesarias en el eje principal de la máquina. Si se quiere saber la potencia del motor, teniendo en cuenta el rendimiento de la máquina y que se ha despreciado la potencia de avance, habría que introducir un coeficiente o rendimiento que, en las buenas máquinas, no debe ser inferior a: 1/η = 1/0.8 = 1.25; η = rendimiento del motor. Las fórmulas anteriores quedan así: PC =0.0003

PC =0.0002

* A * K C * V (C v )

×A × K C ×V (K W )

En ellas: A = a . p = mm2 V = velocidad de trabajo en m/min. fe = fuerza específica de corte kgf/mm2 Para el segundo problema se despeja de éstas el valor de A. •

Caudal de viruta Es el volumen de remoción de viruta arrancado en la unidad de tiempo.

Z w =A C ×VC (cm


3

/m in)

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Zw = caudal de viruta en cm3 Ac = sección de viruta en milímetros Vc = velocidad de corte en m/min •

Caudal específico de viruta Es el volumen de viruta arrancado en la unidad de tiempo y de potencia. KC =

ZW PC

Kc = caudal específico de viruta en cm3 Pc = potencia de corte, en CV. Tiempos de mecanizado El tiempo de mecanizado es función del volumen de viruta que hay que arrancar y de las características de corte: velocidad, avance y profundidad de pasada. Normalmente suele calcularse el tiempo necesario para dar una pasada y, más frecuente aún es calcular el tiempo necesario para mecanizar una longitud determinada, por ejemplo 100 mm. Esto es práctica común cuando el cálculo se hace con empleo de ábacos, reglas, etc 2.3 HERRAMIENTAS DE CORTE ELEMENTALES 2.3.1.

Materiales de las Herramientas de Corte

Las herramientas de corte deben poseer ciertas características específicas, entre las que se destacan: resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, resistencia al desgaste y resistencia a la temperatura (porque en un proceso de mecanizado con herramientas tradicionales tºherramienta > tºpieza > tºviruta ; con herramientas más avanzadas se logra concentrar el aumento de temperatura en la viruta). La selección de la herramienta de corte va a depender de la operación de corte a realizar, el material de la pieza, las propiedades de la máquina, la terminación superficial que se desee, etc. Para cumplir con cada uno de estos requerimientos han surgido herramientas formadas por diferentes aleaciones. Los materiales para las herramientas de corte incluyen aceros al carbono, aceros de mediana aleación, aceros de alta velocidad, aleaciones fundidas, carburos cementados, cerámicas u óxidos y diamantes. Para conocer las aleaciones de aceros para herramientas hay que saber las funciones que cumplen cada uno de los elementos que forman la aleación. El resumen de estas características se entrega en el cuadro 2.1. Los elementos se agregan para obtener una mayor dureza y resistencia al desgaste, mayor tenacidad al impacto, mayor dureza en caliente en el acero, y una reducción en la distorsión y pandeo durante el templado.


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En las herramientas de corte existen varias familias dependiendo del material que se componen, cada una tiene ciertas características de resistencia y puede realizar mejor alguna operación de corte, ver cuadro 2.2.

Cuadro 2.2 Herramienta Características Utilización Aceros al • Son el tipo de acero más antiguo en • Brocas que trabajan a Carbono herramientas de corte. velocidades relativamente bajas. • Son muy baratos. • Machuelos. • Tienen buena resistencia al impacto. • Se pueden someter fácilmente a • Escariadores y brochas. tratamientos térmicos como el templado, lográndose un amplio rango de durezas. • Se forman y rectifican con facilidad. • Mantienen su borde filoso cuando no están sometidos a abrasión intensa o a altas temperaturas. • Han sido sustituidos por otros materiales. Elemento Cantidad Propiedades Aceros Cde • 0,6 Son grupo mayor contenido • Taladrar. Carbono, % el - 1,4 % con - Forma carburos con de el hierro. Alta aleaciones de los aceros. la dureza. • Escariar. - Aumenta Velocidad • Conservan la- Aumenta dureza, la resistencia mecánica. • Fresar. mecánica y filo -de los aceros. Aumenta la resistencia al• desgaste. Brochar. •0,25 Empleando equipos la adecuados Cromo, Cr % - 4,5 %los- Aumenta resistencia al• desgaste. Machuelar. pueden ser templadas por completo - Aumenta la tenacidad. • Máquinas para fabricar de distorsión Cobalto, Co 5con % - poco 12 % riesgo - Se emplea en aceros ode alta velocidad. tornillos. agrietamiento. - Aumenta la dureza en caliente. • Se templan al aceite. - Permite velocidades y temperaturas de operación Aleaciones • Mantienen su elevada más altasdureza manteniendo y los filos. a altasla•dureza Se recomiendan para Fundidas temperaturas. operaciones Molibdeno, Mo hasta 10 % - Elemento fuerte para formar carburos. de desbaste profundo con - Aumentaalladesgaste. resistencia mecánica. • Tienen buena resistencia velocidades y avances Aumenta resistencia al desgaste. • No se necesitan- fluidos de la corte. relativamente altos - Aumenta la dureza en caliente. - Siempre se utiliza junto •a otros de para Sólo elementos se emplean aleación obtener un acabado superficial especial. Tungsteno, W 1,25 % - 20 % - Mejora la dureza en caliente. Aumenta la resistencia mecánica. Carburos • Tienen carburos- metálicos. Cementados Vanadio, V Aceros al con- técnicas Aumentade la metalurgia dureza en caliente. • Se fabrican * - Aumenta la resistencia a la abrasión. deCarbono polvos. % - alta 0,5 % •0,20 Tienen dureza en un amplio rango Aceros Alta de temperaturas. Veloc. módulo elástico, dos o tres • Elevado 1 % - el 5 del % acero. veces • No representan flujo plástico. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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• Baja expansión térmica. • Alta conductividad térmica. • Se emplean como insertos o puntas que se sueldan o sujetan a un vástago de acero. Se encuentran en diferentes formas, circulares, triangulares, cuadrados y otras formas. Carburo de Tungsteno Aglutinado con Cobalto Carburo de Tungsteno Aglutinado con Cobalto + Solución Sólida de WC-TiC-TaCNbC Carburo de Titanio con Aglutinante de Níquel y Molibdeno

• Se emplean para mecanizar hierros fundidos y metales abrasivos no ferrosos.

• Mecanizar aceros. W: Tungsteno Ti: Titanio Nb: Niobio

C: Carbono Ta: Tantalio

• Opera a altas temperaturas debido a • Cortar. las altas velocidades de corte. • Trabaja piezas de materiales con alta resistencia mecánica.

Carburos Revestidos

• Son insertos normales de carburo • Se utilizan en máquinas revestidos con una capa delgada de de herramientas rígidas, carburo de titanio, nitruro de titanio u de mayor velocidad y óxido de aluminio. más potentes. • Con el revestimiento se obtiene una resistencia superior al desgaste, a la vez que se mantiene la resistencia mecánica y la tenacidad. • No se necesitan fluidos de corte, si se aplica debe ser en forma continua y en grandes cantidades, para evitar calentamiento y templado. • Los avances suaves, las bajas velocidades y el traqueteo son dañinos. Cerámicas u • Se constituyen de granos finos de • Son eficaces para Óxidos aluminio ligados entre sí. Con operaciones de torneado adiciones de otros elementos se logran ininterrumpido a alta propiedades óptimas. velocidad. • Resistencia muy alta a la abrasión. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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• Son más duras que los carburos cementados. • Tienen menor o nula tendencia a soldarse con los metales durante el corte. • Carecen de resistencia al impacto. • Puede ocurrir una falla prematura por desportilladura o rotura. Diamantes • Tienen dureza extrema. • Son empleados cuando Policristalino • Baja expansión térmica. se requiere un buen acabado superficial, en • Alta conductividad térmica. particular en materiales • Coeficiente de fricción muy bajo. blandos y no ferrosos, • Se liga a un sustrato de carburo. difíciles de mecanizar. • Se emplea como abrasivo en operaciones de rectificado. CBN • Es el material más duro que hay en la • Es adecuado para Nitruro actualidad. trabajar aleaciones de Cúbico de altas temperaturas y • Se liga a un sustrato de carburo. Boro Cúbico • La capa de CBN produce una gran diversas aleaciones ferrosas. resistencia al desgaste. emplea como • Gran resistencia mecánica de los • Se abrasivo en operaciones bordes. de rectificado. • Es químicamente inerte al hierro y al níquel a altas temperaturas.

A los carburos cementados se le asigna Grado C-1, Grado C-2, etc. Los grados 1 a 4 se recomiendan para mecanizar hierro fundido, materiales no ferrosos y no metálicos; los grados 5 a 8 son para mecanizar aceros y sus aleaciones. Los grados 1 y 5 son para desbastar, los 2 y 6 son para uso general, 3 y 7 son para acabado, y 4 y 8 son para acabado de precisión. Existen también otros grados para diversas aplicaciones y según lo riguroso de la operación de mecanizado. El siguiente cuadro muestra como difieren las propiedades de los distintos tipos de herramientas. Cuadro 2.3 Aceros al carbono

Aceros alta velocidad

Aleaciones de cobalto

Carburos cementado

Carburo revestido

Cerámico

Nitruro de boro cúbico

Diamante

Dureza en caliente Tenacidad

-

-

-

Aumentando

-

-

-

→

-

-

-

Disminuyendo

-

-

-

→

Resistencia al impacto

-

-

-

Disminuyendo

-

-

-

→


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Resistencia al desgaste Resistencia melladura Velocidad de corte Resistencia cambios tº Costo

-

-

-

Aumentando

-

-

-

→

-

-

-

Disminuyendo

-

-

-

→

-

-

-

Aumentando

-

-

-

→

-

-

-

Disminuyendo

-

-

-

→

-

-

-

Aumentando

-

-

-

→

Profundida d de corte Acabado esperable

Baja a media Regular

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Muy baja

Regular

Regular

Bueno

Bueno

Muy bueno

Muy bueno

Excelente

2.3.2.

Nomenclatura de herramientas de corte Existen diversos tipos de herramientas de corte, entre las que se destacan los monofilos, las multifilo y las abrasivas. Las herramientas monofilo se usan en las operaciones principales de torneado, las multifilo se usan en operaciones de fresado y taladrado, y las abrasivas en procesos de rectificado. Las herramientas de corte monofilo (un filo) estructuralmente constan de dos partes, una cortante (o elemento productor de viruta) y otra denominada cuerpo. Se encuentran normalmente en tornos, tornos revólver, cepillos, limadoras, mandrinadoras y máquinas herramientas semejantes.

Fig. 2.1 En la figura 2.1 se observan las partes más importantes de una herramienta monofilo donde se pueden destacar: *0 La cara, que es la superficie o superficies sobre las cuales fluye la viruta (superficie de desprendimiento). *1 El flanco, que es la superficie de la herramienta frente a la cual pasa la superficie generada en la pieza (superficie de incidencia). *2 El filo es la parte que realiza el corte, siendo el filo principal la parte que ataca directamente a la pieza y el filo secundario la parte restante. *3 La punta de la herramienta es el lugar donde se interceptan el filo principal y secundario. En general, la herramienta tiene dos componentes de movimiento. La primera corresponde al movimiento derivado del movimiento principal de la máquina, y la segunda está relacionada con el avance de la herramienta. El movimiento resultante corresponde al Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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movimiento resultante de corte, y el corte, como tal, se produce por un movimiento relativo entre la herramienta y la pieza. El movimiento principal es el que consume una mayor cantidad de energía, y corresponde normalmente al que mueve al husillo. El movimiento de avance ocupa menos energía y puede ser un movimiento continuo o alternado.

Fig. 2.2 El ángulo entre la dirección del movimiento de corte principal y el movimiento resultante se llama ángulo de la velocidad de corte resultante (η). Debe destacarse que, como habitualmente el avance es relativamente pequeño en comparación con el movimiento principal, el ángulo de corte resultante se considera cero. Otro punto importante de tener presente es que no en todas las operaciones de mecanizado la velocidad de corte es constante, pues por ejemplo, en el refrentado, la velocidad de corte es función del radio de la pieza. La velocidad de corte resultante ve , que es la velocidad instantánea relativa entre el filo de la herramienta y la pieza, está dada por: ve = v · cos(η) (2.1) pero como para la mayoría de los procesos de mecanizado η es muy pequeño, generalmente se considera ve = v (2.2)


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Fig. 2.3 Finalmente, otro de los ángulos importantes cuando se considera la geometría de una operación de mecanizado es el llamado ángulo del filo principal de la herramienta, kr. El espesor de la capa de material que está siendo removido por un filo en un punto seleccionado, conocido como espesor de la viruta no deformada a c, afecta significativamente la potencia requerida para realizar la operación. Esta dimensión debe ser medida en un plano normal a la dirección de corte resultante pasando por el filo. Adicionalmente, como η es pequeño, ac puede medirse normal a la dirección del movimiento principal. Analizando la figura 2.3 se tiene:

e c = a * sen(k )

(2.3)

Donde a es el encaje de avance, es decir, el encaje instantáneo de la herramienta en la pieza. 2.3.3.

Consideraciones sobre los ejes coordenados

Para efectos de mantener un ordenado uso de los ejes coordenados en lo que sigue, se observará una serie de convenciones, las cuales se detallan a continuación:


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• Se definen como ejes para la máquina y sus rotaciones X, Y y Z, A, B y C. Para las rotaciones en particular se observará la regla de la mano derecha para el sentido positivo de éstas. • Se definen como ejes para la herramienta y sus rotaciones X’, Y’ y Z’, A’, B’ y C’. • En cualquier máquina se definirá primero el eje Z, y éste irá paralelo al eje de rotación del husillo. • Si la máquina no tiene husillo, el eje Z se define perpendicular a la superficie en que se trabaja. • El sentido del eje Z es positivo cuando la herramienta se aleja de la pieza. • El eje X se define horizontal (cuando se pueda), por ejemplo, en el torno es radial. • En las máquinas sin husillo el eje X es paralelo a la dirección principal de movimiento. • Si gira la herramienta, y el eje Z es horizontal, el eje X es horizontal también. • El sentido del eje X se define positivo cuando la herramienta se aleja del eje de rotación. • Finalmente, el eje Y se impone manteniendo el orden conocido de los tres primeros dedos de la mano derecha. 2.3.4.

Fluidos de corte Los fluidos de corte son líquidos que se utilizan durante el mecanizado, aplicándose en la zona de formación de viruta, para mejorar las condiciones de corte en comparación con un corte en seco. Estas mejoras van en pos de enfriar la herramienta, la pieza y la viruta, lubricar y reducir la fricción, minimizar la posibilidad de crear cantos indeseables en la herramienta, arrasar con la viruta y proteger la pieza de la corrosión. Los hay de tres tipos: • Enfriadores y lubricantes, sobre una base de petróleo mineral • Aceite y agua, que enfrían por tener una gran capacidad de transferir calor • Aceites puros, que lubrican solamente, para mecanizados de baja velocidad Ventajas de los enfriadores 1. Aumentan la vida de la herramienta bajando la temperatura en la región del filo principal 2. Facilitan el manejo de la pieza terminada 3. Disminuyen la distorsión térmica causada por los gradientes de temperatura producidos durante el mecanizado 4. Realizan una labor de limpieza por arrastre, al ayudar a remover las virutas de la región de corte. Las ventajas 2 y 3 se manifiestan más claramente al realizar operaciones con muelas abrasivas. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Ventajas de los lubricantes 1. Disminuyen la resistencia friccional al movimiento, aminorando el consumo de potencia, alargando la vida de la herramienta y mejorando la calidad superficial del acabado 2. Tienen un ingrediente reactivo que forma un compuesto de baja resistencia al corte, el cual actúa como un lubricante en los bordes 3. Son suficientemente estables como para mantener sus propiedades bajo las condiciones de temperatura y presión existentes en la interfase viruta-herramienta Sin embargo, la efectividad de todos los lubricantes para corte disminuye a medida que aumenta la velocidad de corte. 2.3.4.1.

Aplicación de fluidos de corte

La forma en que se aplique un fluido de corte tiene una influencia considerable en la vida de la herramienta, así como en la operación de mecanizado en general. A pesar de que existen equipos muy complejos y efectivos para dosificar los fluidos en la zona del corte, estos no son necesarios para lograr buenos resultados. Incluso el mejor fluido de corte puede no cumplir su función con éxito si no es distribuido correctamente en la zona del corte. La idea es que el fluido forme una película sobre las superficies en roce, díganse la pieza y la herramienta (figura 2.4). Es preferible que el fluido llegue en forma continua a la pieza antes de que llegue de manera intermitente, pues de esta última manera pueden producirse ciclos de temperatura letales para la microestructura tanto de la pieza como de la herramienta.


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Fig. 2.4 Una buena aplicación de fluido de corte permite además una adecuada remoción de viruta, lo cual ayuda a alargar la vida de la herramienta. Existen diversas maneras de aplicar el fluido de corte (figura 2.5), sin embargo se destacarán tres: • Manual: Se aplica el fluido con una brocha, lo que produce una aplicación intermitente, con una baja remoción de viruta y un limitado acceso a la zona de corte. • Automática de chorro continuo (o por goteo): Se trata de una boquilla apuntada a la herramienta que chorrea constantemente a baja presión el fluido. Logra una buena penetración a nivel de herramienta y pieza. • Niebla (pulverizador): Se aplica un rocío constante con aire comprimido sobre el área de corte. Presenta un riesgo a la salud si no se toman las medidas de seguridad correspondientes, ante la eventual inhalación de gotitas aceitosas.


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Fig. 2.9 2.4 Duración y Desgaste de la Herramienta En todo proceso de manufactura tiene que haber un equilibrio entre el volumen de producción y los costos de producción Es por esto que un tema de mucha importancia es el desgaste y duración de la herramienta bajo las distintas condiciones de trabajo. 2.4.1.

Desgaste de la herramienta

La vida de la herramienta de corte puede terminar por varias causas, pero éstas pueden separarse en dos grupos principales: 1. El desgaste progresivo de la herramienta. 2. Fallas mecánicas que lleven a la herramienta a un final prematuro. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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El desgaste progresivo de la herramienta se puede producir de tres maneras distintas: • Desgaste por abrasión: ocurre cuando materiales más duros que la herramienta toman contacto con ésta rayándola y desgastándola. • Desgaste por adhesión: como en la zona de corte existe una alta temperatura, el material de corte y la herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende. • Desgaste por difusión: se produce a partir del aumento de temperatura de la herramienta, con lo que se produce una difusión entre las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficie de la herramienta. El desgaste se puede observar en dos regiones de la herramienta, la cara y el flanco. El desgaste en la cara se presenta como un cráter, lo que es un resultado del paso de viruta caliente al fluir a lo largo de la cara. Por otro lado, el desgaste del flanco es plano y es causado por el roce entre la pieza y la herramienta; en este caso se pueden distinguir tres períodos de desgaste en la vida de una herramienta: • Fractura inicial, el filo agudo se desportilla rápidamente. • Desgaste progresivo uniforme. • Fractura rápida, el desgaste progresa a una tasa creciente. Estos tres períodos se muestran en la figura 2.28.

Fig. 2.28 La figura 2.29 ilustra el desgaste en la cara y el flanco de una herramienta en una operación de mecanizado.


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Fig. 2.29 Las fallas mecánicas se pueden producir en cualquier momento, debe existir por lo tanto precaución ante el hecho de usar inadecuadamente un avance o encaje demasiado grande, pues al ocurrir una falla de este tipo, la herramienta será inútil inmediatamente, y su costo no es nada de despreciable. 2.4.2.

Criterios de duración de una herramienta

El criterio de duración de una herramienta permite obtener un valor mínimo de tiempo de vida para la herramienta antes de que se desgaste. Como en las operaciones de mecanizado el desgaste del cráter y del flanco no son uniformes a lo largo del filo principal, se debe especificar la locación y el grado de desgaste permisible para cada caso. En la figura 2.30 se muestra una herramienta ya desgastada. La profundidad del cráter (KT) es medida desde el punto más profundo de éste. También puede apreciarse que el desgaste del flanco es mayor en los extremos del filo principal. Como el desgaste no es uniforme en las zonas C, B y N, se considera un ancho promedio para la zona central, cuyo valor se estima igual al ancho que existe en la parte más uniforme del desgaste y se denomina VB.


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Fig. 2.30

2.4.3.

Criterios para reemplazar una herramienta

Los criterios recomendados por la ISO para definir la duración efectiva de una herramienta son: Para herramientas de acero rápido o cerámica: - Por rotura - Cuando VB promedio = 0,3 mm - Cuando VBmáx = 0,6 mm Para herramientas de carburo cementado: - Por rotura - Cuando VB promedio = 0,3 mm - Cuando VBmáx = 0,6 mm - Cuando KT = 0,06 + 0,3 * f, donde f es el avance 2.4.4.

Duración de la herramienta

La duración de la herramienta se define como el tiempo de corte requerido para alcanzar un criterio de duración de la herramienta. La velocidad de corte es el factor más Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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significativo que afecta la duración de una herramienta. Ésta, junto con el material de trabajo, el material y la forma de la herramienta son claves en la estimación de la vida de esta última. La relación entre el tiempo de vida y la velocidad de corte de una herramienta está dada por la siguiente ecuación, llamada, en honor a su creador, ecuación de Taylor.

V Vr

t  =  r  t

n

(2.39)

, en donde: n = constante que depende del material de la herramienta V = velocidad de corte Vr = velocidad de corte de referencia tr = duración de referencia de la herramienta a velocidad de corte Vr t = vida (duración) de la herramienta a velocidad de corte V En el gráfico 2.2 se muestran los valores de Vr, según el material de la herramienta y la dureza del material de la pieza a mecanizar, para el uso de la ecuación de Taylor. Para utilizar esta tabla debe usarse ya sea la dureza Brinnel o la resistencia a la tracción del material a mecanizar, así como el material de la herramienta. Con estos datos se puede ver un pequeño rango de valores para Vr, teniendo en cuenta que en este caso t r es de 60 segundos.


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Gráfico 2.2 Por otro lado, y como ya se dijo, n es una constante que depende del material de la herramienta. El rango de valores recomendados para n se muestra en el cuadro 2.4.

Material de la herramienta HSS ( acero rápido ) Carburo cementado Cerámica

Valor de n 0,08 - 0,2 0,2 - 0,49 0,48 - 0,7

Cuadro 2.4 Finalmente, en la figura 2.31 se muestra como varía la vida de la herramienta para distintas velocidades de corte. Podemos ver que a medida que aumentamos la velocidad Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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disminuye la vida de la herramienta, y vice versa. Esto debe tomarse en cuenta a la hora de la selección de la velocidad de corte, ya que con una mayor velocidad aumentaríamos la productividad, pero al mismo tiempo “consumiríamos “más herramientas, incrementando los costos.

Fig. 2.31 FLUIDOS DE CORTES EFECTOS:  Incremento de la vida de la herramienta de corte.  Mejor acabado superficial. • Reducción de las fuerzas de corte y consumo de potencia.  Reducción e la distorsión térmica en la pieza de trabajo.  Evacuación de la viruta ya arrancada de la zona de corte. RESTRICCIONES:  Justificación económica (filtros, mangueras, etc.)  Efectos indeseables: Efecto sobre el operador (puede ser tóxico. Ejemplo: CCl4= tetracloruro de carbono). Efecto sobre la máquina-herramienta (no debe producir oxidación de las guías de la bancada, cojinete, etc.). Efecto sobre el material de trabajo (Ejemplo: aleaciones de cobre atacadas por el azufre). ACCIONES BASICAS EN LOS FLUIDOS DE CORTE 1. Lubricación. – reducción de la fricción. Es una acción de tipo químico (produce un compuesto de menor esfuerzo de cizallamiento que el material). Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Características que debe tener un lubricante: a) Tener moléculas pequeñas que permitan una rápida difusión y penetración a la interfase viruta-herramienta. b) Ser suficientemente inestable a las presiones y temperaturas de trabajo. c) Tener un elemento compuesto capaz de reaccionar con el material de trabajo y que produzca menor resistencia al cizallamiento. 2.   

Refrigeración .- Evacuación del calor en la zona de corte Incremento en la vida de la herramienta por el menor desgaste por “difusión”. Reduce la distorsión térmica. Facilita la manipulación de las piezas terminadas.

Condiciones que debe poseer un refrigerante:  Baja viscosidad  Facilidad de “mojar” las superficies metálicas.  Alto valor del calor específico y alta conductividad térmica. Direcciones del fluido de corte: A, B, C (Zonas en las que se debe enfriar la herramienta) A: no es eficiente a altas velocidades, no refrigera la herramienta. B: Se requiere chorro a gran presión. Es el más eficiente. C: En forma pulverizada, también es eficiente. TIPO DE FLUIDOS DE CORTE A saber son: 1. Aceites minerales: a) Aceites minerales  Son conocidos como aceites E.P. (Extrema presión).  Soportes de otros aceites (aditivos).  Pueden tener fósforo, azufre, grafito coloidal, bisulfuro de molibdeno. b) Aceites vegetales y animales. c) Aceites mixtos.  Son mezcla de aceites minerales con vegetales. 2. Fluidos base agua Son los de mayor empleo. a) Emulsiones (agua + aceite mineral) b) Soluciones (agua + compuestos químicos) SELECCIÓN DE LOS FLUIDOS DE CORTE De acuerdo a: 1. Tipo y material de la herramienta No produce oxidación y reducción Tipo de herramienta Tipo de fluido  Aceros al carbono  Emulsiones  Aceros rápidos  Depende del material a trabajar.  Aleaciones duras ó carburo  Emulsiones ó en seco Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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2.

Material de trabajo

Material de trabajo No ferrosos:  Aleaciones ligeras  Aleaciones pesadas o de cobre  Ferrosos

Tipo de fluido  En seco o aceites que no contengan azufre.  Todo tipo de aceites.

Nota.- La fundición trabaja en seco – grafito. 3. Condiciones de corte A mayor velocidad de corte se emplea refrigerante y a menor velocidad de corte se utiliza lubricante. CONSIDERACIONES DEL DISEÑO DEL PRODUCTO MAQUINADO VELOCIDAD ECONÓMICA Se denomina así a la velocidad que nos proporciona el coste más bajo de mecanizado para unas condiciones de trabajo determinadas, entre dos afilados consecutivos de la herramienta y un volumen de viruta arrancada, también determinado. CURVA DE PRODUCCIÓN DE UNA HERRAMIENTA El comandante Denis, tras múltiples ensayos, llegó a la conclusión de que para un determinado material permaneciendo fijas las condiciones de trabajo y actuando sobre la velocidad de corte, el rendimiento crece a medida que se eleva la velocidad dada, el rendimiento se va reduciendo y llegado a ora más alta, puede ser cero por rotura de la herramienta. En ella están representadas: Vo = Velocidad de mínimo desgaste. Qo = Máxima producción alcanzada por la herramienta y que se corresponde con la velocidad de mínimo desgaste. VI = Velocidad Límite. Corresponde a la velocidad que por exceso de la misma, deja la herramienta fuera de servicio por rotura casi en el momento mismo de ponerse en contacto con la pieza. Suele hallarse en torno a los 5/3 de Vo. Por tanto, le corresponde una producción cero, ya que su rotura es casi instantánea. 2. 4 MAQUINAS HERRAMIENTAS DE CORTE Estructura básica Todas las máquinas herramienta tienen un conjunto de partes, actividades y principios que las distinguen y caracterizan. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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PROCESOS DE MANUFACTURA I Las principales partes y sus funciones

Parte Base

Función Sostiene y fija a la máquina sobre el piso, una mesa o su propia estructura. Existen tres tipos fundamentales de bases: a. Anclada al piso o cimentada b. Soporte sobre mesa o banco c. Integrada al cuerpo de la máquina

Bancada o soporte

Soporta las piezas de la máquina, en algunas máquinas sirve para el deslizamiento de las herramientas y en otras para la fijación de las piezas que se van a trabajar, por lo regular sobre la bancada o soporte se ubica el cabezal fijo de las máquinas.

Tren motriz

Dota de movimiento a las diferentes partes de las máquinas, por lo regular se compone de las siguientes partes:

Cabezal fijo y husillo principal

a. b. c. d. e.

Motor o motores Bandas Poleas Engranes o cajas de velocidades Tornillos sinfín

f.

Manijas o manivelas de conexión

En el cabezal fijo se ubican todas las partes móviles que generan el movimiento del husillo principal. El husillo principal es el aditamento en el que se colocan los sistemas de sujeción de las piezas a trabajar.

Sujeción de piezas de trabajo

Fija a las piezas que se van a trabajar, tanto a las piezas que giran como a las fijas, así se tiene:

a. Mandriles b. c. d. e. f.

Fijadores de arrastre Prensas Conos de fijación Ranuras de fijación Mordazas de uno o varios dientes

g. Platos volteadores Sujeción de herramientas Fijan a las herramientas que desprenden las virutas y dan forma, las principales son: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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PROCESOS DE MANUFACTURA I a. b. c. d.

Torres Porta buriles Fijadores de una o varias uñas Barras porta fresas e. Portabrocas f.

Soportadores manuales

Enfriamiento

Dotan de líquidos o fluidos para el enfriamiento de las herramientas y las piezas de corte. Por lo regular están dotados de un sistema de bombeo y de conducción y recolección de líquidos.

Mecanismos de avance y/o penetración

Permiten o dotan de movimiento a las herramientas para lograr el desprendimiento continuo de virutas, los principales son:

a. Carros porta herramientas b. Brazos porta buriles o fresas c. Husillos de casco o de deslizamientos (taladro) Mecanismo de control semi automáticos o automáticos

Inician o interrumpen una acción de movimiento de una o varias partes de las máquinas, estas pueden ser: a. Tornillos sinfín conectados a engranes y partes de las máquinas b. Topes de señal para micro interruptores c. Motores de paso a paso d. Unidades lectoras de cinta e. Unidades receptoras de señales digitalizadas de computadoras CAM f. Sistemas de alimentación de material g. Sistemas de alimentación de herramientas h. Sistemas de inspección automáticos


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Elementos de sujeción Los elementos de sujeción en las máquinas herramienta requieren un análisis especial, aún cuando en la presentación de cada máquina se hará especial mención de sus correspondientes sistemas de fijación. En esta parte del curso se presentan de manera general algunas sus principales características. Chucks o mandriles

También son conocidos como mordazas de sujeción, en el caso específico del torno existen dos tipos de chucks.

Mandril o Chuck universal e independiente El chuck universal se caracteriza porque sus tres mordazas se mueven con una sola llave y en el independiente cada mordaza es ajustada con una entrada de llave independiente.

PortaBrocas

Dentro de los mandriles para sujeción se pueden ubicar a los portabrocas con mango cónico los que tienen la función de sujetar a la broca y su funcionamiento es similar a chuck universal.

Fijadores de arrastre Los fijadores más conocidos y utilizados son los de plato, los que pueden ser cerrados o abiertos. Todos siempre utilizaran una pieza de arrastre conocido como perro.


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Por lo regular son utilizados para el trabajo en torno de puntas o los sistemas divisores de las fresas. Plato de arrastre

Perro de arrastre

Prensas Son sistemas de sujeción de las piezas de trabajo muy seguros, se fijan a las mesas de trabajo. Uno de los ejemplos tradicionales son las prensas utilizadas para la fijación de piezas en el barrenado o en el fresado.

Conos de fijación Es un elemento muy utilizado en la mayoría de los sistemas en los que la pieza a sujetar tiene un eje de giro. Consiste en una superficie cónica que se inserta en otra superficie cónica, entre estas piezas la fuerza de trabajo ajusta a las superficies impidiendo su separación, la fricción impide el giro y además da gran sujeción.

La mayoría de estos elementos de sujeción son los portabrocas o las brocas con mango cónico.


Broca con mango cónico

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Ranuras de fijación

Ranuras de fijación Por lo regular se ubican en las mesas de trabajo de las máquinas herramienta, en ellas se insertan tornillos que con su cabeza se fijan a la mesa y con placas o uñas se presiona a las piezas a fijar.

Platos volteadores o divisores Aún cuando el fin de estos dispositivos no es la fijación, son considerados como elementos para evitar que las piezas se muevan de los sitios en las que se van a trabajar.


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Estos dispositivos sujetan por medio de un chuck o un plato de arrastre a una pieza y con una manivela al liberarlos de las fuerzas de fijación pueden girar la pieza un número de grados específico.

Movimientos En todas las máquinas herramienta se consideran tres ejes sobre los cuales se pueden desarrollar dos tipos de movimiento: 1. 2.

Rotatorio Lineal

Por lo regular los ejes son identificados con las letras "Z", "Y" y "X" El eje "Z" es el eje sobre el cual la herramienta o la pieza gira, así si una fresa tiene a su herramienta girando verticalmente su eje "Z" será vertical y la fresa se conoce como una fresa vertical. Si en un torno la pieza gira en el eje horizontal el torno será horizontal y el eje "Z" será horizontal. Los ejes "Y" y "X" se ubican de diferentes maneras según los fabricantes de las máquinas herramienta, observe las siguientes máquinas y sus ejes trabajo.


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Los movimientos rotatorios se logran por medio de motores conectados a engranes o tornillos sinfín que permiten graduar las velocidades y potencias. Los movimientos lineales se logran por medio de los motores de paso a paso conectados a cremalleras que permiten el avance o retroceso lineal de las piezas o partes Movimiento principal, de avance y de penetración en una máquina herramienta En la operación de las máquinas herramienta los tres movimientos que son considerados como el alma de las máquinas: 1. Movimiento principal Es el movimiento que tiene la pieza o la herramienta para que se logre el desprendimiento de la viruta. Por ejemplo en un torno el movimiento principal es el que ejecuta la pieza y en una fresa es el que se da en la herramienta. 2. Movimiento de avance Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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Es el que permite a la herramienta desprender material de manera permanente y controlada. En el caso de un torno es el movimiento del buril que hace que se desprenda viruta y en la fresa es el movimiento de la mesa.

3. Movimiento de penetración Es el que da la profundidad o espesor del material desprendido. Tanto en la fresa como en el torno es qué tanto se entierra la herramienta. Dispositivos para el trabajo manual En la mayoría de las máquinas herramienta se cuenta con dispositivos para el trabajo y ajuste manual. Con estos dispositivos se puede analizar la forma en la que se realizará el trabajo o ajustar los inicios o términos de las acciones de una máquina. Los dispositivos de trabajo manual varían de acuerdo con el tipo y marca de la máquina que se esté utilizando, sin embargo existen siempre un conjunto de dispositivos que pueden generalizarse en todas las máquinas herramienta, como los que a continuación se presentan:

Dispositivo

Función

Manivela de avance En la mayoría de las máquinas existe una manivela que permite dar avance a la herramienta o a la pieza de manera manual, con la acción de este sistema, el que por lo regular está conectado a tornillos sin fin, cremalleras y engranes se logra la alimentación de material para el corte en cada revolución de las máquinas. Manivela de penetración


Para lograr que en cada pasada las máquinas herramienta desprendan más material, por lo regular existe una manivela que da profundidad o entierra a la herramienta en la pieza a desbastar. 88



Ajuste de alturas o posición

En las máquinas herramienta por lo regular se requiere subir o bajar las herramientas o las piezas a trabajar, esto se logra con el movimiento de las mesas de trabajo o los sujetadores de las herramientas. Lo anterior se observa desde el ajuste en la cuña de una torre con su buril, hasta el movimiento de la base de un taladro o fresa.

Ajuste de velocidades

Con los intercambios de poleas o engranes en las máquinas herramienta se logra el funcionamiento a diferentes velocidades, las velocidades que son modificadas son las velocidades de corte y avance.

Ajuste de avance automático

Con el ajuste de las diferentes velocidades de una máquina se puede obtener el movimiento del tornillo sinfín del torno, este conectado a un engrane logrará movimientos regulares de las diferentes partes de las máquinas.

Cálculo de la velocidad de corte En la mayoría de las máquinas herramienta la velocidad de corte se obtiene de tablas, las que se han elaborado por expertos en el trabajo de metales y el uso de diferentes herramientas. El establecimiento adecuado de la velocidad de corte permite fácilmente la determinación del número de revoluciones a la que debe operar la máquina. Cuando no se establece el número adecuado de revoluciones puede generar: a. Poco aprovechamiento de las capacidades de las máquinas b. Baja calidad en las piezas fabricadas c. Daño a las herramientas o máquinas d. baja efectividad en la planeación y programación del trabajo La fórmula general para el cálculo de la velocidad de corte es la siguiente: Vc = (PI d n)/1000 Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

89



En donde Vc = velocidad de corte en m\min d= diámetro de la pieza en mm n = revoluciones por minuto

En esta fórmula por lo regular se conoce todo excepto el número de revoluciones, las que a su vez son las que se pueden variar en las máquinas. La fórmula queda así: n = (1000Vc)/(PI d) Velocidades de corte típicas, ángulos de corte y avances recomendados Material

Útil

Acero menos de 50 kg/mm

Acero 50-70 Kgf/mm

Acero 70-85 Kgf/mm

2

2

Acero de herramientas

2

Ángulos de corte Desbastado alfa beta gama Vc

s

a

Afinado Vc

s

a

WS 8°

62°

20°

14 0.5 0.5 20 0.2

0.1

SS 6°

65°

19°

22

0.1

HS 5°

67°

18° 150 2.5 2 250 0.25 0.15

WS 8°

68°

14°

10 0.5 0.5 15 0.2

0.1

SS 6°

70°

14°

20

0.1

HS 5°

71°

14° 120 2.5 2 200 0.25 0.15

WS 8°

74°

8°

8 0.5 0.5 12 0.2

0.1

SS 6°

72°

12°

15

0.1

HS 5°

71°

14°

80 2.5 2 140 0.25 0.15

WS 6°

81°

3°

6 0.5 0.3 8

SS 6°

82°

2°

12

HS 5°

83°

2°

30 0.6 0.5 30 0.15 0.1

SS 10° 65°

25°

60

1

1

1

1

1

1

30 0.5

24 0.5

20 0.5 0.2

0.1

1 0.8 16 0.5

0.1

WS Aluminio

4

3 120 0.5

0.1

HS

Cálculo de las velocidades de transmisión El cálculo de la velocidad en una transmisión se obtiene de la relación de transmisión "i", la que se puede obtener de acuerdo a los siguientes cálculos. π. d1. n1= π. d2. n2 En donde: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

90



n1= número de revoluciones por minuto de la polea motriz n2= número de revoluciones por minuto de la polea conducida d1= diámetro de la polea motriz d2= diámetro de la polea conducida Eliminando π en ambos términos, tendremos: d1n1=d2n2 d1/ d2 = n2/n1 = i Con la ecuación anterior se podrá calcular cualquier transmisión de poleas. En el caso que la transmisión sea de engranajes el diámetro se cambia por el número de dientes Z, con lo que la fórmula quedará: Z1/Z2 = n2/n1 = i Al conocer las diferentes velocidades (n) que puede desarrollar una máquina se podrá programar, de acuerdo a las recomendaciones de la velocidad de corte que se tiene en las tablas. n = (1000Vc)/( π. d) En donde Vc está en m/min d = en mm n = rpm

Mantenimiento Todas las máquinas herramienta requieren de mantenimiento preventivo, sino se efectúa dicho mantenimiento se tendrán los siguientes inconvenientes: • • • • •

Disminución de la precisión de la máquina Disminución de la vida útil de la máquina Poca efectividad en la planeación del trabajo Gastos excesivos Incumplimiento con los estándares de calidad


91



La mayoría de los fabricantes de las máquinas herramienta establecen los programas de mantenimiento y conservación, los cuales deberán seguirse y programarse. Sin embargo con el tiempo los manuales desaparecen, por lo que de manera general se establece que la mayoría de las máquinas herramienta deben considerar en su mantenimiento los siguientes puntos: • • • • • •

Lubricación permanente Limpieza de la máquina cada vez que se utiliza Ajuste periódico de los sistemas desplazamiento y rotación Ajuste periódico de poleas y engranes Limpieza constante de ranuras y guías Sustitución de piezas desgastadas, con juego o rotas (este es mantenimiento correctivo)

Cada máquina tiene sus puntos de engrase y ajuste, los que deben tenerse ubicados y en buenas condiciones.

2. GEOMETRÍA DE LAS HERRAMIENTAS: La herramienta de corte debe tener una forma apropiada para las aplicaciones de maquinado. Una forma importante de clasificar las herramientas de corte es atendiendo a los procesos de maquinado. De esta forma tenemos herramientas para torneado, herramientas para trozado, fresas, brocas, escariadores, tarrajas y muchas otras herramientas de corte, cuyo nombre deriva de la operación en que se usa cada una su geometría propia y única. En este proyecto nos enfocaremos en las herramientas de punta sencilla y examinaremos los aspectos de su geometría. Muchos de los principios que se aplican a las herramientas de punta sencilla se aplican a otros tipos de herramientas de corte, simplemente porque el mecanismo de la formación de la viruta es básicamente el mismo para todas las operaciones de maquinado. 2.1. FLUIDOS PARA CORTE: Un fluido para corte es un liquido o gas que se aplica directamente a la operación de maquinado para mejorar el desempeño del corte. Los dos problemas principales que atienden los fluidos para corte son: 1) la generación de calor en las zonas de corte y fricción; y 2) fricción en las interfases herramienta-viruta y herramienta-trabajo. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

92



Además de la remoción de calor y la reducción de la fricción, los fluidos para corte brindan beneficios adicionales como: remover las virutas (especialmente en esmerilado), reducir la temperatura de la parte de trabajo para un manejo mas fácil, disminuir las fuerzas de corte y los requerimientos de potencia, mejorar la estabilidad dimensional de la parte de trabajo y optimizar el acabado superficial.

2.2 ANÁLISIS DE LA GEOMETRÍA DE LA HERRAMIENTA:


93



ESQUEMA DE LAS SUPERFICIES, ÁNGULOS Y ARISTAS DE CORTE DE UNA HERRAMIENTA

C χ

F

ε α

α

γ

B D

β

A

δ ÁNGULOS α = Angulo de incidencia principal. α1 = Angulo de incidencia secundaria. β = Angulo de filo. δ = Angulo de desprendimiento. ε = Angulo en la punta. χ = Angulo de posición. α + β = Angulo de corte. γ = Angulo de Ataque (puede ser positivo o negativo). SUPERFICIES A = Superficie de incidencia principal. B = Superficie de incidencia secundaria. C = Superficie de desprendimiento. ARISTA DE CORTE D = Arista de corte principal. F = Arista de corte secundaria.


94



A ng u lo de l filo d e co rte ce n tra l A n gu lo d el filo d e co rte la tera l

R ad io d e la na riz

A ng u lo de a taq u e p o ste rior

A n g u lo d e a ta q u e la te ral

A n g u lo d e in cide n cia la tera l

A n g u lo d e in c ide nc ia fro n ta l

Fig. I La forma mas general de una herramienta de punta sencilla se ilustra en la fig. I. Ángulos de ataque: El ángulo de ataque de una herramienta afecta el ángulo de corte durante la formación de la viruta. Mientras mayor sea el ángulo de ataque, mayor será el ángulo de corte y menor la fuerza y potencia de corte. Un ángulo de ataque grande conduce a un buen acabado superficial. Sin embargo, al aumentar el ángulo de ataque, disminuye el ángulo de corte y deja menos metal en la punta de la herramienta que respalde el borde de corte y transfiera el calor. Por lo regular, a los materiales para herramientas mas duros se les dan ángulos de ataque mas pequeños. Un ángulo de ataque práctico representa un compromiso entre un ángulo grande para lograr un corte más fácil y un ángulo pequeño para obtener resistencia de herramienta. En general, el ángulo de ataque es pequeño para cortar materiales duros, y grande para los materiales suaves y dúctiles. El latón es una excepción que se corta con un ángulo de ataque negativo o pequeño para impedir que la herramienta se clave en la pieza de trabajo. Ángulos de incidencia: El propósito de un ángulo de incidencia, consiste en permitir que el lado de la herramienta despeje la pieza de trabajo y no la frote. La cantidad mínima necesaria para este propósito de pende de la clase de corte. Como por ejemplo, una herramienta de torneado se avanza lateralmente dentro de la pieza de trabajo, y lado debe ser mayor que el ángulo de hélice del corte. Se ha demostrado Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

95


PROCESOS DE MANUFACTURA I que mientras mayor sea el ángulo de incidencia menor será la tasa de desgaste sobre el flanco. En tanto que el ángulo de incidencia sea lo suficientemente grande como para evitar el frotamiento, no tiene efecto sobre las fuerzas, potencia o acabado superficial.

Ángulos de filo: Un ángulo de filo de corte frontal proporciona holgura al extremo posterior del borde de corte y reduce el arrastre que tiende a causar tintineo. Un ángulo de filo demasiado grande reduce el material que sostiene la punta y aleja el calor. Se ha demostrado que el ángulo de filo de 8 a 15 0 es satisfactorio en la mayoría de los casos para herramientas de corte lateral como las herramientas de torneado y para perforación. Las herramientas con filo de corte, como las herramientas de corte o bloqueo, con frecuencia no tienen un ángulo de filo de corte. 2.2.1. TIPOS DE FLUIDOS PARA CORTE: Se dispone de varios fluidos para corte comerciales. Es conveniente analizarlos atendiendo primero a su función, para después clasificarlos por su composición química. Funciones de los fluidos para corte: de acuerdo con la generación de calor y fricción hay dos categorías generales de fluidos para corte: 1) refrigerantes; y 2) lubricantes. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

96



Los refrigerantes; son fluidos para corte diseñados para reducir los efectos del calor en las operaciones de maquinado. Tienen efecto limitado sobre la magnitud de energía calorífica generada durante el corte; pero extraen el calor que se genera, de esta manera se reduce la temperatura de la herramienta y de la pieza de trabajo, y ayuda a prolongar la vida de la herramienta de corte. Los fluidos para corte tipo refrigerantes parecen ser mas efectivos a velocidades de corte relativamente altas, donde la generación del calor y las altas temperaturas son un problema. Son mas efectivos en los materiales susceptibles a las fallas por temperatura, como los aceros de alta velocidad, y se unen frecuentemente en operaciones de torneado y fresado donde se genera calor en grandes cantidades. Por lo general, los refrigerantes son soluciones o emulsiones en agua debido a que ésta tiene propiedades térmicas ideales para estos fluidos para corte. Los lubricantes; son fluidos basados generalmente en aceite (por su s buenas Propiedades lubricantes), formulados para reducir la fricción en las interfases herramienta-viruta y herramienta-trabajo. Los fluidos lubricantes de corte operan por lubricación de presión extrema, una forma especial de lubricación en el límite que involucra la formación de una capa delgada de sales sólidas sobre la superficie caliente y limpia del metal a través de reacciones químicas con el lubricante. Los compuestos de azufre, cloro y fósforo del lubricante causan la formación de estas capas superficiales, que actúan para separar las dos superficies metálicas (de la viruta y de la herramienta). Las películas de presión extrema son más efectivas para reducir la fricción en el corte de metales que en la lubricación convencional de límites. Los fluidos para procesos de corte tipo lubricante son mas efectivos a velocidades bajas de corte; tienden a perder su efectividad a altas velocidades, arriba de 400pies/min (120m/min), debido a que el movimiento de la viruta a estas velocidades previene que el fluido para corte alcance la interfase herramientaviruta. Además de altas temperaturas de corte que generan estas velocidades, Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

97


PROCESOS DE MANUFACTURA I los aceites se vaporizan antes de que puedan lubricar. Las operaciones de maquinado como el taladro y el roscado se benefician por lo general de los lubricantes. En estas operaciones se retarda la formación de acumuladores en el filo de corte y se reduce el momento de torsión de la herramienta. Hay un efecto típico de traslape entre los tipos de fluidos para corte. Los refrigerantes se formulan con ingredientes que ayudan a reducir la fricción. Y los lubricantes tienen propiedades térmicas, que aunque no son tan buenas como las del agua, actúan para remover el calor de la operación de corte. Los fluidos para corte (refrigerantes y lubricantes) ponen de manifiesto su efecto en la ecuación de Taylor para la vida de la herramienta a través de valores mas altos de C. Son típicos los incrementos del 10 al 40%. La pendiente n no se afecta significativamente. El agua es el mejor medio de enfriamiento y el fluido mas efectivo para el corte a alta velocidad pero tiene poco valor lubricante, no se rocía bien sobre una superficie para humedecerla debido a su elevada tensión superficial y causa incrustamiento y corrosión. Se la mezcla con productos químicos y

Efecto lubricante

Tres formulaciones químicas básicas de fluidos para corte y su aplicación característica

Se incrementa el

Efecto refrigerante

Se incrementa el

aceites para mejorarla como fluido de corte.

Aceites de corte Aceites emulsificados

Funciones de los fluidos para corte: Fluidos químicos y semiquímicos •

Lubricación: Reducir el coeficiente de fricción entre la herramienta y la pieza y entre la herramienta y la viruta que está siendo eliminada.

•

Refrigeración: El fluido debe eliminar el elevado calor que se produce en la operación de mecanizado.


98


•

PROCESOS DE MANUFACTURA I Eliminación De Viruta: El fluido debe retirar eficientemente la viruta lejos de la zona de operación para no interferir en el proceso y permitir la calidad superficial requerida.

•

Protección Frente A La Corrosión: El fluido acuoso podría oxidar y corroer la pieza, la herramienta o la máquina, para evitarlo las formulaciones incorporan protectores frente a la corrosión.

2.2.2. APLICABILIDAD DE LOS FLUIDOS PARA CORTE: Los fluidos para corte se aplican a las operaciones de maquinado en varias formas. Nosotros consideraremos sus técnicas de aplicación, el problema de la contaminación de los fluidos, y también la forma como se utiliza la filtración para mantener los fluidos. Métodos de aplicación: El método más común es la inundación, llamada algunas veces enfriamiento por inundación, debido a que se usa generalmente con fluidos de enfriamiento. En este método se dirige una corriente constante de fluido hacia la interfase herramienta-trabajo o herramienta –viruta de la operación de maquinado. Un segundo método consiste en la aplicación de niebla, usada principalmente para fluidos para corte basados en agua. En este método se dirige el fluido hacia la operación en forma de niebla acarreada por una corriente de aire presurizado. La aplicación de niebla no es generalmente tan efectiva como la inundación de la herramienta de corte. Sin embargo, debido a la alta velocidad de la corriente de aire, la aplicación de niebla puede ser mas efectiva para llevar el fluido de corte a áreas inaccesibles que no pueden se alcanzadas por la inundación convencional. Se usa la aplicación manual del fluido de corte por medio de una aceitera o brocha para aplicar lubricantes en operaciones de roscado, y otras donde las velocidades de corte son bajas y la fricción es un problema. La mayoría de los talleres de maquinado en producción prefieren generalmente no usar esta técnica debido a la variabilidad de su aplicación.


99


PROCESOS DE MANUFACTURA I Filtración de los fluidos para corte: los fluidos para corte se contaminan al cabo del tiempo con una variedad

de sustancias

extrañas. Estos

contaminantes incluyen aceites sucios (aceite de máquina, fluidos hidráulicos, etc.), basura, pequeñas virutas, hongos y bacterias. Además de causar malos olores y riesgos de salud, los fluidos para corte contaminados no desempeñan sus funciones tan bien como cuando están frescos y limpios. Algunas alternativas para manejar este problema son las siguientes: 1) reemplazar el fluido para corte a intervalos regulares y frecuentes (quizá dos veces por mes); 2) realizar el maquinado sin fluidos para corte; o 3) usar un sistema de filtración continua para limpiar el fluido. Se han instalado sistemas de filtración en numerosos talleres de máquinas para resolver los problemas de contaminación. Las ventajas de estos sistemas incluyen: 1) prolongación de la vida de los fluidos entre cambios (en lugar de reemplazar el fluido una o dos veces por mes , se han reportado vidas de refrigerantes de hasta un año); 2) se reducen los costos de eliminación de los fluidos ya que ésta es mucho menos frecuente cuando se usan filtros; 3) fluidos p[ara corte mas limpios para un mejor ambiente de trabajo y reducción de los riesgos contra la salud; 4) menor mantenimiento de las máquinas herramientas; y 5) una vida más larga de las herramientas. PROCESOS PRODUCTIVOS LOS FLUIDOS DE CORTE Y MATERIALES A TRANSFORMAR Los procesos productivos son muy variados pudiendo enumerar como principales las siguientes: - Rectificados (plano, cilíndrico, sin centro y lento). - Torneado / fresado. - Roscado / escariado. - Taladrado (profundo). Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

100


PROCESOS DE MANUFACTURA I - Corte (con sierra). - Otros (troquelado, enderezado, etc.). Por su parte las principales actividades industriales en las que se usan fluidos de corte son: - Primera transformación de metales (laminación, corte, etc.) - Fabricación de tubos. - Segunda transformación de metales (corte, troquelado, etc.) - Mecánica de precisión (construcción de herramientas, máquinas) - Industria del vidrio. Los metales a transformar en los procesos antes citados son fundamentalmente: - Acero al carbono (para la construcción resistencia media a tensión). - Acero inoxidable (como cromo aleaciones resistencia alta tensión). - Acero para herramientas (con titanio, níquel... resistencia alta tensión). - Fundición de hierro. - Metales ligeros aluminio y aleaciones de magnesio. - Metales de "color" cobre y aleaciones. FLUIDOS DE CORTE Y ALGUNAS DE SUS APLICACIONES

1.

Vista de maquinaria-herramienta en las que se emplean fluidos de corte

2.


3.



101



4.


5.


6.


7.


8.

Máquinas vibradoras, limpieza de piezas

9.



102



10.


11.


12.


13.

Rectificadoras y taladros en los que se emplean fluidos de corte.

14.

Operarios rebarbando impurezas. Usan fluidos de corte.


103



15.


16.


1.-VIDA DE LA HERRAMIENTA En todo proceso de manufactura tiene que haber un equilibrio entre el volumen de producción y los costos de producción Es por esto que un tema de mucha importancia es el desgaste y duración de la herramienta bajo las distintas condiciones de trabajo.

1.1

Desgaste de la herramienta

La vida de la herramienta de corte puede terminar por varias causas, pero éstas pueden separarse en dos grupos principales: 3. El desgaste progresivo de la herramienta. 4. Fallas mecánicas que lleven a la herramienta a un final prematuro. El desgaste progresivo de la herramienta se puede producir de tres maneras distintas: • Desgaste por abrasión: ocurre cuando materiales más duros que la herramienta toman contacto con ésta rayándola y desgastándola. • Desgaste por adhesión: como en la zona de corte existe una alta temperatura, el material de corte y la herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

104


PROCESOS DE MANUFACTURA I • Desgaste por difusión: se produce a partir del aumento de temperatura de la herramienta, con lo que se produce una difusión entre las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficie de la herramienta. El desgaste se puede observar en dos regiones de la herramienta, la cara y el flanco. El desgaste en la cara se presenta como un cráter, lo que es un resultado del paso de viruta caliente al fluir a lo largo de la cara. Por otro lado, el desgaste del flanco es plano y es causado por el roce entre la pieza y la herramienta; en este caso se pueden distinguir tres períodos de desgaste en la vida de una herramienta: • Fractura inicial, el filo agudo se desportilla rápidamente. • Desgaste progresivo uniforme. • Fractura rápida, el desgaste progresa a una tasa creciente. Estos tres períodos se muestran en la figura (a).


105



Fig. (a) La figura (b) ilustra el desgaste en la cara y el flanco de una herramienta en una operación de mecanizado.

Fig. (b) Las fallas mecánicas se pueden producir en cualquier momento, debe existir por lo tanto precaución ante el hecho de usar inadecuadamente un avance o encaje demasiado grande, pues al ocurrir una falla de este tipo, la herramienta será inútil inmediatamente, y su costo no es nada de despreciable.

1.2.

Vida de la Herramienta y Ecuación de Taylor

El criterio de duración de una herramienta permite obtener un valor mínimo de tiempo de vida para la herramienta antes de que se desgaste. Como en las operaciones de mecanizado el desgaste del cráter y del flanco no son uniformes a lo largo del filo principal, se debe especificar la locación y el grado de desgaste permisible para cada caso. En la figura (c) se muestra una herramienta ya desgastada. La profundidad del cráter (KT) es medida desde el punto más profundo de éste. También puede apreciarse que el desgaste del flanco es mayor en los extremos del filo principal. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

106


PROCESOS DE MANUFACTURA I Como el desgaste no es uniforme en las zonas C, B y N, se considera un ancho promedio para la zona central, cuyo valor se estima igual al ancho que existe en la parte más uniforme del desgaste y se denomina VB.

Fig. (c) La duración de la herramienta se define como el tiempo de corte requerido para alcanzar un criterio de duración de la herramienta. La velocidad de corte es el factor más significativo que afecta la duración de una herramienta. Ésta, junto con el material de trabajo, el material y la forma de la herramienta son claves en la estimación de la vida de esta última. La relación entre el tiempo de vida y la velocidad de corte de una herramienta está dada por la siguiente ecuación, llamada, en honor a su creador, ecuación de Taylor. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

107


PROCESOS DE MANUFACTURA I V  tr  = Vr  t 

n

, en donde: n = constante que depende del material de la herramienta V = velocidad de corte Vr = velocidad de corte de referencia tr = duración de referencia de la herramienta a velocidad de corte Vr t = vida (duración) de la herramienta a velocidad de corte V

1.3. Análisis de la Vida Nominal de la Herramienta. Los criterios recomendados por la ISO para definir la Vida Nominal de una herramienta son: Para herramientas de acero rápido o cerámica: - Por rotura - Cuando VB promedio = 0,3 mm - Cuando VBmáx = 0,6 mm Para herramientas de carburo cementado: - Por rotura - Cuando VB promedio = 0,3 mm - Cuando VBmáx = 0,6 mm -

Cuando KT = 0,06 + 0,3 * f, donde f es el avance

1.4. Materiales para Herramientas En el gráfico (d) se muestran los valores de Vr, según el material de la herramienta y la dureza del material de la pieza a mecanizar, para el uso de la ecuación de Taylor. Para utilizar esta tabla debe usarse ya sea la dureza Brinel o la resistencia a la tracción del material a mecanizar, así como el material de la herramienta. Con estos datos se puede ver un pequeño rango de valores para Vr, teniendo en cuenta que en este caso tr es de 60 segundos. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

108



Gráfico (d) Veremos a continuación la tabla (I) importante que nos indicara los materiales para herramientas. En esta tabla también tocamos parte del Ítem 1.4.2 y 1.4.3 Tabla (I) Materiales para las herramientas

Período y Comentarios

Acero al alto carbón y acero aleado

1900 Se reblandecían muy rápido, debido al calor generado inclusive a bajas velocidades de corte. Una operación típica de corte duraba 100 minutos

Acero alta velocidad

1910 El desarrollo en la metalurgia dio origen al acero alta velocidad (HSS), y en conjunción con los estudios de maquinado de Fredrick Taylor y


109



Maunsel White se dieron los pasos decisivos en la tecnología de corte. La misma operación que antes duraba 100 minutos, se llevaba a cabo en 26 solamente. Aleaciones no ferrosas

1915 Aleaciones con el 50% de carburos, basadas en cobalto, cromo y tungsteno. Eran muy duras y resistentes a altas temperaturas (800 grados centígrados), pero muy frágiles. La operación de 26 minutos requería solamente 15.

Súper HSS

1930 Velocidades de corte de hasta 70 m/min eran posibles, así como el maquinado de aluminio y magnesio.

Carburo cementado / sinterizado

Inicia en 1930 y la operación de maquinado típica de 26 minutos se llevaba a cabo en 6 únicamente. Los primeros desarrollos tenían carburo de tungsteno (Wc) como la base dura y al cobalto como el aglomerante. Sin embargo, en el maquinado de acero se formaban cráteres.

Herramientas con insertos de carburo soldados

1940 , 1950 Eran costosas y el reafilado era necesario. Se definen grados de material de herramienta para los diferentes tipos de aplicación.

Coronite, Cermets y nueva generación de carburos recubiertos

Desde 1955 hasta nuestros días se han desarrollado rápidamente nuevos materiales con la misma tendencia global: La posibilidad de cortar a velocidades altas sin pérdida del filo, así como maquinar materiales más duros.

Por otro lado, y como ya se dijo, n es una constante que depende del material de la herramienta. El rango de valores recomendados para n se muestra en el cuadro 1

Cuadro 1 Material HSS ( acero rápido ) Carburo cementado Cerámica Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

Valor de n 0,08 – 0,2 0,2 - 0,49 0,48 – 0,7 110


PROCESOS DE MANUFACTURA I Finalmente, en la figura (e) se muestra como varía la vida de la herramienta para distintas velocidades de corte. Podemos ver que a medida que aumentamos la velocidad disminuye la vida de la herramienta, y viceversa. Esto debe tomarse en cuenta a la hora de la selección de la velocidad de corte, ya que con una mayor velocidad aumentaríamos la productividad, pero al mismo tiempo “consumiríamos “más herramientas, incrementando los costos.

Fig. (e)

1.4.1 Aceros al carbono y de aleación Variada Las herramientas de corte deben poseer ciertas características específicas, entre las que se destacan: resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, resistencia al desgaste y resistencia a la temperatura (porque en un proceso de mecanizado con herramientas tradicionales tºherramienta > tºpieza > tºviruta ; con herramientas más avanzadas se logra concentrar el aumento de temperatura en la viruta). La selección de la herramienta de corte va a depender de la operación de corte a realizar, el material de la pieza, las propiedades de la máquina, la terminación superficial que se desee, etc.


111


PROCESOS DE MANUFACTURA I Para cumplir con cada uno de estos requerimientos han surgido herramientas formadas por diferentes aleaciones. Los materiales para las herramientas de corte incluyen aceros al carbono, aceros de mediana aleación, aceros de alta velocidad, aleaciones fundidas, carburos cementados, cerámicas u óxidos y diamantes. Para conocer las aleaciones de aceros para herramientas hay que saber las funciones que cumplen cada uno de los elementos que forman la aleación. El resumen de estas características se entrega en el cuadro 2.1. Los elementos se agregan para obtener una mayor dureza y resistencia al desgaste, mayor tenacidad al impacto, mayor dureza en caliente en el acero, y una reducción en la distorsión y pandeo durante el templado. Cuadro 2.1 Elemento Carbono, C

Cromo, Cr Cobalto, Co

Molibdeno, Mo

Tungsteno, W Vanadio, V

Cantidad

Propiedades

0,6 % - 1,4 %

- Forma carburos con el hierro. - Aumenta la dureza. - Aumenta la resistencia mecánica. - Aumenta la resistencia al desgaste. 0,25 % - 4,5 % - Aumenta la resistencia al desgaste. - Aumenta la tenacidad. 5 % - 12 % - Se emplea en aceros de alta velocidad. - Aumenta la dureza en caliente. - Permite velocidades y temperaturas de operación más altas manteniendo la dureza y los filos. hasta 10 % - Elemento fuerte para formar carburos. - Aumenta la resistencia mecánica. - Aumenta la resistencia al desgaste. - Aumenta la dureza en caliente. - Siempre se utiliza junto a otros elementos de aleación 1,25 % - 20 % - Mejora la dureza en caliente. - Aumenta la resistencia mecánica. Aceros al Carbono - Aumenta la dureza en caliente. 0,20 % - 0,5 % - Aumenta la resistencia a la abrasión.

Aceros Alta Veloc. 1%-5%

En las herramientas de corte existen varias familias dependiendo del material que se componen, cada una tiene ciertas características de resistencia y puede realizar mejor alguna operación de corte, ver cuadro 2.2. Cuadro 2.2 Herramienta Aceros al Carbono

Características • Son el tipo de acero más antiguo en herramientas de corte.


Utilización • Brocas que trabajan a velocidades relativamente bajas. 112



Aceros de Alta Velocidad

Aleaciones Fundidas

Carburos Cementados *

• Son muy baratos. • Tienen buena resistencia al impacto. • Se pueden someter fácilmente a tratamientos térmicos como el templado, lográndose un amplio rango de durezas. • Se forman y rectifican con facilidad. • Mantienen su borde filoso cuando no están sometidos a abrasión intensa o a altas temperaturas. • Han sido sustituidos por otros materiales. • Son el grupo con mayor contenido de aleaciones de los aceros. • Conservan la dureza, resistencia mecánica y filo de los aceros. • Empleando los equipos adecuados pueden ser templadas por completo con poco riesgo de distorsión o agrietamiento. • Se templan al aceite. • Mantienen su elevada dureza a altas temperaturas. • Tienen buena resistencia al desgaste. • No se necesitan fluidos de corte.

Solución Sólida de WC-TiC-TaCNbC

• Taladrar. • Escariar. • Fresar. • Brochar. • Machuela. • Máquinas para fabricar tornillos. • Se recomiendan para operaciones de desbaste profundo con velocidades y avances relativamente altos • Sólo se emplean para obtener un acabado superficial especial.

• Tienen carburos metálicos. • Se fabrican con técnicas de metalurgia de polvos. • Tienen alta dureza en un amplio rango de temperaturas. • Elevado módulo elástico, dos o tres veces el del acero. • No representan flujo plástico. • Baja expansión térmica. • Alta conductividad térmica. • Se emplean como insertos o puntas que se sueldan o sujetan a un vástago de acero. Se encuentran en diferentes formas, circulares, triangulares, cuadrados y otras formas.

Carburo de Tungsteno Aglutinado con Cobalto Carburo de Tungsteno Aglutinado con Cobalto +

• Machuelos. • Escariadores y brochas.

• Se emplean para mecanizar hierros fundidos y metales abrasivos no ferrosos. W: Tungsteno Ti: Titanio Nb: Niobio

•


•

Mecanizar aceros.

• Opera a altas temperaturas debido a las altas velocidades de corte. Trabaja piezas de materiales con alta resistencia mecánica.

•

Cortar.

Carburo de Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

113



Titanio con Aglutinante de Níquel y Molibdeno Carburos Revestidos

Cerámicas u Óxidos

Diamantes Policristalinos

• Son insertos normales de carburo revestidos con una capa delgada de carburo de titanio, nitruro de titanio u óxido de aluminio. • Con el revestimiento se obtiene una resistencia superior al desgaste, a la vez que se mantiene la resistencia mecánica y la tenacidad. • No se necesitan fluidos de corte, si se aplica debe ser en forma continua y en grandes cantidades, para evitar calentamiento y templado. • Los avances suaves, las bajas velocidades y el traqueteo son dañinos. • Se constituyen de granos finos de aluminio ligados entre sí. Con adiciones de otros elementos se logran propiedades óptimas. • Resistencia muy alta a la abrasión. • Son más duras que los carburos cementados. • Tienen menor o nula tendencia a soldarse con los metales durante el corte. • Carecen de resistencia al impacto. • Puede ocurrir una falla prematura por desportilladura o rotura. • Tienen dureza extrema. • Baja expansión térmica. • Alta conductividad térmica. • Coeficiente de fricción muy bajo. • Se liga a un sustrato de carburo.

• Es el material más duro que hay en la CBN Nitruro Cúbico actualidad. Se liga a un sustrato de carburo. de Boro Cúbico •

• La capa de CBN produce una gran resistencia al desgaste. • Gran resistencia mecánica de los bordes. • Es químicamente inerte al hierro y al níquel a altas temperaturas.

• Se utilizan en máquinas de herramientas rígidas, de mayor velocidad y más potentes.

• Son eficaces para operaciones de torneado ininterrumpido a alta velocidad.

• Son empleados cuando se requiere un buen acabado superficial, en particular en materiales blandos y no ferrosos, difíciles de mecanizar. • Se emplea como abrasivo en operaciones de rectificado. • Es adecuado para trabajar aleaciones de altas temperaturas y diversas aleaciones ferrosas. • Se emplea como abrasivo en operaciones de rectificado.

A los carburos cementados se le asigna Grado C-1, Grado C-2, etc. Los grados 1 a 4 se recomiendan para mecanizar hierro fundido, materiales no ferrosos y no metálicos; los grados 5 a 8 son para mecanizar aceros y sus aleaciones. Los grados 1 y 5 son para desbastar, los 2 y 6 son para uso general, 3 y 7 son para acabado, y 4 y 8 son para acabado de precisión. Existen también otros grados para diversas aplicaciones y según lo riguroso de la operación de mecanizado. El siguiente cuadro muestra como difieren las propiedades de los distintos tipos de herramientas.


114


PROCESOS DE MANUFACTURA I Cuadro 2.3

Aceros al carbono -

Aceros alta velocidad

Aleaciones de cobalto

Carburos cementados

Carburos revestidos

Cerámicas

Nitruro de boro cúbico

Diamante

-

-

Aumentando

-

-

-

→

Tenacidad

-

-

-

Disminuyendo

-

-

-

→

Resistencia al impacto Resistencia al desgaste

-

-

-

Disminuyendo

-

-

-

→

-

-

-

Aumentando

-

-

-

→

Resistencia a melladura Velocidad de corte Resistencia a cambios tº

-

-

-

Disminuyendo

-

-

-

→

-

-

-

Aumentando

-

-

-

→

-

-

-

Disminuyendo

-

-

-

→

Costo

-

-

-

Aumentando

-

-

-

→

Baja a media

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Muy baja

Regular

Regular

Regular

Bueno

Bueno

Muy bueno

Muy bueno

Excelente

Dureza en caliente

Profundidad de corte Acabado esperable

Aleaciones Fundamentales y Aceros de Alta Velocidad Especial KNL Color de identificación: Amarillo/Verde Aleación: C% 1.55 - Si% 0.30 - Mn% 0.30 - Cr.%11.5 - Mo% 0.7 - V%1.00 Denominación según: DIN: SX155CrVMo121 W AISI D2

No 1.2379

Böhler K-110

Descripción: Este acero presenta excelente tenacidad y apto para nitruración en baño de sal, lo cual en excelente rendimiento en la fabricación de herramientas de corte (matrices y punzones), herramientas para la técnica de estampado, fresas para madera altamente exigidas, cuchillas de guillotinas para corte en frío de chapas y flejes hasta 6 MM de espesor, cuchillas y mandíbulas para la fabricación de clavos, herramientas para laminar roscas, herramientas para estirar, para embutición profunda, para extrusión en frío, de prensar en la industria farmacéutica y cerámicas, para medición, para moldes de material plástico Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

115



y cilindros de trabajos en la industria de cubiertos. Estado de entrega: Recocido Blando Dureza: 250 Brinell máx. Dureza obtenible: 63 – 65 Rockwell C. Medias disponibles: Redondos: 5/8" – 10" Platinas: 40 x 15 – 350 x 60 mm Cuadrados: ¾" – 4" Especial K Color de identificación: Amarillo Aleación: C% 2.00 - Si% 0.20 - Mn% 0.30 – Cr.%11.5 Denominación según: DIN: X210Cr12 W No 1.2080

AISI D3 Böhler K-100

Descripción: Este acero presenta excelente tenacidad y apto para nitruración en baño de sal, lo cual en excelente rendimiento en la fabricación de herramientas de para cortar y estampar, como matrices de gran rendimiento con cortes complicados y consecutivos, moldes para estampación y moldeo de grandes exigencias, dientes de sierras, cuchillas para cortar hasta 4 mm de espesor. También es adecuado para fabricación de herramientas con virutamiento como brocas, cuchillas para la fabricación de viruta de acero, para trabajos en madera. Y herramientas sin virutamiento como rodillos, peines de roscar, trefilas, hileras y moldes de embutición o prensas de aleaciones livianas, aceros o plásticos. Herramientas de medición como galgas, calibres y reglas, herramientas y componentes expuestos al desgaste para manejo de piedras, mármol, cerámicas fabricación de ladrillos y bujes. Herramientas para trabajar a mediana temperatura. Estado de entrega: Recocido Blando Dureza: 250 Brinell máx. Dureza obtenible: 63 – 65 Rockwell C. Medias disponibles: Redondos: 1/2" – 12" Platinas: 25 x 15 – 400 x 80 mm Cuadrados:5/8" – 5.7/8" Amutit S Color de identificación: Azul/Rojo Aleación: C% 0.95 - Si% 0.30 - Mn% 1.10 - Cr.% 0.5 - V% 0.12 - W% 0.55 Denominación según: DIN: 100MnCrW4 W AISI O1 No 1.2510 Böhler K-460 Descripción: Un acero de mediana aleación (Cr-W) y temple al aceite, que toma dureza segura y uniforme. De mínima variación de medida, excelente resistencia al corte, alta resistencia al desgaste y buena tenacidad. Se mecaniza muy bien y es el acero mas universal parta la fabricación de herramientas y moldes no Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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expuestos a temperaturas que deben ser indeformables. Es utilizado en su mayoría para fabricar herramientas de virutamiento y de corte y estampado Estado de entrega: Recocido Blando Dureza: 250 Brinell máx. Dureza obtenible: 63 – 65 Rockwell C. Medias disponibles: Redondos: 3/8" – 16" Platinas: 25 x 9.5 – 304.8 x 50.8 mm Cuadrados:5/8"–6"

Platinas rectificadas AMS (Ground Flats) Color de identificación: Azul/Rojo Aleación: C% 0.95 - Si% 0.30 - Mn% 1.10 - Cr.% 0.5 - V% 0.12 - W% 0.55 Denominación según: DIN: 100MnCrW4 W 0 No 1.2510 AISI O1 Böhler K-46 Descripción: Estas planchuelas de precisión de acero son un producto especial que permite la racionalización en la construcción de herramientas. Debido a sus estrechas tolerancias y superficie libre de descarburización pueden ser utilizadas sin ningún tratamiento superficial posterior. Las planchuelas de precisión Amutit S, son aptas, tanto para la construcción de herramientas, como de maquinarias. Estado de entrega: Recocido Blando con una excelente estructura Dureza: 225 Brinell máx. Dureza obtenible: 63 – 65 Rockwell C. Medias disponibles: Planchuelas: 1/32" x 1" – ½" x 5" Acero Plata Amutit S Color de identificación: Azul/Rojo Aleación: C% 0.95 Si% 0.30 Mn% 1.10 Cr.% 0.5 V% 0.12 W% 0.55 Denominación según: DIN: 100 MnCrW4 W AISI O1 No 1.2510 Böhler K-460 Descripción: Un acero indeformable, calibrado, rectificado y pulido según din 175 (ISA h-9), para ser usado en herramientas pequeñas y pinzas de construcción en las cuales la precisión de las medidas es muy importante. Ejemplos: brocas, taladros, escariadores, avellanadores, vástagos para acuñar, punzones para cortar y estampar, machos de expulsión, partes de instrumentos quirúrgicos, guías ejes y árboles de precisión.


117



Estado de entrega: Recocido Blando Dureza: 230 Brinell máx. Dureza obtenible: 63 – 66 Rockwell C. Medias disponibles: Redondos:1/8" – 1.1/4" Largos disponibles de 1 ó 2 m. US Ultra 2 Color de identificación: Rojo/Amarillo Aleación: C% 0.39 - Si% 1.00 - Mn% 0.40 - Cr.% 5.10 - V% 1.00 Denominación según: DIN: X40CrMoV51 W AISI H13 No 1.2344 Böhler 302 Descripción: Este acero es de una aplicación universal para trabajar en caliente. De gran tenacidad en estado caliente. Es preferido en partes de herramientas para inyección y fundición a presión con alta velocidad y temperatura. Ejemplos: camisas de cámaras de presión, pistones, boquillas, bujes, placas, bocinas, émbolos, dados de extrusión, pines de inyección siempre que no sean expuestos a esfuerzos excesivos. Estado de entrega: Recocido Blando Dureza: 229 Brinell máx. Dureza obtenible: 52 – 56 Rockwell C. Aceite/sal 50 – 54 Rockwell C. Aire Medias disponibles: Redondos: 3/4" – 13" Platinas: 100 x 30 – 350 x 100 mm

MY-Extra Color de identificación: Morado Aleación: C% 0.48 - Si% 0.90 - Mn% 0.30 - Cr.% 1.0 - V% 0.18 - W% 2.00 Denominación según: DIN: 45WCrV7 W AISI S1 No 1.2542 Böhler K455 Descripción: Este acero es de una aplicación en toda clase de herramientas para trajo en frío que soportan impacto como: cinceles mecánicos para metales y otros materiales, estampas y punzones, corta fríos, cizallas para cortes pesados de gran sección, dobladoras, y martillos neumáticos. Estado de entrega: Recocido Blando Dureza: 225 Brinell máx. Dureza obtenible: 55 – 59 Rockwell C. Medias disponibles: Redondos: 5/8" – 3" Platinas: 280 x 45 y 305 x 100 mm Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

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PROCESOS DE MANUFACTURA I P-20

Color de identificación: Naranja Aleación: C% 0.32-0.38 - Si% 0.3 - Mn% 1.50 - Cr.% 1.75-2.0 Mo% 0.2-0.38 Denominación según: DIN: 40RmNnMo864 W No 1.2738 AISI/SAE P-20 Böhler M238 Descripción: Acero forjado, bonificado de gran tenacidad y excelente resistencia al desgaste, con buena maquinabilidad y gran brillo. Cementable o nitrurable, apto para cromado duro y tratamiento galvánico. Es utilizado en moldes para materiales plásticos, armazones de moldes o partes de maquinaria. Estado de entrega: Bonificado 1000 N/mm2 (300 HB) por lo que no requiere de tratamiento térmico. Dureza en estado recocido: 240 Brinell máx. Medias disponibles: Redondos: 20" y 26" Platinas: 25 x 255 – 569 x 864 mm WKW4 Color de identificación: Gris Aleación: C% 0.46 - Cr% 13.0 - Si% 0.40 - Mn.% 0.40 Denominación según: DIN: X42Cr13 W AISI 420 No 2038 Böhler M310 Descripción: Este acero es inoxidable (acero martensítico) templable para herramientas y moldes. Buena templabilidad. Presenta buena resistencia al desgaste debido a la aleación de cromo; magnifica tenacidad; anticorrosivo en estado templado y bonificado, fácil de mecanizar y excelente para moldes con acabados bien pulidos. Magnético. Es utilizado para fabricar moldes para inyección, extrusión y soplado de PVC y otros moldeables químicamente agresivos a los otros aceros, cuchillas para la industria de alimentos, instrumentos de medición, cubiertos, válvulas, galgas, ejes de bomba, resortes etc. Estado de entrega: Recocido Dureza: 179-225 Brinell máx. Dureza obtenible: 53 – 56 Rockwell C. Medias disponibles: Redondos: 3/4" – 12" Platinas: 152 x 50 – 356 x 102 mm Laminas 2" – 12" con ancho entre 900 – 1100 mm.

2. Geometría de las Herramientas 1.

Fluidos de Corte


119


PROCESOS DE MANUFACTURA I Los fluidos de corte son líquidos que se utilizan durante el mecanizado, aplicándose en la zona de formación de viruta, para mejorar las condiciones de corte en comparación con un corte en seco. Estas mejoras van en pos de enfriar la herramienta, la pieza y la viruta, lubricar y reducir la fricción, minimizar la posibilidad de crear cantos indeseables en la herramienta, arrasar con la viruta y proteger la pieza de la corrosión. Los hay de tres tipos: • Enfriadores y lubricantes, sobre una base de petróleo mineral • Aceite y agua, que enfrían por tener una gran capacidad de transferir calor • Aceites puros, que lubrican solamente, para mecanizados de baja velocidad Ventajas de los enfriadores 5. Aumentan la vida de la herramienta bajando la temperatura en la región del filo principal 6. Facilitan el manejo de la pieza terminada 7. Disminuyen la distorsión térmica causada por los gradientes de temperatura producidos durante el mecanizado 8. Realizan una labor de limpieza por arrastre, al ayudar a remover las virutas de la región de corte. Las ventajas 2 y 3 se manifiestan más claramente al realizar operaciones con muelas abrasivas. Ventajas de los lubricantes 4. Disminuyen la resistencia friccional al movimiento, aminorando el consumo de potencia, alargando la vida de la herramienta y mejorando la calidad superficial del acabado 5. Tienen un ingrediente reactivo que forma un compuesto de baja resistencia al corte, el cual actúa como un lubricante en los bordes 6. Son suficientemente estables como para mantener sus propiedades bajo las condiciones de temperatura y presión existentes en la interfase viruta-herramienta Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

120


PROCESOS DE MANUFACTURA I Sin embargo, la efectividad de todos los lubricantes para corte disminuye a medida que aumenta la velocidad de corte.

2.2 Análisis de la Herramienta y la geometría Existen diversos tipos de herramientas de corte, entre las que se destacan los monofilos, las multifilo y las abrasivas. Las herramientas monofilo se usan en las operaciones principales de torneado, las multifilo se usan en operaciones de fresado y taladrado, y las abrasivas en procesos de rectificado. Las herramientas de corte monofilo (un filo) estructuralmente constan de dos partes, una cortante (o elemento productor de viruta) y otro denominado cuerpo. Se encuentran

normalmente

en

tornos,

tornos

revólver,

cepillos,

limadoras,

mandrinadoras y máquinas herramientas semejantes.

Fig. 2.1 En la figura 2.1 se observan las partes más importantes de una herramienta monofilo donde se pueden destacar: *4

La cara, que es la superficie o superficies sobre las cuales fluye

la viruta (superficie de desprendimiento).


121


*5

PROCESOS DE MANUFACTURA I El flanco, que es la superficie de la herramienta frente a la cual

pasa la superficie generada en la pieza (superficie de incidencia). *6

El filo es la parte que realiza el corte, siendo el filo principal la

parte que ataca directamente a la pieza y el filo secundario la parte restante. *7 La punta de la herramienta es el lugar donde se interceptan el filo principal y secundario. En general, la herramienta tiene dos componentes de movimiento. La primera corresponde al movimiento derivado del movimiento principal de la máquina, y la segunda está relacionada con el avance de la herramienta. El movimiento resultante corresponde al movimiento resultante de corte, y el corte, como tal, se produce por un movimiento relativo entre la herramienta y la pieza. El movimiento principal es el que consume una mayor cantidad de energía, y corresponde normalmente al que mueve al husillo. El movimiento de avance ocupa menos energía y puede ser un movimiento continuo o alternado.


Fig. 2.2

122



El ángulo entre la dirección del movimiento de corte principal y el movimiento resultante se llama ángulo de la velocidad de corte resultante (η). Debe destacarse que, como habitualmente el avance es relativamente pequeño en comparación con el movimiento principal, el ángulo de corte resultante se considera cero. Otro punto importante de tener presente es que no en todas las operaciones de mecanizado la velocidad de corte es constante, pues por ejemplo, en el refrentado, la velocidad de corte es función del radio de la pieza. La velocidad de corte resultante ve , que es la velocidad instantánea relativa entre el filo de la herramienta y la pieza, está dada por: ve = v · cos(η)

(2.1)

pero como para la mayoría de los procesos de mecanizado η es muy pequeño, generalmente se considera ve = v


(2.2)

123



Finalmente, otro de los ángulos importantes cuando se considera la geometría de una operación de mecanizado es el llamado ángulo del filo principal de la herramienta, kr. El espesor de la capa de material que está siendo removido por un filo en un punto seleccionado, conocido como espesor de la viruta no deformada ac, afecta significativa-mente la potencia requerida para realizar la operación. Esta dimensión debe ser medida en un plano normal a la dirección de corte resultante pasando por el filo. Adicionalmente, como η es pequeño, ec puede medirse normal a la dirección del movimiento principal. Analizando la figura 2.3 se tiene: ec = a ⋅ sen ( k r )

(2.3)

Donde a es el encaje de avance, es decir, el encaje instantáneo de la herramienta en la pieza.

2.2.1 Tipos de Fluidos de Corte Los principales tipos de fluidos de corte mecanizado son - Los aceite íntegros. - Las emulsiones oleosas. - Las "soluciones" semi-sintéticas. - Las soluciones sintéticas. En la mayoría de los casos contienen aditivos azufrados de extrema presión, en un 70% de los casos parafinas cloradas y cada vez más aceites sintéticos (poliglicoles y ésteres). Es frecuente la adición de lubricantes sólidos como grafito, MoS2 o ZnS2. MECANOL O TALADRINA Los tres últimos tipos mencionados anteriormente son soluciones acuosas diluidas al 3,5% como media, y reciben el nombre genérico de mecanol. El pH se sitúa en un ámbito ligeramente alcalino (pH 8-10). Las mecanol pueden contener todas o parte de las sustancias que se enumeran a continuación - Aceites minerales (de tendencias nafténica o parafínica) *. - Aceites animales o vegetales. - Aceites sintéticos (alquilbencenos). Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

124



- Emulgentes Catiónicos *. Aniónicos (como Na2SO4) *. No iónicos (como trietanolamina, poliglicoleter, alilfenol oxietilo). - Inhibidores de corrosión nitritos (NaNO2, nitrito de diciclohexilamonio...) *. aminas (mono-bi-trietanolamina, ciclohexilamininas). boratos (bacteriostático) y carbonatos. otros ácido butilbenzoico, ... - Bactericidas-fungicidas (como fenoles, formoles, pentaclorofenoles) *. - Aditivos extrema presión parafinas cloradas *. aditivos azufrados *. aditivos fosforados (dialquilfosfato de cinc...). aceites minerales y grasas, alcoholes. - Humectantes o estabilizantes (como poliglicoles, alcoholes y fosfatos de aminas) *. - Antiespumantes (siliconas como dimetilsiloxan). - Colorantes. - Acomplejantes (EDTA). - Metales pesados (molibdeno, cinc). Nota Se ha marcado con un (*) las sustancias más utilizadas en las mecanol. Las mecanol se presentan como concentrados que posteriormente son diluidos en el momento de su utilización con agua en proporciones entre un 1,5% y un 15% de volumen. Las mecanol se pueden dividir en tres tipos a) Las emulsiones de aceite (mineral, sintético o vegetal animal). El concentrado se diluye al 4% como media (entre 2,5% y 15% según la clase) y contiene como base un 60% de aceites minerales, aproximadamente un 20% de emulgentes, un 10% de agua y un 10% de aditivos varios (anticorrosivos, bactericidas, aditivos de extrema presión). Su uso se extiende a operaciones en las que la función lubrificante de la taladrina es prioritaria como es la laminación, la extrusión, la deformación (estampación y embutido). Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

125


PROCESOS DE MANUFACTURA I Es frecuente el uso de las mecanol más concentradas (15%) como protección de metales, es decir, para crear una capa protectora anticorrosiva sobre superficies metálicas. b) Las mecanol semisintéticas. El concentrado se diluye al 4% como media (entre el 1,5% y 5%) y contiene como base cerca de 20% de aceite mineral o sintético, un 30% de emulgentes, un 40% de agua y un 10% de aditivos varios (importantes bactericidas). Su uso se extiende a operaciones en las que lubricación y refrigeración son importantes como es el mecanizado (taladrado, fresado...). c) Las mecanol sintéticas. El concentrado se diluye el 2,5% (entre el 1,5 y el 12%) y contienen además de 15% de anticorrosivos, hasta un 25% de humectantes (glicoles), etc. (facultativo). Un 10% de aditivos varios y un 50-75% de agua. Su uso se extiende a operaciones en las que la función refrigerante de la taladrina es prioritaria como el rectificado y la protección antioxidante.

2.2.2 Aplicación de fluidos de corte La forma en que se aplique un fluido de corte tiene una influencia considerable en la vida de la herramienta, así como en la operación de mecanizado en general. A pesar de que existen equipos muy complejos y efectivos para dosificar los fluidos en la zona del corte, estos no son necesarios para lograr buenos resultados. Incluso el mejor fluido de corte puede no cumplir su función con éxito si no es distribuido correctamente en la zona del corte. La idea es que el fluido forme una película sobre las superficies en roce, díganse la pieza y la herramienta (figura 2.4). Es preferible que el fluido llegue en forma continua a la pieza antes de que llegue de Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

126


PROCESOS DE MANUFACTURA I manera intermitente, pues de esta última manera pueden producirse ciclos de temperatura letales para la microestructura tanto de la pieza como de la herramienta.

Fig. 2.4

Una buena aplicación de fluido de corte permite además una adecuada remoción de viruta, lo cual ayuda a alargar la vida de la herramienta. Existen diversas maneras de aplicar el fluido de corte (figura 2.5), sin embargo se destacarán tres: • Manual: Se aplica el fluido con una brocha, lo que produce una aplicación intermitente, con una baja remoción de viruta y un limitado acceso a la zona de corte. • Automática de chorro continuo (o por goteo): Se trata de una boquilla apuntada a la herramienta que chorrea constantemente a baja presión el fluido. Logra una buena penetración a nivel de herramienta y pieza.


127


PROCESOS DE MANUFACTURA I • Niebla (pulverizador): Se aplica un rocío constante con aire comprimido sobre el área de corte. Presenta un riesgo a la salud si no se toman las medidas de seguridad correspondientes, ante la eventual inhalación de gotitas aceitosas.

2.3 Maquinabilidad Las operaciones de mecanizado se pueden subdividir en dos grandes grupos: 3. Mecanizado sin arranque de viruta. 4. Mecanizado con arranque de viruta. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

128


PROCESOS DE MANUFACTURA I Algunos ejemplos de estas operaciones se enuncian a continuación: Mecanizado sin arranque de viruta: • • • • • • • • •

Sinterización. Laminación. Estampado. Trefilado. Fundición. Extrusión. Forja. Doblado. Embutido. Mecanizado con arranque de viruta:

• • • • • • • • • • •

Torneado. Taladrado. Escariado. Mandrinado. Limado. Cepillado. Fresado. Aserrado. Rectificado. Bruñido. Electroerosión. Existen tres factores primarios que deben ser definidos en cualquier operación

básica de mecanizado, éstos son: velocidad, avance y profundidad de corte. Otros factores como el tipo de material y el tipo de herramienta tienen bastante importancia, pero los tres primeros son los que el operador puede ajustar independientemente de los demás. Velocidad: se refiere a la velocidad de rotación del husillo de la máquina para el mecanizado. Está expresada en revoluciones por unidad de tiempo. Cada diámetro de trabajo nos entregará una velocidad de corte distinta, aunque la velocidad de rotación permanezca constante, y es por esto que debe tenerse especial precaución al decidirla. Avance: se refiere a la herramienta de corte, y se expresa como la razón de la distancia longitudinal recorrida por la herramienta por revolución del husillo (mm/rev). Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

129


PROCESOS DE MANUFACTURA I Profundidad de Corte: llamado también encaje axial, se refiere al espesor, diámetro o radio (según esté convenido) que es removido en la operación de mecanizado. Esta es una magnitud transversal, por lo que se expresará en milímetros o en otra unidad de longitud. Veremos a continuación lo que sucede en la herramienta durante la maquinabilidad, lo observaremos en la siguiente tabla: Averías de herramientas por

CAUSAS

Medidas correctivas

Desgaste del flanco

- El grado de dureza de la herramienta - Utilizar herramienta con alta es bajo. resistencia al desgaste. - La velocidad de corte es muy alta. - Bajar la velocidad de corte. - El ángulo del flanco es muy pequeño. - Aumentar el ángulo de flanco. - La velocidad de avance es - Aumentar la velocidad de extremadamente baja. avance.

Desgaste de cráter

- El grado de dureza de la herramienta - Utilizar la herramienta con es muy bajo. alta resistencia al desgaste. - La velocidad de corte es muy alta. - Bajar la velocidad de corte. - La velocidad de avance es muy alta. - Bajar la velocidad de avance.

Picado

- Utilizar la herramienta con - El grado de dureza de la herramienta alta rigidez. es muy alto. - Bajar la velocidad de avance. - La velocidad de avance es muy alta. - Aumentar el bruñido. - Falta de resistencia del filo cortante. (Cambio del bruñido redondo - Falta rigidez del mango, portaal bruñido biselado) mango. - Utilizar mango de mayor tamaño.

Fractura

- Utilizar la herramienta con - El grado de dureza de la herramienta alta rigidez. es muy alto. - Bajar la velocidad de avance. - La velocidad de avance es muy alta. - Aumentar el bruñido. - Falta de resistencia del filo cortante. (Cambio del bruñido redondo - Falta rigidez del mango, portaal bruñido biselado) mango. - Utilizar mango de mayor tamaño.

Deformación del plástico

- El grado de dureza de la herramienta - Utilizar la herramienta con es muy bajo. alta resistencia al desgaste. - La velocidad de corte es muy alta. - Bajar la velocidad de corte. - La profundidad del corte y la - Reducir la profundidad del velocidad de avance son muy corte y la velocidad de avance. grandes. - Utilizar la herramienta con - La temperatura de corte es alta. alta conductividad térmica.


130



- Aumentar la velocidad de corte (Para Din Cr45, ANSI1045, Velocidad de corte >= 80m/min)) - Aumentar el ángulo de inclinación. - Utilizar la herramienta con baja afinidad. (Grado revestido, grado Cermet)

Soldadura

- La velocidad de corte es baja. - Falta de agudeza. - Grado inadecuado.

Grieta térmica

- Expansión o encogimiento debido al - Corte seco (para corte calor de corte. mojado, mojar la pieza de - El grado de dureza de la herramienta trabajo con fluido de corte) es muy alta. - Utilizar la herramienta con * Especialmente en el fresado. alta rigidez.

Desgaste marginal

- Superficies duras tales como superficie de corte sesgado, partes refrigeradas y capa endurecida a máquina. - Fricción causada por virutas de forma dentada. (Causada por pequeñas vibraciones)

- Utilizar la herramienta con alta resistencia al desgaste. - Aumentar el ángulo de inclinación para mejorar la agudeza.

Descascarillamie nto

- La resistencia al corte es muy alta. - La profundidad de corte o la velocidad de avance de corte es alta. - Soldadura y adherencia del filo cortante. - Descarte defectuoso de las virutas.

- Utilizar la herramienta con alta resistencia al desgaste. - Aumentar el ángulo de inclinación para mejorar la agudeza.

Fractura por desgaste del flanco * Este tipo de fractura se debe a la sinterización por super alta presión

- Una fractura típica debido a la inadecuada rigidez del filo cortante.

- El grado de dureza de la herramienta es muy bajo. - La resistencia al corte así como la generación del calor es alta son altas.

Fractura por desgaste de cráter * Este tipo de fractura se debe a la sinterización por súper alta presión

- Aumentar la cantidad de bruñido. - Cambiar a un grado con mayor resistencia a la fractura.

- Reducir la cantidad de bruñido. - Cambiar a un grado con mayor resistencia al desgaste.


131


PROCESOS DE MANUFACTURA I herramientas de corte CONSIDERACIONES ELEMENTALES

Materiales de las herramientas de corte Las herramientas de corte deben poseer ciertas características específicas, entre las que se destacan: resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, resistencia al desgaste y resistencia a la temperatura (porque en un proceso de mecanizado con herramientas tradicionales tºherramienta > tºpieza > tºviruta ; con herramientas más avanzadas se logra concentrar el aumento de temperatura en la viruta). La selección de la herramienta de corte va a depender de la operación de corte a realizar, el material de la pieza, las propiedades de la máquina, la terminación superficial que se desee, etc. Para cumplir con cada uno de estos requerimientos han surgido herramientas formadas por diferentes aleaciones. Los materiales para las herramientas de corte incluyen aceros al carbono, aceros de mediana aleación, aceros de alta velocidad, aleaciones fundidas, carburos cementados, cerámicas u óxidos y diamantes. Para conocer las aleaciones de aceros para herramientas hay que saber las funciones que cumplen cada uno de los elementos que forman la aleación. El resumen de estas características se entrega en el cuadro 2.1. Los elementos se agregan para obtener una mayor dureza y resistencia al desgaste, mayor tenacidad al impacto, mayor dureza en caliente en el acero, y una reducción en la distorsión y pandeo durante el templado. Elemento Carbono, C

Cantidad 0,6 % - 1,4 %

Propiedades - Forma carburos con el hierro. - Aumenta la dureza. - Aumenta la resistencia mecánica. - Aumenta la resistencia al desgaste. Cromo, Cr 0,25 % - 4,5 % - Aumenta la resistencia al desgaste. - Aumenta la tenacidad. Cobalto, Co 5 % - 12 % - Se emplea en aceros de alta velocidad. - Aumenta la dureza en caliente. - Permite velocidades y temperaturas de operación más altas manteniendo la dureza y los filos. Molibdeno, Mo hasta 10 % - Elemento fuerte para formar carburos. - Aumenta la resistencia mecánica. - Aumenta la resistencia al desgaste. - Aumenta la dureza en caliente. - Siempre se utiliza junto a otros elementos de aleación Tungsteno, W 1,25 % - 20 % - Mejora la dureza en caliente. - Aumenta la resistencia mecánica. Aceros al Carbono - Aumenta la dureza en caliente. Vanadio, V 0,20 % - 0,5 % - Aumenta la resistencia a la abrasión. Aceros Alta Veloc. 1%-5%

Cuadro 1 En las herramientas de corte existen varias familias dependiendo del material que se componen, cada una tiene ciertas características de resistencia y puede realizar mejor alguna operación de corte, ver cuadro 2. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

132


PROCESOS DE MANUFACTURA I Cuadro 2

Herramienta Aceros al Carbono

Aceros de Alta Velocidad

Aleaciones Fundidas

Carburos Cementados *

Características • Son el tipo de acero más antiguo en herramientas de corte. • Son muy baratos. • Tienen buena resistencia al impacto. • Se pueden someter fácilmente a tratamientos térmicos como el templado, lográndose un amplio rango de durezas. • Se forman y rectifican con facilidad. • Mantienen su borde filoso cuando no están sometidos a abrasión intensa o a altas temperaturas. • Han sido sustituidos por otros materiales. • Son el grupo con mayor contenido de aleaciones de los aceros. • Conservan la dureza, resistencia mecánica y filo de los aceros. • Empleando los equipos adecuados pueden ser templadas por completo con poco riesgo de distorsión o agrietamiento. • Se templan al aceite. • Mantienen su elevada dureza a altas temperaturas. • Tienen buena resistencia al desgaste. • No se necesitan fluidos de corte.

Utilización • Brocas que trabajan a velocidades relativamente bajas. • Machuelos. • Escariadores y brochas.

• Taladrar. • Escariar. • Fresar. • Brochar. • Machuelar. • Máquinas para fabricar tornillos. • Se recomiendan para operaciones de desbaste profundo con velocidades y avances relativamente altos • Sólo se emplean para obtener un acabado superficial especial.

• Tienen carburos metálicos. • Se fabrican con técnicas de metalurgia de polvos. • Tienen alta dureza en un amplio rango de temperaturas. • Elevado módulo elástico, dos o tres veces el del acero. • No representan flujo plástico. • Baja expansión térmica. • Alta conductividad térmica. • Se emplean como insertos o puntas que se sueldan o sujetan a un vástago de acero. Se encuentran en diferentes formas, circulares, triangulares, cuadrados y otras formas.

Carburo de Tungsteno Aglutinado con Cobalto Carburo de Tungsteno Aglutinado con Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

• Se emplean para mecanizar hierros fundidos y metales abrasivos no ferrosos.

•

Mecanizar aceros. 133



Cobalto + Solución Sólida W: Tungsteno de WC-TiC-TaC- Ti: Titanio NbC Nb: Niobio


Carburo de Titanio con Aglutinante de Níquel y Molibdeno

• Opera a altas temperaturas debido a las altas velocidades de corte. • Trabaja piezas de materiales con alta resistencia mecánica.

Carburos Revestidos

• Son insertos normales de carburo revestidos con una capa delgada de carburo de titanio, nitruro de titanio u óxido de aluminio. • Con el revestimiento se obtiene una resistencia superior al desgaste, a la vez que se mantiene la resistencia mecánica y la tenacidad. • No se necesitan fluidos de corte, si se aplica debe ser en forma continua y en grandes cantidades, para evitar calentamiento y templado. • Los avances suaves, las bajas velocidades y el traqueteo son dañinos. • Se constituyen de granos finos de aluminio ligados entre sí. Con adiciones de otros elementos se logran propiedades óptimas. • Resistencia muy alta a la abrasión. • Son más duras que los carburos cementados. • Tienen menor o nula tendencia a soldarse con los metales durante el corte. • Carecen de resistencia al impacto. • Puede ocurrir una falla prematura por desportilladura o rotura. • Tienen dureza extrema. • Baja expansión térmica. • Alta conductividad térmica. • Coeficiente de fricción muy bajo. • Se liga a un sustrato de carburo.

Cerámicas u Oxidos

Diamantes Policristalinos

•

Cortar.

• Se utilizan en máquinas de herramientas rígidas, de mayor velocidad y más potentes.

• Son eficaces para operaciones de torneado ininterrumpido a alta velocidad.

• Son empleados cuando se requiere un buen acabado superficial, en particular en materiales blandos y no ferrosos, difíciles de mecanizar. • Se emplea como abrasivo en operaciones de rectificado. • Es adecuado para trabajar aleaciones de altas temperaturas y diversas aleaciones ferrosas. • Se emplea como abrasivo en operaciones de rectificado.

• Es el material más duro que hay en la actualidad. • Se liga a un sustrato de carburo. • La capa de CBN produce una gran resistencia al desgaste. • Gran resistencia mecánica de los bordes. • Es químicamente inerte al hierro y al níquel a altas temperaturas. * : A los carburos cementados se le asigna Grado C-1, Grado C-2, etc. Los grados 1 a 4 se recomiendan para mecanizar hierro fundido, materiales no ferrosos y no metálicos; los grados 5 a 8 son para mecanizar aceros y sus CBN Nitruro Cúbico de Boro Cúbico


134



aleaciones. Los grados 1 y 5 son para desbastar, los 2 y 6 son para 4 y 8 son para acabado de precisión. Existen también otros grados para diversas aplicaciones y según lo riguroso de la operación de mecanizado.

El siguiente cuadro muestra como difieren las propiedades de los distintos tipos de herramientas. Cuadro 3 Aceros al carbono -

Aceros alta velocidad -

Aleaciones de cobalto -

Carburos cementados Aumentando

Carburos revestidos -

Cerámicas

-

-

-

Disminuyendo

Resistencia al impacto Resistencia al desgaste Resistencia a melladura Velocidad de corte Resistencia a cambios tº Costo

-

-

-

-

-

-

Profundidad de corte Acabado esperable

Dureza en caliente Tenacidad

Diamante

-

Nitruro de boro cúbico -

-

-

-

→

Disminuyendo

-

-

-

→

-

Aumentando

-

-

-

→

-

-

Disminuyendo

-

-

-

→

-

-

-

Aumentando

-

-

-

→

-

-

-

Disminuyendo

-

-

-

→

-

-

-

Aumentando

-

-

-

→

Baja a media Regular

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Muy baja

Regular

Regular

Bueno

Bueno

Muy bueno

Muy bueno

Excelente

→

Nomenclatura de herramientas de Corte Existen diversos tipos de herramientas de corte, entre las que se destacan las monofilo, las multifilo y las abrasivas. Las herramientas monofilo se usan en las operaciones principales de torneado, las multifilo se usan en operaciones de fresado y taladrado, y las abrasivas en procesos de rectificado. Las herramientas de corte monofilo (un filo) estructuralmente constan de dos partes, una cortante (o elemento productor de viruta) y otro denominado cuerpo. Se encuentran normalmente en tornos, tornos revólver, cepillos, limadoras, mandrinadoras y máquinas herramientas semejantes.

Fig. 1 En la figura 2.1 se observan las partes más importantes de una herramienta monofilo donde se pueden destacar: *8 La cara, que es la superficie o superficies sobre las cuales fluye la viruta (superficie de desprendimiento). Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

135


PROCESOS DE MANUFACTURA I *9 El flanco, que es la superficie de la herramienta frente a la cual pasa la superficie generada en la pieza (superficie de incidencia). *10 El filo es la parte que realiza el corte, siendo el filo principal la parte que ataca directamente a la pieza y el filo secundario la parte restante. *11 La punta de la herramienta es el lugar donde se interceptan el filo principal y secundario. En general, la herramienta tiene dos componentes de movimiento. La primera corresponde al movimiento derivado del movimiento principal de la máquina, y la segunda está relacionada con el avance de la herramienta. El movimiento resultante corresponde al movimiento resultante de corte, y el corte, como tal, se produce por un movimiento relativo entre la herramienta y la pieza. El movimiento principal es el que consume una mayor cantidad de energía, y corresponde normalmente al que mueve al husillo. El movimiento de avance ocupa menos energía y puede ser un movimiento continuo o alternado.

Fig. 2 El ángulo entre la dirección del movimiento de corte principal y el movimiento resultante se llama ángulo de la velocidad de corte resultante (η). Debe destacarse que, como habitualmente el avance es relativamente pequeño en comparación con el movimiento principal, el ángulo de corte resultante se considera cero. Otro punto importante de tener presente es que no en todas las operaciones de mecanizado la velocidad de corte es constante, pues por ejemplo, en el refrentado, la velocidad de corte es función del radio de la pieza. La velocidad de corte resultante ve , que es la velocidad instantánea relativa entre el filo de la herramienta y la pieza, está dada por: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

136


PROCESOS DE MANUFACTURA I ve = v · cos(η) (2.1) pero como para la mayoría de los procesos de mecanizado η es muy pequeño, generalmente se considera v e = v (2.2) Finalmente, otro de los ángulos importantes cuando se considera la geometría de una operación de mecanizado es el llamado ángulo del filo principal de la herramienta, kr. El espesor de la capa de material que está siendo removido por un filo en un punto seleccionado, conocido como espesor de la viruta no deformada ac, afecta significativamente la potencia requerida para realizar la operación. Esta dimensión debe ser medida en un plano normal a la dirección de corte resultante pasando por el filo. Adicionalmente, como η es pequeño, ac puede medirse normal a la dirección del movimiento principal. Analizando la figura 3 se tiene: e c = a ⋅ sen( k r )

(3)

Donde a es el encaje de avance, es decir, el encaje instantáneo de la herramienta Los datos anteriormente explicados, si bien se remiten al caso particular de las herramientas monofilo, se amplían a los otros casos, como se detallará más adelante en otros capítulos.

TEORÍA DE CORTE ORTOGONAL. PROBLEMA 1. En una experiencia de corte ortogonal se esta arrancando una capa de 0,25mm de espesor, con un ángulo de ataque de 30° en una longitud de 450mm. Las fuerzas de corte y empuje son de 250 Kgf y 90 Kgf de acuerdo al dinamómetro. Torneándose una bocina de 110mm de diámetro para una velocidad rotacional del conjunto de Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

137


PROCESOS DE MANUFACTURA I 220rpm, con un avance de la mesa en 0.2mm/rev y cuyo ancho de la herramienta es 0.2mm. La viruta tiene un peso unitario de 30grf/m y el peso especificado de material es de 7,8 grf/cm 3. Se pide determinar: 1. El coeficiente de fricción entre la viruta y la herramienta. 2. El ángulo de cizallamiento. 3. El ángulo medio de fricción de cizallamiento 4. El esfuerzo de corte medio sobre plano de cizallamiento. 5. El tiempo de maquinado. SOLUCIÓN: Datos: e1 = 0.25mm

γ = 30° a = 0.2mm / rev

b = 0.2mm

n = 220rpm

ρ = 7.89 grf / cm3

W = 30 grf / m

Fc = 250 Kgf FL = 90 Kgf

1. Coeficiente de fricción: a.- Espesor de Corte Deformado W = ρ . b. e2 L 30 = 7.89 x0.25 xe2 e2 = 15.2mm

b.- Razón de Corte e 0.2 rC = c = = 0.13 es 15.2

2. Angulo de Cizallamiento r .Cosγ 0.013 xCos30 tgφ = c = = 0.0115 1 − rc Senγ 1 − 0.013 xSen30

φ = 0.65° 3. El ángulo medio de fricción de cizallamiento

µ = tgτ =

Fγ 250.Sen30 + 90.Cos30° 202.9 = = = 1.18 Fηγ 250.Cos30 − 90.Sen30° 171.5

Tgτ = 1.18 = µ

τ = 49.7°

4. Esfuerzo medio de corte sobre el plano de cizallamiento. F τS = S AS

a.Fuerza de cizallamiento FS = FC .Cosφ − FL .Senφ FS = 250Cos 0.65 − 90 Sen0.65 FS = 248.96 ≈ 250 Kgf b.-

Área no deformada

Ac = e1.b = 0.25x 0.2 = 0.05mm 2 Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

138



Área Cizallada AC 0.05 = = 4.4mm 2 Senφ Sen0.65 250 τS = = 56.7 Kgf / mm 2 4.4 5.- El tiempo de maquinado. a.- Velocidad automática. VA = a. n = 0.2*220 = 44mm/min AS =

Tm =

L 450 .N º = = 10.24 mm VA 44

PROBLEMA 2. En condiciones aceptadas como corte ortogonal y mediante una operación de mandrinado, en un torno horizontal se está agrandando el diámetro de un agujero de 39.82mm a 42.82mm en una longitud de 85mm, empleado un avance de 0.2mm/rev con un ancho de la herramienta de 1.5mm, produciéndose una viruta de 0.25mm de espesor deformado. En esta operación se emplea una cuchilla con un ángulo de filo de 55° y se sujeta en la máquina manera tal que el ángulo de ataque es de 30°. Experimentalmente en el dinamómetro se determina que la fuerza de corte es 144 Kgf y la normal de empuje es 60 Kgf. Además, se sabe; que la velocidad de flujo de la viruta es de 9.45 m/min y que en 4 min se arrancan 110.16 grf de una viruta con un peso especifico de 6.8 grf/cm3, se pide determinar: 1. La velocidad rotacional del husillo 2. El ancho de la viruta. 3. La razón de corte. 4. La potencia de corte, en Kw 5. El ángulo de incidencia de la cuchilla.


139



SOLUCIÓN Datos:

a = 0.2mm / rev

Di = 34.82mm Df = 42.82mm Longitud = 85mm

e S = 0.25mm b = 1.5mm

γ = 30° β = 55°

ρ. = peso especifico = 6.8 grf/cm3 Hallamos: Espesor de corte: ec = a . Sen k = 0.2. Sen 55 = 0.16mm Ángulo de incidencia: α + β + γ = 90° Sabemos:

α = 90° − 55° − 30° ⇒ α = 5° Profundidad de corte en una pasada (primera pasada): Df − Di 42.82 − 39.82 ρ= = = 1.5mm 2 2 Área de corte no deformado: AC = eC * b AC = 0.16 x1.5 min ⇒ AC = 0.25mm 2

Diámetro medio, los Di y Df podemos hallar un Dm: dm =

Df + Di 42.82 + 39.82 = = 2 2

Df * Di =

42.82 * 39.82 = 41.3mm

Caudal de viruta: V ZW = También: t Volumen del material w V = ρ Velocidad de corte: W

110.16 gr

Luego: VC = ρ * A * b = 6.8 * 0.25 * 1.5 = 43m / min S Donde: W = peso de la viruta, en grf. ρ = peso especifico, en grf/cm3. Ac = área teórica, en mm². p. = profundidad de corte, en mm. 1.- La velocidad rotacional del husillo principal: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

140


1000 Vc n= π * Dm


1000 * 43m / min = 333rpm π * 41.32mm Vo = velocidad de flujo de viruta = 9.45 m/min Razón de corte: n=

Vo 9.45m / min = = 0.22 VC 43m / min e rc = C eS rc =

Espesor de viruta no deformada: ec = 0.7 * 0.22 = 0.154 mm La potencia del corte: PC = FC * VC 144 kgf * 43m / min 60 * 102 PC = 1 Kw PC =

PROBLEMA 3. En un ensayo de corte ortogonal se emplea una herramienta cuyo ángulo de filo es 14º, y el ángulo de incidencia es 6º, arranca viruta de 1.6mm de ancho y cuyo espesor no deformado es de 0.6mm. La distribución de los esfuerzos medio de corte y normal sobre la superficie de ataque es la que se muestra en la figura con las dimensiones en mm. Se pide determinar: La fuerza de corte y la fuerza de empuje

1.- Fuerza normal de cizallamiento. Esfuerzo de compresión normal media: σs =

FnS ⇒ σ s ⋅ AS = FnS AS

Área de cizallamiento o deformado. AS = 0.8*1.6/2 =0.64mm2. σ s × As = Fns

Fns = 0.64 mm 2 × 300 kn / mm 2 = 192kN Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

141


PROCESOS DE MANUFACTURA I 2.- Fuerza media de cizallamiento. Área cizallada: As = (0.3 × 1.6) + (0.5 × 1.11.6 / 2) = 0.88mm 2 σ S = Fs / As FS = 150kN / mm 2 × 0.88mm 2 Fs = 132kN

β = α + γ = 90º ⇒ γ = 10º Hallando el ángulo de cizallamiento 0.6(1.6) senϕ = A c / A s = >senϕ = = >ϕ = 48.59 º 0.8(1.6) Las relaciones de las fuerzas mecanizadas tenemos Fn s = Fc senϕ + Ft cos ϕ Fs = Fc cos ϕ − Ft senϕ

192 = Fc sen ( 48.59 ) + Ft cos ( 48.59 ) 132 = Fc cos ( 48.59 ) − Ft sen ( 48.59 )

192 − Fc sen ( 48.59 ) / Fc cos ( 48.59 ) = Ft Fc cos ( 48.59 ) − 132 / Fc sen ( 48.59 ) = Ft igualando las Ft

192 − Fc sen ( 48.59 ) / Fc cos ( 48.59 ) = cos ( 48.59 ) − 132 / Fc sen ( 48.59 )

Realizando las operaciones y reemplazando: Fc = 231.31kN =>Ft = 27.996kN PROBLEMA 4. En un examen de corte ortogonal se conoce y se obtiene los siguientes valores Ángulo de ataque γ = 20° Espesor de la viruta deformada eS = 0.18mm Espesor de la viruta no deformado eC = 0.8mm Ancho de viruta b = 3.8mm Resistencia media a la cizalladura τS = 241N/mm2 Coeficiente de fricción µ = 0.77 Velocidad de flujo de viruta Vo = 8m/min Se pide determinar: 1. La fuerza resultante sobre la herramienta 2. La fuerza de empuje 3. La fuerza de cizalladura 4. La fuerza de fricción 5. La potencia de corte F = fuerza resultante Fc = Fuerza de corte

SOLUCIÓN:

FL = Fuerza de empuje Fs = Fuerza de cizalladur a Fns Ing. = Fuerza de cizallado Autor: Victoriano Normal Sánchez Valverde. Fγ = Fuerza de fricción

142



La fuerza resultante sobre la herramienta es: Fc 2 + Ft 2

F =

Hallando la relación de corte. rc =

eC 0.18 = = 0.225 eS 0.8

Hallando el ángulo de cizalladura.  rc ⋅ cos γ  0.225 cos 20 ϕ = arcTg −1  = = 0,23  1 − ( rc ⋅ senγ )  1 − 0.225sen 20 ϕ = 12.9°

Hallando la resistencia media de cizalladura Ac = e c .b

Fs As

τs =

Ac = 0.18 × 3.8 = 0.684mm 2

Ac As 0.684 As = = 3mm 2 sen.12.9 Fs τs = As FS = 241 × 3 = 723 N senϕ =

Del dibujo del diagrama de la fuerzas tenemos. Fuerza resultante. cos( ϕ + τ − γ ) =

FS Fs 723 ⇒F = = = 810 N F cos( ϕ + τ − γ ) cos( 26.78)

La fuerza de empuje es sen( β − γ ) =

FL ⇒ FL = 810 ⋅ sen17.56 = 244 N F

La fuerza de fricción es. sen(τ ) =

Ff F

⇒ Ff = 810 ⋅ sen37.59 = 494 N

También tenemos la relación. Velocidad de corte. rc =

V0

VC =

Vc

8 m = 35.55 min 0.225

Fuerza de corte. cos( β − γ ) = Fc F ⇒ F ⋅ cos( β − γ ) = Fc Fc = 810 N ⋅ cos 17.59 = 772 N

La potencia de corte Pc = Fc . Vc Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

143



772 * 35.55 Pc =772 . 35.55 = 102 * 60 * 9.81

= 0.46 Kw

PROBLEMA 5. En un ensayo de corte octogonal la viruta obtenida pesa 37.5 grf/m se sabe que el peso especifico del material es de 7.8 grf/cm3, y el espesor de la viruta no-deformada es 0,3mm y el ancho de la viruta es de 8 mm y el ángulo de ataque es de 20º . Se pide determinar:

a. El espesor de la viruta. b. La relación entre la viruta y longitud obtenida en el corte. SOLUCION: Datos.

w = 37.5 gr / m

Calculo

ρ = 7.8 gr / cm 3 e c = 0.3mm b = 8mm γ = 20º

del espesor de viruta deformada e S = w b . ρ ⇒ ( 37.5 ) ( 8 × 7.8) ⇒ e S = 0.6mm

La relación entre la longitud Obtenida y la longitud de corte. rC =

ec

0. 3 eS = 0. 6 = 0. 5

PROBLEMA 6. En una operación de corte ortogonal, la fuerza de corte es de 5 000 N y la fuerza de empuje es de 3 000 N, el ángulo de cizalladura es de 20º el ángulo de incidencia es de 6º y el ángulo de ataque es de 10º . Hallar la fuerza de fricción. Datos F c = 5,000N F t = 3,000N ϕ = 20 α=6 β = 74 γ = 10 SOLUCIÓN: Del triangulo de fuerzas tenemos: Fuerza resultante. F 2 = Ft2 + Fc2 F = 5000 2 + 3000 2 F = 5830.95 Angulo de rozamiento Fc 5000 = = >τ − γ = 30.96 = >τ = 40.96 F 5830.95 Del triangulo de velocidades: cos( τ − γ ) =

Fuerza de fricción.


144



Ft senτ = = > F ⋅ senτ = Ft F Ft = 5830.95 sen 40.96 = > Ft = 3822.37 N

PROBLEMA 7. En el ensayo de corte octogonal se encontró que el ángulo de cizalladura es 20º, cuando el ángulo de ataque es de 15º, en estas condiciones se determino que el esfuerzo Cortante actuante en el Plano de Cizalladura es de 70 MN /m2 y el Esfuerzo medio de corta actuante en el plano o sobre la cara de la herramienta es de 150 MN/m2. La velocidad de corte utilizado es de 30m/min, el ancho de la viruta es de 5 mm, el espesor de la viruta no deformada es de 0.02mm la longitud de contacto de viruta –herramienta es 0.75mm. Se pide. a.- la fuerza de corte, en N b.- el coeficiente aparente de fricción. c.- la potencia de mecanizado, en Kw. SOLUCIÓN: Hallando el área de corte τs = Fs .......... .....(1) As Ac = aw ac => (0.02)(5) σn = Fn .......... ..( 2 ) Ac = 0.1mm2 Acs As = 0.292mm2 Reemplazando en la ecuación Fs = 70Mn/m2 . 0.2923mm2 => Fs =20N Fn = 150MN/m2 . 0.2923mm2 => Fn = 48.845N Por formula tenemos de las fuerzas de corte Fs = Fc ⋅ cos φ − Ftsen φ .......... ....... ( 3) Fn = Fc ⋅ cos γ + Ftsen γ .......... ......( 4 ) Fc ⋅ cos φ − Fs Fc ⋅ cos γ − Fs Ft = .......... .......... .( 5 ) Ft = .......... .......... ( 6) Igualando tenemos: sen φ sen λ Fc ⋅ cos φ − Fs − Fc ⋅ cos γ − Fs = senφ senλ Fn ⋅ sen ( φ) + Fs ⋅ sen ( γ ) 43.845.sen 20 + 20sen15 Fc = = > Fc = = >∴Fc = 112.67 N cos( γ ) sen ( φ) + cos( φ) sen ( γ ) sen ( 20 + 15)

El coeficiente aparente de fricción 112.67 cos 20 − 43.845 = 181.36 N sen 20 Ff = 112.67.sen15 + 181.36 cos15 = > 204.34 N µ = 204.34 N 43.845 N = > µ = 4.6605 La potencia de mecanizado µ = Ff Fn = Tgβ


Ft =

145



Pc = Fc.Vc Pc =

112.67 N ( 30 m / min ) = 0.05633kw 102 * 60 * 9.81

PROBLEMA 8. En una experiencia de corte ortogonal , se utiliza una herramienta cuyo ángulo de ataque es 15º y el filo 68º ,arrancando una capa de 2mm de ancho por 0.3mm de espesor con una velocidad de corte de 20m/min , siendo el material de 7.8 grf/cm3 de peso especifico . Se ha determinado experimentalmente que la fuerza de corte es de 600N y la normal a ella es de 420N y que el peso promedio 2m de viruta es de 10.9grf. Se pide determinar: 1.- la fuerza normal que actúa sobre la superficie de ataque en la herramienta 2.- el coeficiente de fricción 3.- el ángulo del plano de cizallamiento 4.- el ángulo del plano de cizallamiento 5.- la potencia especifica de corte en Kw/cm3 SOLUCION: Datos:

Vc = 20m/min Fc = 600N Ft = 420N L0 = 2mm W = 10.9gr.

Fuerza

normal

ρ = 7.8gr/cm 3

fricción.

Fnf = Fc. cos( γ ) − Ft.sen( γ ) = >600 × cos 15 − 420 × sen15 = >Fn = 470 .8N

Fuerza de fricción. Ff = Fc.sen ( γ ) + Ft. cos( γ ) = >600 × sen15 + 420 × cos15 = > Ff = 561N Ángulo de cizallamiento. Ff 561 = = 1.19 Fn 470 r ⋅ cos γ φ = ? = > Tgφ = c = >φ = 46.9 1 − rc ⋅ sen γ Razon de corte a rc = c a = 0.3 0.35 = > rc = 0.86 0 espesor deformado .

µ = ? = >µ =

w

10.9 / 2 l medio Eleesfuerzo de cizallamiento. = S = b⋅ρ

2 × 7.8

Fs Fc . cos φ − Ft.senφ 600 × cos 46.9 − 420 × sen46.9 τ s e=S = 0.35 = mm = ( 2 × 0.3) / sen46.9 As Ac / senφ τ s = 125.7 N / mm Potencia especifica del material.


146


PROCESOS DE MANUFACTURA I Pm Fc 600 KC = = = = 1000 N / mm 2 Zw Ac 2 × 0.3 K C = 0.017 Kw − min/ cm3


147


PROCESOS DE MANUFACTURA I PROBLEMA 9. En una experiencia de corte ortogonal, con una cuchilla cuyo ángulo de ataque es 12º se esta arrancando una sección de material de 6mm2 a una velocidad de corte de 20m/min obteniéndose en 4 min, 430grf de viruta y que deja 60grf/m. Si el esfuerzo cortante sobre el plano de cizallamiento es de 30N/mm2 se pide determinar la fuerza que actúa este plano. Angulo de ataque = 12º sección de viruta = 6mm². Velocidad de corte = 20m/min Peso de viruta = 4320grf. Peso unitario de viruta = 60grf/m Esfuerzo de cizallamie nto = 30N/m w = eS ⋅ b ⋅ ρ

Espesor de la viruta = eS

2

60 grf / m = 6mm Peso especifico del material

ρ = 10 grf / cm

SOLUCIÓN. Calculo del espesor de la viruta Ancho de la viruta = b Peso de viruta por unidad de longitud = w

3

Peso especifico = ρ Area de la viruta deformada = AS

10min4320gr 1minW => W=1080grf. V =

W 1080 = = 108cm 3 ρ 10

Area no deformada. Zw = Ac ⋅ Vc V Zw = t 108cm 3 / min = Ac ⋅ 20 m / min Ac = 5.4 mm 2

Relación de corte rc =

ac

a0

⇒ rc = 5.4mm

2

6mm 2

= > rc = 0.9

hallando el ángulo de cizalladura r cos γ 0.9 cos12 tgφ = c ⇒ tgφ = ⇒ φ = 47.28 1 − rcsenγ 1 − 0.9sen12 Ac ⇒ As = 7.35mm 2 sen 47.28 Fs τ= ⇒ 30 N / m 2 ⋅ 7.35mm 2 = Fs ⇒∴ Fs = 220.5 N As PROBLEMA 10. Se esta realizando una experiencia de corte ortogonal, torneado con un tubo de 140mm y de 8mm de espesor, de dicho tuvo gira a 100rpm. Se utiliza un ángulo de ataque de15º y se le As =


148


PROCESOS DE MANUFACTURA I comunica a la herramienta un avance “a” de 0.3mm/rev ,siendo las fuerzas de corte y empuje actuando sobre la cuchilla de 300kgf y 100kgf respectivamente .un metro de la viruta obtenida pesa 30gr. Se sabe que el peso especifico del material es dde7.8 grf/cm3 Se pide determinar. 1) El ángulo de cizallamiento 2) El coeficiente aparente de fricción entre la viruta y el material 3) El esfuerzo medio de corte que actúa sobre el plano de cizalladura 4) La energía especifica de corte (Kw-min/cm3) datos Diámetro = 140mm Espesor = 8mm Ángulo de ataque =15º Avance = 0.3mm/rev n =100 rpm Fuerza de corte =300kgf fuerza de empuje =100kgf SOLUCIÓN. Ángulo de cizalladura. r cos γ tgφ = c .............I Fc = fuerza de corte 1 − rcsenγ FL = fuerza de empuje

Espesor de viruta deformada

F = fuerza resultante

W = l S ⋅ eS ⋅ b ⋅ ρ = >w = eS ⋅ b ⋅ ρ eS = rc =

30 gr 8mm × 7.8 gr / cm 3

= 0.48mm

(Espesor de la viruta deformada)

ec 0.32 ≤ 1 = > rc = = 0.66 eS 0.48

0.66 ⋅ cos15 = > tgφ = 0.768 = >φ = 37.55º 1 − 0.66sen15 El coeficiente aparente de fricción entre la viruta y el material Ff Ff 100 τs = ...............II sen ( β − γ ) = = >sen ( β − γ ) = = >β = 37.47 º As As 300 tgφ =

F = Ft 2 + Fc 2 = > F = 100 2 + 300 2 = 316.22kgf senβ =

Ff = > F senβ = Ff = > Ff = 316.22 ⋅ sen(34.47 º ) = >∴Ff = 178.97 kgf F

senφ =

Ac = > Ac = ec ⋅ b = > Ac = 8mm ⋅ 0.32mm = >∴Ac = 2.56mm 2 As

2.56mm 2 As = = 4.2mm 2 sen ( 37.55) 178.97 kgf τF = = 42.61kgf 7 mm 2 2 4.2mm Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

149


PROCESOS DE MANUFACTURA I El esfuerzo medio de corte en el plano de cizalladura τs =

Fs .......... ..... III As

cos( β − γ + φ ) =

τs =

Fs = > F = cos( β − γ + φ ) Fs = > Fs = 316.22 × cos( 37.55 + 19.47 ) = 172.13kgf F

Fs 172.13kgf = = 40.98kgf / mm 2 2 As 4.2mm

Energía especifica de corte KC =

Fc 300 kgf = = 117.1873kgf / mm 2 = 0.02Kw − min/ cm 3 Ac 2.56mm 2

PROBLEMA 11. En una experiencia de corte ortogonal mecanizando un material de peso especifico 7.8g/cm3 se esta arrancando una capa de 0.25mm de espesor 2.5mm de ancho, siendo el ángulo de ataque de cuchilla de 0º y el ángulo de incidencia de 8º. Experimentalmente de a determinado que la fuerza de corte es 900N y la normal a ella es de 450N y que la viruta obtenida pesa 7.5 grf/m. Se pide determinar: 1.- El coeficiente aparente de fricción entre la viruta y el material, además determinar el ángulo de cizalladura 2.- El esfuerzo medio de fricción en la cara de la herramienta en MN/m2 sabiendo que la longitud de contacto entre la viruta y la herramienta es de 0.5mm 3.- La potencia especifica de corte (Kw-min/cm3) SOLUCION: Datos Peso especifico =7.8grf/cm3 Espesor = 0.25mm Ancho = 2.5mm Ángulo de ataque =0º Ángulo de incidencia =8º Fc = fuerzas de corte =900N Ft = fuerzas tangencial = 450N w.=7.5grf/m u = tgβ =

Ft 450 N = = 0. 5 Fc 900 N

Calculo del espesor de viruta deformada W = l S ⋅ AS ⋅ b ⋅ ρ w = e S ⋅ b ⋅ ρ = > 7.5 gr / m = e S ⋅ 2.5 ⋅ 7.8 gr / cm 3 e S = 0.3846 Relación de corte. a 0.25 rc = c < 1 = > rc = = 0.65 ao 0.3846

e c = espesor de viruta no deformada e S = espesor de viruta deformada

El ángulo del plano de cizallamiento Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

150


r ⋅ cos γ tgφ = c = >γ = 0 1 − rc ⋅ senγ tgφ =


0.65 ⋅ cos 0 = > tgφ = 0.85 = >φ = 33.02 1 − 0.65 ⋅ sen 0

El esfuerzo medio de fricción en la cara de la herramienta τS = τS =

FS As 450 N

1.25mm 2

τ S = 360 Mn / m 2

AS = l s ⋅ b AS = 0.5mm × 2.5mm = 1.25mm 2 l s = longitud de contacto b = ancho de viruta

La potencia especifica de corte Pc Zw Fc ⋅ Vc K= Ac ⋅ Vc 900 N K= 0.625mm 2 K=

Pc = potencia de corte Zw = caudal de viruta Ac = aw . ac Ac = 0.25 . 2.5 = 0.625mm2

K = 1.440 N / mm 2 K=

1.440 = 0.024 Kw − min/ cm 3 102 * 60 * 9.81

PROBLEMAS PROTOTIPO. PROBLEMA N° 1 Para una experiencia de corte ortogonal, se mecaniza el material de peso especifico 7.8 gr / cm 3 , razón por el cual la herramienta usada tiene un ángulo de ataque 10  siendo el espesor de la viruta no deformada 0.26mm , el ancho de la viruta es 2.5mm y la longitud de la viruta es 1.9m , cuyo peso obtenido es de 17.9 gr . Asimismo, la profundidad de contacto de la herramienta y la viruta es 1.5mm , cuyo esfuerzo de cizallamiento normal sobre la cara de ataque se distribuye forma lineal, desde un valor máximo de 82kgf / cm 2 hasta cero sobre el filo del extremo de su longitud de contacto y del mismo modo, el coeficiente aparente de ficción es 0.6 . Se pide calcular: 1.- Carga o fuerza normal de cizallamiento. 2.- Angulo de cizallamiento. 3.- Carga o fuerza resultante. 4.- Carga o fuerza de corte. 5.- Coeficiente especifico. Solución: Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

151


P = 7.8 gr / cm l 0 = 1.9m µ = 0.6

3

PROCESOS DE MANUFACTURA I e1 = 0.26mm γ = 10  b = 2.5mm W = 17.9 gr p = 1.5mm σ ns = 82kg / mm 2





1.-

2.-

Carga normal de cizallamiento F σ ns = ns ⇒ Fns = σ ns ⋅ As As 1.1.-

Área de cizallamiento deformada b ⋅ p 2.5 ⋅ 1.5 As = = 2 2 2 As = 1.875mm

1.2.-

Fuerza de cizallamiento normal Fns = σ ns ⋅ As = 82 ⋅ 1.875 = 154 Kgf

Angulo de cizallamiento  r ⋅ cos γ  φ = tg −1  c  1 − rc ⋅ senγ  2.1.-

Espesor de la viruta deformada W = l0 ⋅ es ⋅ b ⋅ p W 17.9 es = = = 0.48mm l 0 ⋅ b ⋅ p 1.9 ⋅ 2.5 ⋅ 7.8

2.2.-

Razón de corte e 0.26 rc = 1 = = 0.54 e s 0.48  0.54 ⋅ cos10  φ = tg −1  = tg − ( 0.5868 ) = 30.4°  1 − 0.54 ⋅ sen10 


152


3.-

PROCESOS DE MANUFACTURA I Fuerza resultante F = Fns / sen( φ + τ − γ ) 3.1.-

Angulo de ficción media F µ = tg τ = γ = 0.6 Fnγ

τ = tg −1 (0.6) = 31 F = 154 / sen( 31 + 31 − 10  ) = 195.43kgf 4.-

Fuerza de corte Fc = F ⋅ cos(τ − γ ) = 195.43 ⋅ cos( 31 − 10 ) = 182.45 Kgf

5.-

Coeficiente especifico de corte 5.1.- Área de corte Ac = As ⋅ senφ = 1.875 ⋅ sen31 Ac = 0.966 mm 2 Kc =

Fc 182.45 = = 188.87 Kgf / mm 2 Ac 0.966

PROBLEMA N° 2 Una maquina – herramienta, que funciona en vació consume una potencia de 325W , cuando efectúa el corte de material de acero aleado, proporciona una velocidad de 25m / min y diámetro 64mm de material. La potencia efectiva consume 2580W para una profundidad de corte de 3,8mm y un avance de 0.2mm / rev Se pide calcular: 1.-

La potencia de corte.

2.-

La potencia especifica del corte.

3.-

El momento torso del corte.

4.-

La fuerza del corte.

5.-

La potencia eléctrica del motor cuyo rendimiento a la maquina

es de 80%. Solución: Pv = 325W p = 3.8mm 1..

Pe = 2580W a = 0.2mm / rev

Vc = 25m / min

d = 64mm

Potencia de corte Pc = Pe − Pv = 2580 − 325 Pc = 2255W = 2.255 KW = 3.066CV


153



2.-

Potencia especifica de corte Pc Pesp = Zw 2.1.Pesp

3.-

Remoción de la viruta Zw = a ⋅ p ⋅ Vc = 0.2 ⋅ 3.8 ⋅ 25 = 19cm 3 / min 2.255 kw − min = = 0.12 ⋅ 19 cm 3

Momento de torsión d Pc Mt = Fc ⋅ = 71620 ⋅ 2 n 3.1.-

Velocidad rotacional 1000 ⋅ 25 n= = 124 rpm π ⋅ 64 3.0668 Mt = 71620 ⋅ = 1771,3.cm − kgt 124

4.-

La fuerza de corte Pc ⋅ 60 ⋅ 102 2.255 ⋅ 60 ⋅ 102 Fc = = = 553 Kgf Vc 25

5.-

Potencia mecanica. η = 80% Pe 2.580 Pm = = = 3,25Kw η 0.8 Pm = 3,5 Kw = 4,75Cv PROBLEMA N° 3 Se esta mecanizando considerando un corte ortogonal en el torneado de un tubo de 200 mm de diámetro exterior y 5mm de espesor a 120 rpm , empleando una cuchilla cuyo ángulo de ataque es de 15  y un avance de 0.2mm por revolución siendo las fuerzas actuantes sobre la herramienta, Fc = 250 Kgf , Ft = 80 Kgf . El peso especifico del material es de 7.8 grf / cm 3 y la viruta obtenida pesa 25 grf / m . Para las condiciones de pide: 1.- La razón de corte. 2.- El esfuerzo de compresión que actúa sobre el plano de cizalladura. 3.- La potencia especifica de corte. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

154


PROCESOS DE MANUFACTURA I 4.- El ángulo al plano de cizalladura. Solución: n = 120 rpm ρ = 7.8 gr / cm 3 γ = 15  w = 25 gr / m a = 0.2mm / rev p = 5mm 1.Razón de corte e w 25 es = = = 0.641 rc = 1 ρ ⋅ p 5 ⋅ 7.8 es 0.2 rc = = 0312 0.641

Fc = 250 Kgf Ft = 80 Kgf

1.1.-

2.-

Angulo de cizallamiento  r ⋅ Cosγ  0.312 ⋅ Cos15    = tg −1  φ = tg −1  c  = 18.15 1 − r ⋅ Sen γ 1 − 0 . 312 ⋅ Sen 15   c   Esfuerzo de cizallamiento F σ c = ns As 2.1.- Área de cizallamiento A 0.2 ⋅ 5 As = 1 = = 3.21mm 2 Senφ Sen18.95 2.2.- Fuerza normal de cizallamiento F Sen(φ + τ − γ ) = ns F 2.3.- Fuerza equivalente resultante o total 2

2

F = Fc + Ft = 250 2 + 80 2 = 262.5 Kgf Fc 250 = ⇒ τ − γ = 18 F 263 τ = 18 + 15 = 33  Fns = 262.5 ⋅ Sen(18.5 + 33 − 15) = 155 Kgf 155 σc = = 48 Kgf / mm 2 3.21 Potencia especifica F 250 Pesp = K c = c = = 250 Kgf / mm 2 Ac 1 Angulo de cizallamiento φ = 18.15  Cos (τ − γ ) =

3.-

4.-

PROBLEMA N° 4 Una maquina herramienta tiene un motor eléctrico de 2.25 Kw , cuya eficiencia mecánica es del 80% , velocidad del debastado es 20m / min y se Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

155


PROCESOS DE MANUFACTURA I encuentra dotado de velocidades siguiente: n = 45, 63, 88, 123, 172, 240 y 336rpm y la caja de la mesa dotada de las velocidades de avance. Va = 16, 22, 30, 45, 63, 90 y 115mm/min . Te 2

La presión especifica de corte Kc = 0.036( ) −0.18 Kw − min/ cm 3 donde: Te es la tolerancia del eje, y el diámetro nominal de la pieza es: 74h9 (40i ) , donde el diámetro mínimo deberá ser para la operación del acabado cuyo avance 0.35mm / rev , una profundidad de corte de 3mm y su longitud es de 350 mm . Se pide: 1.- Selección de la velocidad de corte. 2.- La potencia de específica de corte. 3.- La potencia de corte. 4.- El numero de pasadas y potencia de corte ha cada pasada. 5.- El tiempo de mecanizado. Solución: η = 80% Pm = 2.25 KW Vc = 20m / min d = 74h9 1.Selección de la velocidad de corte 50...80 : N = 50 ⋅ 80 = 63.24mm 1.1.- Unidad de tolerancia i = 0.45 ⋅ 3 N + 0.001 ⋅ N = 0.45 ⋅ 3 63.24 + 0.001 ⋅ 63.24 i = 1.856 µm 1.2.- Tolerancia al eje 74h9 = IT − 9 = 40i = 0.074 mm d max = 74mm 74 +−00.074 d min = 73.926 mm 1.3.- Velocidad de giro 1000 ⋅ Vc 1000 ⋅ 20 n= = = 86rpm π ⋅d π ⋅ 74 1.4.- Velocidad de corte: Proceso de acabado. π ⋅ d ,min ⋅ n π ⋅ 73.926 ⋅ 88 Vc = = = 20.44m / min 1000 1000 2.Potencia especifica de corte del material.  Te  Kc = 0.036 ⋅    2 Kc = 0.065

3.-

−0.18

Kw − min

 0.074  = 0.036   2 

−0.18

cm 3

Potencia de corte Pc Kc = Zw 3.1.- Remoción de viruta Zw = a ⋅ p ⋅ Vc = 0.35 ⋅ 3 ⋅ 20.44 = 21.5cm 3 / min


156


4.5.-

PROCESOS DE MANUFACTURA I Pc = 0.065 ⋅ 21.5 = 1.4 KW 3.2.- Potencia efectiva Pe = Pm ⋅ η = 2.25 ⋅ 0.8 = 1.8 KW 3.3.- Verificación Pe > Pc 1.8 > 1.4 KW Numero de pasadas Pc = 1.4 KW Una pasada Tiempo de mecanizado L Tm = Va Va = a ⋅ n = 0.35 ⋅ 88 = 30.8m / min Tomamos Va = 45mm / min 350 Tm = = 7.8 min 45

TEORÍA DE CORTE ORTOGONAL. PROBLEMA 1. En una experiencia de corte ortogonal se esta arrancando una capa de 0,25mm de espesor, con un ángulo de ataque de 30° en una longitud de 450mm. Las fuerzas de corte y empuje son de 250 Kgf y 90 Kgf de acuerdo al dinamómetro. Torneándose una bocina de 110mm de diámetro de 220rpm, con un avance de 0.2mm/rev y cuyo ancho de la herramienta es 0.2mm. La viruta pesa 30grf/m y el peso especificado de material es de 7,8 grf/cm3. Se pide determinar: 6. El coeficiente de fricción entre la viruta y la herramienta. 7. El ángulo de cizallamiento. 8. El ángulo medio de fricción de cizallamiento 9. El esfuerzo de corte medio sobre plano de cizallamiento. 10. El tiempo de maquinado. SOLUCIÓN: Datos: e1 = 0.25mm

b = 0.2mm

n = 220rpm W = 30 grf / m

γ = 30° a = 0.2mm / rev ρ = 7.89 grf / cm3

Fc = 250 Kgf FL = 90 Kgf

5. Coeficiente de fricción: a.- Espesor de Corte Deformado W = ρ . b. e2 L 30 = 7.89 x0.25 xe2 e2 = 15.2mm

b.- Razón de Corte Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

157



e 0.2 rC = c = = 0.13 es 15.2

6. Angulo de Cizallamiento r .Cosγ 0.013 xCos30 tgφ = c = = 0.0115 1 − rc Senγ 1 − 0.013 xSen30

φ = 0.65° 7. El ángulo medio de fricción de cizallamiento

µ = tgτ =

Fγ 250.Sen30 + 90.Cos30° 202.9 = = = 1.18 Fηγ 250.Cos30 − 90.Sen30° 171.5

Tgτ = 1.18 = µ

τ = 49.6° 8. Esfuerzo medio de corte sobre el plano de cizallamiento. F τS = S AS

a.-

Fuerza de cizallamiento

FS = FC .Cosφ − FL .Senφ FS = 250Cos 0.65 − 90 Sen0.65 FS = 248.96 ≈ 250 Kgf b.-

Área no deformada

Ac = e1.b = 0.25x 0.2 = 0.05mm 2

Área Cizallada AC 0.05 = = 4.4mm 2 Senφ Sen0.65 250 τS = = 56.7 Kgf / mm 2 4.4 5.- El tiempo de maquinado. a.- Velocidad automática. VA = a. n = 0.2*220 = 44mm/min AS =

Tm =

L 450 .N º = = 10.24 mm VA 44

PROBLEMA 2. En condiciones aceptadas como corte ortogonal y mediante una operación de mandrinado, en un torno horizontal se está agrandando el diámetro de un agujero de 39.82mm a 42.82mm en una longitud de 85mm, empleado un avance de 0.2mm/rev con un ancho de la herramienta de 1.5mm, produciéndose una viruta de 0.25mm de espesor deformado. En esta operación se emplea una cuchilla con un ángulo de filo de 55° y se sujeta en la máquina manera tal que el ángulo de ataque es de 30°. Experimentalmente en el dinamómetro se determina que la fuerza de Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

158


PROCESOS DE MANUFACTURA I corte es 144 Kgf y la normal de empuje es 60 Kgf. Además, se sabe; que la velocidad de flujo de la viruta es de 9.45 m/min y que en 4 min se arrancan 110.16 grf de una viruta con un peso especifico de 6.8 grf/cm3, se pide determinar: 6. La velocidad rotacional del husillo 7. El ancho de la viruta. 8. La razón de corte. 9. La potencia de corte, en Kw 10. El ángulo de incidencia de la cuchilla


159



SOLUCIÓN Datos: a = 0.2mm / rev

Di = 34.82mm Df = 42.82mm Longitud = 85mm

e S = 0.25mm b = 1.5mm

γ = 30° β = 55°

ρ. = peso especifico = 6.8 grf/cm3 Hallamos: Espesor de corte de viruta no deformada. ec = a . Sen k = 0.2. Sen 55 = 0.16mm Ángulo de incidencia: α + β + γ = 90° Sabemos: α = 90° − 55° − 30° ⇒ α = 5° Profundidad de corte en una pasada (primera pasada): Df − Di 42.82 − 39.82 ρ= = = 1.5mm 2 2 Área de corte no deformado: AC = eC * b AC = 0.16 x1.5 min ⇒ AC = 0.25mm 2

Diámetro medio, los Di y Df podemos hallar un Dm: dm =

Df + Di 42.82 + 39.82 = = 2 2

Df * Di =

42.82 * 39.82 = 41.3mm

Caudal de viruta: V ZW = También: t Volumen del material w V = ρ La velocidad de corte: VC =

110.16 gr W = = 43m / min ρ * AS * b 6.8 * 0.25 * 1.5

Donde: W = peso de la viruta, en grf. ρ = peso especifico, en grf/cm3. Ac = área teórica, en mm². p. = profundidad de corte, en mm. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

160


PROCESOS DE MANUFACTURA I 1.- La velocidad rotacional del husillo principal: n=

1000 Vc π * Dm

1000 * 43m / min = 333rpm π * 41.32mm Vo = velocidad de flujo de la viruta = 9.45 m/min Razón de corte: n=

Vo 9.45m / min = = 0.22 VC 43m / min e rc = C eS rc =

Espesor de viruta no deformada: ec = 0.7 * 0.22 = 0.154 mm La potencia del corte: PC = FC * VC 144 kgf * 43m / min 60 * 102 PC = 1.011 Kw Pc =

PROBLEMA 3. En un ensayo de corte ortogonal se emplea una herramienta cuyo ángulo de filo es 14º, y el ángulo de incidencia es de 6º, y arranca viruta de 1.6mm de ancho cuyo espesor no deformado es de 0.6mm. La distribución de los esfuerzos medio de corte y normal sobre la superficie de ataque es la que se muestra en la figura con las dimensiones en mm. Se pide determinar: 1.- La fuerza de corte. 2.- La fuerza de empuje

1.- Fuerza normal de cizallamiento. Esfuerzo de compresión normal media: σs =

FnS ⇒ σ s ⋅ AS = FnS AS

Área de cizallamiento o deformado. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

161



AS = 0.8*1.6/2 =0.64mm2. σ s × As = Fns

Fns = 0.64 mm 2 × 300 kn / mm 2 = 192kN 2.- Fuerza media de cizallamiento. Área cizallada: As = (0.3 × 1.6) + (0.5 × 1.11.6 / 2) = 0.88mm 2 σ S = Fs / As FS = 150kN / mm 2 × 0.88mm 2 Fs = 132kN

β = α + γ = 90º ⇒ γ = 10º Hallando el ángulo de cizallamiento

senϕ = A c / A s = >senϕ =

0.6(1.6) = >ϕ = 48.59 º 0.8(1.6) Las

relaciones

de

las

fuerzas

de

mecanizadas tenemos Fn s = Fc senϕ + Ft cos ϕ Fs = Fc cos ϕ − Ft senϕ

192 = Fc sen ( 48.59 ) + Ft cos ( 48.59 ) 132 = Fc cos ( 48.59 ) − Ft sen ( 48.59 )

192 − Fc sen ( 48.59 ) / Fc cos ( 48.59 ) = Ft Fc cos ( 48.59 ) − 132 / Fc sen ( 48.59 ) = Ft igualando las Ft

192 − Fc sen ( 48.59 ) / Fc cos ( 48.59 ) = cos ( 48.59 ) − 132 / Fc sen ( 48.59 )

Realizando las operaciones y reemplazando: Fc = 231.31kN Ft = 27.996kN PROBLEMA 4. En un examen de corte ortogonal se conoce y se obtiene los siguientes valores Ángulo de ataque γ = 20° Espesor de la viruta deformada eS = 0.18mm Espesor de la viruta eC = 0.8mm Ancho de viruta b = 3.8mm Resistencia media a la cizalladura τS = 241N/mm2 Coeficiente de fricción µ = 0.77 Velocidad de flujo de viruta Vo = 8m/min Se pide determinar: 6. La fuerza resultante sobre la herramienta 7. La fuerza de empuje Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

162


PROCESOS DE MANUFACTURA I 8. La fuerza de cizalladura 9. La fuerza de fricción 10. La potencia de corte F = fuerza resultante Fc = Fuerza de corte FL = Fuerza de empuje Fs = Fuerza de cizalladur a Fns = Fuerza Normal de cizallado Fγ = Fuerza de fricción

SOLUCIÓN: La fuerza resultante sobre la herramienta es: F =

Fc 2 + Ft 2

Hallando la relación de corte. rc =

eC 0.18 = = 0.225 eS 0.8

Hallando el ángulo de cizalladura.  rc ⋅ cos γ  0.225 cos 20 ϕ = arcTg −1  = = 0,23  1 − ( rc ⋅ senγ )  1 − 0.225sen 20 ϕ = 12.9°

Hallando la resistencia media de cizalladura τs =

Ac = e c .b

Fs As

Ac = 0.18 × 3.8 = 0.684mm 2

Ac As 0.684 As = = 3mm 2 sen.12.9

senϕ =

Fs As FS = 241 × 3 = 723 N

τs =

Del diagrama de fuerzas tenemos: Fuerza resultante. cos( ϕ + τ − γ ) =

FS Fs 723 ⇒F = = = 810 N F cos( ϕ + τ − γ ) cos( 26.78)

La fuerza de empuje es sen( β − γ ) =

FL ⇒ FL = 810 ⋅ sen17.56 = 244 N F

La fuerza de fricción es. sen(τ ) =

Ff F

⇒ Ff = 810 ⋅ sen37.59 = 494 N

También tenemos la relación. Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

163



Velocidad de corte. rc =

V0

VC =

Vc

8 m = 35.55 min 0.225

Fuerza de corte. cos( β − γ ) = Fc F ⇒ F ⋅ cos( β − γ ) = Fc Fc = 810 N ⋅ cos 17.59 = 772 N

La potencia de corte Pc = Fc . Vc Pc =772 . 35.55 =0.45 Kw PROBLEMA 5. En un ensayo de corte octogonal la viruta obtenida pesa 37.5 grf/m se sabe que el peso especifico del material es de 7.8 grf/cm3, y el espesor de la viruta no-deformada es 0,3mm y el ancho de la viruta es de 8 mm y el ángulo de ataque es de 20º . Se pide determinar:

c. El espesor de la viruta. d. La relación entre la viruta y longitud obtenida en el corte. SOLUCION: Datos.

Calculo

w = 37.5 gr / m

ρ = 7.8 gr / cm 3 e c = 0.3mm b = 8mm γ = 20º

del espesor de viruta deformada eS =

w 37.5 .ρ = = 0.6mm b 8 × 7.8

La relación entre la longitud Obtenida y la longitud de corte. rC =

ec 0.3 = = 0.5 eS 0.6

PROBLEMA 6. En una operación de corte ortogonal, la fuerza de corte es de 5 000 N y la fuerza de empuje es de 3 000 N, el ángulo de cizalladura es de 20º el ángulo de incidencia es de 6º y el ángulo de ataque es de 10º . Hallar la fuerza de fricción. Datos F c = 5,000N F t = 3,000N ϕ = 20 α=6 β = 74 γ = 10 Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

164

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA-ENERGÍA SOLUCIÓN:


Del triangulo de fuerzas tenemos: Fuerza resultante. F 2 = Ft2 + Fc2 F = 5000 2 + 3000 2 F = 5830.95 Angulo de rozamiento cos( τ − γ ) =

Fc 5000 = = >τ − γ = 30.96 = >τ = 40.96 F 5830.95

Del triangulo de velocidades: Fuerza de fricción. Fγ senτ = = > F ⋅ senτ = Fγ F Fγ = 5830.95.Sen.40.96 Fγ = 3822.37 N

1. 2. 3.

PROBLEMA 7. En el ensayo de corte octogonal se encontró que el ángulo de cizalladura es 20º, cuando el ángulo de ataque es de 15º, en estas condiciones se determino que el esfuerzo Cortante actuante en el Plano de Cizalladura es de 70 MN /m2 y el Esfuerzo medio de corta actuante en el plano o sobre la cara de la herramienta es de 150 MN/m2. La velocidad de corte utilizado es de 30m/min, el ancho de la viruta es de 5mm, el espesor de la viruta no deformada es de 0.02mm la longitud de contacto de viruta –herramienta es 0.75mm. Se pide. La fuerza de corte, en N El coeficiente aparente de fricción. La potencia de corte, en Kw. SOLUCIÓN: Fs .......... .....( 1) As Fn = .......... ..( 2) As

τs = σn

Área de corte no deformado. Ac = ec*b = 0.02 * 5 = 0.1mm²

Área de corte deformado. As =

Ac 0. 1 = = 0.292mm² Senφ Sen20 º

Reemplazando en la ecuación Fs = 70MN/m2 *. 0.2923mm2 = 20.5MN Fn = 150MN/m2 * 0.2923mm2 = Fn = 43.95MN Por formula tenemos de las fuerzas de corte


165



Fs = Fc ⋅ cos φ − Ftsen φ.......... ....... ( 3) Fn = Fc ⋅ cos γ + Ftsen γ .......... ...... ( 4 ) Fc ⋅ cos φ − Fs Ft = .......... .......... .( 5) sen φ Fc ⋅ cos γ − Fs Ft = .......... .......... ( 6) sen λ

Igualando tenemos: Fc ⋅ cos φ − Fs − Fc ⋅ cos γ − Fs = senφ senλ Fn ⋅ sen( φ ) + Fs ⋅ sen ( γ ) Fc = cos( γ ) sen( φ ) + cos( φ ) sen( γ ) 43.845.sen20 + 20 sen15 Fc = sen( 20 + 15 ) ∴ Fc = 112.67 N

El coeficiente aparente de fricción µ=

Fγ = Tgτ Fnγ

Ft =

112.67 cos 20 − 43.845 = 181.36 N sen 20

Ff = 112.67.sen15 + 181.36 cos 15 = 204.34 N

µ=

204.34 N = 4.6605 43.845 N

La potencia de mecanizado Pc = Fc * Vc =

112.67 N * 30 m / min = 0.055 Kw 102 * 60

PROBLEMA 8. En una experiencia de corte ortogonal , se utiliza una herramienta cuyo ángulo de ataque es 15º y el filo 68º ,arrancando una capa de 2 mm de ancho por 0.3mm de espesor con una velocidad de corte de 20m/min , siendo el material de 7.8 grf/cm3 de peso especifico . se ha determinado experimentalmente que la fuerza de corte es de 600 N y la normal a ella es de 420N y que el peso promedio 2m de viruta es de 10.9gr Se pide : 1.- la fuerza normal que actúa sobre la superficie de ataque de la herramienta 2.- el coeficiente de fricción 3.- el ángulo del plano de cizallamiento 4.- el ángulo que actúa sobre el plano de cizallamiento 5.- la potencia especifica de corte en Kw/cm3 SOLUCION: Datos: Vc = 20m/min Fc = 600N Ft = 420N Lo = 2mm W = 10.9gr. 3 =Victoriano 7.8gr/cm Autor:ρIng. Sánchez Valverde.

166


PROCESOS DE MANUFACTURA I Fn = Fc. cos( γ ) − Ft.sen ( γ ) = >600 × cos15 − 420 × sen15 = > Fn = 470.8 N Ff = Fc.sen ( γ ) + Ft. cos( γ ) = >600 × sen15 + 420 × cos15 = > Ff = 561N También Calculo de la friccion media Ff 561 = = 1.19 Fn 470 w l = 10.9 / 2 = 0.35mm eS = aw ⋅ ρ 2 × 7.8 e 0.3 rc = C = = 0.86 eS 0.35 Calculo del angulo de cizallamie nto r ⋅ cos γ Tgφ = c 1 − rc Fc ⋅ sen γ φ − Ft.senφ Fs . cos 600 × cos 46.9 − 420 × sen46.9

µ=

τs =

=

−1 φ = arcTg = 46Ac .9º/ senφ As

=

( 2 × 0.3) / sen46.9

τ s = 125.7 N / mm Pm Fc 600 = = = 1000 N / mm 2 Zw Ac 2 × 0.3 K C = 0.017 Kw − min/ cm3 KC =


167


PROCESOS DE MANUFACTURA I PROBLEMA 9. En una experiencia de corte ortogonal, con una cuchilla cuyo ángulo de ataque es 12º se esta arrancando una sección de material de 6mm2 a una velocidad de corte de 20m/min obteniéndose en 4 min, 430grf de viruta y que deja 60grf/m. Si el esfuerzo cortante sobre el plano de cizallamiento es de 30N/mm2 se pide determinar la fuerza que actúa este plano.

Datos ángulo de ataque = 12º sección de viruta = 6mm² velocidad de d corte = 20m/min Masa de viruta = 4320grf. Masa por metro = 60gr/m

SOLUCIÓN. Calculo del espesor de la viruta

Esfuerzo de cizallamie nto = 30N/m

w = es * b * ρ = 60 gr / m = 6mm 2 ⋅ ρ

ρ = 10 gfr / cm 3

Espesor de la viruta = a 0 10min4320gr

Ancho de la viruta = a w

1minM => M=1080gr.

Masa de viruta por unidad de longitud = w Peso especifico = ρ Area de la viruta deformada = Ao

M 1080 = = 108cm 3 ρ 10

V=

Zw = Ac ⋅ Vc = > Zw = rc =

ac

a0

V ⇒ 108cm 3 / min = Ac ⋅ 20m / min ⇒ Ac = 5.4mm 2 relación de corte t

⇒ rc = 5.4mm

2

6mm 2

= > rc = 0.9

hallando el ángulo de cizalladura r cos γ 0.9 cos12 tgφ = c ⇒ tgφ = ⇒ φ = 47.28 1 − rcsenγ 1 − 0.9sen12 Ac ⇒ As = 7.35mm 2 sen 47.28 Fs τ= ⇒ 30 N / m 2 ⋅ 7.35mm 2 = Fs ⇒∴ Fs = 220.5 N As As =


168


PROCESOS DE MANUFACTURA I PROBLEMA 10. Se esta realizando una experiencia de corte ortogonal, torneado con un tubo de 140mm y de 8mm de espesor , de dicho tuvo gira a 100rpm. Se utiliza un ángulo de ataque de15º y se le comunica a la herramienta un avance “a”de 0.3mm/rev ,siendo las fuerzas de corte y empuje actuando sobre la cuchilla de 300kgf y 100kgf respectivamente .un metro de la viruta obtenida pesa 30gr. Se sabe que el peso especifico del material es dde7.8 grf/cm3 Se pide determinar . 5) El ángulo de cizallamiento 6) El coeficiente aparente de fricción entre la viruta y el material 7) El esfuerzo medio de corte que actúa sobre el plano de cizalladura 8) La energía especifica de corte (Kw-min/cm3) datos diámetro = 140mm espesor = 8mm ángulo de ataque =15º avance = 0.3mm/rev n =100 rpm fuerzas de corte =300kgf fuerzas de empuje =100kgf SOLUCIÓN. Ángulo de cizalladura. r cos γ tgφ = c .............I 1 − rcsenγ calculo del espesor de viruta deformada W = lo ⋅ a o ⋅ a w ⋅ ρ = > w = a o ⋅ a w ⋅ ρ ao =

30 gr = 0.48mm (espesor de la viruta deformada) 8mm × 7.8 gr / cm3

rc =

ac 0.32 ≤ 1 = > rc = = 0.66 ao 0.48

a

Fc = fuerzas de corte Ft = fuerzas de empuje FR = fuerza resultante

0.66 ⋅ cos15 = > tgφ = 0.768 = >φ = 37.55º 1 − 0.66sen15 el coeficiente aparente de fricción entre la viruta y el material tgφ =


169


Ff τs = ...............II As

PROCESOS DE MANUFACTURA I Ff 100 sen ( β − γ ) = = >sen ( β − γ ) = = >β = 37.47 º As 300

FR = Ft 2 + Fc 2 = > FR = 100 2 + 300 2 = 316.22kgf senβ =

Ff = > FR senβ = Ff = > Ff = 316.22 ⋅ sen ( 34.47 º ) = >∴Ff = 178.97 kgf FR

senφ =

Ac = > Ac = a c ⋅ a w = > Ac = 8mm ⋅ 0.32mm = >∴Ac = 2.56mm 2 As

2.56mm 2 = 4.2mm 2 sen ( 37.55) 178.97 kgf τF = = 42.61kgf 7 mm 2 2 4.2mm el esfuerzo medio de corte que actúa sobre el plano de cizalladura Fs τs = ...............III As As =

cos( β − γ + φ) =

Fs = > FR = cos( β − γ + φ) Fs = > Fs = 316.22 × cos( 37.55 + 19.47 ) = 172.13kgf FR

Fs 172.13kgf = = 40.98kgf / mm 2 2 As 4.2mm energía especifica de corte τs =

KC =

Fc 300kgf = = 117.1873 kgf / mm 2 Ac 2.56mm 2

PROBLEMA 11. En una experiencia de corte ortogonal mecanizando un material de peso especifico 7.8g/cm3 se esta arrancando una capa de 0.25mm de espesor 2.5mm de ancho , siendo el ángulo de ataque de cuchilla de 0º y el ángulo de incidencia de 8º. Experimentalmente de a determinado que la fuerza de corte es 900N y la normal a ella es de 450N y que la viruta obtenida pesa 7.5 grf/m . se pide determinar : 4.- El coeficiente aparente de fricción entre la viruta y el material además determinar el ángulo de cizalladura 5.- El esfuerzo medio de fricción en la cara de la herramienta en MN/m2 sabiendo que la longitud de contacto entre la viruta y la herramienta es de 0.5mm Autor: Ing. Victoriano Sánchez Valverde.

170


PROCESOS DE MANUFACTURA I 6.- La potencia especifica de corte (Kwmin/cm3) SOLUCION: Datos peso especifico =7.8grf/cm3 espesor = 0.25mm ancho = 2.5mm ángulo de ataque =0º ángulo de incidencia =8º Fc = fuerzas de corte =900N Ft = fuerzas tangencial = 450N W=7.5gr/m


171

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA-ENERGIA


Del grafico se pude observar que el coeficiente aparente de fricción entre la viruta y la herramienta Ft 450 N u = tgβ = = = 0.5 Fc 900 N Calculo de l espesor de viruta deformada W = lo ⋅ A o ⋅ a w ⋅ ρ w = a o ⋅ a w ⋅ ρ = >7.5gr / m = a o ⋅ 2.5 ⋅ 7.8gr / cm 3 = >a o = 0.3846 De la relación de corte tenemos a 0.25 rc = c < 1 = > rc = = 0.65 ao 0.3846

a c = espesor de viruta no deformada a 0 = espesor de viruta deformada

Determinar el ángulo del plano de cizallamiento r ⋅ cos γ tgφ = c = >γ = 0 1 − rc ⋅ senγ tgφ =

0.65 ⋅ cos 0 = > tgφ = 0.85 = >φ = 33.02 1 − 0.65 ⋅ sen 0

el esfuerzo medio de fricción en la cara de la herramienta Ff As 450 N tf = 1.25mm 2 t f = 360 Mn / m 2 tf =

A S = ls ⋅ a w A S = 0.5mm × 2.5mm = 1.25mm 2 ls = longitudde contacto a w = anchodevir uta

hallando la potencia especifica de corte Pc Zw Fc ⋅ Vc K= Ac ⋅ Vc 900 N K= 0.625mm 2 K = 1.440 N / mm 2 K=

Autor: Ing. Sanchez Valverde.

Pc = potencia de corte Zw = caudal de viruta Ac = aw . ac Ac = 0.25 . 2.5 = 0.625mm2

167



PROBLEMA 12. En una experiencia de corte ortogonal mecanizando un material de peso especifico 7.8g/cm3 se utiliza un ángulo de ataque de cuchilla de 10º y el ángulo de incidencia de 8º.siendo el espesor de viruta no deformado es de 0.26mm y el ancho de la viruta es 25mm, la masa de1.9 m de viruta obtenida es de 17.9gr asumo que la longitud de contacto de la viruta y la herramienta es de 1.5 mm y que la presión normal sobre la cara de ataque se distribuye en forma lineal desde el valor máximo de 800N/mm2 sobre el filo hasta el extremo de la longitud de contacto ,si el coeficiente aparente de fricción en estas condiciones es 0.6. se pide: 1.- La fuerza especifica 2.- El ángulo de cizallamiento

densidad= 7.8g/cm3 ángulode ataque = 10º ángulode incidencia = 8º “u” = 0.6 lo = 1.5mm ac = 0.26mm aw = 2.5mm masa de 1.9m = 17.9gr presión normalsobre la cara de la herramienta = 800N/mm2

SOLUCION: Datos presión normal Fn A` τn ⋅ A`= Fn τn =

Fn = 800 N / mm 2 ⋅ 1.875mm 2 = > Fn = 1500 N coeficiente de fricción aparente Ff u = tgβ = = > Ff = 0.6 × 1500 N = 900 N Fn Autor: Ing. Sanchez Valverde.

A`= area del triangulo a ⋅l⋅ 2.5mm ⋅1.5mm A`= w = >A`= = 1.875 mm 2 2 2 donde Ff = fuerza de fricción Fn = fuerza normal 168


Fuerza especifica

Donde Fc = fuerza d ecorte ac = area no deformada Ac = aw . ac Ac = 2.5mm . 0.25mm = 0.65mm2

Fc Ac tgβ = 0.6 β = 30.96 º K=

senβ =


Ff Ff 900 = > FR = = = 1749.47 N FR senβ sen (30.96)

( β − γ ) = 30.96 − 10 = 20.96º cos( β − γ ) = ∴K =

Fc = > Fc = 1749.47 N × cos 20.96 = > Fc = 1633 .7 N FR

1633.7 = 2513 .38 N / mm 2 0.65

Ángulo de cizallamiento donde r ⋅ cos γ a tgφ = c rc = c < 1 1 − rc ⋅ senγ ao Hallando el espesor de viruta no deformado W / l o = a o ⋅ a w ⋅ ρ = >a o = rc =

17.9gr. = >a o = 0.483mm 1.9 × 2.5 × 7.8

ac 0.26 = = 0.538 a o 0.483

tgφ =

0.538 ⋅ cos10 = > tgφ = 0.5299 = >φ = 30.30 1 − 0.538 ⋅ sen10


169



PROBLEMA 13. En una operación de corte ortogonal el ángulo de ataque de la herramienta es de 25º y se encuentra que el ángulo de cizalladura es 34º suponiendo que la fuerza de fricción (Fγ) esta dada por Fγ = 0,9*5 τs. A0 , donde A , es la sección de la viruta y τs es la resistencia media a la cizalladura . se pide determinar el valor del coeficiente de fricción SOLUCIÓN:

datos : ángulo de ataque = 25º ángulo de cizalladura = 34º fuerza de fricción = = 0.9.5 Ts. A0 del grafico podemos observar lo siguiente relaciones de la fuerza de mecanizado Fs = Fr ⋅ cos( φ + β - γ )........1 Ff = Fr ⋅ senβ.....................2

determinar la relación de corte relación media a al cizalladura Fs·senφ τ ·Ac τs = Fs = > τs = = > Fs = s As Ac senφ tgφ =

rc ⋅ cos γ r ⋅ cos 25 = > tg34 = c = > rc = 0.5693 1 − rc ⋅ senγ 1 − rc ⋅ sen 25

dividiendo(1)y(2) Fs cos( φ + β − γ ) = Ff senβ

reemplazando valores obtenidos

τs·Ac cos( β + 9) = senφ·⋅0.95 ⋅ ts( A 0 ) senβ Ac

Ao

=

a W .a c

a Wa o

= = >Ac

Ao

= rc

rc cos( β + 9 ) cos 9·cos β − sen 9·senβ = = = >0.5693 = sen 34·⋅0.95 senβ senβ Autor: Ing. Sanchez Valverde.

170



resolviendo y despejando obtenemos cos 9 tgβ = = = >tgβ = 1.36 = = >β = 53.6731 0.5693 + sen 9 PROBLEMA 14. En la experiencia de corte ortogonal se esta arrancando 18cm3/min de un material cuya densidad es 7.8g/cm3 empleando una velocidad cuyo ángulo de incidencia =8º y ángulo de ataque =30º experimentalmente se ha determinado que la Fc = 144N y la FL = 60N y la longitud del material arrancado sufre un acortamiento del 20% al transformarse la viruta hallar: 1.- Ángulo de cizalladura 2.- La energía especifica 3.- El coeficiente aparente de fricción entre la viruta y la superficie de ataque de la herramienta SOLUCIÓN :

datos densidad = 7.8g/cm3 velocidad de corte = 20m/min ángulo de ataque = 30º ángulo de incidencia = 30º fuerza de corte = 144N fuerza de tangencia l = 60N Zw = 18 Acortamien to de viruta = 20%

El acortamiento es 20% entonces la razón de corte es rc =0.8 lo hallando rc = lc = = >lo = 0.8lc el ángulo de cizallamiento tgφ =

rc ⋅ cos γ 0.8 ⋅ cos 30 = > tgφ = 1 − rc ⋅ senγ 1 − 0.8 ⋅ sen 30

= > tgφ = 1.119 = >φ = 52.47


171



Ft 60 = = >sen ( β − γ ) = = = >( β − γ ) = 24.62 = = >β = 54.62º = = >tg54.62º = u = 1.40 Fc 144 energía especifica Fc·Vc 144 N·20m / min K= = = = >∴K = 160 J / cm 3 3 Zw 18cm / min sen ( β − γ ) =

PROBLEMA 15. Se esta realizando una experiencia de corte ortogonal torneando un tubo de 100mm de diámetro exterior y 6mm de espesor a 150rpm , empleando una cuchilla con un ángulo de ataque 20º y un avance de 0.32mm/rev siendo las fuerzas actuantes sobre la cuchilla Fc = 270N y la Ft = 85N y la viruta hallar: 1.- Ángulo de cizalladura 2.- El esfuerzo de compresión y el esfuerzo de corte que actúan sobre el plano de cizallamiento 3.- La potencia especifica de corte (kw-min/cm3) datos diámetro exterior = 100mm ancho del espesor = 6mm # de revolucion es = 150rpm ángulo de ataque = 20º Fc = 270N Ft = 85 N Espesor de viruta = 0.5mm Del triangulo de velocidades

SOLUCIÓN : Considerando Viruta no deformada “a”=> a =0.32mm Viruta deformada “a0”=> a0 =0.5mm Aplicamos relación de corte a 0.32 rc = c = = 0.64 ao 0.5 tgφ =

rc ⋅ cos γ 6.4 ⋅ cos 20 = > tgφ = = > tgφ = 0.50 = >φ = 37.59º 1 − rc ⋅ senγ 1 − 6.4 ⋅ sen 20

Calculo del ángulo de cizalladura Esfuerzo de compresión Autor: Ing. Sanchez Valverde.

172


σn =

Fns .......1 As

FR =

Ft + Fc

2

φ = 37.59 º β − γ = 17.47

2

FR = 270 + 85 2

2

sen ( φ + β − γ ) =

Fns FR

Fns = 283 .06 × sen ( 37.59 + 17.47 ) = 232 .03kgf

FR = 283 kgf senφ =


ac 0.32 = = >ls = = = >ls = 0.52mm ls sen 37.59

El área de cizalladura A s = ls ·a w = = >0.52 × 6mm 2 = 3.12mm 2 ∴σ n =

Fns 232.03 = = 74.36kgf / mm 2 As 3.12

Esfuerzo de corte sobre el plano de cizallamiento

τ s = Fs As cos( φ + β − γ ) =

Fs = = >Fs = 283.06 × cos( 37.59 + 17.47 ) As

Fs = 162.11 kgf ∴ τ s = 162.11 / 3.12 = 51.95kgf / mm 2 Potencia de corte Ac = aw . ac Ac = 0.6 × 3.2 = 1.92mm2 Pc Fc ⋅ Vc 270 N = = >K = = = >K = = = >K = 140.6kgf / mm 2 2 Zw Ac ⋅ Vc 1.92 mm PROBLEMA 16. Demostrar que en un proceso de corte ortogonal , cuando el ángulo de ataque es cero , se encuentra que K=

Ts (1 − µrc ) rc = 2 K 1 + rc SOLUCIÓN: La resistencia media a la cizalladura del material τs = Fs

As

Determinación del ángulo de cizallamiento Autor: Ing. Sanchez Valverde.

173


tgφ =


rc ⋅ cos γ 1 − rc ⋅ senγ

Como el ángulo de ataque es cero tgφ = rc u = coeficiente medio de fricción Ff u = tgβ = Fn Fc = Fr·cos( β − γ ) Fs = Fr·cos( φ + β − γ ) Ff = Fr·sen ( β )

energía especifica de corte Fc k= Ac operando y remplazando valores : τs = Fc = Fr·cos( β − γ ) k τs fr·cos( β + φ − γ ) ·senφ Fr·cos ( φ + β) ·senφ = = Fr·cos( β − γ ) Fr·cos β k τs cos β cos φ senφsenβsenφ − = cos β cos β k τs = ( cos φ − usenφ)·senφ k τs = (1 − urc ) senφ cos φ = (1 − urc ) rc cos 2 φ ......I k por trigonometría cos φ + sen φ = 1 2

cos 2 =

2

senφ sen 2φ 1 − cos 2 φ 2 = rc = = > 2 = rc = = > = rc cos φ cos φ cos 2 φ

1 Ts (1 − µrc ) rc remplazando en I = 2 K rc + 1 1 + rc 2


∴ l.q.q.d.

174



PROBLEMA 17. Se sabe que la potencia consumida en el corte ortogonal es el resultado de sumar - la potencia de cizallamiento requerida para provocar la deformación plástica de la viruta en la zona de cizallado la potencia de rozamiento requerida para vencer las resistencias de rozamiento entre la viruta y la herramienta - potencia absorbida en el arrollamiento de la viruta , la potencia necesaria al punto C es muy pequeña con respecto a la potencia total Pc = Pf +Ps

Si en el proceso se requiere una fuerza de corte Fc y una velocidad de corte Vc demuestre que : Pc = Fc . Vc SOLUCIÓN: En la formación de la viruta es importante considerar tres velocidades -velocidad de corte(Vc) o sea la velocidad relativa entre la herramienta y la pieza, correspondiente al movimiento de corte - velocidad de deslizamiento(Vs) o sea la velocidad relativa de la viruta con respecto a la pieza -velocidad de la viruta (Vo)con respecto al útil o herramienta Vc h = =c V hc

P = Ps + Pf =FsVs + FfVo Fs = Fc cos φ + Ft senφ Vc = cv = Ff = Fc cos γ + Ft senγ

Vs cos γ = = = >Vs = γ s vsenφ v cos( φ − γ )

Ft v c = ( Fc cos φ − Ft senφ) Pc = Fc

v c cos( y º ) v cos( φ) + ( Fc cos y − Ft seny ) c cos( φ − γ ) cos( φ − γ )

( cos φ cos y + senysenφ) cos( β − γ )


senφ ·Vc cos( φ − γ )

∴ l.q.q.d.

175



PROBLEMA 18. En una experiencia de corte ortogonal se encuentra que la velocidad de deslizamiento relativo en el plano de cizalladura es 25m/min si el ángulo de cizalladura es de 25º , el ángulo aparente de fricción es de 20º y el de ataque es de15º entonces la velocidad de corte empleada es . SOLUCIÓN: en la formación de viruta es importante considerar tres velocidades -

velocidad de corte(Vc) -velocidad de deslizamiento(Vs) -velocidad de la viruta (Vo) del grafico obtenemos: Vs cos( γ ) Vs·cos ( φ − γ ) = = = >Vc = Vc cos( φ − γ ) cos( γ ) ( 25m / min )·cos( 25 − 15) = = >Vc = 25.488m / min Vc = cos(15)


176



PROBLEMA 19. En una operación de corte ortogonal se emplea una herramienta con ángulo de ataque de 10º suponiendo que la distribución del esfuerzo normal a lo largo de la cara de la herramienta es lineal , máxima en el filo , en el cual tiene un valor de 207N/mm2, y se reduce a cero en el extremo de contacto entre la viruta y la herramienta . la resistencia a la cizalladura del material en la zona de adhesión es de 69 N/mm2, la longitud de zona de adhesión es de 0.5mm y la longitud de la zona de deslizamiento es de 0.25mm . se pide -calcular el coeficiente medio de fricción .Debe presentar la deducción de las expresiones requeridas -calcular la magnitud y la dirección de la fuerza resultante , sabiendo que el ancho dela viruta es 6.4mm SOLUCION: σ n = Fn

As

= 207 N / mm 2 = = >207 As = Fn

τs = Fs

= 69 N / mm 2 = = >69As = Fs As componentes de la fuerza de cizallamiento Fs=Fc·cos φ -Ft·sen φ componentes dela fuerza de fricción Fγ=Fc·cos γ +Ft·sen γ componentes normales Fn=Fc·cos γ -Ft·sen γ igualando tenemos 207As= Fc·cos γ -Ft·sen γ Ft =

Fc·cos γ − 207 As senγ

69As= Fc·cos φ -Ft·sen φ Ft =

Fc·cos φ − 69As Fc·cos γ − 207As = senφ senγ

Fc·cos φ − 69As  senφ

hallando el ángulo de cizalladura r ⋅ cos γ 0.5 ⋅ cos10 tgφ = c = >φ = 28.33º  tgφ = 1 − rc ⋅ senγ 1 − 0.5 ⋅ sen10

relación de rc =

ac

ao

= 0.25

0.5

= 0.5

Fc·cos 28.33 − 69As Fc·cos10 − 207As = = = >Fc = 274.29As sen28.33 sen10 274.29·cos 28.33 − 69As = = >Ft = 363.38As sen 28.33 hallando la fuerza de fricción Ff= 363.38*As*cos(10º)+274.29As*sen(10º) Ft =

Ff= 357.86As+47.62As Ff=405.4926As el coeficiente de fricción Autor: Ing. Sanchez Valverde.

177


u = tgτ = Ff

Fn

= 405.4926

207


= = >u = 1.95 = = >τ = 62.95º

Calculo de la magnitud y dirección de la fuerza resultante senφ = Ac

As

de la relación de corte ls ·a w = lo ·a w = = >Ac = Ao = = >Ac = sen 28.33 =

0.25mm·6.4mm = = >Ac = 0.8mm 2 2

0.8mm 2 = = >As = 1.6858 mm 2 As

Fc=274.29(1.6858)NFc=462.4N Ft =

462.4 cos 28.33 − 207 (1.68) = = = >Ft = 341.25 N sen10º 2

2

FR = Ft + Fc = = >FR = 341.252 + 462.42 = = >FR = 574.68 N PROBLEMA 20. En un ensayo de corte ortogonal fueron observadas las condiciones siguientes: Ancho de la viruta (ancho del corte) = 2.5mm Espesor de la viruta no deformada = 0.25mm Espesor de la viruta = 1.0mm Angulo de la inclinación normal efectivo = -5° Fuerza de corte = 900 N Se pide calcular: a. El ángulo de cizalladura b. La resistencia media a la cizalladura del material, en MN/m² c. Hallando el ángulo de fricción en la cara de la herramienta β ° SOLUCIÓN:

µ

= Ff / Fn

de la relación de la figura

tenemos: Tg ( β ° - γ ) = 900 N / 900 N = 1

( β ° - γ ) = 45°

pero γ = -5 Hallando la fuerza resultante Fr =

Ft 2 + Fc 2


=

( 900) 2 + ( 900) 2

Fr = 1272.79 NN

178


Hallando la fuerza de cizalladura rc .Cos ( γ ) Tg (φ ) = 1 - rc . Sen (γ )


de la relación de corte tenemos rc = ac / ao rc = 0.25 mm / 1 mm

Tg ( φ ) =

0.25 .Cos ( − 5 ) 1 - 0.25 . Sen (−5)

rc = 0.25

( φ ) = 12.90°

La resistencia media a la cizalladura del material, en mega /newton por metro cuadrado(MN / m2 ) La fuerza de cizalladura la podemos calcular por dos formas u8na de ellas es por las relaciones geométricas y

otras

es

por la formula

β ° - λ + φ = 45° +

12.90°

β ° - λ +φ

=

45°

+

57.9° Cos (

β ° - λ + φ )= Fs / Fr

1272.79 N Cos (57.9° ) = Fs Fs = 676.35 N

Hallando por las formulas tenemos Fs = Fc. Cos(φ ) - Ft Sen (φ )…………………………………….(1) Fs = 900 N Cos (12.9° ) - 900 n Sen (12.9°) Fs = 877.285071 N - 200.925 N Fs = 676.36 N La resistencia media de cizalladura tenemos Ts = Fs / As pero Ac = aw .ac Ac = (2.5 mm ) (1min) As = 11.957 mm 2 Pero Sen ( φ ) = Ac/ As

As =2.5mm2 / Sen ( φ )

ts = Fs/As = 676.36 N / 11.1957 mm2

= 60.41 MN / m2

PROBLEMA 21. Obtenga una expresión para la energía especifica Ks en términos del ángulo de cizalladura Φ y la resistencia media a ala cizalladura del material de trabajo ts en el corte ortogonal. Supóngase que la relación de Ernst y Merchant de puede usar o sea 2φ + β - γ = π / 2 SOLUCION: Sabemos por la teoría que se cumplen las siguientes relaciones Autor: Ing. Sanchez Valverde.

179



Fc = Fr. Cos( β - γ ).......................................(1) Fs = Fr. Cos(0 + β + γ )................................(2) β - γ = 90° - 2 ...................................(3) Dividiendo 2-3 tenemos Cos( β ° - γ ) ....................................(4) Cos( φ + β ° - γ )

Fc =

Ks = Fc/ Ac.....................(5)

Fc = t s . As Cos ( β ° - γ ).............(6)

Energía especifica de corte

Cos( φ + β ° - γ )

As . Sen φ = Ac......................(7)

Ks . As . Sen ( φ ) = Fc...............(8)

Ks .As Sen( φ ) = ts .As . Cos( β ° - γ ) ......................................(9) Pero tenemos de la relación β ° − γ = 90 -2 Φ Ks=

t s Cos (90 − 2φ ) Sen(φ )Cos (90° − φ )

Reemplazando valores tenemos

Desarrollando por trigonometría tenemos

Ks =

t sCos(90°)Cos(2φ ) + Sen(90°) Sen(2φ °) Sen(φ )Cos(90°)Cos(φ ) + Sen90°Sen(φ )

Ks =

t s .Sen(2φ °) Sen(φ ) Sen(φ °)

Ks =

t s .2 Sen(φ °).Cos (φ ° Sen(φ ) Sen(φ °)

pero Cos (90°) =0

pero sabemos que 2 sen ( φ ) cos ( φ °) = sen (2 φ ) →

Ks =2 ts Ctg ( φ ° )

PROBLEMA 22. En el corte ortogonal de un material, se encontró que la longitud de contacto entre la viruta de herramienta siempre es igual al espesor de la viruta a y que el esfuerzo medio de la cizalladura en el área de contacto entre la viruta y la herramienta es igual al esfuerzo cortante medio en el plano de cizalladura. Muestre para esta condiciones, el coeficiente medio de fricción en la cara de la herramienta u debe ser igual o menor que 4/3 y que cuando es igual a la unidad, el ángulo de cizalladura, Φ es igual al ángulo de inclinación normal efectivo. (Ángulo de desprendimiento efectivo) γ SOLUCION: Datos τs =Esfuerzo medio de la cizalladura ao = ac τs FS / As ………………(1) τs = τn Esfuerzo cortante medio del plano de cizalladura

σ N = FNs /As......................... (2) De las relaciones tenemos: Fuerza de cizalladura Autor: Ing. Sanchez Valverde.

Fs =Fc. Cos( φ )- Ft .Sen( φ )……………….(5) 180



FNs = Fc.Sen φ +Ft .Cos φ ..........(6) Fuerza de fricción Ff= Ft Cos( γ ) +Fc .Sen ( γ )..............................(7) Fuerza normal a la fuerza de fricción Fn = Fc .Cos( γ ) – Ft .Sen ( γ )...................(8) Fuerza normal al plano de cizalladura

El ángulo medio de fricción en la cara de la herramienta β °

µ = Ff /Fn

=

Ft.Cos(γ ) + Fc .sen (γ ) …………………………(9) Fc.Cos(γ ) + Ft .sen (γ )

Igualando 1 y 2 tenemos que Fs =FNs → Fc Cos( φ ) –Ft Sen( φ ) = Fc Sen( φ ) +Ft Cos( φ ) Fc=

Ft (Cos(φ ) + Sen(φ ) ..............................(9) Cos (φ ) − Sen(φ )

reemplazando (9) en (8) y desarrollando algebraicamente tenemos Ft (Cos (φ ) + Sen(φ ) Sen(γ ) Cos (φ ) − Sen(φ ) Ft (Cos (φ ) + Sen(φ ))Cos (γ ) − FtSen(γ ) Cosφ − Senφ FtCos (γ ) +

Cos (γ ) Cos(φ ) - Sen( γ )Cos( γ ) + Cos( φ )Sen(γ ) + Sen(γ )Sen (φ ) Cos (φ ) Cos(γ ) + Sen(φ )Cos( γ ) - Sen (γ )Cos (φ ) + Sen(γ )Sen (φ ) Cos (φ − γ ) − Sen(φ − γ ) =µ Cos (φ − γ ) + Sen(φ − γ )

pero de la relación de corte rc = ac /ao =1

Hallando el ángulo de cizalladura Cos (γ ) rc ⋅ Cos (γ ) Sen(φ ) Tg( φ )=  = 1 − Sen(γ ) desarrollando la siguiente 1 − rc ⋅ Sen(γ ) Cos (φ ) Expresión Sen ( φ ) = Cos( φ − γ ) 

Senφ − Sen(φ − γ ) =µ Senφ + Sen(φ − γ )

Cuando

µ

=1

tenemos Sen φ - Sen( φ − γ ) = Sen φ + Sen( φ − γ ) Sen( φ − γ ) = 0

φ −γ = 0

25 en ( φ − γ ) = 0

φ =γ

PROBLEMA 23. En el mecanizado de un material se encontró que el ángulo de cizalladura φ siempre es igual el ángulo de inclinación normal efectivo γ suponiendo que la resistencia a la cizalladura del material es igual a la resistencia a la zona de fricción adhesiva de la cara Autor: Ing. Sanchez Valverde.

181



de la herramienta es igual ala resistencia a la cizalladura ts del material en el plano de cizalladura y que la longitud de la región de adhesión es igual al espesor de la viruta ao , obténgase una expresión para la fuerza de corte Fc y de empuje Ft en términos de ts , y el área de la sección de la viruta no cortada Ac. También calcule el valor de γ para el cual Ft seria cero.


182



ts = Fs /As …………..(1) Ns = FNs /As ……….(2) Fs = Fc Cos - FtSen ……………(3) FNs = Fc Sen + FtCos ………(4) Fs = FNc igualando 1 , 2 tenemos Fc Cos - Ftt Sen = Fc Sen - Ft sen ts . As = Fc cos - Ft sen ……………(5) N . As = Fc sen + Ft cos ……………(6)


183



SOLUCIÓN: Datos φ =γ ts = τns ac = ao Fc = Ft Fc . cos φ − t s . As = Ft senφ

Fc . cos φ − t s . As σN As − Fc .senφ = senφ cos φ

σN As − Fc .senφ = Ft cos φ

desarrollando tenemos

Fc cos φ 2 -ts . As. cos φ = σN . As senφ − Fc senφ

2

Fc (cos φ 2 + sen φ 2 ) = σN . As senφ + t s As cos φ

pero → cos φ 2 + sen φ 2 =1

Fc =As ( σN .senφ + t s cos φ ) pero φ = γ Fc = σN .sen(γ ) + t s As cos(γ ) del ángulo de cizalladura tenemos la relación Tg ( φ ) =

rc cos φ 1 − rc ⋅ senφ

pero rc =1 sen φ / cos φ = cos ( γ ) / 1- sen ( γ )

Sen φ ° = cos ( φ ° − γ ) pero φ = γ ⇒ sen90° = 1 Fc =

Ac ⋅ rs ( cos γ + senγ ) senγ

Hallando la fuerza de empuje tenemos

Fc cos φ − t s ⋅ As Ac ⋅ t s ( cos γ + senγ ) cos φ t s ⋅ As = Ft = = > − senφ senφsenφ senφ Ft =

ts ⋅ As( senγ cos γ ) + cos γ − 1 senφ

Reemplazando valores que para la fuerza de corte y para la fuerza de empuje Ft = ts ⋅ As = = >Ft = −ts ⋅ As Ahora cuando el Angulo de ataque tiene γ a un valor cuando la fuerza de empuje vale cero tsAs( senγ cos γ ) − 1 + cos 2 γ = Ft = = >Ft = 0 senγ

tsAs( senγ cos γ ) − 1 + cos 2 γ = 0

( senγ cos γ ) − 1 + cos 2 γ


=0 184



entonces el ángulo de inclinación efectivo cos γ ( senγ + cos γ ) = 1 = = >cos γsenγ + cos 2 γ = sen 2γ + cos 2 γ = = >cos γsenγ = sen 2γ cos γ = senγ = = >γ = 45° PROBLEMA 24. En un ensayo de corte ortogonal en acceso dulce se obtuvieron los resultados siguientes a c = 0.25mm

Fc = 900N

a 0 = 0.75mm

Ft = 450N

a w = 0.5mm

lf = 0.5mm

γ = 0°

Calcule a. El ángulo medio de fricción en la cara de la herramienta β ° b. La resistencia media a la cizalladura del material τs en MN/m² c. El esfuerzo medio de fricción en la cara de la herramienta

σ s MN/m².

SOLUCION: Hallando el ángulo de cizalladura ( φ ) rc =

ac 0.25 = = = >rc = 0.333 a0 0.75

tgφ =

rc ⋅ cos φ 0.33 ⋅ cos 0° = = = >φ = 18.43° 1 − rc ⋅ senφ 1 − 0.33 ⋅ sen0°

Hallando la fuerza de fricción Ff = Fcsenγ + Ft cos γ = = >Ff = 900 sen0 + 450 cos 0 = = >450 N La fuerza normal a la fricción Fn = Fc cos γ − Ftsenγ = = >Fn = 900 cos 0 + 450 sen0 = = >900 N Hallando el coeficiente medio de fricción Ff 450 u = tgβ = = = 0.5 = = >β = 26.56° Fn 900 Fs ts = As Fs = Fc cos φ − Ftsenφ Fs = 900 cos18.43 − 450 sen18.43 Fs = 996.0999 N sen18.43° = Ac

As

= = >As = Ac

sen18.43

= 0.625

Ac = 0.25 × 2.25 = 0.625mm 2

sen18.43

= 1.97693 mm 2

Reemplazando Fs 996.099 ts = = = 503.86 N / mm 2 As 1.97693 El esfuerzo medio de fricción en la cara de la herramienta τ Ns


185



FNs As = Fcsenφ + Ft cos φ = 900 sen18.43 + 450 cos18.43 = 711.45 N

τ Ns = FNS

τ Ns =

FNs 711.45 = = 359.87629 N / mm 2 As 1.97693

PROBLEMA 25. En una experiencia de corte ortogonal desprendido un caudal de viruta de 18 cm3 /min, se emplea una cuchilla con un ángulo de ataque γ = 22° y un ángulo de incidencia de 8° la velocidad de corte es de 20m/min del material desprendido sufre un acortamiento del 28% al transformarse en viruta. El análisis posterior a la experiencia permitió establecer que el esfuerzo medio de corte sobre el plano de cizallamiento es de 105N /mm2 y que el coeficiente aparente de fricción entre la viruta y la herramienta es de 0.95. Determinar la fuerza de corte y la fuerza normal. SOLUCION: Datos Caudal de viruta Zw = 18cm3 / min Angulo de ataque = 22° Angulo de incidencia = 8° Velocidad de corte Vc = 20m/min Esfuerzoso breel plano de cizalladura = >τ s = 105 N / mm 2 Coeficient e aparente de fricción = > u = 0.95 como sufre un acortamien to del 28% entonces ac = ac (0.72) Ff = = >∴β = 43.53° Fn Hallando el ángulo de cizalladura( φ ) u = tgβ = 0.95 =

Tg (φ ) =

rc .Cos ( γ ) 0.72 .Cos (22 ) = = = >∴φ = 42.43° 1 - rc . Sen (γ ) 1 - 0.72 . Sen (22)

Zw = Vc ⋅ Ac = >18cm3 / min = Ac ⋅ 20 m / min = > Ac = 0.9m / min Ac 0.9 As = = = 1.333mm 2 senφ sen42.43 Fs = > Fs = 105 ⋅ 1.333 = > Fs = 140 N As β = 43.53° γ = 22° β − γ + φ = 63.96° φ = 42.43

τ=


186



PROBLEMA 26. Suponga que en una operación de corte ortogonal, la fuerza de fricción Ff en la cara de la herramienta esta dada por KT s Ao, en donde K es una constante,

T

s

es la resistencia

aparente a la cizalladura del material y Ao es el área de la sección de la viruta. Muestra que existe la relación siguiente entre el coeficiente medio de fricción en la cara de la herramienta normal efectivo

µ , el ángulo de cizalladura φ y el ángulo de inclinación

γ

µ=

K cos 2 ( φ − γ ) Ksen( φ − γ ) cos( φ − γ ) + 1

SOLUCION: De la figura podemos observar

Fc = Fr. cos( β − γ )..............................................(1) Fs = Fr. cos( φ + β − γ ).......................................( 2) Ff = Fr.sen( β )...................................................( 3)

Hallando el ángulo de cizalladura, tenemos

Tg ( φ ) =

rc × cos( γ ) ......................................( 4) 1 − rc × sen( γ )

Resistencia aparente de cizalladura del material

Fs ...........................................................( 5 ) As Dividiendo(2) entre (3) tenemos τs =

Fs Fr. cos( φ + β − γ ) = Ff Fr.senφ

Desarrollando tenemos

Fs cos( φ − γ ) cos β sen( φ − γ ) senβ = − Ff senβ senβ

Fs cos( φ − γ ) = − sen( φ − γ ) Ff Fr.senφ Fs cos( φ − γ ) = − sen( φ − γ ) Ff Fr.senφ As

Pero con µ = tg ( β ) = coeficiente de fricción

De la relación de cizalladura tenemos

ts =Fs /

sen ( ⊄ ) = Ac / As

tS × As cos( φ − γ ) = − sen( φ − γ ) Ff Fr.senφ Autor: Ing. Sanchez Valverde.

187



Pero como por la relación tenemos Ff = K . ts / Ao

de la relación de corte

Ac/Ao = rc

t s × As cos( φ − γ ) = − sen( φ − γ ) K .t s × Ao µ

Ac cos( φ − γ ) = − sen( φ − γ ) Ao.K × senφ µ rc cos( φ − γ ) = − sen( φ − γ ) K .senφ µ Tgφ =

rc . cos γ 1 − rc .senγ rc =

Pero

senφ cos( φ − γ )

senφ cos( φ − γ ) = − sen( φ − γ ) K .. cos( φ − γ ) senφ µ Desarrollando las ecuaciones

1

K . cos (φ − γ ) + sen(φ − γ )


y despejando

=

cos φ − γ µ

µ tenemos

µ=

K . cos 2 ( φ − γ ) K .sen( φ − γ ) cos ( φ − γ ) + 1

188



PROBLEMAS DE TORNO PROBLEMA 1. En un torno horizontal en el cual la barra de avance gira a la misma velocidad que el tornillo patrón, es posible construir los siguientes pasos de rosca: 1,1.15, 2.25, 3 y 4 mm. Además el tornillo patrón es de 4 mm de paso, el piñón que ataca a la cremallera de modulo 2 y tiene 13 dientes, el paso del tornillo de accionamiento del carro transversal en de 3 mm y las relaciones de transmisión, dentro del tablero, son 1/85 y 1/15 respectivamente, para los carros longitudinales y transversales. Para estas condiciones, determine los avances automáticos disponibles: a) Longitudinales (mm/rev) b) Transversales (mm/rev)

SOLUCIÓN: Datos Paso a roscar : 1, 1.5, 2, 2.5, 3 y 4 mm Modulo : m = 2 Número de dientes

: Z P = 13

Paso del Tornillo

: Pη

1. Avance longitudinal

∆Li = iL .PC .Z P .ηi Relaciones: ∆L1 =

ηi =

ηrosca ηT .Patrón

1 .π .Z .13.1 / 4 = 0.24 85

η1 = 1 / 4

∆L2 = 0.36

η2 = 1.5 / 4

∆L3 = 0.48

η3 = 2 / 4

∆L4 = 0.60

η4 = 2.5 / 4

∆L5 = 0.72

η5 = 3 / 4

∆L6 = 0.96

η6 = 4 / 4 = 1

2. Avance Transversal : ηi = ∆LT =

1 4

LT =

1 15

1 1 1 .3.ηi = .3. 15 15 15


189



∆LT 1 = 0.05mm / rev ∆LT 2 = 0.075mm / rev ∆LT 3 = 0.1mm / rev ∆LT 4 = 0.125mm / rev ∆LT 5 = 0.15mm / rev ∆LT 6 = 0.2mm / rev PROBLEMA 2. Se requiere dimensionar el cabezal de un torno sencillo de 16 velocidades en el husillo de modo que las velocidades mas altas a obtener por mando directo sean 1600, 1200, 700 y 200 rpm, teniendo el contraeje las posibilidades de girar a 800 y 464 rpm. Por cierta limitación, su mayor polea conductora del contraeje debe tener un diámetro de 250 mm. Para el tren reductor se dispone de dientes rectos de módulo 2. Por razones de espacio la distancia entre centros de los engranajes debe ser 160 mm, ubicándose sobre el husillo un engranaje de 32 dientes como elemento conductor y otro de 80 dientes como conducido. Determinar: a) Los diámetros de las poleas montadas sobre el husillo y el esquema de la transmisión. b) El número de dientes de los engranajes del tren conductor. SOLUCIÓN: Velocidad Directa

η6 = 700 rpm η8 = 200 rpm

η2 = 1600 rpm η4 = 1200 rpm d1 = 250 mm

m=2

ηa = 800

η0 = 464 rpm

Z1 = 32

Z 2 = 80 C = 160 mm

d1 + d 2 = d 3 + d 4 = d 5 + d 6 = d 7 + d8 = CV Diámetro de las ruedas de la polea: η2 d1 1600 250 = ⇒ = η d2 800 d2 d 2 = 125mm d1 + d 2 = 250 + 125 = 375 = CV


190



η2 d 3 d3 + d 4 η2 + η = = = η d4 d4 η 375 1200 + 800 = ⇒ d 4 = 150 mm 800 800 η3 d 5 d + d 6 η2 + η = ⇒ 3 = η d6 d6 η 375 1200 + 800 = d6 800

d 6 = 200 mm η4 d7 η + η d7 + d8 = ⇒ 4 = η d8 η d8 375 200 + 800 = d8 800

d 8 = 300mm

Número de dientes del engranaje Relación de transmisión: Z .Z i= 1 3 Z 2 .Z 4 Sabemos que: Z1 + Z 2 = Z 3 + Z 4 m ( Z1 + Z2 ) 2 2 160 = ( 32 + Z 2 ) 2 Z 2 = 128 C=

2 ( 80 + Z 3 ) 2 Z 3 = 80

160 =


191



Un tornillo de 3 entradas y con una longitud roscada de 53 mm está siendo tallado en un determinado torno horizontal. Para esta operación se han previsto 5 pasadas iguales, la rotación del husillo es de 88 rpm y la relación de transmisión entre el husillo y el tornillo patrón, de paso igual a 4 mm, es de 15/8. Determine: a. 7.5 b. 1.43

el paso del tornillo a construir en mm el tiempo neto total de ejecución del roscado, en mm

SOLUCIÓN a)

Paso del tornillo patrón

PTP =

: PTP =

Paso posible a roscar n tornillo patrón

P ⇒ PTP = 4mm ηTP

nH = 88rpm rT = 15 / 8 rT = nH / nTP ⇒ nTP = 46.93rpm Entonces de formula: Pi = nTP xPTP Pi = 46.93 x 4 187.73 Pi = 15 Pi = 12.5mm b)

t mecanizado = ?

long – roscado = 53 mm # entradas = 3 # pasadas = 5 iguales

entonces : LT = LxZ LT = 53 x3 = 159 Pero : Entonces :

LTR = 187.73mm LTR 187.73mm ⇒ Va 46.93 tm = 4.0 min tm =

PROBLEMAS DE FRESA PROBLEMA 1. Autor: Ing. Sanchez Valverde.

192



En una fresadora universal, y a lo largo de una superficie plana de 500 mm de longitud se debe fresar un canal de sección transversal en “U” de 10 mm de ancho x 24 mm de altura total. Para esta ejecución, se ha proyectado tres pasadas de igual caudal, utilizando una fresa de disco a la forma adecuada al canal de 100 mm de diámetro, 12 dientes y un avance de 1.2 mm/rev. La máquina-herramienta empleada tiene una potencia de corte media de 2 Kw y la potencia es especifica de corte media para las condiciones propuestas es igual a 0.15 Kwmin/cm3. Asimismo, la velocidad del husillo es: 63, 85, 90, 100, 150, 180 y 250 rpm; el avance de la mes a es: 17, 24, 34, 48, 65, 96, 134, 192 y 265 mm/min. Se pide: 1) La velocidad rotacional del husillo principal 2) Velocidad de corte 3) Longitud de la viruta no deformada normal 4) Momento torsor o trabajo de corte 5) Tiempo del maquinado total


193



SOLUCIÓN: DATOS LT = 500 mm

PC = 2 Kw

b = 10mm

Z = 12 N ° = 3 pasadas

Kw − min watt =9 3 cm mm3 / s D = 100 mm h ρ = = 8mm 3 K C = 0.15

a = 1.2mm / rev h = 24 mm

1. La velocidad rotacional del husillo principal PC = K C .ZW PC = K C .ρ .a.η.b 2000 watt = 9

η=

watt x8 x12 x10 xη mm3 / s

2000 watt − 60 = 138.8rpm 8645 .watt

Selección de la velocidad de rotación:

η = 100 rpm

2. Velocidad de corte π .D.η π .100.100 VC = = = 31.42m / min 1000 1000 3. Longitud de la viruta no deformada L AB = R * θ B + r * Senθ B

a)

Angulo de Contacto

R − P 50 − 8 = = 0.84 R 50 θ B = 32.86° θ B = 0.5734rad

Cosθ B =

b)

Longitud 0 Radio del cortador

a = 2πr a 1 .2 r= = = 0.19mm 2π 2.π AB = 50 x0.573 + 0.19 xSen32.86° AB = 28.75mm

4. Momento de torsor angular


194


WT = R * θB * b * a Z *


P * KC D

Avance por diente. a = a Z .Z aZ =

a 1 .2 = = 0.1mm / Z Z 12

W T = 50 x0.573 x10 x0.1

8 watt .9 = 72.93 x102Kgf .mm 100 mm 3 / s

W T = 7438 .86Kgf .mm W T = 7440Kgf − mm

5. Tiempo de mecanizado Tm =

L  500 + 2 P ( D − P ) = a.η  1.2 x100

  500 + 2 8(100 − 8)  3 =    1 . 2 x 100   

Tm = 13.86 min PROBLEMAS DE LIMADORA PROBLEMA 1. Se va acepillar en una limadora de codo, en dos pasadas de igual caudal, con un avance de 0.21 mm/ciclo, y rebajar en 5 mm el espesor de su superficie plana de 420 x 250 mm, cuya capacidad de carrera máxima del camero es de 400 mm y 0.25 kw de potencia corte media. Para el mecanizado se deberá tener en cuenta lo siguiente: - Considerar espacios vacíos anteriores y ulteriores longitudinales y transversales iguales de 8.5 mm respectivamente. En estas consideraciones de operación, el coeficiente específico del material – herramienta es 0.56 mm3/s/watt. Y la limadora de codo tiene una distancia entre centros de rotación del plano- manivela es 440 mm y la longitud de la biela es 700 mm. Se pide: 1) Los ángulos de carrera, corte y retorno respectivamente. 2) Velocidad de corte media 3) Velocidad de giro o rotación del plato-manivela 4) Tiempo de corte media requerida 5) Potencia y fuerza de corte media SOLUCIÓN: DATOS

N ° = 2 Pasadas B = 420mm a = u = 8.5mm b = 440 mm Autor: Ing. Sanchez Valverde.

a = 0.21mm / ciclo L = 250 mm mm3 / s K C = 0.56 Watt R = 700 mm

ρ = 2.5mm LC = 400 mm

195



1. Angulo de Carrera 250 + 17  −1  1 + 2 u   = Sen −1   = 0.19 a) γ = Sen    2 x700   2.R 

γ = 11°

b) Angulo de corte

α = 180 + 2γ = 180 + 2(11) = 202°

c) Angulo de retorno

β = 180 − 2γ = 180 − 22 = 158°

2. Velocidad de Corte media PC = K C .ZW = 1.7857 xa. p.VC 0.250 = 1.7857 x0.21x 2.5 xVC 0.250 = 0.2667 x60 = 16m / min 0.9375 3. Velocidad de rotación – plato- manivela VC =

2* π*η*L α α.VC 202.16 η= = = 33.6rpm 2 * π * L 360 * 0.267 VC =

4. Tiempo de corte media a. Ancho del avance B = 420 + 2.815 = 437 min N° = 2 pasadas

b. VR =

Velocidad media de retorno 2.π .η.L 360 x33.6 x0.267 = = 20.44m / min 3x103 158

B  L  437  0.267 0.267  L  Tm = 2   +  = 2  +   20   0.21  16  a  VC VR  Tm = 125 min 5. Fuerza de Corte media PC = V C .F C F C = K C . A = 1.7857 x102 x0.21x 2.5 = 95.625 Kgf F C = 95.6 Kgf


196


FC =


0.250 Kw Kgf − m x102 x 60 s = 95.625 Kgf 16m / min s.Kw

Potencia de corte media PC = VC .FC PC = 16m / min .

95.625 Kgf 605

PC = 0.25 Kw PROBLEMA 2. Para rebajar en una cepilladora de codo en 6 mm el espesor de una superficie plana de 320 mm x 212 mm, se regula la longitud de carrera a 224 mm, la profundidad de pasada a 3 mm y el avance a 0.5 mm/ciclo. La cepilladora a utilizar tiene las siguientes características: longitud de la biela 450 mm, velocidades de rotación del plato –manivela: 14, 22, 30, 40, 52, 62 rpm. Potencia del motor de accionamiento 3 CV y eficiencia total de la máquina 80%. Se recomienda no exceder una velocidad de corte media de 14 m/min y adoptar recorridos transversales en vacío, anterior y ulterior de 4 mm c/u, además, se sabe que la fuerza especifica de corte para las condiciones de operación tiene el valor de 240 Kgf/mm2. Determine: a. la velocidad de rotación seleccionada del plano manivela b. la velocidad de corte máxima, en m/min c. el tiempo necesario para el cepillado de toda la superficie, min d. La potencia motriz requerida, en CV


197



SOLUCIÓN Long .Superficie = 320 mm Ancho = 212 mm L = 224 mm ρ = 3mm VC = 14m / min

Hallamos

γ = arcsen

α = 0.5mm / ciclo R = 450 mm Pm = 3cv u = 4mmc / u n = 0.80

L 224 ⇒ γ = arcsen → γ = 14.4° 2R 2(450)

Y el ángulo de trabajo α = π + 2γ α = 208.8° β = 151.2°

hallamos n =

VC xα 14 x 208.8° = = 36.25rpm 2π .L 2πx 224

Entonces escogemos de tablas

Hallamos

VC max =

2πnR ..................( I ) b+r

Hallamos: velocidad periférica r=

n = 30rpm

:

V = 2πnr

b L 320 x 224 →r= = 79.64mm RxL 2 x 450

⇒ V = 2πnr = 2πx30 x79.64 = 15m / min

De (I)

VC max =

2πxnxrR 2πx30 x79.64 x 450 = b+r 320 + 79.64

VC max =

R 450 .v = x15 = 16.89m / min b+r 320 + 79.64

Hallamos el tm = Autor: Ing. Sanchez Valverde.

L 212 mm = = 14.13 min a.n 0.5 x30 198



Hallando la nueva VC (30)(360 )(224 ) (208 .32)(1000 ) VC = 11.58m / min VC =

PC = FC * VC FC = K C * a * p Kgf mm * 0.5 * 3mm 2 rev mm FC = 360Kgf FC = 240

m ) min PC = 4168.8Kgf − m / min PC = (360Kgf )(11.58

m min m PC = 86.85Kgf min m PC = 126 .7Kgf seg m PC = 126 .7Kgf x seg PC = 5221Kgf

1CV 75Kgf

m min

PC = 1.69CV PROBLEMAS DE COSTOS PROBLEMA 1. En el mecanizado de 1500 piezas, constituida cada una en una espiga de 150mm de longitud; se propone ejecutar la producción en una la máquinaherramienta, cuyo avance es 0.2 mm/rev y la velocidad de corte propuesto es 24m/min y sobre un diámetro de 1in. Se construye un dispositivo especial para la manufactura en serie, dicho conjunto se constituye, en el costo horario sin incluir la mano de obra directa y gastos generales de taller se estima en S/ 450 el tiempo de preparación para la máquina es de 6 horas, y además deberá considerarse: - Tiempo de manipulación = 22.5 min - Tiempo de fatiga = 0.5 min - Tiempo de servicio = 1.5 min Para el proceso de manufactura del componente requerido se fabrica un dispositivo especial (machina) cuyo costo asciende a S/ 500, el costo por unidad del material es S/ 18 y de la herramienta es S/. 2.


199



El taller general como gastos generales la suma es S/ 1600, y los gastos de mano de obra directa que involucra en la manufactura del componente es S/ 12/hora. Para estas condiciones se pide: 1. Tiempo de maquinado por unidad 2. Tiempo de ciclo por unidad 3. Tiempo calculado por unidad 4. Costo de Manufactura por unidad 5. Costo de total de manufactura

SOLUCIÓN: DATOS Costos Generales Gastos de mantenimiento de taller Gastos de mano de obra Gastos generados del taller Costo del material Costo de la Herramienta Costo de dispositivo 1. Tiempo de maquinado L Tm = a.η a)

M = S/. 450 L = S/. 12/hora BLTaller = S/. 1600 C MAT = S/. 18 C Hta = S/. 2 CDISP = S/. 500

Velocidad rotacional del husillo principal

1000 * VC 1000 * 24 = = 300.76rpm π*D π * 25.4 150 Tm = = 2.5 min/ pieza 0.2 * 300 η=

2. Tiempo de Ciclo TC = Tm + Tη = 2.5 + 22.5 = 25 min Tη = Tiempo de Manipulación 3. Tiempo calculado T TCal = Te + P η a. Tiempo Estándar Te = TC + TS + Tf Te = 25 + 1.5 + 0.5 = 27 min b.


Tiempo de preparación

200



TP = 6horas = 360 min 360 = 27.24 min/ pieza 1500 = 0.454 horas / pieza

TCal = 27 min + TCal

4. Costo de Manufactura

η = 1500unidades

BL.TCal C + CMAT + DISP + CHTa η η 1600 500 = 450(0.454) + 12(0.454) + + 18 + +2 1500 1500 = S / .231.15 / unidad

CMANUF = M .TCal + LTCal + CMANUF CMANUF

5. Costo Total de Manufactura CMANUFTOTAL = S / .213.15 / piezax1500 piezas = S / .346722


201



PROBLEMA 2. Para el mecanizado de un lote de espigas cilíndricas se ha programado una pasada de cilindrado sobre barras de 30mm de diámetro y 165mm de longitud, empleando un avance de 0.1 mm/rev y un velocidad de rotación de husillo de 260 rpm. La cuchilla ha utilizar tiene un exponente de vida o de Taylor igual al 0.15 y es tal que para una velocidad de corte de 30 m/min, su filo dura 2 horas, El costo inicial de este cuchillo es de S/ 60 y el costo de cada reafilado es de S/ 2,5 y el número promedio de reafilados esperado en esta herramienta es de 30. Determinar para estas condiciones: a) El costo de un filo b) El costo de herramienta por pieza c) La duración del filo de la herramienta para una velocidad de corte de 35 m/min. SOLUCIÓN Datos: d = 30mm L = 165mm η = 260 rpm a = 0.1mm / rev a. Costo del filo:

η0 = 0.15 VC = 30m / min CO = S / 60 G Y =g+ N °S

T1 = 2hras = 120 min C filo = S / 2.5 M S = 30

Donde: y = Costo del reafilado s/ reafilado G = Costo Inicial de la herramienta en nuevos soles. NS = Número de reafilados b. Velocidad de Corte π .d .η π .30.260 V2 = = = 24.50m / min 1000 1000 Tiempo del reafilado V  T2 = T1  1   V2 

1 η

  30  = 120 0.15    24.5  

1 0.15

= 462.96 min

Tiempo del mecanizado L 165 Tm = = = 6.346 min a.η 0.1x 260 Costo de un filo:


202


C Hta =


V T2 Tm

y = 2.5 +

60 = S / 4.5 / filo 30

Costo de la herramienta / pieza y.Tm 4.5 x6.35 CHta = = = 0.062 S / . / pieza T2 462.96 VC = 35m / min

c. Duración del filo para

VC = 30 min − T1 = 120 min 1

  30  0.15 T2 = 120 0.15   = 42.94 min = 0.716hras  35  


203

Teoria de Krinberg-merchant

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