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Introducción a los procesos de mecanizado

1.-Introducción a los procesos de mecanizado 1. Introducción Los procesos de mecanizado, también conocidos como procesos de conformado por eliminación de material, por arranque de viruta o procesos de corte, constituyen la tecnología de fabricación y acabado de piezas más universalmente empleada. Consisten, básicamente, en la obtención de piezas a partir de una preforma de partida mediante la eliminación de material de la misma en forma de viruta o de partículas más pequeñas. Entre los limado, más interesantes, su gran aplicación industrial, cabe destacar: torneado, fresado, taladrado, cepillado ypor rectificado. Los elementos básicos que intervienen en este tipo de procesos son las piezas o preformas, las herramientas, las máquinas, el utillaje y el operario o sistema de control. Estos tres últimos van a ser necesarios, respectivamente, para fijar adecuadamente piezas y herramientas y establecer su posicionamiento relativo entre ellas; para aportar la potencia necesaria para que tenga lugar el arranque de material y para diseñar y ejecutar correctamente la fabricación de las piezas. Entre las dos primeras, pieza y herramienta, va a ser necesario, en primer lugar, que estén construidas con materiales de distinta dureza. Generalmente, el de la herramienta ha de presentar mayor dureza que el de la pieza. En segundo lugar, va a ser necesario que exista un movimiento relativo entre ambas para poder eliminar el material. Éste puede venir dado por el desplazamiento de la pieza, la herramienta o incluso el de ambas. El movimiento relativo suele descomponerse en: 

Movimiento de corte o principal.

Es el responsable del arranque de material y el que, en general, consume la mayor parte de la potencia disponible en la zona de trabajo.



Movimiento de avance.



Movimiento de penetración o ajuste.

Es el que permite que en la zona de corte se tengan nuevas partes de pieza a mecanizar hasta completar la operación elemental o pasada que se esté ejecutando. En algunas operaciones pueden tenerse varios movimientos de avance simultáneos. Es el que asegura la interferencia entre pieza y herramienta, a fin de que tenga lugar la eliminación de material, de forma que la pieza resultante después de cada pasada tenga una dimensión adecuada. Suele ser un movimiento de carácter intermitente, que se efectúa mientras no tiene lugar la eliminación del material; esto es, antes de iniciarse cada operación elemental de mecanizado. Corte

Penetración Avance

Figura 1. Movimientos relativos entre pieza y herramienta.

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La siguiente tabla resume las características de los movimientos que se acaban de definir para los principales procesos de mecanizado: Tabla 1. Características de los movimientos en las principales operaciones de mecanizado. Movimiento

Tor neado PIEZA (Giratorio continuo) HTA. (Rectilíneo continuo)

Fresado HTA. (Giratorio continuo) PIEZA (Rectilíneo continuo)

Avance secundario

---

PIEZA (Rectilíneo continuo)

De penetración

HTA.

PIEZA

Corte Avance principal

*

Taladrado Rectificado cilínd. Limado HTA. HTA. HTA. (Giratorio (Giratorio (Rectilíneo alternativo) continuo) continuo) HTA. PIEZA PIEZA (Rectilíneo (Giratorio (Rectilíneo continuo) continuo) intermitente)

Cepillado PIEZA (Rectilíneo alternativo) HTA. (Rectilíneo intermitente)

---

PIEZA (Rectilíneo alternativo)

---

---

---

HTA.

HTA.

HTA.

*

En los casos en los que se tenga movimiento de avance secundario

2. Consideraciones sobre piezas y herramientas En este apartado se va a pasar revista a las características de las piezas y de las herramientas que pueden influir más directamente en el proceso de corte y, en particular, a los materiales con que habitualmente se fabrican. Piezas Las piezas que van a ser sometidas a un proceso de mecanizado puede provenir de fundición, estampación, de mecanizados previos, o se puede partir directamente de una preforma. La maquinabilidad de un material representa la capacidad que éste tiene para ser mecanizado. Depende de muchos factores tales como: 1. 2. 3. 4.

La composición química del material de la pieza. Su microestructura. Las inclusiones que contenga. El grado de dureza que presente. En general, los materiales blandos se mecanizan con mayores velocidades que los duros pues en éstos la herramienta se embota más rápidamente.

5. limite El grado de acritud./ resistencia Los materiales se mecanizan mejor cuanto más elevada sea la relación: de elasticidad mecánica. 6. El tamaño del grano. El aumento del tamaño del grano facilita la mecanización de los materiales. Los aceros presentan una amplia gama en la maquinabilidad, disminuyendo ésta a medida que aumenta el contenido en carbono, pues, al aumentar la dureza, el filo de la herramienta dura menos. Los aceros al plomo o al azufre se mecanizan muy bien. De los inoxidables, los ferríticos presentan menos dificultades que los austeníticos, ya que éstos se endurecen rápidamente durante el trabajo. Sin embargo, adicionándoles azufre y mediante un tratamiento térmico adecuado que hace precipitar los carburos puede lograrse una mejor maquinabilidad. Son especialmente aptos para su conformación por mecanización los aceros de alta maquinabilidad o aceros automáticos (porque suelen mecanizarse en tornos automáticos de alta producción) aquellos que son de fácil mecanización y se elaboran utilizando la influencia favorable del azufre, el plomo y el fósforo. Sus características más relevantes son:


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1. Aceros al azufre. Los aceros al azufre de fácil mecanización contienen de un 0,20% a un 0,30% de azufre y, además, deben contener un mínimo de 0,60% de manganeso para que puedan formarse inclusiones de sulfuro de manganeso. Las velocidades del corte empleadas al mecanizar los aceros al azufre pueden llegar a ser doble que la de los aceros del mismo contenido de carbono. 2. Aceros al plomo. Los aceros al plomo deben contener, por lo menos, un 0,15% de este metal para obtener mejoras apreciables en la mecanización, siendo el porcentaje más utilizado de 0,15 a 0,30. Los contenidos de carbono deben ser inferiores a 0,50 %. El plomo no modifica sensiblemente las características mecánicas del acero, y sólo se nota una pequeña disminución de la tenacidad en caliente y la templabilidad. 3. Aceros fósforo. fósforo en porcentajes de para 0,10elevar a 0,20, se emplea como elemento de adición aallos aceros El de bajo contenido de carbono su maquinabilidad. Las fundiciones, a causa de su mayor contenido en carbono y acritud, dan virutas cortas, que dificultan el enfriamiento en la zona de corte y obligan a trabajar con menor velocidad. Por esta razón la fundición maleable se trabaja mejor que la dura. Las aleaciones no férreas presentan mejor maquinabilidad. Las de aluminio y magnesio se mecanizan muy bien (unas 20 veces mejor que los aceros al azufre ya mencionados). Sólo si contienen silicio, cobre o manganeso desgastan mucho el filo, por lo que se aconseja usar herramientas de metal duro. Las aleaciones de magnesio se trabajan extraordinariamente bien a cualquier velocidad. Los bronces y latones se mecanizan con una gran facilidad (cuatro veces mejor que los aceros al azufre), disminuyendo su capacidad de mecanizado con el aumento de contenido de cobre. aleaciones a base de cinc y níquel tienen buena maquinabilidad y, al adicionarles azufre, se Las aumenta. Herramientas Elegir el material para la fabricación de una herramienta es uno de los problemas más difíciles de resolver en la determinación de un proceso de mecanizado; ya que, un mismo material empleado bajo diferentes condiciones puede dar lugar a muy distintos resultados. No obstante, a continuación se muestran algunos de los aspectos más importantes a valorar a la hora de elegir el material de la herramienta a usar en el mecanizado: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Dureza a altas temperaturas Resistencia al desgaste Resiliencia (combinación de resistencia y ductilidad) Coeficiente de rozamiento entre viruta y herramienta reducido Propiedades térmicas (conductividad, calor específico y coeficiente de dilatación) buenas Coste de las herramientas y de sus afilados

Los principales tipos de materiales empleados en la fabricación de herramientas son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Aceros al carbono y especiales Aceros rápidos Aleaciones duras no ferrosas (estelitas) Carburos metálicos (metal duro) Carburos metálicos especiales (grano micrométrico y “fundidos”) Carburos metálicos recubiertos Materiales cerámicos Nitruro de boro cúbico


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9. Diamantes naturales 10. Diamantes sinterizados policristalinos

Figura 2.Variación de la dureza frente a la temperatura para los materiales más usados en la fabricación de herramientas. Las herramientas se pueden caracterizar, además de por el material empleado en su fabricación, por la forma en que están construidas y por el número y manera de actuar sus filo de corte. Por su construcción, puede hablarse de herramientas enterizas, con plaquitas soldadas o con plaquitas de fijación mecánica. Por el número y manera de actuar sus filos puede hablarse de herramientas con filos de corte en contacto continuo y de contacto intermitente. El primer tipo puede dividirse a su vez en herramientas de un solo filo (torneado, limado, cepillado) y de dos filos (broca helicoidal). Mientras que el segundo en herramientas de varios filos (fresas y brochas) y herramientas con un número indefinido de filos (muelas de rectificado, segmentos para bruñir)

3. Torneado El torneado es uno de los procesos de mecanizado más extendido en la industria. Está caracterizado por el giro del elemento portapiezas y por el hecho de que la herramienta posee los restantes movimientos para la ejecución del proceso. Se emplea principalmente para la fabricación de piezas con simetría de revolución. La máquina-herramienta empleada, preferentemente, es el torno. La configuración típica de un torno paralelo es la mostrada en la figura, en la que se indican sus principales elementos a saber:

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Plato universal

Cabezal fijo

Contrapunto o cabezal móvil

Husillo de roscar

Carro portaherramientas Husillo de cilindrar Bancada o bastidor

Figura 3. Torno paralelo

Bancada o bastidor: es el órgano resistente principal del torno, soporta los restantes elementos de la máquina y su parte inferior está cimentada o apoyada en el suelo del taller. Debe poseer grandes dimensiones a fin de ofrecer una elevada rigidez estática y dinámica. Suele ser de fundición (aunque en ocasiones se construye de acero soldado), aligerado de material en su interior y reforzado con riostras y nervaduras. Después de su construcción global y antes del mecanizado de las guías, soportes de guías, asientos de cojinetes, etc., debe ser tratada térmicamente la bancada a fin de eliminar tensiones srcinadas en su conformado (fundición y/o soldadura). En su parte superior se disponen las guías que pueden ser parte de la bancada o postizas, sobre estas guías desliza el carro portaherramientas y el contrapunto. Cabezal y contrapunto: denominados también cabezal fijo y móvil, respectivamente. Su función principal es el posicionamiento y fijación de la pieza, y la aplicación del movimiento principal. El cabezal incluye el husillo que es el eje de accionamiento principal y tiene forma hueca a fin de poder alimentar al torno con material en barra. El extremo anterior del husillo está roscado para el montaje del plato portapiezas (generalmente plato de garras autocentrante o un plato con punto y tetón para el perro de arrastre). El contrapunto soporta el punto fijo o giratorio para la sujeción del extremo de la pieza opuesto al cogido en el cabezal y es desplazable longitudinalmente sobre las guías de la bancada. Carro portaherramientas: es el órgano que soporta y aplica los movimientos de avance a la herramienta (avance longitudinal o avance transversal). Se acciona mediante el husillo de cilindrar o el de roscar. Motor y transmisión: son los elementos para la selección de velocidad.

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Dispositivos auxiliares: de lubricación de la máquina y de aplicación del fluido Además del torno horizontal cabe mencionar los siguientes tipos de tornos: vertical, al aire, torno, copiador, revólver, automático por levas, automático multihusillo, de control numérico. El torno vertical recibe tal denominación por ser vertical el husillo del movimiento principal y, por tanto, vertical el eje de la pieza que se mecaniza. Los restantes órganos de este tipo de máquina se adaptan a esta condición definitoria. Este torno surgió con el fin de posibilitar el mecanizado de piezas de gran diámetro, poca longitud y peso considerable, tales como volantes, ruedas y coronas de gran diámetro. La carga y descarga de la pieza, así como su fijación y centraje correcto se realizan en este torno con una mayor rapidez y seguridad que en tornos de disposición horizontal. Además, es más rígido en el caso de piezas de masa muy elevada; esto en ocasiones se ve mejorado por el hecho de ir el cabezal enterrado y cimentado adecuadamente. La parte del bastidor que soporta el carro portaherramientas puede ser de columna o de pórtico y puede no tener una unidad estructural directa con el cabezal y accionamiento principal. A fin de evitar manipulaciones con piezas de gran tamaño y peso suele disponer, como accesorio, de cabezales autónomos, esto es, con motor de accionamiento incorporado, de taladrar y de rectificar. Para el mecanizado de piezas de gran diámetro, poca altura y masa no excesiva se emplea el torno de aire; de husillo horizontal, gran escote y bancada para soporte del portaherramientas muy baja y separada de la bancada del cabezal y accionamiento principal. Su empleo está disminuyendo, siendo sustituido por tornos verticales. Herramientas Las herramientas de torno con plaquita de fijación mecánica constan de los componentes básicos: el portaherramientas (también denominado mango) y la plaquita. La plaquita suele ser de metal duro (con o sin recubrimiento) o de cerámica. Existen designaciones normalizadas para los mangos y las plaquitas de fijación mecánica. Portaherramientas o mango

Plaquita

Figura 4. Herramienta de torneado El código de designación de las plaquitas consta, según las normas UNE 16113:1975, de 7 símbolos obligatorios, 2 opcionales y 1 símbolo adicional opcional.


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Figura 5. Código de designación de las plaquitas,

4. Fresado El nombre genérico de fresado se emplea para designar el conjunto de operaciones de mecanizado que pueden efectuarse en una máquina-herramienta denominada fresadora. Es, junto con el torneado, uno de los procesos de mecanizado más empleado. En él, el movimiento principal es de rotación y lo lleva la herramienta o fresa. Los movimientos de avance y penetración son generalmente rectilíneos, pudiendo llevarlos la herramienta o la pieza según el tipo de máquinaherramienta y la operación realizada. El fresado permite mecanizar superficies planas, ranuras, engranajes e incluso superficies curvas o alabeadas. La máquina-herramienta específicamente concebida para la realización de procesos de fresado es la fresadora; caracterizada por el hecho de que el movimiento principal es giratorio y lo materializa la herramienta o fresa. Sin embargo, existen máquinas tales como las mandrinadoras que son una familia específica de taladradoras de husillo horizontal y que inicialmente fueron diseñadas para el mandrinado (cilindrado interior con herramienta monofilo) de piezas grandes, como los cilindros de máquinas de vapor, con una asignación de movimientos contraria a la existente en el mandrinado en torno, esto es, el movimiento principal giratorio lo posee la herramienta y los avances longitudinal y transversal los efectúa la pieza. Ahora bien, estas máquinas mandrinadoras poseen otros dos grados de libertad, al menos, que son el desplazamiento hacia arriba y abajo del husillo paralelamente a sí mismo y el desplazamiento del husillo a lo largo de su eje sin perder el accionamiento, al igual que se tiene en las taladradoras convencionales. Los principales tipos de fresadoras son: horizontal, universal, vertical, de bancada fija o de planear, pórtico de bancada fija, copiadora, programable (por topes o por matrices) y de control numérico (centro de mecanizado). La fresadora horizontal o paralela recibe este nombre por tener el husillo paralelo respecto a la mesa portapiezas, la cuál puede moverse según tres direcciones perpendiculares entre sí. La herramienta


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más empleada en este tipo de máquinas es la fresa cilíndrica. Los elementos principales de una fresadora horizontal son los señalados en la figura y que se detallan a continuación:

Figura 6. Fresadora horizontal A: Cuerpo de la fresadora que soporta al husillo de fresar dispuesto horizontalmente, el motor y los mecanismos de los movimientos principal y de avance. B: Husillo de fresar. C: Árbol portafresas que recibe el movimiento del husillo. D: Brazo superior, que da rigidez al árbol portafresas. E: Mesa de consola que puede deslizar verticalmente a lo largo de la guía F. F: Guía. G: Tornillo para el movimiento vertical de la mesa. H: Árbol con tambor graduado para mediante el tornillo G, mover la ménsula verticalmente. I: Carro transversal. L: Guías del carro transversal. M: Volante con tambor graduado para los desplazamientos del carro transversal. N: Mesa porta piezas. O: Árbol Caja del cambio decon velocidades para el movimiento P: telescópico doble articulación cardan. automático de avance de la mesa de fresar. Q: Volante para el mando normal del movimiento de avance. R: Fresa. Cabe mencionar también la fresadora universal similar a la horizontal pero equipada con una mesa que puede girar dentro de su plano horizontal alrededor de un eje vertical, con lo que la pieza puede tomar posiciones angulares con respecto del eje del husillo de fresar lo que posibilita la ejecución de trabajos más diversos que con la fresadora horizontal, como por ejemplo, el fresado de ranuras helicoidales en cuerpos cilíndricos. Herramientas Las herramientas de corte se denominan fresas. Van provistas de varios filos que operan con movimiento giratorio. A continuación se van a exponer las principales características de las fresas y

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la clasificación de las mismas, tal como se contempla en la norma UNE 16224:1981 sobre Terminología de las fresas. Las fresas cuentan con cuerpo y con sistema de fijación y arrastre. Atendiendo a su construcción el cuerpo de las fresas puede ser: enterizo, con plaquitas soldadas, con plaquitas intercambiables de fijación mecánica, con cuchillas enterizas intercambiables y con cuchillas intercambiables de plaquitas soldadas. En el cuerpo de las fresas cabe considerar las siguientes características: tipos de dentado, forma de los dientes, forma de las aristas de corte, paso del dentado y sentido del corte. A continuación se indican las posibilidades que, para cada una de estas características, recoge la normativa considerada. Tipo de dentado

Forma de los dientes Triangular

Recto

En arco

Helicoidal a derechas

En arco con bisel Helicoidal a izquierdas Fresado y afilado Helicoidal alterno

De perfil constante

Paso del dentado

Sentido de corte Corte a derechas (movimient en el sentido de las agujas de reloj para un observador situado en el lado de arrastre

Regular o uniforme

Corte a izquierdas (movimiento sentido contrario al de en laselagujas del reloj para un observador situado en el lado de arrastre

Irregular

Forma de las aristas de corte Lisa Interrumpida Ondulada

Figura 7. diferentes clasificaciones de las fresas

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Por su parte, el sistema de fijación y arrastre puede basarse en la existencia de mango o de agujeros, teniéndose para ambos casos las siguientes variantes: Con mango

Con agujero Cilíndrico liso

Agujero liso

Cilíndrico con plano de arrastre

Agujero con agujeros de arrastre

Cilíndrico con rosca

Agujero con chavetero

Cono Morse con agujero roscado

Agujero con ranura transversal

Cono Morse con agujero roscado y plano de arrastre

Agujero con montaje directo sobre nariz de husillo

Cono Morse con lengüeta de arrastre

Agujero para centrar con rosca

Cono Morse con y lengüeta de arrastre chaveta

Agujero cónico

Cono ISO con agujero roscado

Figura 8. Principales tipos de fijación y arrastre de las fresas Utillajes de fresado Los dos tipos de utillaje más empleados en operaciones de fresado son los aparatos divisores y los conos de acoplamiento herramienta/máquina-herramienta. Los aparatos divisores constituyen uno de los principales accesorios de las fresadoras ya que en muchas operaciones de fresado interesa que, después de haberse mecanizado una cara de una pieza, esta pueda ser girada una cierta fracción de vuelta con el fin de que pueda fresarse a continuación una nueva cara de la pieza. Según el mecanismo que imprime la rotación a la pieza los aparatos divisores se clasifican en aparatos de división: directa, indirecta y diferencial. Como ejemplo, en la siguiente figura puede verse un aparato de división directa. Este tipo de aparatos consta de un disco provisto de una serie de entallas en su periferia, que gira solidario con la pieza. Las entallas son equidistantes. En este caso se ha representado un disco con 24 entallas que permite la división según las siguientes fracciones de vuelta: 24, 12, 8, 6, 4, 3 y 2 con lo que se cubren las posibilidades más usuales. Además, el disco es desmontable y se puede intercambiar con otro que posea en cada caso el número de entallas deseado.

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Figura 9. Aparato de división directa. El otro tipo de utillajes más ampliamente extendido en el fresado son los conos de acoplamiento herramienta/máquina-herramienta. Las conicidades empleadas en el acoplamiento de herramientas giratorias (fresas y brocas, principalmente) al husillo de la máquina-herramienta son: cono Morse, cono ISO 7/24 y cono Jacobs. En todas ellos la conicidad en tanto por ciento viene definida por: %Conicidad

=

Dmayor

−

Dmenor

L

⋅

100

La conicidad tipo Morse tiene 7 números normalizados (del 0 al 6) y se define por un valor del diámetro coincidente con la mayor sección del cono o con una sección próxima a ella; a continuación se indican los valores de los conos Morse: Tabla 2. Valores de los conos tipo Morse. Cono Morse 0 1 2 -3-4-5-6-

Diámetro de referencia (mm) 9.040 12.065 17.780 23.825 31.267 44.399 63.348

Conicidad (%) 5.20 4.98 4.99 5.02 5.19 5.26 5.21

La conicidad ISO o 7/24 tiene 10 tamaños designados, de menor a mayor, por los números: 30, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 y 80. A diferencia de los conos Morse cuya conicidad es variable aunque en las proximidades del 5%, los conos 7/24 tienen todos la misma conicidad, de valor 7/24 lo que corresponde a un 29,16% de conicidad. Como puede apreciarse esta es más pronunciada que en el tipo Morse. En la actualidad se tiende al empleo de conicidad 7/24 en las máquinas-herramienta de nuevo diseño, entre ellas, en las de control numérico, principalmente en los centros de mecanizado por disponer de cambiador automático de herramientas. A continuación se facilitan los valores de estos conos: Tabla 3. Valores de los conos tipo ISO. Cono ISO -30-4045 -5055 -6065 70 75 80

Diámetro referencia (mm) 31.750 44.450 57.150 69.850 88.900 107.950 133.350 165.100 203.200 254.000

Conicidad 7/24 7/24 7/24 7/24 7/24 7/24 7/24 7/24 7/24 7/24

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La conicidad Jacobs, de empleo casi exclusivo en acoplamientos para portabrocas, es un sistema de conicidad variable cuyos tamaños son: Tabla 4. Valores de los conos tipo Jacobs. Cono Jacobs Diámetro referencia (mm) 0 6.350 1 8.469 2 corto 13.940 2 14.199 33 15.850 6 17.170 3 20.599 (4)* 28.550 (5)* 35.890 * Los valores entre paréntesis deben evitarse en lo posible

Conicidad (%) 4.929 7.709 8.155 8.155 6.350 5.191 5.325 5.240 5.183

El portaherramientas deberá tener el mango con conicidad igual a la del husillo de la máquina y con idéntico número; en caso de no ser así, existen casquillos de adaptación entre distintos tamaños de un mismo tipo de conicidad así como adaptadores 7/24-Morse. Los números de los conos Morse e ISO que están entre guiones son los que corresponden a los tamaños más empleados en husillos de fresadoras, mandrinadoras y taladradoras. A continuación se facilitan los croquis porta-fresas de arrastre por tetones, con mango cónico 7/24 y Morse según las normas UNE.

Figura 10. Eje porta-fresas de arrastre por tetones con mango cónico 7/24.

Figura 11. Eje porta-fresas de arrastre por tetones con mango cono Morse.


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5. Taladrado El taladrado o mecanizado de agujeros tiene lugar, preferentemente, en máquinas taladradoras y está caracterizado por el hecho de ser la herramienta la que lleva el movimiento principal (de giro) y el de avance. Las máquinas taladradoras pueden clasificarse, según la posición del husillo, en horizontales (mandrinadora y taladradora para agujeros profundos) y verticales y, según su accionamiento de avance, en manuales y con avance automático. Las más usuales son las verticales y admiten la siguiente división: de columna o montante; de sobremesa; de bandera o radial; de herramientas múltiples monohusillo, revolver o de torreta; de husillo múltiple y de precisión o máquina punteadora La taladradora de columna tiene el armazón en forma de columna (C) empotrada en su parte inferior en una placa de base (B) sobre la que pueden sujetarse las piezas grandes por medio de las ranuras en (T) que posee dicha base. Para soportar piezas de tamaño medio y pequeño, existe además la mesa de trabajo (M), que suele poder girar alrededor de la columna y también desplazarse en altura.

Figura 12. Taladradora vertical de columna. El husillo portaútil (H) es accionado por el motor (N) mediante un mecanismo sin escalonamiento o a través de una caja de cambios constituida por ruedas dentadas. El movimiento de avance puede ser obtenido tanto manual como automáticamente, ya que en la taladradora de columna, se dispone de ambas opciones. El funcionamiento de su mecanismo es el siguiente:


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Figura 13. Mecanismo de avance de una taladradora vertical. Al girar el piñón (O), que engrana con la cremallera (P), se confiere un movimiento rectilíneo al manguito o pínola (Q) y, por tanto, al husillo (C) solidario con él. Se impide que el manguito gire conjuntamente con el husillo mediante el tornillo prisionero (R) fijado al cabezal (T). Se puede observar que el extremo superior del husillo va acanalado con el fin de no perder el accionamiento principal al descender el husillo en el avance. Cabe mencionar también la taladradora radial, la mandrinadora o taladradora horizontal y la punteadora. La taladradora radial se emplea en el taladrado de piezas voluminosas y que, además, puede efectuar fresados, roscados y refrentados. Cuenta con un cabezal motor dispuesto de manera que pueda deslizar a lo largo de un brazo horizontal que gira alrededor de una columna y que puede también desplazarse verticalmente. La mandrinadora se caracteriza por la disposición horizontal del husillo principal y por ser el cabezal desplazable verticalmente. Dicho husillo, al igual que en el resto de las taladradoras, dispone de un movimiento principal de rotación y de un movimiento rectilíneo en la dirección de su eje. La punteadora sirve para efectuar taladros con una precisión muy grande. A veces, además de requerirse agujeros con forma cilíndrica exacta que tengan pequeñas tolerancias en el diámetro, suele ser además necesaria una posición exacta del taladro, la mayoría de las veces perpendicular a una superficie determinada y a una cierta distancia de un plano de referencia dado o del eje de otro taladro. Estos requisitos sólo pueden cumplirse con punteadoras de precisión, las cuáles tienen que tener una gran rigidez y un cuidadoso ajuste y acabado. Deben ir provistas de dispositivos ópticos y electrónicos que les permitan conseguir el posicionamiento de la pieza con gran precisión. Herramientas Para el taladrado la herramienta es ladebroca, cuya configuración o broca helicoidal fue inicialmente diseñada por Morse.usual Este tipo herramienta consta de lasbásica siguientes partes:   

Mango aproximadamente cilíndrico con dos ranuras helicoidales profundas y opuestas entre sí. Parte activa en las proximidades de la punta de la herramienta, constituida por filos de corte. Mango cilíndrico o cónico con, opcionalmente, una lengüeta de arrastre.

La geometría de la parte activa y, en general, de todo el cuerpo de la broca es de importancia decisiva en el proceso de corte. Sus elementos característicos son los indicados en la siguiente figura.


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Figura 14. Geometría típica de una broca Según puede apreciarse en ella, el arranque lo efectúan las aristas de corte (A), el filo o arista transversal (B) que une los extremos de las aristas de corte no arranca material, sino que comprime el material del centro del agujero provocando una indentación cuyos resaltes laterales se sitúan frente a los filos de corte. La designación usual de los restantes elementos de la broca se facilitan a continuación: α: ángulo de incidencia β: ángulo de filo γ: ángulo de desprendimiento ψ: ángulo de la punta ϕ: ángulo del filo transversal

C: cara de incidencia D: faja de guía o labio E: cara de desprendimiento F: núcleo, es la parte central de la broca desde la punta al inicio del mango En las brocas helicoidales, el espesor del núcleo va aumentando ligeramente a medida que se va acercando al mango; por el contrario, la superficie circunscrita al cuerpo de la broca tiene una pequeña conicidad (del orden del 1:100 en diámetro) con vértice hacia el lado del mango. La geometría del cuerpo de las brocas varía sensiblemente según el material a taladrar. En la siguiente figura se presentan algunos típicos.


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Figura 15. Geometrías típicas del cuerpo de las brocas Una mayor descripción de los elementos constituyentes de las brocas se tiene en las normas UNE 16121:1967 Brocas helicoidales. Definiciones y clasificación, UNE 16122:1985 Brocas helicoidales con mango cilíndrico. Serie extra-corta, UNE 16123:1985 Brocas helicoidales con mango cilíndrico. Serie corta, UNE 16124:1967 Brocas helicoidales. Mango cilíndrico. Serie larga y UNE 16125:1985 Brocas helicoidales con mango cónico morse normal.

6. Rectificado Introducción Los abrasivos son unos materiales de gran dureza que, en forma de granos sueltos o aglomerados, se emplean para la limpieza o conformación de toda clase de materiales. La forma más habitual de trabajar es frotar la superficie de la pieza con ellos o proyectarlos en forma de chorro sobre la misma. De este modo, los diminutos cristales que los forman arrancan partículas del material. Estas partículas se diferencian de las virutas, vistas anteriormente al exponer los procesos de mecanizado por arranque de viruta, en que no tienen forma definida y son de tamaño mucho más pequeño (del orden de 0,001 mm). Los abrasivos se pueden clasificar en dos grandes grupos: naturales y artificiales. Los primeros se utilizan tal como se encuentran en la naturaleza dándoles la forma adecuada. Por ejemplo: corindón (70-75% óxido de Al), esmeril (50-65% óxido de Al), cuarzo (SiO2) y diamante. Los segundos se obtienen sintéticamente. Por ejemplo: corindón artificial (alundum), carburo de silicio (carborundum) y carburo bórico. Sus principales aplicaciones son: 





Chorros de arena. Tienen gran aplicación en la industria para la limpieza y preparación de piezas metálicas. Se proyecta sobre la pieza arena, arrastrada desde un depósito por aire a gran presión. Lijas. El abrasivo en polvo se adhiere sobre papel (lijado de madera y materiales blandos) o sobre telas (lijado de metales). Muelas. Están formadas por materiales abrasivos cuyos filos son los granos de éstos que actúan al girar la muela generalmente a gran velocidad. Se utilizan para desbastar, afilar herramientas, rectificar y tronzar.

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Las máquinas más comúnmente empleadas en el mecanizado con abrasivos se han recogido en la siguiente tabla. De ellas, las que se van a estudiar con más detalle son las rectificadoras. Tabla 5. Máquinas empleadas en el mecanizado de abrasivos.

Máquina Esmeriladoras Afiladora Rectificadora Plana Sin centros Cilíndricas Especiales Lapeadoras Pulidoras Bruñidoras

Tipo de proceso Desbaste (sin precisión) Afilado (relativa precisión) Afinado (alta precisión)

Acabado Acabado Acabado

El rectificado es un proceso de fabricación perteneciente al grupo de los procesos de mecanizado con abrasivos empleado en el acabado de piezas de alta precisión o afinado. Se lleva a cabo en las máquinas-herramienta conocidas como rectificadoras. Las piezas obtenidas por rectificado son de formas muy diversas ya que estos procesos se emplean para lograr que piezas mecanizadas en otras máquinas-herramienta alcancen las medidas exactas especificadas en el de plano y, por lo tanto, admitirán los distintos tipos de piezas obtenidos en los diferentes procesos mecanizado. Las rectificadoras son máquinas-herramientas de alta precisión. Presentan dos características básicas que las diferencian de las demás que son: 



Una gran desproporción entre el tamaño de la pieza y la máquina, debido a la necesidad de evitar totalmente las vibraciones para conseguir las precisiones requeridas. Los esfuerzos de corte son muy inferiores a los del resto de las máquinas. Sus órganos se calculan para resistir las altas velocidades a que se someten (pueden superarse las 10000 rpm).

Las rectificadoras más comúnmente empleadas son lasrectificadoras cilíndricas de exterioresy las de interiores. Las primeras se destinan al rectificado de superficies exteriores de revolución. Los elementosfigura: constitutivos de una rectificadora cilíndrica para exteriores son, como se muestra en la siguiente


18

Figura 16. Rectificadora cilíndrica de exteriores. A: B: C: D:

Bancada. Mesa portapiezas, deslizable longitudinalmente sobre guías. Cabezal portapiezas que sujeta y da movimiento de giro a la pieza Cabezal portamuelas que contiene el husillo y los órganos que transmiten el movimiento. El cabezal está montado sobre el carro portamuelas que desliza sobre guías, transversalmente a la bancada.

E: F: G: H: I: L: M: N: O: P: Q: R:

Contrapunto o cabezal móvil. Muela. Protección de la muela Grifos de refrigerante Manivela para el movimiento longitudinal de la mesa. Palanca de mando. Inversor del movimiento de la mesa. Topes para la inversión del movimiento de la mesa. Cuadro de mando para los motores. Manivela de mando. Palanca para el desplazamiento rápido automático del carro portamuelas. Regulador de la velocidad de la mesa.

Los movimientos de trabajo son:   

Movimiento de corte por rotación rápida de la muela y lenta de la pieza en el mismo sentido. Movimiento de avance por desplazamiento alternativo de la pieza o de la muela. Movimiento de penetración por desplazamiento transversal de la muela.

Figura 17. Movimientos relativos entre muela y pieza en el rectificado cilíndrico de exteriores.


19

Por su parte, las rectificadora cilíndrica de interiores se emplean para rectificar superficies cilíndricas interiores (agujeros) y superficies planas en las extremidades de las piezas. En este caso, los movimientos relativos entre pieza y herramienta son:   

Movimiento de corte por rotación rápida de la muela y lenta de la pieza sentido contrario. Movimiento de avance por desplazamiento alternativo de la pieza o de la muela. Movimiento de penetración por desplazamiento transversal de la muela.

Figura 18. Movimientos relativos entre muela y pieza en el rectificado cilíndrico de interiores. Otras rectificadoras ampliamente empleadas en la industria son: larectificadora cilíndrica universal y la rectificadora sin centros. La rectificadora cilíndrica universal presenta una gran versatilidad ya que puede equiparse con accesorios que le permiten realizar tanto rectificados planos como cilíndricos, exteriores e interiores, afilado de herramientas entre otros. La rectificadora sin centros utiliza dos muelas girando en el mismo sentido de rotación pero con velocidades periféricas diferentes. efecto deun frenado que efectúa la giro ruedao avance que giracilíndrico. más despacio, denominadaComo muelaconsecuencia de avance, ladel pieza recibe movimiento lento de

Figura 19. Rectificado sin centro. Herramientas Como ya se ha avanzado anteriormente, las herramientas empleadas en las operaciones de rectificado se denominan muelas. Estas herramientas están constituidas por materiales abrasivos. Atendiendo al srcen de éstos, pueden clasificarse en: muelas naturales y artificiales. Las muelas naturales son piedras que se encuentran en la naturaleza a las que se les da forma de disco o rueda. Suelen utilizarse en el afilado de herramientas. Las muelas artificiales son las que más se utilizan en la industria. Estas se fabrican con arreglo a las necesidades específicas de su aplicación. Existen sistemas normalizados de designación del tipo de abrasivo empleado en la fabricación de una muela. Como ejemplo, se va a mostrar el sistema ISO de codificación. En dicho sistema cada abrasivo es representado por siete símbolos. El primero de ellos es un número de dos cifras que corresponde al símbolo del fabricante para indicar el tipo exacto de abrasivo, el último es el registro de identificación del fabricante y los cinco intermedios que hacen referencia a otros tantos parámetros de la muela como son:

20


1. La naturaleza del abrasivo: generalmente son artificiales. Poseen una nomenclatura reducida en las normas ISO en forma de una letra mayúscula. Los más importantes son: corindón artificial (A) y carborundum (C). 2. El tamaño de grano del abrasivo: la granulación es decisiva para la calidad del acabado superficial. Cuanto más pequeño sea el grano mejor acabado puede obtenerse sobre todo de altas velocidades de trabajo.

Figura 20. Tamaños de granos de abrasivos y tamices. El tamaño de los granos se denota con números que corresponden a la cantidad de agujeros por pulgada de longitud que posee la última criba a través de cuyas mallas pasan dichos granos, es decir, un número pequeño corresponde a grano grueso y un número grande a grano fino. Tabla 6. Clasificación de los granos de abrasivo en función de su tamaño. Grueso Medio

8

10 12 14 15 20 30 36 46 54 60

24

Fino 70 80 90 100 120 150 180 Muy fino 220 240 280 320 400 500 600 3. El grado de dureza de la muela: esta es una magnitud que tiende a expresar la resistencia media que opone cada grano a ser arrancado del aglomerante. Se indica con una letra mayúscula atendiendo a la siguiente escala mostrada en la siguiente tabla. Tabla 7. Designación de los granos de abrasivo en función de su grado de dureza. Muyblanda Blanda Media Dura

A F K P

B G L Q

C D E H I J M N O R S

Muy dura Extradura

TX UY VZ W

En la selección de las muelas hay que tener presente que para materiales duros (blandos) debe emplearse, por lo general, muelas blandas (duras). 4. La estructura o grado de porosidad de la muela: el volumen total de poros en las muelas oscila entre el 50 y el 75 % del volumen de la muela. El tamaño de los poros suele ser del mismo orden que el tamaño del grano, aunque a veces es mayor. Las muelas altamente porosas se dice que tienen una estructura abierta. En ellas se facilita la eliminación de la viruta y tienden a comportarse como blandas. Por el contrario, las muelas con mayor grado de compactación se las denomina de estructura cerrada. Eliminan peor las partículas arrancadas y se comportan como las muelas duras.

21


a) b) Figura.35. Estructura: a) cerrada; b) abierta Las distintas estructuras se designan en el sistema ISO con un número del cero al catorce como muestra la siguiente tabla. Tabla 8. Designación de las muelas en función de su estructura Cerrada 0 1 2 3 4 5 6 Media 7 8 Abierta 9 10 11 12 13 14 5. La naturaleza del aglomerante: en la fabricación de muelas se usan principalmente seis tipos de aglomerantes o aglutinantes: vitrificado, silicado, goma, laca, resinoide, caucho y metálico. Los aglomerantes vitrificados se obtienen mediante la fusión de materiales cerámicos principalmente arcillas y feldespatos. Los de silicato constan esencialmente de silicato de sodio endurecido mediante horneado. En este caso, muela se comporta como fuera más blanda quefuertes en el caso de aglomerantes vitrificados. Los la aglomerantes resinoides son sicompuestos plásticos pero flexibles y se emplean en la fabricación de gran tamaño. Los de caucho son caucho vulcanizado duro y se usan en la manufactura de muelas delgadas y flexibles. Los aglutinantes de goma laca se usan en muelas empleadas en la producción de acabados lisos sobre superficies duras y los metálicos se usan en muelas con abrasivos de diamante. La designación de las muelas en función del tipo de aglomerante se ha recogido en la siguiente tabla. Tabla 9. Designación de las muelas en función del tipo de aglomerante Aglomerante Designación Vitrificado V De silicato S De caucho R De caucho reforzado con tejido Resinoide Resinoide reforzado con tejido De goma laca De óxido de magnesio

RF B BF E Mg

Como ejemplo para la designación de una muela dentro del sistema ISO que se acaba de describir se tiene el siguiente cuadro:

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Tabla 10. Designación de las muelas. 51A30P9 V K4 Identificación del fabricante Aglomerante vitrificado Estructura o grado de porosidad Grado de dureza Tamaño de grano Naturaleza de abrasivo Símbolo del fabricante Además de los parámetros vistos,dehay más suelen que son: las dimensiones forma de el lasdiámetro muelas. Las dimensiones características las dos muelas venir expresadas eny la mm y son: exterior de la muela (D), el espesor de la muela (S) y el diámetro del agujero (d). A estas dimensiones fundamentales pueden añadirse otras tales como el diámetro del rebaje (D1) o la profundidad del rebaje (P), como el ejemplo mostrado en la figura.

Figura 21. Dimensiones de las muelas La forma de las muelas depende del mecanizado a que se las destina y de la morfología de la pieza a mecanizar. Las formas de la muela más empleadas son las siguientes

Plana de disco

De plato

De copa recta o vaso

De disco biselado Figura 22. Distintas formas de muela.

De copa cónica

Cilíndrica


23

Criterios para la selección de las muelas Para la elección correcta de una muela conviene seguir las siguientes indicaciones en cuanto a: 









Naturaleza del abrasivo. El corindón es adecuado para trabajar con aceros al carbono, aceros aleados, tierra dulce y aceros rápidos. El carburo de silicio para trabajar con fundición, latón, bronce y carburos metálicos. El diamante para carburos metálicos especiales, como la widia, y para piezas con grandes exigencias de acabado. Tamaño de grano del abrasivo. La granulación deberá ser tanto mayor cuanto más blando y dúctil sea el material a mecanizar y tanto más fino se desee el acabado superficial de la pieza Grado de dureza de la muela. Tiene que ser tanto mayor cuanto más blando sea el material a mecanizar y viceversa. Además, deberá ser tanto menor cuanto mayor es la superficie de contacto entre la muela y la pieza y viceversa. Por otra parte, cuanto mayor es la velocidad de la muela, ésta se comporta como si fuera más dura y si se disminuye como si fuese más blanda. Estructura de la muela. Cuando hay una superficie de contacto grande entre la muela y la pieza es aconsejable utilizar una estructura abierta. La muela debe elegirse tanto más porosa cuanto más blando sea el material a mecanizar ya que los materiales blandos tienden a embotar la muela. Además, cuanto más elevado deba ser el grado de acabado de la pieza, mayor habrá de ser la porosidad de la muela. Naturaleza El aglomerante elegirá elástico en muelas a esfuerzos especiales del y aaglomerante. cargas intermitentes. Para se velocidades inferiores a 32 sometidas m/s las muelas más adecuadas son las de aglomerante vitrificado. Para velocidades superiores a 32 m/s suelen usarse aglomerantes resinoides hasta velocidades periféricas de 80 m/s. Para altos grados de acabado, las muelas a emplear son las de aglomerante resinoide.

7. Otros procesos de mecanizado por arranque de viruta Limado Este proceso es empleado, básicamente, en el mecanizado de superficies planas. El movimiento de corte rectilíneo alternativo, realizado por la pieza o la herramienta, comprende una carrera activa de ida durante la cuál tiene lugar el arranque de viruta y otra carrera de retorno, pasiva y en vacío. La máquina-herramienta se denomina limadora. Los movimientos fundamentales que se realizan en ella son:   

Movimiento de corte Mc, producido por desplazamiento longitudinal de la herramienta Movimiento de avance Ma, realizado por desplazamiento transversal de la pieza Movimiento de penetraciónMp, ejecutado mediante desplazamiento vertical de la herramienta

Figura 23. Movimientos fundamentales de una limadora

24


Los elementos fundamentales de una limadora son: A: Bastidor o bancada B: Motor C: Cambio de velocidades D: Palancas de cambio de velocidades E: Carnero F: Guías de deslizamiento G: Portaherramientas H: Tambor graduado para la inclinación del portaherramientas I: Limitador de la carrera de trabajo K: Manivela para regular la altura de la herramienta L: Carro vertical M: Guías verticales para L N: Mesa portapiezas O: Guías horizontales para N Q: Soporte para N S: Guías para regular altura de N

Figura 24. Limadora Durante la carrera de trabajo, el esfuerzo que soporta la herramienta al arrancar el material obliga a la placa oscilante (D), donde va el perno que aloja a la herramienta a permanecer apoyada contra la placa (F). Durante la carrera de retorno en vacío del carro, la herramienta roza contra la superficie recién mecanizada de forma que la placa (D) tiende a girar levantando la herramienta

a) b) Figura 25. Carreras de la herramienta en una limadora: a) durante el trabajo; b) durante el retorno


25

Los trabajos más corrientes de limado son los siguientes: 

Planeado o aplanado. Es el más usual y su misión es mecanizar superficies planas. Según la posición que adopte la superficie que se trabaja con respecto al plano de la mesa, se clasifican en planeado: −

−

−









Horizontal. La pieza se sujeta a la mesa y se ajustan el recorrido de la herramienta y la profundidad de corte. El avance, que se desplazando la mesa, puede ser manual o automático. Vertical. El avance se hace a mano desplazando verticalmente el carro portaherramientas que debe colocarse con la inclinación adecuada para que pueda levantarse la herramienta durante el retroceso y no deteriore la superficie que se estámecanizando. Inclinado. Se da al portaherramientas la inclinación adecuada y se comunica el avance a mano.

Mecanizado de superficies cilíndricas. Estas, a su vez, pueden ser: cóncavas o convexas. Las cóncavas se mecanizan girando al portaherramientas para conseguir el avance circular mientras que, en las convexas, es la pieza la que sufre al final de la carrera de retrocesos un pequeño movimiento de rotación cuyo arco equivale al avance. Mecanizado de superficies cónicas. Se ejecuta como en el caso anterior salvo que ahora hay que colocar la pieza de forma que su eje quede inclinado el ángulo correspondiente a la conicidad deseada. De esta forma la trayectoria de corte de la herramienta coincide con la generatriz del cono. Mecanizado ranuras. Se consigue con herramientas de forma adecuada según el tipo de ranura que se desee de obtener. Mecanizado de superficies con un perfil determinado. Se consiguen combinando manualmente y de forma adecuada tanto el avance como el desplazamiento del portaherramientas en sentido vertical o inclinado.

Cepillado La obtención de superficies planas en las limadoras está limitada a las piezas de pequeñas dimensiones (recorrido máximo de la herramienta 1000 mm) puesto que, si son elevadas, al final del recorrido del carro o carnero este sobresale mucho de sus guías y trabaja en muy malas condiciones por la flexión que experimenta. Además, la mesa portapiezas no suele tener dimensiones muy grandes. Por bancadas estos motivos, para mecanizar superficies en piezas de grandes dimensiones tales como de máquinas-herramienta, mármolesplanas de trazar o bloques de motores marinos se emplean cepillos. Su trabajo es muy similar al de las limadoras de las que se diferencian en la disposición de los movimientos principales en la siguiente forma.   

Movimiento de corte Mc, es producido por desplazamiento longitudinal de la pieza Movimiento de avance Ma, realizado por desplazamiento transversal de la herramienta Movimiento de penetraciónMp, ejecutado mediante desplazamiento vertical de la herramienta

Figura 26. Movimientos del cepillo


26

La figura muestra un tipo usual de cepillo de tamaño medio (longitud de la mesa, l=3 m). En ella podemos distinguir los siguientes elementos:

Figura 27. Cepillo A: Bancada. B: Guías horizontales para el deslizamiento de la mesa portapiezas. C: Mesa portapiezas. D: Montante doble con traviesa superior, donde se disponen las guías verticales opara el deslizamiento del puente portaherramientas. E: Puente portaherramientas. F: portaherramientas desplazamiento horizontal. G: Cabezales Vástago para el movimientocon de avance. H: Tambor graduado para la inclinación del portaherramientas. I, L : Topes para la regulación de la carrera de la mesa. M: Palanca para la inversión automática del movimiento de la mesa. Mortajado o limado vertical El mortajado es similar al limado. Se diferencian en que el movimiento de la herramienta de corte es vertical. Por lo general, el mortajado se emplea para el mecanizado lineal en el interior de agujeros (ranuras para chavetas, dentados interiores o aberturas de forma poligonal por citar sólo algunos). Su aplicación es para trabajos en series reducidas pues para grandes series resultan mucho más económicas el brochado.Los movimientos de trabajo son los siguientes:   

Movimiento de corteMc, producido por desplazamiento longitudinal y vertical de la herramienta. Movimiento de avanceMa, realizado por desplazamiento transversal o circular de la pieza. Movimiento de penetraciónMp, es realizado por el desplazamiento longitudinal o axial de la pieza.

Figura 28. Movimientos del mortajado.


27

Los elementos fundamentales de una mortajadora como la mostrada en la siguiente figura son: Bastidor de fundición con dos guías en la parte superior para facilitar el desplazamiento del cabezal y otras en la parte inferior para el movimiento de la mesa. Cabezal portaherramientas que puede inclinarse mediante giro en un plato vertical y al que se le imprime un movimiento rectilíneo alternativo mediante un mecanismo de biela-manivela o de brazo oscilante como en las limadoras. Este último permite la regulación de la posición inicial y final de la herramienta y la carrera de trabajo así como la obtención de una velocidad de retroceso más rápida que la de trabajo. Mesa portapiezas, capaz de deslizarse longitudinalmente y transversalmente sobre un carro. El cuál, a su vez, puede desplazarse verticalmente y regular la altura. En la mayoría de las mortajadoras la mesa portaherramientas es giratoria y puede accionarse mediante un aparato divisor con lo que se obtienen giros precisos.

Figura 29. Mortajadora. Brochado El brochado es un oprocedimiento que consiste en el arranque lineal progresivo de llamada viruta debrocha. una superficie exterior interior, mediante una herramienta especial, de ymuchos dientes En el brochado solamente se tiene el movimiento rectilíneo de corte, ya sea por empuje o por tracción. El movimiento de corte puede ser horizontal o vertical según la máquina empleada. Entre las principales ventajas del brochado cabe destacar que permite obtener superficies con un perfil muy complejo con calidades de mecanizado ISO 6 ó 7. Además, el tiempo de mecanizado es muy inferior al que se invertiría en obtener la misma pieza por medio de otros procesos de mecanizado como por ejemplo: torneado, taladrado, fresado o mortajado. Como contrapartida está el hecho de que sólo resulta económico su empleo cuando se precisa mecanizar grandes series de piezas iguales. Los movimientos de trabajo son los siguientes:   

Movimiento de corte Mc, producido por desplazamiento rectilíneo de la herramienta. Ma, no Movimiento de avance penetración Mpexiste. , se produce automática y progresivamente a medida que avanza la herramienta y es constante para cada herramienta.

28


Figura 30. Movimientos del proceso de brochado. El brochado puede realizarse tanto en superficies interiores como exteriores. El interior fue el primero que se empleó y el más usual. Se utiliza en las fabricaciones en series de piezas que precisan orificios con una gran variedad de formas

Figura 31. Tipología de piezas obtenidas por brochado La operación se realiza comunicando a la brocha un movimiento de corte, para lo cual se le hace pasar a través de auntodo, orificio previamente practicado en la pieza. A su paso dientespara van interiores atacando progresivamente o parte, del perímetro del orificio de partida. Laslos brochas están formadas por una barra de acero rápido, con un cuerpo provisto de numerosos dientes cortantes en su periferia, convenientemente distanciados y capaces de reproducir el perfil que se desea obtener. Entre cada dos dientes consecutivos existe un hueco o vano donde se va acumulando la viruta arrancada por cada uno de ellos.

a)

b)

c)

Figura 32. a) La brocha y sus partes principales; b) Parámetros constructivos de la brocha; c) Ejemplos de conformado de agujeros interiores Las brochas para interiores pueden ser de tracción o de compresión; las primeras son bastante largas y constan de un dispositivo de arrastre o caña; las segundas son mucho más cortas que las de tracción para evitar el pandeo. La longitud P o paso es la dimensión que controla el tamaño del hueco entre los dientes. Como la misión fundamental de dicha cavidad es la de servir de alojamiento a la totalidad de la viruta generada en la carrera del trabajo, deberá ser calculada a partir de la longitud a mecanizar L. =

P P

=

L en dientes de desbaste 0.63 3L en dientes de acabado


29

Las brochas se diseñan para que trabajen simultáneamente un mínimo de tres filos. El parámetroi o incremento por diente (radial o transversal) toma distintos valores a lo largo de la brocha:   

i i i

≈ ≈ ≈

0,25 mm en la zona de desbaste 0,05 mm en la zona de acabado y rascado (escariado rectilíneo) 0,05 mm en la zona de calibrado (bruñido rectilíneo)

Tradicionalmente las brochas eran enterizas de acero rápido pero, dado el coste elevado de las de gran tamaño se está evolucionando hacia diseños de brochas provistas de cuchillas o lamas postizas con plaquitas de metal duro. Últimamente, se están desarrollando diseños basados en un cuerpo sobre el que se montan plaquitas de fijación mecánica. Generalmente, las brochas son herramientas especiales y requieren diseños específicos para cada utilización. Las máquinas destinadas a realizar las operaciones de brochado se denominan brochadoras y sólo disponen del movimiento de corte rectilíneo por lo que son de construcción muy simple. Pueden ser verticales y horizontales. Las segundas se emplean con mayor frecuencia para los brochados interiores; las verticales para el perfilado tanto de superficies interiores como exteriores. El movimiento de trabajo se obtiene por medio de un mecanismo de vástago dentado o más frecuente, por accionamiento oleodinámico.

Figura 33. Diferentes tipologías de mortajadoras. Herramientas Las herramientas utilizadas para limar y cepillar son similares a las utilizadas en los tornos, si bien en algunos casos se precisan que tengan bastante longitud, lo que srcina un momento flector elevado, que puede provocar la rotura de la herramienta. Para que el cuerpo de la herramienta pueda resistir el momento flector máximo que se desarrolla en el corte, se adopta la sección rectangular con su máxima dimensión en la dirección del corte. Suelen ser de acero rápido debido a las bajas velocidades de corte empleadas en estos procesos (del orden de 20 m/min para el acero y de 25 m/min para la fundición) y a la tenacidad que se precisa por el impacto de entrada. También son de empleo herramientas con plaquita soldada tales como las formas para exteriores de las herramientas de torno de este tipo. Las calidades de metal duro empleadas son P40 y P50 para aceros; K10 y K20 para fundiciones grises y K30 y K40 para aleaciones no férreas y materiales sintéticos. Las características geométricas de una herramienta usual de un solo filo, son:


30

Figura 34. Geometría de la herramienta monofilo. La piezas se pueden limarse y cepillar tanto con el avance a derecha como a izquierda. En el primer caso, la herramienta presenta el filo a la derecha mientras que en el segundo a la izquierda. Algunas herramientas tienen los filos simétricos y, por lo tanto, pueden trabajar a derechas y a izquierda:

Figura 35. Avance a derechas y a izquierdas Las herramientas pueden ser rectas, de cuello de cisne, curvadas y especiales, como en el caso de las herramientas de ranurar

a) b) c) d) e) f) Figura 36. Herramientas de: a) desbaste; b) acabado; c) cuello de cisne; d) ángulos; e) y f) ranurar Las herramientas utilizadas en las mortajadoras difieren de las empleadas en las limadoras y cepilladoras. Por lo general, son bastante más largas para que puedan trabajar con facilidad la superficie interior de los agujeros de las piezas. Suelen ser monofilo de acero rápido, a excepción de los mortajados de tallado de engranajes (procedimientos Magg y Fellow) que son multifilo. Las formas usuales de montar las herramientas monofilo en el cabezal de la mortajadora es el siguiente:

31


Figura 37. Colocación de la herramienta de mortajar Debido a que una gran parte de las operaciones de mortajado son de tipo ranurado con secciones de forma específicas (chaveteros, ejes acanalados, agujeros acanalados, etc.) las herramientas de mortajar suelen ser herramientas de formar. Las herramientas pueden ser rígidas que se utilizan en cabezales portaherramientas oscilantes, por lo que pueden ser más robustas y oscilantes que las que se utilizan en máquinas de cabezal portaherramientas fijo.

a)

b)

c)

d)

Figura 38. Herramientas de mortajar: a) en desbaste; de perfilar; c) de chavetear; d) oscilante.

1

Fundamentos del corte

2.-Fundamentos del corte 1. Introducción Tal y como se vio en el tema 1, para que se produzca el arranque de material de la pieza es necesario que exista un movimiento relativo entre pieza y herramienta. Éste puede venir dado por el desplazamiento de la pieza, la herramienta o incluso el de ambas. El movimiento relativo suele descomponerse en: 

Movimiento de corte o principal.

Es el responsable del arranque de material y el que, en general, consume la mayor parte de la potencia disponible en la zona de trabajo.



Movimiento de avance.



Movimiento de penetración o ajuste.

Es el que permite que en la zona de corte se tengan nuevas partes de pieza a mecanizar hasta completar la operación elemental o pasada que se esté ejecutando. En algunas operaciones pueden tenerse varios movimientos de avance simultáneos. Es el que asegura la interferencia entre pieza y herramienta, a fin de que tenga lugar la eliminación de material, de forma que la pieza resultante después de cada pasada tenga una dimensión adecuada. Suele ser un movimiento de carácter intermitente, que se efectúa mientras no tiene lugar la eliminación del material; esto es, antes de iniciarse cada operación elemental de mecanizado. Corte

Penetración Avance

Figura 1.Movimientos relativos entre pieza y herramienta. El movimiento global relativo entre pieza y herramienta recibe el nombre de movimiento resultante y su velocidad el de velocidad efectiva de corte , V e (o escalarmente Ve) . La velocidad atribuible al movimiento de corte se denomina velocidad de corte y se denota por V c o simplemente V . Por su parte, la correspondiente al movimiento de avance se conoce como velocidad de avance y se representa por V a . de corte

Adviértase que en aquellas operaciones en que el movimiento de avance sea intermitente, carece de sentido el concepto de velocidad de avance pero, por extensión, en ocasiones es considerada la velocidad media de avance.

2


En los casos en que el movimiento de avance sea intermitente o en los que la velocidad de avance sea muy pequeña con respecto a la de corte, se puede considerar que la velocidad efectiva coincide aproximadamente con la de corte, V e ≅ V . Ve Vc

Va

Figura 2. Velocidades de los movimientos relativos entre pieza y herramienta. La unidad más correcta para la expresión de las velocidades de los procesos de mecanizado es el metro por segundo [m/s]. Sin embargo, habitualmente se emplean como unidades el metro por minuto [m/min], para la velocidad efectiva y la de corte, y el milímetro por segundo [mm/min] para la de avance ya que, dichas unidades se adaptan mejor a las magnitudes de las mismas y, además, son de uso tradicional en talleres y catálogos. De todos modos es recomendable proporcionar sus correspondientes valores en m/s entre paréntesis. También suele ser habitual, en el torneado, el taladrado y en los procesos de mecanizado con movimiento de avance intermitente, expresar los avances en milímetros por doble carrera [mm/doble carrera] o en milímetro por revolución [mm/rev].

2. Análisis geométrico del modelo de corte ortogonal 2.1. Modelos de corte Los procesos de mecanizado pueden representarse de forma simplificada como muestra la figura 3. En ella, puede verse cómo se produce la eliminación de material de la pieza en forma de viruta mediante la incidencia de una herramienta elemental simple monocorte. Dicha herramienta está formada, básicamente, por dos caras planas que se cortan según una arista o filo de corte y limitada por otras dos caras laterales que no están directamente implicadas en el mecanismo de corte. Herramienta Va

Viruta

λ

Pieza

Fi ura 3.Re resentación sim lificada del roceso de corte.

3


El ángulo que forma la perpendicular a la dirección del movimiento principal con la arista de corte recibe el nombre de ángulo de inclinación λ. Cuando dicho ángulo es recto, λ=90º, el modelo de corte se conoce como corte ortogonal o plano, mientras que para λ≠90º el modelo se denomina de corte oblicuo o tridimensional. En general, los procesos de mecanizado siguen el modelo de corte oblicuo. Es más, la arista a lo largo de la que se produce el corte no suele estar contenida en el plano correspondiente a la superficie mecanizada sino en el relativo a la superficie en curso de mecanizado como se muestra en la siguiente figura donde el ángulo de inclinación, λ, está en el plano que contiene a la superficie mecanizada mientras que los ángulos χr1 y χr2 están en el plano perpendicular al movimiento de corte. Herramienta Va

Viruta

λ

χr1

χr2

Pieza

Figura 4. Posicionamiento relativo pieza-herramienta más habitual en la práctica. Sin embargo, por su mayor sencillez de cálculo y porque el ángulo de inclinación se aproxima bastante al valor de corte ortogonal se suele hacer el análisis de los procesos de mecanizado bajo la hipótesis de corte ortogonal.

2.2. Formación y tipos de viruta Los primeros estudios acerca del fenómeno de corte son atribuidos a los rusos J. Time (1870) y K.A. Zvorykin (1893); pero fue V. Pijspanen (Helsinki, primero que en realizar un de análisis detallado del mecanismo de formación de la viruta. Dicho 1937) análisisel propone el proceso corte se produce por deformación plástica del material en la zona en la que la viruta pasa de estar no deformada a deformada. Esta zona, de forma simplificada puede ser asimilada a un plano conocido como el nombre de plano de deslizamiento inclinado un ángulo ϕ, ángulo de deslizamiento respecto de la superficie mecanizada. Como consecuencia del proceso de deformación plástica sufrido por la viruta esta cuenta con las siguientes características:  



Es siempre de un material más duro y frágil que el de la preforma de la que procede. Presenta dos zonas bien diferenciadas que pueden distinguirse a simple vista: la parte de la viruta que ha estado en contacto con la cara de desprendimiento y la parte opuesta. La primera es brillante pulida mientras la segunda es rugosa.h2>h1. Esto es debido a que el proceso de Tiene mayory espesor que el deque la viruta no deformada deformación plástica que tiene lugar es de tipo “recalcado”. Para medir el grado de acortamiento que experimenta la viruta se define el factor de recalcado, ξ, por:

4


h ξ= 2 h1



siempre mayor que la unidad. En ocasiones es sustituido por el factor de corte o factor inverso de recalcado dado por rc = 1/ξ. Simultáneamente se produce un acortamiento de la longitud de la viruta (l2
l2

El material de la pieza va a influir muy directamente en la forma de la viruta. Los principales tipos de viruta son: a. Discontinua o fragmentada: está constituida por trozos fragmentados de corta longitud. Aparece en el mecanizado de materiales frágiles o materiales dúctiles a bajas velocidades. La superficie de contacto entre la viruta y la cara de corte de la herramienta es muy pequeña. b. Parcialmente fragmentada: es similar a la anterior, pero ahora los trozos quedan unidos entre sí. c. Continua: se produce cuando se dan ciertas condiciones de estabilidad en la zona de cizallamiento donde tiene lugar la deformación plástica. Aparece en el mecanizado de materiales tenaces a altas velocidades. En este caso puede ser fraccionada mediante “rompevirutas” o “arrolladores de viruta” que se fundamentan en la fragilidad del material de la viruta. d. Onduladas: se producen incluso con materiales tenaces cuando se dan condiciones de inestabilidad en el flujo plástico consecuencia de vibraciones piezas y herramientas con la consiguiente variación en elcomo coeficiente de rozamiento entre las en mismas. e. Continua con filo adherido o aportado: este tipo de viruta aparece cuando, debido al rozamiento, parte de la viruta queda adherida a la herramienta mediante microsoldaduras en forma de capas actuando como prolongación del filo de corte. Su permanencia durante el mecanizado va a influir en las fuerzas implicadas, en el acabado superficial o en la duración de la herramienta. Es propio del mecanizado de materiales dúctiles cuando se aumenta la velocidad (pero aún dentro de la zona de bajas velocidades). En la siguiente figura se han recogido los principales tipos de viruta descritos. 1. Cinta 1.1. Larga

2. Tubular 2.1. Larga

3. Espiral cónica 3.1.Larga

4. Helicoidal plana 4.1. Larga

5. Helicoidal cónica 5.1. Larga

6. En arco 6.1. UNida

1.2. Enredada

2.2. Corta

3.2. Corta

4.2. Corta

5.2. Corta

6.2. Desmenuzada

Fi ura 5. Formas de virutas

5


2.3. Estudio de la sección normal a la arista de corte Si se considera el caso de corte ortogonal, en una sección cualquiera de la pieza y la herramienta perpendicular a la arista de corte se tendrá una situación como la mostrada en la siguiente figura. La cara Aγ se denomina cara de desprendimiento y es sobre la que desliza la viruta. La cara Aα es la cara de incidencia y queda siempre frente a la superficie mecanizada. La cara de desprendimiento forma con el plano normal a la superficie de la pieza que está siendo mecanizada un ángulo γ denominado ángulo de desprendimiento. La cara de incidencia, por su parte, forma con la superficie que ya ha sido mecanizada un ángulo α denominado ángulo de incidencia. Entre ambas caras, Aγ y α A de filo oeldeplano cortesobre β denominado , se materializa el ángulo . En laelfigura también identificarse el ángulo de deslizamiento , ϕ ,ángulo que identifica que desliza la

puede viruta

deformada. γ Va

β Αγ

ϕ

Α

h1

h2

Herramienta

α

Αα

Ο Pieza

Figura 6. Sección normal a la arista de corte.

2.3.1. Ángulo

de desprendimiento

El ángulo de desprendimiento, γ, influye notablemente en la formación de la viruta la cual está provocada, básicamente, por la acción combinada de la arista o filo de corte y la cara de desprendimiento. La elección del ángulo de desprendimiento va a estar condicionada por el tipo de viruta (continua o discontinua) que se va a formar y que depende, fuertemente, de las características del material empleado. Así, materiales tenaces como, por ejemplo, aceros dulces, aluminio y aleaciones ligeras, dan lugar a la formación de virutas continuas al ser materiales bastante dúctiles. En cambio, los materiales duros se rompen fácilmente cuando la herramienta incide sobre la pieza ya que son frágiles y no soportan la deformación plástica. Según se trate de viruta continua o discontinua, también llamada fragmentada, se va a tener un comportamiento distinto respecto a la herramienta. En el caso de virutas continuas, éstas van a estar en contacto con la cara de desprendimiento de la herramienta durante más tiempo que en el caso de


6

las virutas discontinuas, teniendo que vencer la resistencia al rozamiento (entre viruta y herramienta), lo que supone la producción de calor generado por el trabajo de rozamiento que es tanto mayor cuanto más aumentan las fuerzas de deformación y el coeficiente de rozamiento de las partes deslizantes en contacto. La reducción del trabajo de deformación de la viruta y, por lo tanto, del calor generado se consigue aumentando el ángulo de desprendimiento (10º a 40º). Sin embargo, según aumenta dicho ángulo disminuye el de corte, lo que supone el debilitamiento de la herramienta y que esta solución sólo sea adecuada para materiales blandos mientras que para el caso de materiales duros sea más conveniente disminuirlo (0º a 10º). También puede darse el caso de que existan virutas intermedias entre las continuas y las fragmentadas producidas al trabajar con materiales semiduros. Estas virutas son continuas pero presentan algunas grietas insuficientes para que se produzca la rotura. A veces se tienen buenos resultados dando a γ un valor negativo que hace que la viruta se deforme más y sea arrancada en condiciones semejantes a las del funcionamiento del rasquete. De este modo se tiene un mayor calentamiento pero, como contrapartida, los acabados obtenidos son semejantes a los que se consiguen trabajando a altas velocidades.

2.3.2. Ángulo

de incidencia

El ángulo de incidencia es el que se encuentra comprendido entre el dorso de la herramienta y la superficie ya mecanizada o su tangente. Su misión es evitar el rozamiento entre el talón de la herramienta y la parte de la pieza mecanizada. Cuando el filo de la herramienta está arrancando viruta comprime la parte de la pieza situada bajo su influencia. Una vez liberado el material de la fuerza de compresión ejercida sobre él por el filo tiende a dilatarse nuevamente como consecuencia de su propia elasticidad (recuperación elástica del material). Si el ángulo de incidencia fuese nulo el talón de la herramienta lo rozaría constantemente lo que produciría un calentamiento de la herramienta y del material cada vez mayor. Para evitarlo, todas las herramienta deben presentar durante el tiempo en que realizan su trabajo un ángulo de incidencia “real” positivo, es decir, no sólo que la herramienta esté diseñada y fabricada con un valor positivo del ángulo de incidencia sino que, una vez colocada en la máquina, el ángulo no se anule en ningún momento a lo largo del movimiento relativo que sufrirá la herramienta. Ahora bien, en ningún caso hay que sobredimensionar el ángulo α ya que esto debilitaría la herramienta.

2.4. Estudio de la sección normal a la velocidad de corte Siguiendo con el caso de corte ortogonal pero tomando ahora una sección normal a la velocidad de corte se obtiene la configuración mostrada en la siguiente figura. En ella se han señalado algunos de los principales parámetros y variables que intervienen en el corte como son:

Profundidad de pasada, p: distancia de penetración de la herramienta medida en perpendicular respecto a la superficie libre de la pieza.

Avance, a: desplazamiento de la herramienta entre dos pasadas consecutivas. Espesor de la viruta no deformada, h1: es decir, el espesor del material que va a ser eliminado antes de sufrir deformación alguna. Ancho de corte, b1: longitud de la arista de corte que, efectivamente, elimina material.

7


Ángulo de posición r: es el ángulo formado por la arista de corte y la dirección de la velocidad de avance. V

Herramienta p

χr

Pieza

b1

a

h1

Figura 7. Sección normal a la velocidad de corte.

Además, pueden definirse y establecerse los siguientes parámetros y relaciones entre ellos:

Sección de la viruta no deformada, A 1: sección de material perpendicular a la dirección de la velocidad de corte que va a ser eliminada. Se cumple que: A1 = pa = b1 h1

además, entre el avance y el espesor de viruta no deformada puede plantearse la siguiente relación: h1 = asenχ r

También puede definirse el volumen de material eliminado por unidad de tiempo o caudal volumétrico eliminado por la expresión: z& = A1V

3. Análisis cinemático del modelo de corte ortogonal En las proximidades del filo de la herramienta cabe definir las siguientes velocidades que se muestran en la siguiente figura: 

Velocidad de la herramienta con respecto a la pieza o velocidad efectiva de corte, Ve

supondrá que la pieza permanece inmóvil). 

Velocidad de la herramienta con respecto a la viruta, Vv.



Velocidad de la viruta con respecto a la pieza , Vs.

Entre ellas es posible establecer la siguiente relación: Ve = Vv + Vs

(se

8


γne Αγ Vs

Herramienta

Αα

ϕ Ve

Vv

Figura 8. Velocidades en las proximidades del filo de la herramienta.

Pieza

Análisis de los procesos de mecanizado

1

3.- Análisis de procesos de mecanizado 1. Introducción En esta lección se dan las claves para poder realizar un análisis preliminar de los principales procesos de mecanizado. Concretamente, se revisan de las operaciones básicas realizadas en los procesos de torneado, fresado y taladrado y las expresiones que ligan los parámetros y variables que intervienen en ellas. Asimismo, se muestran las expresiones empleadas habitualmente en la estimación de las fuerzas de corte y de la potencia involucradas en dichos procesos.

2. Procesos de torneado El torno permite obtener, básicamente, piezas con simetría de revolución aunque también es posible, mediante determinadas operaciones, obtener superficies planas. En el torneado, el movimiento principal es de rotación y lo lleva la pieza, mientras que los movimientos de avance y penetración suelen ser rectilíneos y los lleva la herramienta. Los ejes, habitualmente usados en las operaciones de torneado, son Z según el eje de rotación de la pieza y X paralelo a la bancada y perpendicular a Z. El eje Y se define formando un triedro a derechas con los anteriores. Las principales operaciones que pueden realizarse en un torno son: cilindrado, refrentado, roscado, ranurado, taladrado y moleteado. En la siguiente figura se ha representado la configuración típica pieza-herramienta de cada una de ellas así como la dirección de la velocidad de avance. Seguidamente, se analizarán con mayor detalle cada una de estas operaciones y se darán las relaciones que existen entre los parámetros de mecanizado en cada una de ellas.

Figura 1. Principales operaciones que pueden realizarse en un torno: a) cilindrado; b) refrentado; c) roscado; d) ranurado; e) taladrado y f) moleteado


2

Cilindrado: permite la obtención de una geometría cilíndrica de revolución mediante el avance de la herramienta según el eje Z. Puede aplicarse a exteriores, reduciendo el diámetro exterior de la pieza, y a interiores, aumentándolo. La siguiente figura representa una sección normal a la velocidad de corte, V, en una operación de cilindrado exterior.

χr Figura 2. Sección normal a la velocidad de corte, V, en una operación de cilindrado exterior

En ella pueden apreciarse:

a: avance p: profundidad de pasada b1: ancho de corte h1: espesor de la viruta no deformada A1: sección de viruta no deformada χr: ángulo de posición V: velocidad de corte Va: velocidad de avance N: velocidad de rotación Di: diámetro inicial Df: diámetro final Las principales relaciones entre los parámetros anteriores son: Sección de viruta: A1

= b1h1 = ap &

Volumen de material eliminado por unidad de tiempo: z = A1V = b1h1V = apV πND Velocidad de corte: V = donde: V (m/min) es la velocidad de corte, N (rpm) la velocidad de 1000 giro de la pieza y D (mm) el diámetro. Velocidad de avance: Va

= aN

donde: Va (mm/min), a (mm/rev) y N (rpm)

Fuerza de corte (paralela a la dirección de la velocidad): Fc Potencia requerida en el proceso: P

=

lm

=

= k s A1

= FcV = k s z& le

+ l + a cot gχ r + l s

donde: Va (mm/min) es la velocidad de Va aN avance y lm es la longitud de mecanizado que se obtiene como suma de la longitud a cilindrar l , de las longitudes de entrada y salida de la herramienta respectivamente le y ls y de la longitud recorrida en la penetración acotg χr. Tiempo de mecanizado: t m


3

Refrentado: con esta operación se pueden obtener superficies planas perpendiculares al eje de rotación de la pieza. El movimiento de avance es paralelo al eje X y perpendicular al Z. Cabe destacar como particularidad de esta operación que, aunque se realice a velocidad de rotación constante, la velocidad de corte no será constante sino que será mayor según aumenta el diámetro. Esto da lugar a que también varíe la potencia, presentando su valor más elevado para el diámetro más grande en el que se trabaje. En la siguiente figura se ha esquematizado un proceso de refrentado.

χr

Figura 3. Sección normal a la velocidad de corte, V, en una operación de refrentado. En ella pueden observarse:

a: avance p: profundidad de pasada b1: ancho de corte h1: espesor de la viruta no deformada A1: sección de viruta no deformada χr: ángulo de posición V: velocidad de corte Va: velocidad de avance N: velocidad de rotación Di: diámetro interior D : diámetro exterior f

Las principales relaciones entre los parámetros anteriores son: Sección de viruta: A1

= b1h1 = ap

Volumen de material eliminado por unidad de tiempo: z& = A1V Velocidad de corte: V

=

= b1h1V = apV

πND

donde: V (m/min) es la velocidad de corte (que varía conforme lo 1000 hace el diámetro D), N (rpm) la velocidad de giro de la pieza y D (mm) es el diámetro. Velocidad de avance: Va

= aN

donde: Va (mm/min), a (mm/rev) y N (rpm)

Fuerza de corte (paralela a la dirección de la velocidad): Fc Potencia requerida en el proceso: P

= FcV = k s z&

= k s A1


Tiempo de mecanizado: t m

=

lm Va

4

le

=

⎛ D − Df + ⎜⎜ i ⎝ 2

⎞ ⎟⎟ + a cot gχ r + l s ⎠ aN

donde: Va (mm/min) es la

velocidad de avance y lm (mm) la longitud de mecanizado que se obtiene como suma de la longitud a refrentar (Di-Df)/2, las longitudes de entrada y salida de la herramienta respectivamente le y ls y la longitud recorrida en la penetración acotg χr. Roscado: esta operación puede considerarse como un caso particular del cilindrado en sus aspectos cinemáticos; diferenciándose de aquella únicamente en la geometría de la herramienta y las condiciones de corte.

Figura 4. Sección normal a la velocidad de corte, V, en una operación de roscado

Como puede apreciarse en la figura, el avance se hace coincidir con el paso de la rosca. El número de pasadas a realizar suele ser elevado si se compara con la operación de cilindrado equivalente. Esto es debido a la limitación que hay que imponer al espesor de viruta por pasada para obtener una geometría de rosca adecuada. Cajeado o ranurado: el cajeado puede ser considerado como una variante del refrentado aunque se realiza con una herramienta especial, unas condiciones de corte diferentes y en una posición de la generatriz que no está situada en el extremo de la pieza, como sucede en el refrentado.

Figura 5. Sección normal a la velocidad de corte, V, en una operación de ranurado

La geometría más habitual del cajeado suele ser la rectangular, ver figura 5, aunque empleando herramientas con otras geometrías a la mostrada se pueden obtener cajas de diferentes formas. Una operación particular del cajeado lo constituye el tronzado, que consiste en prolongar la profundidad de la caja hasta alcanzar el eje de rotación de la pieza, con lo que si corta la pieza. El tronzado se emplea, generalmente, como operación final en el torneado de piezas en una sola fijación. Esta operación se da con frecuencia en operaciones semiautomatizadas en las que la alimentación del torno se realiza mediante una barra que sobresale por la parte exterior del cabezal fijo y que va siendo empujada una cierta distancia antes de iniciar el proceso de cada pieza.


5

Taladrado: aunque no es una operación específica del torno ya que de hecho existe una máquinaherramienta específica como es la taladradora para realizar esta operación, el torno permite realizar taladros coaxiales al eje de rotación de la pieza. Para ello se sitúa una broca en el extremo del contrapunto y se desplaza éste con el movimiento de avance hasta conseguir el taladro. En el caso de tornos de control numérico, la broca debe situarse en la tortea portaherramientas en lugar de en el contrapunto, siendo su trabajo como el de cualquier otra herramienta de interiores. Una operación muy habitual en el torno, caso particular de taladrado, es la denominada operación de punteado. Consiste en dar un pequeño taladro en el extremo de la pieza más alejado del plato de garras y permite emplear este taladro como elemento de centraje en la sujeción entre puntos. Existen tornos, normalmente de control numérico, en los que la torreta dispone de un cabezal monitorizado que permite la realización de taladros paralelos al eje del cabezal. La cinemática de esta operación se verá al hablar de las operaciones en taladradora. Moleteado: el moleteado no es una operación de mecanizado propiamente dicha, puesto que no elimina material de la preforma. Se utilizar para marcar con una geometría estriada alguna de las superficies de revolución de la pieza a fin de facilitar su amarre manual, impidiendo que ésta resbale en el contacto con la mano por efecto del sudor o la grasa depositada sobre la superficie.

Figura 6. Operación de moleteado

3. Procesos de fresado Las operaciones de fresado más comunes son: fresado cilíndrico y fresado frontal. A continuación se describen las principales características de cada uno de ellos. Fresado cilíndrico. También llamado periférico o tangencial, suele realizarse en fresadoras horizontales. Teniendo en cuenta los sentidos de las velocidades de corte y de avance pueden darse dos tipos de fresado cilíndrico denominados en oposición cuando ambas velocidades van en sentidos opuestos y en concordancia cuando llevan el mismo sentido.

a) b) Figura 7. a) Fresado en oposición; b) Fresado en concordancia.

En el fresado en oposición, por la manera de acometer el filo sobre la pieza el crecimiento del espesor de viruta es más suave que en el caso anterior por lo que, no se presentan aquí los


6

inconvenientes mencionados para el fresado en concordancia. Ahora bien, en este caso se producen fuerzas que tienden a levantar la pieza de su apoyo sobre la mesa. En el fresado en concordancia el espesor máximo de viruta se da al inicio del corte. Esto tiene la ventaja de mejorar la sujeción de la pieza pero, sin embargo, el impacto srcinado por cada filo aumenta la probabilidad de su rotura y la intensidad de las vibraciones producidas en las guías de la máquina. En general, los resultados obtenidos en uno y otro caso son semejantes y la elección de uno u otro dependerá: de la operación concreta que se esté efectuando, del tipo de fijación empleada y de la rigidez de la máquina-herramienta utilizada. Para plantear las expresiones que ligan a los principales parámetros del fresado se va a tomar la siguiente configuración.

Figura 8. Fresado cilíndrico en oposición. donde:

az, es el avance por filo. Viene dado por: a z

= a

nz

siendo a el avance por vuelta y nz el número

de filos de la herramienta. h1, el espesor de viruta no deformada. b1, el ancho de viruta no deformada. p, la profundidad de pasada. N, la velocidad de rotación. B, el ancho de la herramienta. D, el diámetro de la herramienta V y Va, las velocidades de corte y de avance respectivamente Acerca de la situación mostrada en la figura anterior se quieren hacer las siguientes consideraciones: 1. El ancho de la fresa B no siempre coincide con el ancho de corte b1 ya que pueden darse situaciones en las que b1 < B. 2. El espesor de viruta no deformada, h1, no es constante (en la figura se ha señalado su valor máximo) y, por lo tanto, tampoco serán constantes: la sección de la viruta A1, la fuerza de corte Fc y la potencia P . El valor del espesor de viruta máximo es posible calcularlo si se aproxima la trayectoria seguida por el filo activo de la fresa (cicloide) por una circunferencia definida por el diámetro de la fresa. En ese caso, llamando θ al ángulo girado por la fresa se tendría:

h1 max Por otra parte, se tiene:

= a z senθ


7 2

2

⎛D⎞ =⎛ D − ⎞ +⎛D θ⎞ p⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎜ sen ⎟ ⎝2⎠ ⎝2 ⎠ ⎝2 ⎠

2

por lo que:

senθ

=

2 D

(D − p ) p

expresión que puede aproximarse por:

senθ

p

≅2

D si se tiene en cuenta que p es mucho menor que D. Todo ello permite expresar el espesor máximo de viruta no deformada como:

h1

max

≅ az 2

p D

A continuación se muestran las principales relaciones que existen entre los parámetros del fresado: Sección de viruta: A1

= b1h1

(no constante) Volumen de material eliminado por unidad de tiempo: se calcula como el producto del área de material perpendicular a la velocidad de avance, Ap por la velocidad de avance z& = A pVa Velocidad de corte: V

=

πND

1000

= b1 paN

donde: V (m/min) la velocidad de corte, N (rpm) la velocidad de giro

de la fresa y D (mm) es el diámetro. Velocidad de avance: Va = aN donde: Va (mm/min) es la velocidad de avance, a (mm/rev), avance por vuelta y N (rpm), es la velocidad de giro de la pieza. Fuerza de corte (paralela a la dirección de la velocidad): Fc Potencia requerida en el proceso: P

= k s A1 (no es constante)

= FcV = k s z& = k sb1 paN (no es constante)

Tiempo de mecanizado: para calcular el tiempo de mecanizado se tendrá en cuenta la siguiente figura en la que se han denotado por i y f las posiciones inicial y final de la fresa.

Figura 9. Posiciones inicial y final de una fresa en el fresado cilíndrico de una pieza de longitud l

El tiempo de mecanizado puede expresarse como: t m

=

lm Va

=

le

+ l + p (D − p ) + l s aN

donde: Va,

es la velocidad de avance y lm, la longitud de mecanizado y se obtiene como suma de: la longitud a


8

fresar, l, las longitudes de entrada y salida de la herramienta, le y ls, y de x =

p ( D − p ) , longitud

existente entre el eje de la fresa y el borde de la pieza en el instante inicial de contacto. Fresado frontal: en él, el eje de rotación de la herramienta es perpendicular a la superficie fresada. Suele realizarse en fresadoras verticales. La configuración más usual de este tipo de fresado se muestra en la siguiente figura.

Figura 10. Fresado frontal

donde:

az, es el avance por filo. Viene dado por: a z

=

a nz

siendo a el avance por vuelta y nz el número

de filos de la herramienta. 1 h virutanonodeformada. deformada. b1,, el el espesor ancho dedeviruta p, la profundidad de pasada. N, la velocidad de rotación. B, el ancho de la herramienta. D, el diámetro de la herramienta V y Va, las velocidades de corte y de avance respectivamente

En este caso, el espesor de viruta no deformada es prácticamente constante e igual a h1

max

= az .

Las expresiones que relacionan los parámetros del fresado frontal son análogas a las del fresado cilíndrico y se pueden resumir como se muestra seguidamente: Sección de viruta: A

= ph

1

1

Volumen de material eliminado por unidad de tiempo: se calcula como el producto del área de material perpendicular a la velocidad de avance, Ap por la velocidad de avance z& = A pVa = BpaN Velocidad de corte: V

=

πND 1000

donde: V (m/min) la velocidad de corte, N (rpm) la velocidad de

giro de la fresa y D (mm) es el diámetro. Velocidad de avance: Va = aN donde: Va (mm/min) es la velocidad de avance, a (mm/rev), avance por vuelta y N (rpm), es la velocidad de giro de la pieza. Fuerza de corte (paralela a la dirección de la velocidad): Fc Potencia requerida en el proceso: P

= k s A1

= FcV = k s z& = ks BpaN

Tiempo mecanizado: para calcular tiempo de mecanizado se de tendrá en cuenta la siguiente figura ende la que se han denotado por i y el f las posiciones inicial y final la fresa


9

Figura 11. Posiciones inicial y final de una fresa en el fresado frontal de una pieza de longitud l

le El tiempo de mecanizado puede expresarse como: t m

lm

=V = a

+

D 2

+l + aN

D 2

+ ls donde: Va, es la

velocidad de avance y lm, la longitud de mecanizado y se obtiene como suma de: la longitud a fresar, l, las longitudes de entrada y salida de la herramienta, le y ls y la longitud existente entre el eje de la fresa y el borde de la pieza en los instantes inicial y final del mecanizado dado por

D 2

+

D 2

.

4. Procesos de taladrado Principales operaciones de taladrado Dentro de la designación de mecanizado de agujeros van a ser consideradas las siguientes operaciones de mecanizado: taladrado, taladrado profundo, escariado, avellanado, retaladrado o mandrinado con herramienta giratoria, trepanado y roscado de machos. El taladrado con broca o taladrado: permite obtener un agujero, pasante o ciego, paralelo al eje de rotación de la pieza. En general, las tolerancias dimensionales obtenidas no suelen ser buenas por lo que, esta operación, sólo se realizará cuando las especificaciones geométricas no demanden una gran precisión o como paso previo a las operaciones de acabado que se comentarán a continuación. La situación más habitual del taladrado con broca se muestra en la siguiente figura.

Figura 12. Taladrado.

La broca es una herramienta multifilo en la que todos los filos trabajan a la vez. Por ello, es posible analizar el comportamiento de un filo y extrapolar los resultados a todos los demás. Si se llama nf, al número de filos de la broca y a, al avance por vuelta (mm/rev) puede definirse el avance por filo,

az

=

a nf

, que representa la distancia que avanza un filo de la herramienta en la dirección

perpendicular a la superficie de la pieza a lo largo de una vuelta o revolución de la herramienta. Sus unidades son, por tanto, (mm/rev/filo).


10

En la figura anterior se han representado para un filo:

az, el avance por filo b1, el ancho de corte h1, el espesor de viruta no deformada A1, la sección de viruta no deformada kr, el ángulo de posición V, la velocidad de corte Va, la velocidad de avance, N, la velocidad de rotación D, el diámetro del taladro Las principales relaciones que ligan estos parámetros son: D D Sección de viruta: A1 = b1h1n f = a z nf = a 2 2 Volumen de material eliminado por unidad de tiempo: se calcula como el producto del área de material perpendicular a la velocidad de avance, Ap por la velocidad de avance

z& = ApVa

=π

D2 aN 4

Velocidad de corte: V

=

πNd

donde: V (m/min) la velocidad de corte, N (rpm) la velocidad de 1000 giro de la fresa y d (mm) es un diámetro comprendido entre 0 y D. Esta velocidad no es constante puesto que depende de la distancia del punto considerado hasta el eje de rotación de la herramienta. Velocidad de avance: Va = aN donde: Va (mm/min) es la velocidad de avance, a (mm/rev), avance por vuelta y N (rpm), es la velocidad de giro de la pieza Fuerza de corte (paralela a la dirección de la velocidad): Fc Potencia requerida en el proceso: P

= k s A1

= FcV = k s z& = k sb1 paN

Tiempo de mecanizado: puede expresarse como: t m

=

lm Va

=

le

+l +

D cot gk r 2 aN

+ ls donde: Va, es la

velocidad de avance y lm, la longitud de mecanizado que se obtiene como suma de: la longitud a taladrar, l, las longitudes de entrada y salida de la herramienta, le y ls y de la longitud de la punta de D la herramienta cot gk r . 2 El escariado es una operación llevada a cabo con una herramienta denominada escariador que puede operarse manualmente o a máquina y permite llevar un agujero, previamente obtenido a una dimensión y acabado preciso. Hay escariadores cónicos y cilíndricos, teniendo estos últimos una pequeña zona cónica para facilitar la entrada. La forma de los escariadores es similar a la de la broca helicoidal, teniéndose filos múltiples situados periféricamente sobre el cuerpo cónico o cilíndrico. Los filos pueden ser rectos o de forma helicoidal.


11

Figura 13. Escariador. El avellanado es una operación que, generalmente, se emplea en el achaflanado de la entrada de los agujeros y se efectúa en el acabado de los mismos, aunque en ocasiones, el desbaste y desbarbado de la entrada de los agujeros puede ser el objetivo en sí mismo. Cuando se emplea como operación de acabado, su misión suele ser de servir de alojamiento a la cabeza de tornillos. Una operación similar es la obtención del alojamiento de forma cilíndrica para cabezas hexagonales y Allen mediante avellanadores cilíndricos.

a) b) Figura 14. Avellanadores: a) cónico; b) cilíndrico

El retaladrado consiste en el agrandamiento del diámetro de un agujero previamente taladrado u obtenido por fundición o estampación. Esta operación puede hacerse con brocas-escariadoras de tres filos, herramientas más robustas y precisas que las brocas helicoidal convencionales o con cabezales especiales de retaladrar o mandrinar con plaquitas de metal duro. En el trepanado, el agujero se produce en una operación única de aplicación en el caso de diámetros grandes (generalmente mayores de 120 mm) y permitiendo conservar intacto el núcleo central del agujero. Precisa menos potencia global que el taladrado ya que el volumen de material eliminado es menor y permite el aprovechamiento del núcleo para, por ejemplo, el control de calidad. La herramienta es hueca y el corte se efectúa mediante plaquitas de metal duro. El roscado con macho permite el roscado manual o a máquina de agujeros previamente obtenidos. Los roscadores para este proceso son taladradoras con avance coincidente con el paso del roscado.

5. Cálculo de fuerzas y potencias en procesos de mecanizado 5.1. Análisis de las fuerzas de corte En el modelo de corte ortogonal se observa del equilibrio de la viruta, sometida a la resultante R de las fuerzas aplicadas por la herramienta y a la reacción R’ igual y contraria, que se tiene en la pieza.


12

La eventual falta de alineación entre R y R’ puede ser despreciada; ya que tiene un valor muy pequeño con respecto a la magnitud de las fuerzas.

ne

Herramienta

R’

Ο Pieza

Figura 15. Equilibrio de fuerzas sobre la viruta en el corte ortogonal. El ángulo que forma la resultante con la normal a la cara de desprendimiento, se denomina ángulo de rozamiento, ρ. Si la resultante se supone aplicada a la arista de corte de la herramienta, admite ser descompuesta de las tres maneras siguientes:   

Según la dirección del corte y su normal, obteniéndose respectivamente las fuerzas Fc y Nc; Según la cara de desprendimiento y su normal, obteniéndose Fγ y Nγ Según el plano de deslizamiento y su normal, obteniéndose Fs y Ns

Figura 16. Descomposición de fuerzas según: la dirección del corte; el plano de deslizamiento y el plano de desprendimiento.


13

Las expresiones trigonométricas de dichas fuerzas en función de la resultante, R, son:

= R cos(ρ − γ ne ) y N c = Rsen(ρ − γ ne ) Fγ = Rsenρ y N γ = R cos ρ Fs = R cos(ϕ + ρ − γ ne ) y N s = Rsen(ϕ + ρ − γ ne ) Fc

5.2. Cálculo de la potencia de mecanizado 5.2.1 A través de la fuerza de corte Fc De las expresiones vistas en el apartado anterior se tiene que la relación entre la fuerza de corte y la de deslizamiento viene dada por:

Fc Fs

=

cos( ρ

− γ ne ) cos(ϕ + ρ − γ ne )

Si se admite una distribución uniforme de tensiones cortantes a lo largo del plano de deslizamiento, de valor τ s definida por:

Fs τs

= As

y denominada tensión dinámica de deslizamiento, se tendrá que:

Fc

= Fs

cos( ρ

− γ ne ) cos( ρ − γ ne ) cos( ρ − γ ne ) 1 = τ s As = τ s A1 cos(ϕ + ρ − γ ne ) cos(ϕ + ρ − λne ) senϕ cos(ϕ + ρ − γ ne )

como:

As

= A1

1 senϕ

La potencia del proceso se expresa mediante:

P = R ⋅Ve

= FcVc

esto es:

P = τ s A1V

− γ ne ) senϕ cos(ϕ + ρ − γ ne ) 1

cos( ρ

y como:

A1V

= z&


14

se llega a:

P = z&τ s

cos( ρ − γ ne ) 1 senϕ cos(ϕ + ρ − γ ne )

5.2.2. Método de la presión de corte Boothroyd, en 1975, propuso el siguiente método empírico simplificado para el cálculo de la potencia método de elaborados la presión de fundamenta enobtenidos el conocimiento de la presióndedecorte cortedenominado , pc, a partir diagramas concorte. datosSe experimentales en función del material, del proceso de mecanizado y de un parámetro relativo a la sección de viruta no deformada, tal como su área o su espesor. Su aplicación al caso de un proceso de planeado en limadora se expone a continuación:

Herramienta

p

χr

Pieza

b1

a

h1

Figura 17. Proceso de planeado en limadora.

Se tiene:

A1

= pa = b1h1

donde:

A1 es el área de la viruta no deformada. p y a son la profundidad de corte y el avance. Datos tecnológicos globales que se imponen en la máquina-herramienta. b1 y h1, son datos del proceso, ancho y espesor de la viruta respectivamente. Concretamente h1, espesor de la viruta no deformada, viene dado por:

h1

= asenχ r

Si se define el caudal volumétrico eliminado por:

z& = A1V


15

Podrá expresarse la potencia consumida en la zona de corte mediante la siguiente expresión:

P

= pc z& = pc A1V

Donde el valor de la presión de corte pc es de obtención experimental y función del espesor de la viruta no deformada h1. En los casos en que el espesor de viruta sea variable, en lugar de h1,se escogerá un valor medio.

Figura 18. Valores aproximados para la presión de corte, pc, para varios metales y operaciones.

La expresión anterior puede ser identificada con la resultando que la presión de corte puede ponerse como: cos( ρ − γ ne ) 1 pc = τ s senϕ cos(ϕ + ρ − γ ne )

5.2.3. Método de la presión específica de corte La presión de corte hasta ahora utilizada puede ser definida como la relación entre la fuerza de corte y la sección de viruta no deformada como:

pc

=

Fc A1

Ahora, se va a pasar a definir la presión específica de corte como el valor de la presión de corte cuando la sección de viruta no deformada toma el valor unitario de 1mm 2, esto es:

ps

= Fc

A1 A = 1mm 2 1


16

Adviértase que, en general, será

pc

≠ ps

ya que la fuerza de corte Fc no varía linealmente con A1. Una expresión de carácter experimental ampliamente utilizada propone que:

Fc

= p s ( A1 )1− f

Siendo f una constante dependiente del material cuyos valores más habituales son: 1-f = 0,803 para los aceros 1-f = 0,863 para las fundiciones Evidentemente, dicha expresión de Fc es no lineal con respecto a A1. Igualando las expresiones Fc

= pc A1

y Fc

= p s ( A1 )1− f ps

se tiene:

= pc ( A1 ) f

2

pc si A1
P = FcV

= ps ( A) 1 1− f V (=) p s A1 − f z&

Para la obtención del valor de ps se pueden consultar tablas o recurrir a expresiones de carácter empírico como las siguientes, válidas para aceros y fundiciones, respectivamente, en el mecanizado con ángulos de incidencia de 10º: 1

Aceros: p s Fundiciones:

1

º −γ ne ]1,5 = 2 ,4(σ r ) 2 ,2 [80 1 1 p s = 0 ,9(HB ) 2 ,5 [80º −γ ne ]1,5

con γne en grados y σr, HB y ps en daN/mm2. En el caso de herramientas desgastadas y cuando el espesor de viruta no deformada es pequeño, la presión específica de corte es del orden del doble a la obtenida con estas expresiones.

Desgaste en procesos de corte

1

4.-Desgaste en procesos de corte 1. Introducción Seguidamente se analizan algunos de los principales fenómenos asociados a los procesos de corte como son el rozamiento, el aumento de temperatura y la formación de filo recrecido y capa adherida. También se van a mostrar los principales tipos de fluidos de corte empleados en los procesos de mecanizado para evitar o, al menos, minimizar el desgaste de las herramientas. Por último, se van a mostrar los principales tipos de deterioros que sufren las herramientas de corte.

2. Rozamiento en procesos de corte La pieza y la herramienta se ven sometidas a elevadas fuerzas de contacto durante el proceso de corte. Sirva de ejemplo el caso del mecanizado de acero en el que son usuales valores de presión de la herramienta sobre la pieza de unos 2000 a 3000 MPa. Por tanto, va a existir rozamiento entre las superficies de ambas puestas en contacto así como entre la viruta que se va formando y la cara de desprendimiento de la herramienta. Si se amplifica suficientemente la zona de contacto entre las dos superficies, supuestas éstas teóricamente planas y perfectamente pulidas, se aprecian importantes irregularidades, por lo que el contacto se establece entre las partes más salientes de dichas irregularidades. Si se aplica una carga normal N, las zonas de contacto experimentan fuertes deformaciones locales de carácter plástico y el área real de contacto, Ar, aumenta hasta ser capaz de soportar la carga aplicada; esto es, Ar = N/Y siendo Y, la tensión unidireccional de fluencia del material de menor resistencia de los dos que están en contacto. En la mayoría de las situaciones que se tienen entre superficies metálicas (siempre que N no sea excesivamente elevada), se cumple que Ar << Aa designando por Aa al área aparente de contacto. Debido a la fluencia experimentada en la zona de contacto, se producen microsoldaduras que srcinan un cierto nivel de adhesión entre las dos superficies. El inicio de desplazamiento relativo entre ambas superficies requiere una cierta fuerza, F, tangencial al plano teórico del contacto, para provocar el cizallado de las asperezas microsoldadas. Dicha fuerza de rozamiento vendrá dada por: F = τ r Ar siendo τr la tensión de rotura a cortadura del material menos resistente. Por otra parte, si se tiene en cuenta la ley de rozamiento de Coulomb que dice que la fuerza F es proporcional a la carga normal N, se tendrá: F = μN donde el coeficiente de proporcionalidad μ recibe el nombre de coeficiente de rozamiento de Coulomb. Combinando las tres expresiones expuestas se tiene μ = τγ/Y ya que τr e Y son dos propiedades intrínsecas del mismo material. Si el valor N aumenta considerablemente, como ocurre en los procesos de corte, llegará un momento en que Ar ≅ Aa y, entonces, la fuerza de rozamiento podrá expresarse mediante: F = τ r Aa siendo, F independiente de N con lo que no se satisface la ley de Coulomb. En esta situación, en realidad no se rompen las uniones de adhesión generadas por el contacto sino que se genera una franja de cizallamiento en el material menos resistente de los dos. En aquellas situaciones en que se satisface la ley de Coulomb el rozamiento se denomina por deslizamiento; mientras que, en el último caso expuesto, se conoce como rozamiento de adherencia. En aquellos casos de rozamiento de adherencia en que el material menos resistente sea asimilado a un comportamiento plástico perfecto (esto es, sin endurecimiento por deformación), la fuerza de rozamiento se puede expresar como F = kA siendo k la tensión de fluencia a cortadura del material. Y, teniendo en cuenta la definición de la tensión cortante de rozamiento, τ, se puede escribir τ = mk


2

con (0 ≤ m ≤ 1), denominada ley de rozamiento de Tresca que recoge las tres situaciones siguientes: ausencia de rozamiento o deslizamiento perfecto para m=0 y τ=0; rozamiento de adherencia parcial o de semiadherencia para 0
3. Fenómenos térmicos La energía mecánica puesta en juego en los procesos de corte, puede descomponerse en los términos de energía de: deformación elástica, deformación plástica y rozamiento. De ellos, el primero es almacenado por el material y no provoca la generación de calor. Los otros dos términos son de carácter disipativo, ya que las deformaciones plásticas provocan un rozamiento interno y srcinan la transformación de la energía mecánica en calorífica. Esto hace que se tengan elevadas temperaturas en la zona de corte, lo cual incide en el aumento del desgaste de la herramienta. En lo que respecta al fenómeno de generación de calor, pueden ser consideradas las tres zonas siguientes: de deformación primaria (1), de deformación secundaria (2) y de rozamiento en incidencia (3). En general, salvo en el caso de que la herramienta estuviese muy desgastada en su cara de incidencia, la generación de calor en la zona 3 suele ser sensiblemente menor que en las otras dos zonas.

Figura 1. Fenómeno de generación de calor.

El calor total generado por unidad de tiempo vendrá dado, por tanto, por la suma del calor generado por unidad de tiempo en las zonas de deformación 1 y 2. Dicho calor, es eliminado durante el proceso de corte a través de la pieza, la herramienta y la viruta como se indica en la siguiente figura.

Figura 2. Reparto de calor entre pieza, viruta y herramienta.


3

4. Formación de filo recrecido y capa adherida Como consecuencia del rozamiento existente entre pieza y herramienta durante el proceso de mecanizado se produce, como se ha mostrado anteriormente un aumento de la temperatura. Este efecto combinado con las variaciones en la velocidad de corte provoca que parte del material mecanizado quede adherido a la herramienta. Si el material queda adherido en el filo el fenómeno es conocido como filo recrecido o BUE (del inglés Built-Up-Edge), si esto ocurre en la cara de desprendimiento, da lugar a la capa adherida o BUL (del inglés Built-Up-Layer). El fenómeno comienza por la acción combinada de causas térmicas y mecánicas formándose la capa adherida. Inmediatamente después comienza a desarrollarse el filo recrecido hasta alcanzar un espesor crítico. Momento en el que el filo recrecido se extiende sobre la cara de desprendimiento de la herramienta aumentando el espesor de la capa adherida mediante múltiples capas. La presencia de ambas incorporaciones puede afectar positiva o negativamente al desgaste de la herramienta ya que en ocasiones puede contribuir a aumentar la vida de la herramienta, debido al efecto protector sobre la misma, y otras veces a disminuirla, al contribuir a su deterioro por el efecto abrasivo producido por pequeños fragmentos desprendidos del filo y de la capa durante el proceso de corte que están muy endurecidos por la deformación plástica sufrida. El deterioro puede llegar, incluso, al fallo catastrófico de la herramienta al arrastrar trocitos de la misma que han quedado soldados al filo y a la capa cuando estos se desprenden de la herramienta como consecuencia de su inestabilidad mecánica. También puede producirse el deterioro por la diferencia de coeficientes de contracción entre el material adherido y el de la herramienta cuando esta se enfría al terminar el proceso de corte. La aparición de ambas incorporaciones a la herramienta produce una alteración en la geometría de la misma que afecta al acabado superficial de las piezas. Para muchos materiales, si se dibuja la curva del acabado superficial (o su inversa, la rugosidad) frente a la velocidad de corte pueden apreciarse tres zonas como las representadas de forma muy simplificada en la siguiente figura.

Figura 3. Rugosidad frente a la velocidad de corte.







Zona A: Baja velocidad de corte y progresiva mejora del acabado superficial (disminución de la rugosidad) hasta el punto m. Zona B: Velocidades medias y progresivo empeoramiento de la calidad superficial, hasta M, debido a la formación de filo recrecido y la capa adherida. Zona C: Velocidades altas y progresiva mejora del acabado superficial como consecuencia de la pérdida del filo recrecido.

La aparición de filo recrecido y capa adherida conlleva los siguientes efectos: aumento del ángulo de desprendimiento efectivo y del ángulo de desprendimiento; aumento del espesor de viruta no deformada (h1´- h1>0) y acción de recalcado de la superficie.


4

Figura 4. Fenómenos conexos con el filo recrecido.

Los fenómenos de filo recrecido y capa adherida no son estacionarios, sino periódicos; ya que a intervalos de tiempo (no necesariamente regulares) se desprende, iniciándose otro nuevo ciclo de formación.

5. Fluidos de corte 5.1. Definición y tipos Como se acaba de mostrar, durante el proceso de corte se genera una notable cantidad de calor principalmente en las zonas de deformación primaria y secundaria. El calor generado en la zona de deformación primaria es debido a los procesos físicos que tienen lugar durante la deformación de la red cristalina del material y no puede, por tanto, ser reducido por otro procedimiento distinto del metalúrgico; es decir, logrando aleaciones de más fácil maquinabilidad. Por su parte, el calor generado en la zona de deformación secundaria es debido al rozamiento existente entre la viruta y la cara de desprendimiento de la herramienta y puede ser reducido si se disminuye el coeficiente de rozamiento por medio de lubricación. Aún en el caso de disminuir el rozamiento en la cara de desprendimiento por empleo de un agente lubricante, la cantidad de calor generado en el corte, es importante y aunque existen medios “naturales” de eliminación de dicho calor, a través de la viruta, la herramienta y la pieza, interesa que tal eliminación de calor se efectúe lo más rápidamente posible a fin de que la temperatura de los distintos elementos que intervienen en el corte no aumente excesivamente. Esto es especialmente crítico en la herramienta ya que la dureza de la misma disminuye con el aumento de la temperatura. Con todo ello se está sugiriendo el empleo de una acción de refrigeración. Ambas acciones de lubricación y de refrigeración se efectúan, en los procesos de mecanizado, mediante el uso de los denominados fluidos de corte, cuyo empleo fue iniciado por Taylor (1890). Tradicionalmente, los fluidos de corte se clasifican en: fluidos de corte base agua y aceites de corte puros. Los fluidos de corte base agua son óptimos refrigerantes ya que su calor específico es próximo a 1 cal/g (4180 J/kg). Además, mojan muy bien las superficies metálicas al ser su tensión superficial menor que la del agua y tienen buena conductibilidad térmica. Por su parte, los aceites de corte puros son buenos lubricantes. Sin embargo, su poder refrigerante es inferior al de los fluidos base agua ya que, su calor específico está alrededor de 0,5 cal/g (2090 J/kg) y su conductibilidad térmica es aproximadamente la tercera parte de la del agua. En general, los aceites son más caros que los fluidos base agua.


5

Los fluidos de corte base agua pueden dividirse en: 



Emulsiones. Están constituidas por aceites minerales en suspensión acuosa (contenido de agua 90%), añadiendo un elemento emulsionante que provoca la formación de la dispersión coloidal. Su aspecto suele ser lechoso y reciben el nombre de taladrinas. Soluciones. Son, como su nombre indica, soluciones de aceites en agua; generalmente se obtienen soluciones mejorables añadiendo sulforinato de sosa.

Los aceites de corte se pueden subdividir en los siguientes tres grupos: 





Aceites minerales. Son obtenidos en la destilación fraccionada del petróleo. Con el fin de que sean capaces de soportar elevadas presiones y fijarse mejor sobre las superficies metálicas deben contener ciertos aditivos como por ejemplo, azufres, grafito coloidal o bisulfuro de molibdeno. Aceites vegetales. Son sustancias orgánicas de larga cadena molecular, que se adhieren a las superficies metálicas formando una capa muy fina. Tiene escaso poder antisoldadura y son fácilmente oxidables. El más empleado es el aceite de colza. Aceites compuestos o mixtos. Son mezclas de aceites minerales y vegetales con una cantidad de aceite vegetal de entre el 10 y el 30 %. Tienen buenas características lubricantes y presentan ventajas económicas frente a los vegetales.

Además de la acción lubricante y refregerante, en la actualidad se exige a los fluidos de corte que, en mayor o menor medida, efectúen las siguientes acciones complementarias: prevención de la formación de filo recrecido, ayuda a la separación y evacuación de la viruta, protección contra la corrosión y lubrificación de elementos de la máquina-herramienta. La eficacia de los fluidos de corte suele verse reducida al aumentar la velocidad de corte y al aumentar el espesor de la viruta no deformada. En el primer caso, como consecuencia del menor tiempo de contacto del líquido con la zona del corte y al efecto de centrifugación, en aquellos procesos en los que el movimiento principal sea de rotación. En el segundo, debido a los mayores esfuerzos requeridos para el arranque de material. Se ha comprobado experimentalmente que, en general, los fluidos de corte no influyen sobre las fuerzas de corte pero sí lo hacen, favorablemente, en el acabado superficial por su acción sobre el filo recrecido.

5.2. Selección del fluido de corte La elección del tipo de fluido de corte a emplear depende principalmente el tipo de mecanizado y los materiales de la pieza y la herramienta. En general, si el mecanizado es a baja velocidad como el roscado, brochado se suelen emplear aceites de corte. En el taladrado aceites de baja viscosidad y en el rectificado es usual el empleo de emulsiones. Cuando se emplean herramientas de aceros al carbono y metales duros se emplean emulsiones ya que interesa más el efecto refrigerante. Con aceros rápidos va a depender del material a mecanizar y del mecanizado. Con respecto al material de la pieza es habitual trabajar en seco las fundiciones y las aleaciones ligeras. Si se utilizan aceites con estas últimas, en cualquier caso estarán desprovistos de azufre. En el caso de piezas de acero la selección del fluido de corte vendrá dada por el material de la herramienta y el tipo de mecanizado. Pero, como puede apreciarse, la selección del fluido de corte depende de distintos factores que habrá que analizar en cada caso.

6. Deterioro de las herramientas de corte La duración de las herramientas de corte es un factor económico muy importante en las operaciones de mecanizado. La pérdida de capacidad de corte en una herramienta puede realizarse de dos


6

maneras: instantáneamente, por desmoronamiento o fallo catastrófico o progresivamente, debida al fenómeno de desgaste. El desmoronamiento o fallo catastrófico es un rápido deterioro de la arista de corte después de un período de corte bien ejecutado. Suele venir motivado por la acción combinada de los esfuerzos de corte y un incremento de la temperatura. No debe confundirse con la rotura o fallo prematuro de la herramienta srcinado por algún defecto de la misma o por algún incidente externo al proceso de formación de la viruta. El desgaste de las herramientas de corte se puede definir como la modificación de la geometría de corte de la herramienta, con relación a su geometría srcinal, que tiene lugar durante el corte y que es debida a la pérdida progresiva del material de la herramienta. La naturaleza fundamental del desgaste puede ser diferente en distintas situaciones. En el caso de las herramientas de corte, cabe considerar tres mecanismos de desgaste básicos que son: Desgaste por adhesión. Tiene lugar al romperse las microsoldaduras existentes entre el material de la viruta y el de la herramienta. Cuando estas uniones se fracturan, pequeños fragmentos del material de la herramienta son arrancados y arrastrados por la viruta. El rozamiento existente entre la cara de incidencia y la superficie mecanizada también da lugar a desgaste por adhesión, pasando los pequeños fragmentos del material de la herramienta a la superficie mecanizada de la pieza. Desgaste por abrasión. Ocurre cuando las partículas de la viruta, endurecidas por deformación plástica, deslizan por la cara de desprendimiento de la herramienta. Estas partículas endurecidas pueden ser fragmentos de filo recrecido inestable, fragmentos de material de la 





herramienta arrastrados la viruta debidos a un previo desgaste por adhesión o pueden ser constituyentes duros del por material de lay pieza. Desgaste por difusión. La difusión en estado sólido tiene lugar cuando átomos de una red cristalina de una región de alta concentración, se desplazan en presencia de altas temperaturas, a otra región de concentración atómica más baja. Es pues un fenómeno a nivel atómico a diferencia de la adhesión que es de carácter macroscópico. Este fenómeno tiene lugar en aquellas zonas en las que hay un contacto íntimo entre dos materiales y su intensidad aumenta exponencialmente con la temperatura. En el corte, esto se traduce en un debilitamiento de la estructura superficial del material de la herramienta.

El desgaste de la herramienta de corte tiene lugar, principalmente, en la cara de incidencia, denominado desgaste en incidencia y en la cara de desprendimiento, denominado desgaste en desprendimiento. En algunas operaciones de mecanizado, entre ellas algunas de torneado, hay una tercera zona de desgaste en la cara de incidencia secundaria, cuyo tratamiento es similar al del desgaste en la cara de incidencia principal y, por ello, aquí no va a ser considerado explícitamente. Desgaste en desprendimiento

Desgaste en incidencia

Figura 5. Zonas de desgaste en la herramienta de corte.

Desgaste en procesos de corte 



7

El desgaste en incidencia es ocasionado por el rozamiento existente entre la superficie mecanizada y la cara de incidencia de la herramienta, provocando una zona o franja de desgaste que es paralela a la dirección del movimiento de corte. El desgaste en desprendimiento tiene lugar en la zona de contacto de la viruta con la cara de desprendimiento de la herramienta y tiende a ajustarse a la forma de la viruta, denominándose cráter a la zona desgastada. La parte de la cara de desprendimiento más próxima al filo experimenta un menor desgaste.

Para medir el desgaste de la herramienta es necesario establecer parámetros que puedan ser medidos y permitan cuantificar el valor del desgaste. Para la medida del desgaste en incidencia los parámetros que se suelen tomar son: el ancho medio de la zona de desgaste, VB, y el ancho máximo de dicha zona, VBmáx. Para evaluar el desgaste en la cara de desprendimiento de la herramienta se emplea la profundidad del cráter, KT , que es la distancia máxima entre el fondo del cráter y la cara de desprendimiento inicial de la herramienta. Debe advertirse que estos parámetros han de ser medidos en la zona media del filo de corte tal como se muestra en la figura.

Figura 6. Parámetros empleados en la medida del desgaste de las herramientas de corte.

Se define como criterio de inutilidad de la herramienta o criterio de desgaste, un valor límite preestablecido en la medida del desgaste de la herramienta por encima del cual la herramienta se considera no apta para mecanizar con garantías de obtener la calidad deseada. En ocasiones, los criterios de inutilidad pueden venir dados por la aparición de un determinado fenómeno o circunstancia. Cuando la evolución del desgaste es progresiva como en el caso de desgaste en incidencia se tiene una ley tal como la representada en la figura adjunta.


8

Figura 7. Ley de desgaste en incidencia Puede apreciarse la existencia de tres zonas de comportamiento diferentes. 





Zona A: Al inicio de su utilización, el filo se deteriora rápidamente apareciendo una franja de desgaste de dimensiones finitas. Zona B: Superada la zona A, el desgaste en incidencia progresa más lentamente siguiendo una ley aproximadamente lineal. Zona C: El desgaste aumenta muy rápidamente hasta la inutilización total de la herramienta.

Convendrá pues fijar un criterio de duración de la herramienta para que se prevea su sustitución o reafilado antes de entrar en la zona C ya que, la medida del desgaste en incidencia se efectuaba a partir de ancho medio de la zona de desgaste, bastará con fijar un valor límite para VB (por ejemplo VB ≤ 0,3 mm) para el establecimiento de un cierto criterio de duración de la herramienta. Los principales criterios de desgaste de las herramientas de corte se establecen en función de los fenómenos que a continuación se indican:         

Anchura media de la franja de desgaste en incidencia. Anchura máxima de la franja de desgaste en incidencia. Profundidad del cráter de la cara de desprendimiento. Desmoronamiento o fallo catastrófico de la arista de corte. Valor de la rugosidad de la superficie mecanizada. Aparición de grietas en la arista de corte. Volumen o peso de la herramienta desgastada. Empeoramiento de las características macrogeométricas de la pieza. Incremento de las fuerzas de corte o de la potencia.

De ellos, los más utilizados en relación con operaciones de corte convencionales son los cinco primeros. En ocasiones, se emplean conjuntamente dos o más criterios de desgaste. Como ejemplo, se van a mostrar los criterios recomendados por la norma UNE 16148 para operaciones de torneado con herramienta monofilo de: acero rápido, cerámica y metal duro. Los dos primeros emplean el fallo catastrófico, la anchura media del desgaste sobre la cara de incidencia principal (si el desgaste es uniforme en la zona media de la franja de desgaste de valor VB = 0,3 mm) y la anchura máxima del desgaste sobre la cara de incidencia principal (si el desgaste es irregular, existe rayado, desconchado o mal estado superficial en la zona media de la franja de desgaste; en este caso el valor es de VBmáx = 0,6 mm). Por su parte, las de metal duro emplean la anchura media y máxima del desgaste (en los mismos casos y con los mismos valores que en los otros tipos de herramientas


9

mostrados) y, además, la profundidad del cráter dado por la expresión KT (mm) = 0,06 + 0,03 a , donde a es el avance en mm/rev. Para el torneado de acabado, el criterio más usual es el de conseguir que la rugosidad superficial alcance un valor determinado. Se recomienda para el valor del criterio de desgaste alguno de los siguientes de Ra (μm): 0,4 - 0,8 - 1,6 - 3,2 - 6,3 - 12,5.

1

Vida y ecuaciones de la herramienta

5.-Vida y ecuaciones de la herramienta 1. Vida de la herramienta La duración o vida de la herramienta se define como el tiempo de corte, en unas condiciones de mecanizado dadas, necesario para alcanzar un criterio de duración de la herramienta. En su definición se ha considerado el tiempo de corte o tiempo en el que la herramienta está arrancando material. Sin embargo, la duración de la herramienta puede interesar en otras unidades. Las unidades de vida de herramienta más empleadas son:  

 

 

Tiempo de corte, de interés en la Oficina de Métodos y Tiempos. Tiempo total por componente o tiempo de la pieza en la máquina-herramienta, de interés para el servicio de mantenimiento. Volumen de material arrancado, de interés científico y en investigación. Cantidad de piezas producidas, de interés para el operario y para el cálculo de los costes de mecanizado. Velocidad de corte equivalente, para la confección de catálogos y comparación de herramientas. Velocidad de corte relativa o maquinabilidad relativa, para comparación de las prestaciones de las herramientas.

2. Ecuaciones de la herramienta

Se denominan ecuaciones de duración o de vida de la herramienta a expresiones matemáticas que relacionan la duración de la herramienta con uno o varios parámetros del proceso de mecanizado. F. W. Taylor (1906) efectuó largas series de ensayos sistemáticos, variando la velocidad de corte y manteniendo constantes los restantes parámetros del proceso, considerando como criterio de duración el desmoronamiento del filo de la herramienta y llegó a una ecuación de vida de la herramienta de empleo aún en la actualidad. A continuación se van a exponer las principales ecuaciones de vida de la herramienta. 2.1. Ecuación de Taylor Los resultados de los ensayos realizados por Taylor en 1906 condujeron a pares de valores velocidad de corte/vida de la herramienta, ajustables a una curva potencial en coordenadas cartesianas o a una recta en escalado doblemente logarítmico. Su forma analítica es la siguiente: n

VT = C

(1)

logV + n log T = logC

(2)

donde: V es la velocidad de corte en m/min. T, la duración de la herramienta en minutos. n, el exponente de Taylor que es función del material de la herramienta. C, es una constante que corresponde a la velocidad de corte para una

vida de herramienta unitaria (1 minuto). Depende, por tanto, de varios factores pero es un indicador de la maquinabilidad del material de la pieza bajo las condiciones de mecanizado de los ensayos.

2


Figura 1. Gráficas de la ecuación de Taylor El exponente n expresa la pendiente de la recta logV/logT, y conociendo dos pares de valores (V1,T1) y (V2,T2) puede determinarse como: n = tgα =

logV1 − logV2 log T1 − log T2

(3)

En la siguiente tabla se recogen los valores más usuales del exponente n en función del material de la herramienta.

Tabla 1. Valores de n para distintos tipos de materiales de herramienta. Herramientas Acero rápido Metal duro Cerámica

n

0,15 0,25 ÷ 0,30 0,70

Experimentalmente se ha comprobado que la ecuación de Taylor es válida para casos de mecanizado de aceros suaves y de aleaciones de buena maquinabilidad, tanto en desbaste como en semiacabado, siempre que se empleen velocidades de corte tales que la vida de la herramienta esté comprendida entre 10 y 50 minutos. Sin embargo, no resulta totalmente acorde con los resultados obtenidos en el caso de mecanizado de materiales de alta resistencia, sobre todo en condiciones que conduzcan a vidas de herramienta superiores a unos 60 minutos o en el caso de fuertes desbastes.

2.2. Primera generalización de la ecuación de Taylor: La ecuación de Taylor puede ser puesta explícita en T de la forma: 1

⎛ C ⎞n T =⎜ ⎟ ⎝V ⎠

y admite una generalización del tipo:

(4)

3


K1

T=

1

1

1

n

n1

n2

V a p

(5)

eliminando T de ambas ecuaciones se llega a: ⎛ ⎜ C =⎜

⎞ ⎟ ⎟

K1 1

1

n

(6)

n1 n2 ⎜⎝ a p ⎠⎟

esto es, que C es función del avance y de la profundidad de pasada; por ello, en el caso en que inicialmente se varíe la velocidad de corte, a y p serán constantes y por lo tanto también lo será C. En esta expresión generalizada de Taylor se suele trabajar con avances en mm/rev (o mm/doble carrera), profundidades de pasada en mm, velocidades de corte en m/min y vida de la herramienta en minutos. Entre las constantes exponenciales de esta generalización de la ecuación de Taylor se tienen las siguientes relaciones de desigualdad: 1 1 >

n

n1

1

>

n2

>0

(7)

La validez de esta ecuación generalizada es más discutible que la de la ecuación básica de Taylor, sin embargo resulta de gran utilidad para el estudio de la influencia del avance y de la profundidad de pasada en la duración de las herramientas de corte.

2.3. Segunda generalización de la ecuación de Taylor: Estudios posteriores a los de Taylor, entre ellos los de Chao (1951) y Kienzle (1956), han intentado evaluar, dentro de C, algunos factores de influencia que no habían sido tenidos en cuenta por Taylor. Tales factores son: - Ancho de la franja de desgaste en incidencia, VB en mm. - Espesor de viruta no deformada, h1 en mm. - Ancho de corte, b en mm. La influencia de estos factores se recoge en la siguiente ecuación: K 2 (VB )

m

C=

x

y

(8)

h 1b

teniéndose la siguiente generalización de la ecuación de Taylor:

4


K 2 (VB )

m

VT = n

x

h 1b

(9)

y

Ahora bien, como: h1 = asenχ r

b=

(10)

p

(11)

senχ r

se tiene la siguiente expresión alternativa a la segunda generalización de la ecuación de Taylor: K 2 (VB )

m

VT = n

a p (senχ r ) x

y

(12)

x− y

Valores típicos de los exponentes de esta ecuación se recogen en la siguiente tabla: Tabla 3. Valores típicos de los exponentes de la segundageneralización de la ecuación de Taylo Material

n

x

y

m

÷

Acero rápido Metal duro

0,15 ÷ 0,25 0,30

0,66 ÷0,42

0,37

0,36 ÷ 0,19 0,25

0,48 0,40 0,40 ÷0,48

Micheletti recomienda esta última expresión para la preparación del trabajo en ordenador, al reducir al mínimo los datos de los materiales y de la herramienta que han de ser introducidos en memoria.

2.4. Ecuación de Kronenberg: Constituye una nueva generalización de la ecuación de Taylor; Kronenberg (1954) parte de la primera generalización expresada como sigue VT n =

K3

(13)

ar ps

y efectúa las siguientes transformaciones: s

VT = a

siendo: p G=

a

r −s

r

K 3a 2 p 2

n

r +s

s+r

r

s

2

2

2

2

p

a p

=

K 3G

2

r+s

A1

2

=

K 3G A1

f

g

(14)

un factor de forma de la sección de viruta no deformada

5


A1 = ap g≡ f ≡

el área de la sección de viruta no deformada

r−s

2 r+s

2

A continuación Kronenberg introduce el concepto de “velocidad equivalente de corte” como “aquella velocidad de corte que en determinadas condiciones del proceso conduce a un cierto de vida desubíndice la herramienta”; generalmente, dicha vida de herramienta se indica, envalor minutos, como de V. Sus ensayos fueron hechos parala una vida de 60 2 minutos, con un factor de forma de valor 5 y una sección de viruta de 1mm . Sustituyendo estos valores en la expresión de Taylor se tiene: n V60 (60 ) =

K3 5g

(15)

1f

y dividiendo miembro a miembro ambas expresiones se tiene:

n

⎛G⎞ ⎜ ⎟

g

V T 5 ⎠f V60 ⎛⎜⎝ 60 ⎞⎟⎠ = ⎝ A 1

(16)

de donde: g

⎛G⎞ V60 ⎜ ⎟ ⎝5⎠ V = n f ⎛ T ⎞ A1 ⎜ ⎟ ⎝ 60 ⎠

(17)

siendo los valores comunes de los exponentes los recogidos en la tabla siguiente: Tabla 4. Valores típicos de los exponentes de la ecuación de Kronenberg. Mecanizado de: Aceros Fundiciones

f

g

0,28 0,20

0,14 0,10

y n = 0,15 para herramientas de acero rápido y n = 0,25 ÷0,30 para las de metal duro. A continuación se facilitan tablas para la obtención de V60:

6


Tabla 9. Tablas de V60 para distintos materiales. Mecanizado de acero resistencia a tracción en daN/mm2 35 44 53 61 70 79 87 96 105

Hta. de metal duro 282 213 169 138 113 100 85 76 67

Hta. de acero rápido 85 64 51 42 34 30 26 23 20

V60 (m/min)

Material a mecanizar

Hta. de metal duro 850 535 1000 1650

Cobre Bronce Latón Aluminio (puro) Mecanizado de fundición con HB

V60 (m/min)

Hta. de acero rápido 45 60 100 77

Fundición nodular con herramienta de metal duro

V60 (m/min) Fundición maleable con herramienta de metal duro

Fundición maleable con herramienta de acero rápido

220 125 90 70 65

240 200 160 130 100 80 60 45

50 40 35 30 25 20 -

100 125 150 175 200 225 250 275

3. Ensayos para determinar los parámetros de la ecuación de vida de la herramienta Los parámetros de las ecuaciones de duración de la herramienta recogen información conjunta sobre la capacidad de corte de la herramienta y la maquinabilidad del material de la pieza, para la geometría y condiciones de corte consideradas. Dichos parámetros suelen sery determinados mediante ensayos. Los ensayos se han venido clasificando en: convencionales rápidos. Los primero suelen ser largos y costosos. Por ello, han surgido los segundos con los que se obtienen soluciones razonables para los recursos empleados.

3.1. Ensayos convencionales Se va a exponer, en lo que sigue, un resumen del método de ensayo propuesto por la norma UNE 16148 titulada Ensayos de duración de torno de corte único. En ella se especifican primero las condiciones del ensayo y después el registro y tratamiento de los resultados. 



Material de la pieza:

Cuando el material de la pieza no sea la variable del ensayo, se empleará:

acero (F1145 F1147) o fundición con 200 HB). Material de lao herramienta : Cuando(FG25 el material de ÷la220 herramienta no sea la variable a ensayar, se empleará: acero rápido (FS603 con un tratamiento térmico específico), metal duro (P10 para

7






mecanizado de acero o K30 para mecanizado de fundición) o cerámica (cualquier calidad comercial, indicándola en las hojas de resultados del ensayo). Condiciones de referencia de la pieza : La superficie debe provenir de laminación o de moldeo. La relación longitud de la pieza/diámetro de la pieza no debe ser excesiva, a fin de evitar fenómenos de inestabilidad, y en todo caso inferior a 10. La pieza se sujetará con plato y contrapunto. El punto será un agujero de 6,3 mm de diámetro, con achaflanado a 120º. Geometría de la herramienta: cuando la geometría de la herramienta no sea variable a ensayar, se emplearán los valores recogidos en la tabla siguiente. Cuando el radio de la punta de la herramienta rε = 0,4 mm, el radio de redondeo de la arista principal valdrá: rn = 0,02 ÷ 0,03 mm; y cuando rε > 0,4 mm, será rn = 0,03 ÷ 0,05 mm.

Tabla 10. Características geométricas de las herramientas para distintos materiales. Material herramienta

r

r

Acero rápido Metal duro

25º +6º - 6º

8º 5º 6º

0º 0º -6º

75º 75º 75º

90º 90º 90º

Cerámica

- 6º

6º

-6º

75º

90º

(*)

(*) εr es el ángulo de la punta 





Condiciones de referencia de la herramienta:

Se utilizará una herramienta recta de desbastar. Su sección transversal será de 25 x 25 mm en el caso de herramientas con plaquitas de metal duro y de 25 x 16ser mm las herramientas enterizas de acero rápido. El voladizo de la herramienta deberá de para 25 mm. Fluidos de corte: Cuando el fluido de corte no sea la variable a ensayar, las pruebas serán efectuadas bien en seco o bien empleando una solución acuosa que contenga un 0,5 % de trietanolamina y 0,2 % de nitrato de sodio. Únicamente se empleará el fluido de corte en el caso de herramientas de acero rápido con criterio de desgaste por desmoronamiento o fallo catastrófico. El caudal del fluido será el mayor valor de los dos siguientes: 3 l/min ó 0,1 l/cm3 de material eliminado por minuto. Condiciones de corte: Cuando el avance y la profundidad de pasada no sean las variables del ensayo, se emplearán de acuerdo con las siguientes restricciones: - Profundidad de corte mínima = 2 veces el radio de la punta - Profundidad de corte máxima = 10 veces el avance Avance máximo = 0,8 para veceselelradio radiodedelalapunta punta= 0,4; 0,8 y 1,2 mm. - Valores normalizados - Otros valores recomendados para la relación P/a = 4; 6 y 8. La velocidad de corte se calculará sobre la superficie a mecanizar y no sobre la superficie mecanizada. En los ensayos se medirán las revoluciones del husillo durante el mecanizado.



Método operativo : Se las constantes C y n

va a exponer en el caso de que lo que se pretenda sea obtener el valor de de la ecuación de Taylor. Se efectuarán ensayos al menos con cuatro velocidades de corte distintas (V1; V2; V3 y V4) y se medirán, a intervalos adecuados, el ancho de la franja de desgaste o la profundidad del cráter, según el criterio de duración adoptado en cada caso. Las lecturas se representarán en un diagrama en el que en abscisas se tenga una escala de tiempo en minutos y en ordenadas el parámetro de desgaste en mm. Para cada velocidad se obtendrán, menos,decinco medidas del desgaste y por lo menos una excederá del valor recomendado en elalcriterio desgaste a aplicar.

8


Figura 2. Método operativo de los ensayos convencionales. Si se hubiera empleado como criterio de duración el desmoronamiento del filo, los valores T1, T2, T3 y T4 se habrían obtenido directamente. En cualquier caso, llevando los cuatro pares de valores (V,T) a un sistema coordenado doblemente logarítmico y ajustando los puntos obtenidos a una recta como la mostrada en la figura: n = tgα C= V1min

(18) (19)

Figura 3. Cálculo de n por medio de gráficos en escala logarítmica. con lo que queda definida la ecuación de Taylor, para el caso ensayado. n

VT =C

(20)

El ajuste a una recta puede efectuarse “a ojo” o mediante cálculo estadístico que incluya el estudio de la bondad del ajuste. En la mayoría de los casos su determinación “a ojo” constituye una aceptable aproximación.

3.2.Ensayos rápidos Como puede apreciarse, la operativa anteriormente expuesta es cara ya que precisa de gran cantidad de tiempo y de material; por ello, se han desarrollado los llamados ensayos rápidos que, si bien son menos fiables, resultan más operativos. De ellos conviene destacar el denominado ensayo con

9


o ensayo de refrentado, que consiste en refrentar una pieza cilíndrica, con agujero central, de dentro a fuera con velocidad de husillo constante. La velocidad de corte inicial se selecciona de unos 20 a 30 m/min inferior a la que ocurre el fallo catastrófico del filo de corte y la probeta se diseña para que dicho fallo ocurra antes de acabar la pasada de refrentado. La velocidad de corte en el instante del fallo catastrófico Vz, se puede correlacionar con la velocidad equivalente para una vida de 60 minutos, V60 como sigue: velocidad de corte creciente

Herramientas de acero rápido: Herramientas de metal duro:

Vz ≅ 2,5 V60 + 20 Vz ≅ 2,5 V60 + 50

(21) (22)

La correlación produce aceptables resultados en el rango 70 ≤ V z ≤ 180, con herramientas de acero rápido.

Evaluación económica de procesos de mecanizado

1

6.-Evaluación económicade procesos de mecanizado 1. Introducción Aunque hasta ahora no ha sido considerado explícitamente, no debe perderse de vista el hecho de que los procesos de conformado por eliminación de material juegan un papel económico muy importante en el ámbito industrial. Por ello, es necesario relacionar los aspectos meramente tecnológicos con los económicos para poder comprender toda la problemática que rodea a este tipo de procesos. El estudio económico de los procesos de mecanizado no va a ser considerado únicamente desde la óptica de permitir “facturar” los trabajos efectuados en máquinas-herramienta, sino que se va a analizar cómo influyen los distintos aspectos económicos en la selección “optimizada” de las condiciones de operación en dichos procesos de fabricación. Como se ha podido apreciar en lo expuesto anteriormente, existen multitud de opciones a la hora de seleccionar las condiciones de corte para un cierto proceso; ahora bien, también se ha observado que el aumento indiscriminado de alguno de tales parámetros, como por ejemplo la velocidad de corte, va en detrimento de la vida de la herramienta, y, por ello, lo que parecía que iba a ser un aspecto económico positivo queda en principio relegado a un estudio más exhaustivo de carácter económico. Por ello, para seleccionar unas condiciones de corte óptimas se hace necesario tener en cuenta los aspectos económicos; esto es, los criterios de optimización de las condiciones de mecanizado deberán ser de carácter económico. Los estudios en esta línea comenzaron hace más de 70 años de la mano de Forsberg (1929) y han sido continuados por gran cantidad de investigadores, entre ellos: Witthoff (1947), Gilbert (1950) y Colding (1958). En la actualidad el tema sigue abierto ya que los modelos a los que se llega son ciertamente complejos, y el empleo del ordenador y de algoritmos avanzados de optimización está siendo llevado a cabo por prestigiosos equipos de investigación.

2. Determinación de los costes en procesos de mecanizado A continuación, antes de pasar a la determinación del coste de operación de la máquina, es necesario definir algunos conceptos básicos, como son:

2.1. Nomenclatura de tiempos 









tm: es el tiempo de mecanizado por componente (tiempo que tarda la herramienta en recorrer la pieza). tc: es el tiempo de corte por componente (es aquel en el que la herramienta está arrancando viruta. En herramientas de filos múltiples, el tiempo de corte de un filo concreto puede ser varias veces inferior al tiempo de corte de la herramienta). trf : es el tiempo de reposición de filo (es el empleado en reacondicionar la herramienta sobre la máquina con un nuevo filo o con un nuevo juego de filos). tnp: es el tiempo no productivo por componente (es el utilizado en la fijación y liberación de la pieza, detenciones y cualquier otra operación no indicada expresamente en los tiempos anteriores). tt: es el tiempo total por componente (es el que se emplea en la operación de mecanizado que nos ocupa en una pieza).

La relación entre ellos viene dada por:


2

t t = t np + t m + t m





tc Th

(1)

T: duración o vida de la herramienta que interviene en la ecuación de Taylor, también denominada duración o vida de un filo. Th: duración o vida de la herramienta.

La relación entre la duración de un filo de la herramienta y la de la herramienta viene dada por: Th = zT

(2)

donde: z=1 en herramientas monofilo o con varios filos cortando simultáneamente (por ejemplo, la broca helicoidal) y z>1 en herramientas de varios filos en trabajo no simultáneo; el valor de z suele coincidir con el número de filos que tiene la herramienta aunque en sentido estricto lo que representa es la proporción inversa entre el tiempo de arranque de un filo con respecto del tiempo de cada revolución de la herramienta.

2.2. Nomenclatura de costes 





c& : es el coste, por unidad de tiempo, de operación de la máquina (comprende los costes fijos, los costes directos y los indirectos). Chf: es el coste de la herramienta, por filo (es el coste atribuido a la herramienta, por filo en herramientas de filo único o por juego de filos en herramientas de varios filos). Ct: es el coste total, por componente.

La relación entre costes viene dada por: C t = c&t t + C hf

tc t = c& (t mp + t m ) + c&t rf + c hf c Th Th

(

)

(3)

Si se denominan por It los ingresos totales por componente, la tasa de beneficio o beneficio por componente y unidad de tiempo, B, podrá definirse como:

I t − c&tt − C hf B = I t − Ct = tt

tt

tc Th =

I t − c&t t − C hf tt

tc Th − c& =

I t − C hf t mp

tc

Th c tc − & + t m + t rf Th

(4)

La determinación de c& es difícil de establecer. Conceptualmente se forma a partir de los costes fijos, costes directos y costes indirectos. Los costes fijos no son dependientes del volumen de producción y se producen por la repercusión de la compra de la máquina sobre la que se trabaja (amortización, interés del capital, impuestos y seguros). Los c ostes directos varían con el volumen de producción y se srcinan por la operación particular de mecanizado que se considera (salarios, materiales, energía, accesorios sin incluir herramientas). Los costes indirectos varían con el volumen de producción y se srcinan al prorratear los costes no fácilmente asignables a una operación concreta (mantenimiento, manejo y almacenamiento materiales, edificios, inspección, departamento técnico, administración, etc.).


3

Para establecer el valor de c& , referido al período de un año suelen hacerse las siguientes consideraciones. A medida que el tiempo transcurre, la máquina se va depreciando y se puede admitir que su valor al inicio de cada año es:

⎛ ⎝

C a = C o ⎜1 −

a −1 ⎞

⎟

(5)

A ⎠

donde: Co es el valor inicial de la máquina instalada. a un número entero que indica la edad de la máquina, en años. A un número entero que indica el período de amortización, en años.

Parece razonable establecer los costes de seguros e impuestos sobre Ca a través de un cierto porcentajeque, expresado en tanto por uno, se va a designar por rs. Al mismo tiempo, si la inversión inicial se va restituyendo cada año en la cantidad Co/A, la tasa de interés sólo deberá aplicarse a la cantidad pendiente Ca. En estas condiciones, los costes fijos repercutirán sobre el año a de vida de la máquina en la cuantía:

C& f

⎡ 1 ⎛ a −1⎞ ⎤ + C a (r)s + ri = C 0 ⎢ + ⎜(1)− ⎟ rs + ri ⎥ A A ⎠ ⎣A ⎝ ⎦

C0

(6)

Con objeto de que esta cantidad sea la misma cada año, suele trabajarse con el valor medio correspondiente, lo que conduce a

rs = *

1 ⎡ 1 −1 A − 1⎤ A +1 1− +1− rs = rs ⎢ ⎥ 2⎣ A A ⎦ 2A

(7)

e idénticamente,

ri = *

A +1

2A

ri

(8)

resultando los siguientes costes fijos anuales:

⎡1 ⎤ + rs * + ri *⎥ ⎣A ⎦

C& f = C o ⎢

(9)

El tratamiento anterior se simplifica a veces calculando C& f a través de la depreciación anual, afectada de un cierto coeficiente que representa el tanto por uno de los costes fijos de la máquina sobre dicho valor. Es decir,

C& f =

C0 A

+

C0 A

rm =

C0 A

(1 + rm )

(10)

Aplicando un procedimiento análogo para el cálculo de los costes variables, se tiene:

C& v = s& 1 + rop

(

)

(11)

donde:

s& es el salario anual del operario rop es el tanto por uno que sobre s& recoge los restantes costes variables


4

Finalmente, se tiene que:

C& = C& f + C& V

(12)

estando C& referido a un año. Para la obtención de c& , generalmente referido a una hora, habrá que dividir C& por el número de horas productivas por año.

3. Determinación del coste de la herramienta por filo En relación con la determinación del coste de la herramienta por filo (o juego de filos) cabe distinguir entre herramientas reafilables y herramientas con plaquitas desechables. Para herramientas reafilables puede establecerse que:

C hf =

cos te inicial herramienta promedio n º reafilados + 1

+

promedio n º reafilados ⎛

⎞ ⎜ cos te operación reafilado ⎟ ⎠ promedio n º reafilados + 1 ⎝

Para herramientas con plaquitas desechables se tiene:

C hf =

cos te inicial portaherra mientas + accesorios n º juegos de filos en la vida del porta

cos te juego de plaquitas

+

promedio n º

filos efectivos / plaquitas

siendo: nº de juegos de filos en la vida del porta, el número de juegos de plaquitas en la vida del portaherramientas por el número de filos por plaquita. Coste del juego de plaquitas, el coste de una plaquita por el número de plaquitas por juego.

El concepto de filos efectivos se introduce por el hecho de que algunas plaquitas se rompen, total o parcialmente, quedando inservibles uno o varios filos. En el caso de herramientas de varios filos, el coste de la operación de reafilado se refiere a todos los filos de la herramienta. En el caso de herramientas de filo único, las fórmulas anteriores siguen siendo válidas si se considera que cada juego de plaquitas sólo se compone de una plaquita.

4. Criterios económicos en procesos de mecanizado Si se representan las expresiones obtenidas para el coste total por componente en funciónVde , se tiene:

C t = c&t np + c&t m + (c&t rf + C hf

)t

c

Th

(13)

Donde se han tenido en cuenta que: trf, tnp, c& y Chf son independientes de V; tm y tc disminuyen (1/n-1) cuando aumenta V; tc/Th es proporcional a V con n<1, luego aumenta cuando aumenta V.


5

Figura 27. Coste y tiempo por componente frente a la velocidad.

A continuación se van a aplicar los criterios de mínimo coste y de máxima producción a operaciones con herramienta monofilo y velocidad de corte constante; esto es, al cilindrado en pasada única. Para la aplicación de dichos criterios se va a considerar la primera generalización de la ecuación de Taylor, en la que la constante C se expresa en función del avance, a, y de la profundidad de pasada, p, tal y como se indica en la siguiente expresión: K1

T=

1

1

V na

n1

(14)

1

p

n2

1 1 1 donde los exponentes cumplen la relación: n > n > n . 1 2 Si la profundidad de pasada se supone constante, p=cte, quedará:

⎛ ⎞ ⎜ K ⎟ 1 ⎜ 1 ⎟ ⎜⎜ n ⎟⎟ 1 ⎝p ⎠= T = 1 1

V na

y como hace referencia a un cilindrado, Th

n1

K 1

1

V na

n1

(15)

= T y el tiempo de mecanizado podrá expresarse como:

Evaluación económica de procesos de mecanizado t m ≅ tc =

l

=

Va

l a

n

6

l

= a

=

ϖ

2π

l πd l S = ≡ aV a V aV π d

(16)

Siendo S = cte el área de la superficie a mecanizar de la pieza.

4.1. Criterio de mínimo coste por componente Expresando el coste total en función de los parámetros avance y velocidad de corte: 1

1

( ()

Ct = c& t np + t m + c&t rf + C hf

= c&t np + c&

S

+ (c&t rf + Chf

tc

( )= c&t

Th

)S V

1 n

−1

np

1 n

+ c&

S aV

+ c&t rf + C hf

S V na aV

n1

K

= (17)

−1

a 1 aV K Se podrán obtener los máximos y los mínimos con respecto a cada uno de ellos a partir de las

expresiones

∂C t ∂C t =0 y = 0 . En este caso, el estudio se va a centrar en buscar la velocidad de ∂V ∂a

corte que conlleva el mínimo coste. Estos es:

∂C t = c& S ⎡⎢− 1 + ⎛⎜ 1 − 1⎞⎟ V t a t ⎛⎜ t rf + C hf ⎞⎟⎤⎥ = 0 2 ∂V c& ⎟⎠⎦⎥ aV ⎢⎣ ⎝ n ⎠ K ⎜⎝ 1

Como el término c&

S aV

2

(18)

no pueden anularse, la condición de mínimo vendrá dada por:: 1 1 ⎡ C ⎛ 1 ⎢− K + ⎛⎜ − 1⎞⎟V n a n1 ⎜⎜ t rf + hf c& ⎢⎣ ⎝n ⎠ ⎝

⎞⎤ ⎟⎟ ⎥ = 0 ⎠ ⎥⎦

(19)

esto es: 1

1

n

n1

V a

= A

(20)

donde: A = cte =

K C hf ⎞ ⎛ 1 ⎞⎛⎜ ⎟ ⎜ − 1⎟⎜ t rf + c& ⎟⎠ ⎝ n ⎠⎝

(21)

el punto óptimo para una situación de coste mínimo se encuentra sobre valor del avance posible. Laecuación

∂Ct ∂V

=0 también puede escribirse de la siguiente forma:

∂Ct = 0 para el mayor ∂V

Evaluación económica de procesos de mecanizado K 1

1

n

n1

7

C ⎞ ⎛ 1 ⎞⎛ = ⎜ − 1⎟⎜⎜ trf + hf ⎟⎟ ≡ Tmc c& ⎠ ⎝ n ⎠⎝

(22)

V a donde, como puede apreciarse, el primer miembro viene dado en unidades de vida de herramienta. A dicha vida se la denomina vida de herramienta para mínimo coste, Tmc.

4.2. Criterio de máxima producción Se parte de la expresión del tiempo total por componente: t t = t np + t m + t rf

tc

(23)

Th

que, para una operación de cilindrado en pasada única y teniendo en cuenta la generalización de Taylor, toma la forma siguiente:

tt = t np +

S aV

+ t rf

S K

1

V

n

−1

1

a

n1

−1

(24)

∂t ∂tt = 0 y t = 0 , se podrían V ∂ ∂a

Siguiendo el procedimiento mostrado en el caso anterior, haciendo

obtener los máximos y mínimos de la expresión. A continuación se va a desarrollar el primero de ellos. t t ∂tt S ⎡ ⎛ 1 ⎞V a 1 ⎤ 1 1 = − + − t rf ⎥ = 0 ⎜ ⎟ ⎢ ∂V aV 2 ⎣ ⎝ n ⎠ K2 ⎦

(25)

El punto óptimo para una situación de máxima producción se encuentra sobre

∂tt = 0 , con el ∂V

mayor valor del avance posible. La ecuación

∂t t

= 0 también puede escribirse de la siguiente forma:

∂V K 1

1

V na

n1

⎛1 ⎞ = ⎜ − 1⎟t rf ≡ Tmp ⎝n ⎠

(26)

y, por consideraciones similares a las del apartado anterior, se define Tmp como vida de la herramienta para máxima producción. Puede apreciarse que Tmp

< Tmc , por lo que a igualdad de avances, la velocidad de corte para

máxima producción es superior a la de mínimo coste, Vmp > Vmc y la zona de velocidades comprendida entre ambas (Vmc ≤ V ≤ Vmp) presenta notables ventajas al usuario sobre todo en los casos en los que las curvas Ct = Ct (V) y tt = tt(V) sean lo suficientemente “planas” en las

proximidades de sus mínimos respectivos.

Ingeniería de procesos de mecanizado

Eva M. Rubio


Planificación de operaciones y procesos de mecanizado

Eva M. Rubio

MU en Ingeniería Avanzada de Fabricación Ingeniería de procesos de mecanizado Tema

CONTENIDOS

Tema 01

Clasif icación y estu dio d e los p roc esos de me caniza do

Tema 02


Tema 03


Tema 04

Desgaste e n pr oceso d e corte

Tema 05

Vida y e cu acion es de la herramient a

Tema 06

Evaluación econ ómi ca de pro cesos d e mecaniza do

Tema 07

Selecci ón d e las herr amientas de mecaniza do

Tema 08

Planific ación d e opera cion es y de pr ocesos de meca niza do

Tema 09

Máquinas-he rramienta y uti llajes

Tema 10

Mecaniza do con co ntr ol num érico

MU en Ingeniería Avanzada de Fabricación Ingeniería de procesos de mecanizado

Planificación de procesos y operaciones de mecanizado

Índice Introducción Selección de procesos Operación de mecanizado



Hasta ahora se han estudiado diferentes aspectos relacionados con los procesos de mecanizado que abarcan desde la descripción física de los elementos que intervienen en ellos: piezas, htas máquinas, utillajes y operarios hasta el análisis detallado de: la geometría yinvolucradas la cinemática , la del potencia corte,necesaria las fuerzas para realizar el proceso, los problemas asociados con el desgaste de las htas y la duración de las mismas así como el cálculo de los costes



Sin embargo, en el ámbito industrial, el problema que se plantea es el de determinar a partir del plano de la pieza: Proceso Máquina Herramientas Secuencia de operaciones Condiciones de corte (p , V y a )

que permitan la fabricación de la pieza del modo más rentable posible






La selección de un proceso queda determinada por: Las características y propiedades del material de las piezas La forma y el tamaño de la pieza Los requerimientos en las tolerancias dimensionales y el acabado superficial Los requerimientos de funcionamiento de la pieza El volumen de producción El nivel de automatización para satisfacer el volumen de producción y la rapidez de producción Los costes



Limitaciones de los procesos convencionales El material es muy duro (> 400 HB) La pieza es demasiado flexible, delicada o difícil de sujetar La forma de la pieza es complicada Las tolerancias y los acabados son muy exigentes Hay quelaminimizar efecto térmico sobre pieza y laelaparición de tensiones residuales NO convencionales



La selección de un proceso queda determinada por: Las características y propiedades del material de la piezas La forma y el tamaño de la pieza Los requerimientos en las tolerancias dimensionales y el acabado superficial

C o n ve n c io n a l e s

N o c o n v e n c io n a l e s



La selección de un proceso queda determinada por: La forma y el tamaño de la pieza

Torneado

Fresado



La selección de un proceso queda determinada por: La forma y el tamaño de la pieza

Dimensiones y potencia del equipo empleado



La selección de un proceso queda determinada por: equerimiesuperficial ntos en las tolerancias dimensionales yLosel racabado



La selección de un proceso queda determinada por: Los equerimiesuperficial ntos en las tolerancias dimensionales y el racabado



La selección de un proceso queda determinada por: Los requerimientos de funcionamiento de la pieza



La selección de un proceso queda determinada por: Los requerimientos de funcionamiento de la pieza + Fresadora

Unión Torno

Obtener u na so la pi eza medi ante fr esado/tor neado o fresado /to rn eado



La selección de un proceso queda determinada por: El volumen de producción cantidad de piezas a fabricar va a permitir determinar: Tecnología y su nivel de automatización Distribución en planta de máquinas y equipos Flexibilidad de los mismos para adaptarse a los cambios de volumen El nivel de automatización para satisfacer el volumen de producción y la rapidez de producción



Considerando los conceptos de: variedad y volumen La posibilidad oscila entre los márgenes: Producir cualquier producto en cualquier volumen Producir un único producto en volumen elevado

Los casos intermedios más comunes son: Muchos productos en pocas unidades pequeños volúmenes Muchos productos en volúmenes medios Varios productos en volúmenes elevados Un único producto en volúmenes muy elevados



Conocida la combinación exacta se va a poder determinar: Tipo de máquinas y equipos Nivel de automatización a emplear Tecnología más adecuada para producir piezas de forma económica



Orden de magnitud de los volúmenes Volumen Experimental o prototipos Lotes pequeños

Unidades producidas 1-10

Productos típicos Todo

10-5.000

Aviones, matrices

Lotes grandes 5.000-100.000 Producción en masa

> 100.000

Camiones, motores Automóviles, tornillos



Tecnología: tipos de automatización clasautomatización La ificar en dos grindustrial andes grupseospuede : Fija Volúmenes de producción muy altos Producción en masa Flexible Volúmenes de producción medios y bajos



Tecnología: tipos de automatización Fija Se caracteriza por: Tasas de producción Rendimiento Diseño específico de los equipos Coste de diseño y fabricación de equipos Ciclo de vida del equipo acorde con la vigencia del producto en el mercado



Tecnología: tipos de automatización Flexible Se caracteriza por: Tasas de producción medias y bajas Diversidad de producción a obtener E q ui p o s a d a p t a b l e s ( m e d i a n t e s o f tw a r e ) a l a s variaciones de los productos Coste de los equipos, instalación y puesta a punto y mantenimiento Mayor ciclo de vida de los equipos



Tecnología: tipos de automatización PCEM Flexible Equipos convencionales

Equipos de Control Numérico



Tecnología: tipos de automatización PCEM Flexible

10

100.000



Distribución en planta o layout Layout puede ser Funcional Celular Línea



Distribución en planta o layout. Funcional

Agrupación de equipos del mismo tipo



Distribución en planta o layout. Celular

Agrupación de equipos requeridas y procesos según las operaciones para la obtención de un producto



Distribución en planta o layout. Lineal

Agrupación de equipos y procesos en línea para producir un producto o una familia limitada de ellos



La selección de un proceso queda determinada por: Los costes Equipos

Adquisición Instalación Puesta a punto Mantenimiento

Personal cualificado

Herramientas

Compra Afilado Sustitución






Dado el plano de la pieza se van conocer: Geometría Requerimientos dimensionales Requerimientos de acabado superficial Material

de la misma



Ejemplo: La pieza tiene simetría de revolución El proceso a seguir debe ser T o rn e a do C i li n d r a d o La MH será, por tanto, un torno puede, que sea necesario el empleo de alguna otra máquina si así lo indica el plano en cuanto al acabado superficial



La geometría y el material de la pieza van a determinar la hta o conjla untpreforma o de htasdea upartida tilizar Conocida la geometría de la pieza y establecida la de la preforma va a ser conocida la cantidad de material a eliminar Dicha eliminación se puede hacer en una o en varias pasadas de profundidad p, que habrá que determinar en función de la potencia que tenga la MH y del acabado superficial exigido a la pieza



Con respecto a la potencia de la máquina hay que tener en cuenta que, si la potencia de la máquina es Plam potencia útil, P u realmente disponible para efectuar el mecanizado, vendrá dada por: Pu ηPm donde es el rendimiento de las transmisiones de la máquina y representa las pérdidas que tienen lugar en los elementos de transmisión =



Si es P la potencia necesaria para el arranque de viruta con profundidad, p, se debe cumplir que:P < Pu puesto que, en caso contrario, la máquina no tendría potencia suficiente para llevar a cabo el corte La potencia disponible para efectuar el corte suele ser el 80% de la potencia útil. Esto es: P 0,8 Pu


Planificación de procesos y operaciones de mecanizado La selección de la velocidad de corte, V, va a venir condicionada por:

material de la pieza material de la herramienta elegida tipo de operación (desbaste o acabado) uso o no de fluidos de corte Además, puede que esté supeditada al criterio económico cumplimiento de un determinado Generalmente, los fabricantes de herramientas suelen proporcionar tablas con los valores de la velocidad de corte recomendados en cada caso







Por último, el avance, a (o f del inglés feed) va a venir determinado Por: profundidad de pasada elegida material de la pieza V real impuesta en la máquina posibles a que la misma proporcione



Analizado: Plano de la pieza Conocidos: Geometría Material

Elegidos: Proceso Máquina Herramienta Preforma PROCEDIMIENTO PRÁCTICO Será:



Se toma una V recomendada, Vr (m/min), de una tabla función de: dada por el fabricante en Material de la pieza Material herramienta Tipo de operación (acabado o desbaste)



Se calcula velocidad de rotación del husillo calculada, Nc (rev/min), a partir de la expresión: Nc

=

1000 Vr πD

Donde: D (mm) es el diámetro de la pieza



Con Nc, se selecciona un valor de la velocidad de rotación real del husillo, N, de entre los valores disponibles en el torno lo más próximo posible al calculado REGLA GENERAL Tomar el valor inferior más cercano Podrá usarse el superior si se comprueba que el valor de la V Vr



Fijada N se obtiene la velocidad de corte real V, a partir de la expresión: V

DN 1000 π

=

Conocida V y considerando que toda la potenciaesto corte, quees: da la máquina se emplea en el

Pc

=

P

=

0 ,8 Pu



Se puede calcular la fuerza de corte, F, mediante la expresión: Además, será conocida la Fc Pc V presión de corte, pc, del material de la pieza =

p c

=

p h

−

co 1

z

donde:

Pco, presión específica de corte h1, espesor de viruta no deformada z, exponente tabulado para cada material



Se podrá determinar la sección de viruta no deformada: Fc A1

=

pc

Conocida A1 y, habiendo seleccionado una profundidad de pasada, p se podrá calcular el valor del avance calculado, ac por: A pa c 1 =



Finalmente, con el valor del avance calculado, ac se selecciona entre la gama ofrecida por el torno el valor del avance, a más próximo Quedando determinadas: Condiciones de corte Todos los demás elementos



Una vez obtenidos los valores de las condiciones de corte, V, a y p es necesario calcular las potencias de corte para comprobar que, realmente, la MH capazllevar de proporcionarlas y se es pueden a cabo las operaciones previstas



En las operaciones de desbaste y acabado, los valores típicos de: Avance, a Profundidad de pasada, p Ángulo de posicionamiento de la hta, Son:

r


Planificación de procesos y operaciones de mecanizado Plano de la pieza Geometría de la pieza

Material de la pieza

Geometría de la preforma

Htas

MH

Operación

Pu

p

Vr Nc

=

1000 Vr πD

N V

a

ac

=

A1 p

A1

=

Fc pc

Fc

=

DN 1000 π

=

Pc

V

pc



Eva M. Rubio

3. Ingenieria de procesos de mecanizado.pdf

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