44071- Tecnología Mecánica - Teóricos 1 y 2

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Tecnología Mecánica Mecánica - Teóricos 1 y 2

1. MÁQUINAS HERRAMIENTAS Y OPERACIONES DE MECANIZADO; GEOMETRÍA DE LA HERRAMIENTA DE CORTE. 1.1. Má quinas quinas herramienta y Operaciones de Mecanizado

1.1.1. OBJETO Y NECESIDAD DE LAS MÁQUINAS HERRAMIENTAS Las máquinas—herramientas tienen el objeto fundamental de transformar físicamente un cuerpo, sea en el sentido geométrico (forma) o en el dimensional (medida). La transformación física, que tiene por objeto hacer adquirir a un elemento una forma diferente a la inicial, puede acaecer con o sin producción de viruta. Tanto en uno como en otro caso es necesario operar con herr herram amie ient ntas as adec adecua uada das, s, apli aplica cabl bles es a las las máqu máquin inas as a util utiliz izar ar.. Es sabi sabido do que que un elem elemen ento to perteneciente a un conjunto mecánico debe tener una forma y una función bien definida. Inicialmente dicho elemento tiene una forma todavía basta, que puede ser: lingote, fundición, barra, estampado, etc. El elemento, en su estado indefinido, debe ser transformado gradualmente con una serie de procedimientos tecnológicos a fin de obtener una forma final. La sucesión ordenada de tales transformaciones se llama ciclo de fabricación. Este ciclo debe desarrollarse con un cierto método secuencial que imponen también la elección del tipo de máquinas. Nos ocuparemos aquí de los procesos que tienen la misión de transformar los elementos elementos mediante producción producción de viruta. Las exigencias técnicas y los mercados globalizados imponen la necesidad de fabricar productos iguales entre sí. Con el herramental aplicado racionalmente, y la máquina—herramienta adecuada, adecuada, es posible cumplir con las exigencias requeridas.

1.1.2. CONFIGURACIÓN DE LAS SUPERFICIES DE LAS PIEZAS Es tanta la variedad de los casos, que subdividir los distintos elementos en grupos diferentes, según su forma, es un problema que puede considerarse insoluble. Sin embargo, en un primer examen podemos definir que cada sólido está delimitado por una o varias superficies simples; el número de estas superficies que encierran el cuerpo es tanto más grande cuanto más compleja resulta la forma del mismo. Cuerpos de “ forma simple ” son, por ejemplo, un paralelepípedo regular recto, un tronco de cono recto, un cilindro recto, etc. En cambio, los cuerpos de “ forma compuesta ” son los que están delimitados por un número mayor de superficies simples interceptadas convenientemente entre sí, de modo que constituyen una superficie total continua. En resumen, cada cuerpo presenta sus superficies, que pueden ser planas, curvas o mixtas. Dichas superficies, si se repliegan hacia adentro, crean una cavidad, que puede ser cilíndrica, cónica, etc. La cavidad, si es tan amplia que sigue totalmente la superficie exterior (como ( como en un tubo, caja, etcétera), determina un espesor uniforme de material. Tanto los cuerpos de forma simple como los de forma compuesta pueden tener uno o varios ejes de rotación. Los cuerpos de un solo eje, naturalmente, son los más fáciles de realizar. 11/09/aa

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1.1.3. RESUMEN DE LOS PRINCIPALES PROCEDIMIENTOS TECNOLÓGICOS APTOS PARA LA OBTENCIÓN DE PIEZAS EN BRUTO O TERMINADAS. La forma de los elementos puede obtenerse: 1º Sin arranque de viruta; y 2º Con arranque de viruta.

1.1.3.1. Sin Arrastre de Viruta En el primer caso se emplea uno de los procedimientos siguientes: siguientes: LAMINACIÓN: Consiste en hacer pasar a través de uno o varios pares de cilindros un I. lingote de material previamente calentado (o también frío), a fin de obtener una chapa o una barra según la forma de los cilindros laminadores; las barras pueden ser de sección circular, cuadrada, rectangular, hexagonal, especial, etc. TREFILADO : Consiste en hacer pasar forzadamente en frío, a través de un trefila o II. hilera de embocadura cónica, una barra previamente laminada, a fin de reducir su sección transversal, alargándola y calibrándola según una medida más precisa y dejándole la superficie lisa. FUNDICIÓN: Consiste en licuar una masa metálica y colarla en adecuados moldes; se III. emplea para piezas de forma complicada. Distinguimos: a) FUNDICIÓN EN TIERRA: Se cons constr truy uyen en prev previa iame mente nte los los mode modelo loss metá metálic licos os o de made madera ra (sen (senci cill llos os o con con caja cajass de noyo noyos) s) para para pode poder r efectuar el moldeo en la apropiada tierra de fundición, en cajas; las piezas obtenidas de fundición, acero, aleaciones ligeras, bronce, etc., carecen de precisión, con tolerancias del orden de ± 0,3 ÷ 2 mm y superficies rugosas. b) FUNDICIÓN EN COQUILLA METÁLICA : Se requieren moldes (coquillas) compuestas de dos o más piezas desmontables, de modo que pueda formarse una cavidad adecuada para recibir el metal fundido y que tome la forma deseada; se obtienen piezas de precisión media (en bronce, aleac aleacion iones es ligera ligeras, s, cobre cobre,, etc., etc., con con tolera toleranci ncias as de ± 0,2 ÷0,4 mm y superficies lisas) c) FUNDICIÓN EN COQUILLA DE RESINA: Se requie requiere re la const construc rucció ciónn preliminar, muy cuidada, de formas metálicas con las superficies pulidas; estas formas o modelos sirven para construir una serie de coquillas que son son dest destru ruid idas as desp despué uéss de cola colada da la fund fundic ició ión. n. Co Conn este este obje objeto to se calientan las formas metálicas, sobre las cuales, sucesivamente, se hace caer el polvo resinoso, que adhiriéndose sobre la superficie metálica caliente, se derrite y se endurece para adquirir la forma del plateau. Se separan las medias coquillas de resina prefabricadas, se unen en pares y se les vierte la colada por gravedad. Este procedimiento se emplea para fusiones de precisión, de fundición o de bronce, con tolerancias de ± 0,2 ÷ ± 0,3 milímetros y para producciones en serie. 11/09/aa

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d) FUNDICIÓN INYECTADA: Se requieren moldes desmontables con huecos o cavidades iguales (excepto los entrantes) a la forma de la pieza a obtener; dichos moldes se montan en máquinas especiales que permiten el cierre de los mismos e introducen a presión el metal líquido. Este procedimiento se emplea en especial para fundir con precisión las aleaciones ligeras en las producciones en serie; se alcanzan tolerancias del orden de ± 0,1 ÷ 0,3 mm. e) MICROFUSIÓN: sistema indicado para piezas pequeñas de acero de mucha precisión, de superficies lisas, peso variable de 1 gr. a 500 gr, con tolerancias medias de ± 0,20 mm sobre las dimensiones; en este sistema se preparan los modelos de cera, el cual se pierde (sistema de cera perdida). FORJA: Consiste en estampar en caliente o en frío, mediante una prensa, un tocho o IV. ling lingot otee de meta metal, l, que que pued puedee ser ser mani manipu pula lado do en form formaa manu manual al o auto automá máti tica ca,, utilizando robots o alimentadores. Se emplea para piezas de forma complicada y muy solicitadas, para aquellas piezas regulares, que aún pudiendo ser obtenidas por otro tipo tipo de proces proceso, o, deb deben, en, prese presenta ntarr la carac caracter teríst ística ica de una eleva elevada da resist resisten encia cia mecánica, como se requiere en muchos engranajes para motores de aviación, ejes con varios diámetros, etc.; la mejor homogeneidad y la especial disposición interna de las fibras, son las condiciones que proporcionan esta mayor resistencia, resultando piezas de menores menores dimensiones dimensiones y pesos con con igual resistencia mecánica. ESTAMPADO : Consiste en obtener de una chapa, mediante adecuadas estampas, V. piezas de formas definidas; las máquinas adecuadas para el estampado son: las prensas de excéntrica y las prensas hidráulicas. El estampado se clasifica en tres ramas principales: corte, doblado y embutido. EXTRUSIÓN EN CALIENTE O EN FRÍO: Consiste en hacer pasar forzadamente a través VI. de una matriz, el metal previamente introducido, en una cámara a fin de obtener un objeto de forma sencilla (un tubo, barra cilíndrica, barra de sección cuadrada o rectangular, etc.) VII. SINTERIZACIÓN: Consiste en comprimir un material pulvemetalúrgico, en estampas apropi apropiada adas, s, a fin de obten obtener er pieza piezass de mucha mucha precis precisión ión (toler (toleranc ancias ias IT 7); se requieren requieren precision precisiones es de 55 ÷ 60

kgr mm

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. Las estampas se montan en prensas

especiales. Las piezas obtenidas deben ser calentadas calentadas en el horno a la temperatura de 1.100 ÷ 1.150º. El empleo de la sinterización está limitado a la construcción de órganos mecánicos no sometidos a golpes ni a esfuerzos de tracción superiores a 15 kgr mm 2

.

1.1.3.2. Con Arranque de Viruta En el segundo caso, son los siguientes: TORNEADO: Consiste en perfilar, alrededor de un eje, un sólido de revolución; se I. emplean los “tornos” que, por medio de herramientas monocortantes, efectúan la operación. El movimiento movimiento principal lo tiene la pieza pieza en rotación; el movimiento movimiento de 11/09/aa

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alim alimen enta taci ción ón o avan avance ce,, la herr herram amie ient nta. a. El torn tornea eado do comp compre rend ndee tamb tambié iénn las las operaciones complementarias de roscado interior o exterior. TALADRADO O AGUJEREADO : Consiste en practicar un hueco cilíndricos en un II. cuerpo; se emplean las “perforadoras”, que, por medio de las “brocas”, efectúan la operación. El movimiento principal de rotación y el secundario de alimentación es asumido por la herramienta, que gira alrededor del propio eje y avanza, practicando el hueco en la pieza, que permanece fija. ESCARIADO , (ALESADO ): Operación muy parecida al torneado interior. La operación III. se efectúa en las “alesadoras” y con herramientas de un solo corte (herramientas de alesar); en estas máquinas—herramien máquinas—herramientas tas es posible agrandar agrandar un agujero cilíndrico realizado previamente con otra herramienta, con objeto de obtener una medida de precisión en el diámetro. El movimiento principal lo asume la herramienta (que gira alrededor de su eje), mientras el movimiento de avance o alimentación lo tiene la pieza. El alesado también puede efectuarse en el torno (torneado interior de un agujero ya ejecutado), perforadora; en este último caso hacen falta herramientas especiales de varias aristas cortantes llamadas esvariadores (si agrandan el agujero, lo alisan y lo calibran según tolerancias). Si para agrandar y calibrar un agujero se usa una herramienta multicortante esta se denomina escariador. LIMADO: Esta operación consiste en arrancar viruta horizontalmente a fin de obtener IV. una superficie plana o perfilada en un cuerpo; la máquina empleada se llama limadora. El movimiento fundamental, alternativo de ida y vuelta, lo asume la herramienta, mientras el movimiento secundario de alimentación lo tiene la pieza. El limado admite piezas de dimensiones medias. CEPILLADO: Consiste en arrancar la viruta horizontalmente a fin de obtener una o V. varias superficies planas en un cuerpo; se emplean las máquinas cepilladoras y herramientas de un solo corte. En este caso el movimiento fundamental alternativo de ida y vuelta (avance y retroceso) lo asume la pieza (con la mesa que la lleva) y el movimiento secundario de alimentación, la herramienta. El cepillado admite piezas de grandes dimensiones. MORTAJADO : Consiste en arrancar la viruta verticalmente, interna o externa, a fin de VI. obtener una a varias ranuras longitudinales. La máquina clásica que realiza esta operación se llama mortajadora. El principio del mortajado se ha extendido para dentar interior o exteriormente las ruedas, a fin de obtener engranajes con dientes de evolvente de círculo. En este caso han sido construidas máquinas especiales llamadas dentadoras, que que requ requie iere renn herr herram amie ient ntas as espe especi cial ales es llam llamad adas as crea creado dore res. s. El movimi movimient entoo fundam fundament ental, al, altern alternati ativo vo de ida y vue vuelta lta,, lo asume asume la herra herramie mienta nta,, mientras el movimiento de alimentación se produce en cada carrera con un pequeño giro sin resbalamiento entre herramienta y pieza. VII. BROCHADO: Con Consis siste te en hacer hacer pasar pasar forza forzadam damen ente te una herram herramien ienta ta espec especial ial denominada “brocha” “brocha” en un agujero cilíndrico, o sobre una superficie exterior, con el objeto de transformar gradualmente el perfil mediante el arranque de viruta. En el primer caso el brochado se llama “interior”; en el segundo caso, “exterior”. Las máquinas que realizan estas operaciones se llaman brochadoras. Existen dos tipos de mandos hidráulico hidráulicoss ; en máquin máquina: a: “Ho “Horiz rizon ontal tal”” y “vert “vertica ical”; l”; se con constr struye uyenn con mandos ambos casos la pieza se fija, y el movimiento fundamental lo asume la herramienta, que se mueve mueve lineal linealme mente nte.. El movimi movimient entoo de alimen alimentac tación ión,, requer requerido ido para para el 11/09/aa

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arranque de viruta, en realidad no existe: es el incremento en la medida de los dientes de corte lo que determina el arranque gradual de la viruta de la superficie de la pieza. VIII. FRESADO : Consiste en arrancar la viruta mediante herramientas circulares de cortes múltiples denominadas frases. El movimiento fundamental es asumido por la herramienta, que gira alrededor de su propio eje, el movimiento secundario de alimentación lo tiene la pieza o herramienta. La pieza, pasa tangencialmente o frontalmente delante de la fresa que gira, la cual le arranca abundantemente el material de la superficie expuesta. Las máquinas que efectúan la operación de fresado recibe el nombre de fresadoras. Dichas máquinas pueden ser: horizontales, verticales y universales.

ASERRADO (O CORTE): En líneas generales, consiste en separar un trozo de una barra mediante herramientas especiales circulares de disco (sierras circulares, disco abrasivo de corte) o también mediante herramientas lineales (sierras de cinta). Las máquinas que realizan esta operación se llaman sierras o máquinas de corte . Los dos movimientos son asumidos por la herramienta, que gira alrededor de su propio eje (o corre linealmente) avanzando hacia la barra fija que debe cortarse. R ECTIFICADO: tiene por objeto corregir definitivamente una superficie, sea ésta X. plana, cilíndrica o cónica exterior o interior, de forma exterior perfilada, acanalada o roscada. La herramienta empleada se llama muela, y la máquina, rectificadora. Se tienen rectificadoras para exteriores, para interiores, universales, rectificadoras de roscas, rectificadoras de superficies planas, rectificadoras de cigüeñales, etc. El movimiento fundamental y de alimentación es asumido generalmente por la muela, que se desplaza gradualmente contra la pieza, fija o en rotación. BRUÑIDO: Consiste en repasar repetidamente, con abrasivos de grano fino y aceite XI. lubricante, una superficie previamente templada y después rectificada, o también una superficie alisada de herramienta y no templada. El bruñido se efectúa con las máquinas especiales denominadas bruñidoras o lapidadoras . Para el lapidado de los agujeros de cámaras, la pieza generalmente está fija, mientras el mandril porta— abrasivos toma el movimiento de alimentación. Los citados procedimientos, se entiende, son fundamentales y comprenden los que de ellos se derivan; por ejemplo: el dentado puede ser realizado con las máquinas dentadoras basadas sobre el principio de fresar los dientes o bien de mortajarlos; con el primer principio se han construido las kdentadoras de fresa—madre (Pfaufer) y con el segundo principio las mortajadoras (Fellows o Maag). También el filetado puede ser realizado, además de en los tornos paralelos, en las máquinas IX.

roscadoras.

La conveniencia de elegir un procedimiento u otro está en relación a la forma del elemento que se desee realizar, a la calidad del material, a la naturaleza de la superficie, etc. Exponemos a continuación un cuadro—resumen de las principales máquinas—herramientas y de los movimientos de trabajo y de alimentación asumidos por la herramienta o la pieza.

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CUADRO — RESUMEN DE LOS MOVIMIENTOS DE TRABAJO Y DE ALIMENTACIÓN EN LAS PRINCIPALES MÁQUINAS — HERRAMIENTAS PARA EL TRABAJO SOBRE METALES MEDIANTE EL ARRANQUE DE VIRUTA. MOVIMIENTO

Rotatorio Continuo

MÁQUINA Torno Paralelo  De revólver  Automático  Copiador hidráulico  Frontal  Vertical  De destalonar Taladradora de columna  Radial  Múltiple Mandrinadora Limadora

Rectilíneo alterado

Cepilladora Mortajadora

Rectilíneo intermitente

Brochadora

Rotatorio continuo

Fresadora horizontal  Vertical  Universal

Rotatorio continuo

Sierra de disco

Rectilíneo continuo

Sierra de cinta

Rotatorio continuo

Rectificadora universal  Sin centros  Vertical  Frontal  Especial

Rotatorio alterado

Roscadora

Rotatorio continuo

Dentadora por fresa—madre

Rectilíneo alternado

Dentadora (Sistema Fellows) Dentadora (Sistema Maag) Dentadora (Sistema Bilgram para engranajes cónicos de dientes rectos)

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MOVIMIENTO DE MOVIMIENTO DE TRABAJO ASUMIDO POR ALIMENTACIÓN ASUMIDO LA: POR LA:

Pieza

Herramienta (de un solo corte)

Herramienta (broca)

Herramienta

Herramienta (de un solo corte) Herramienta (de un solo corte)

Herramienta o pieza Pieza Herramienta (de un solo corte)

Pieza Herramienta (Brocha) Herramienta (Brocha) Herramienta (fresa) Herramienta (Fresa de disco) Herramienta (sierra de cinta) Herramienta (muela) Herramienta (macho de roscar) Herramienta (Fresa—madre) Herramienta (Disco dentado) Herramienta (peine de cremallera) Herramienta (de un solo corte)

Pieza Incremento de los dientes Pieza Herramienta Herramienta

Herramienta y pieza

Herramienta Pieza o Herramienta Pieza Pieza Pieza

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1.1.4. ELECCIÓN DE LA MÁQUINA—HERRAMIENTA Hemos reseñado en el párrafo anterior los distintos métodos para la definición de las formas. Por el aspecto de la superficie de una pieza, de sus dimensiones, de la calidad del material que la constituye, etc., se debe establecer si la forma misma puede ser directamente definida sin arranque de viruta o con arranque de viruta; en este último caso puede ser necesario dar una forma previa, dejando un sobre material en cada superficie a trabajar. Para la realización de las distintas superficies se requieren herramientas especiales, que se aplican a las respectivas máquinas—herramientas. Estas máquinas, para satisfacer todas las exigencias debidas a la formación de los distintos elementos, actúan para crear superficies cilíndricas, planas o perfiladas, lo cual se obtiene por medio de movimientos combinados de los órganos porta—herramienta y porta—pieza de la máquina. Para poder definir la forma de un elemento pueden ser necesarias diversas operaciones mecánicas a desarrollar en varias máquinas. La elección de la máquina—herramienta, que satisfaga las exigencias tecnológicas, debe hacerse de acuerdo con los siguientes factores: a) SEGÚN EL ASPECTO DE LA SUPERFICIE QUE SE DESEA OBTENER : En efecto, con relación a la forma de las distintas superficies parciales, pertenecientes a un elemento a mecanizar, se deben deducir los movimientos hipotéticos de la herramienta y de la pieza,1 puesto que cala máquina—herramienta desempeña las funciones características que la distinguen, resulta evidente su elección. Es natural, por ejemplo, que la generación de un sólido de revolución, que se origina por rotación alrededor de un eje, no podrá obtenerse si no es por medio de una máquina de movimiento rotativo continuo (como el torno), la cual permite la rotación de la pieza alrededor de su eje y permite el movimiento longitudinal y transversal de la herramienta. Con los mismos criterios deberemos admitir que la mecanización de un plano se desarrolle normalmente sobre una máquina de movimiento rectilíneo alternado (como la cepilladora); tal operación, en caso excepcional, se puede también realizar en una máquina de movimiento circular continuo (como el torno), disponiendo el plano a trabajar normalmente al eje de rotación y moviendo la herramienta transversalmente. (Frenteado) b) SEGÚN LAS DIMENSIONES DEL ELEMENTO : No basta haber definido genéricamente la máquina que es necesaria. También se debe limitar el campo de la elección en relación a la potencia que deberá ser absorbida durante el arranque de viruta; potencia que estará en función de la velocidad de corte, del avance de la profundidad de la pasada y del material a trabajar. c) SEGÚN LA CANTIDAD DE PIEZAS A PRODUCIR : También es un factor de orientación en la elección de la máquina—herramienta ya que sugiere el empleo de una, la más adecuada, entre las de tipo corriente, semiautomático, automático o especial. (En general se emplean máquinas corrientes para producciones pequeñas y máquinas especiales automáticas para producciones grandes) d) SEGÚN LA PRECISIÓN REQUERIDA: Con este factor se está en condiciones de elegir definitivamente la máquina adecuada. No hace falta decir que para trabajos de precisión 1

Como es sabido, en una máquina—herramienta se distinguen dos movimientos principales: movimiento fundamental (o movimiento de corte) y movimiento de alimentación.

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deberán emplearse las mejores máquinas con suficiente capacidad para acabar las superficies con las dimensiones de tolerancia En general, las máquinas—herramientas pueden trabajar “en rotación” o “en plano”. Los ejemplos expuestos en las figuras 1 y 2 pueden ordenar los conocimientos.

Figura Nº 1:

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Algunos ejemplos de operaciones circulares en las máquinas—herramientas

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Algunos ejemplos de operaciones planas en las máquinas—herramientas. a, planeado o limado; b, Fresado con fresa cilíndrica; c , fresado con fresa frontal; d , mortajado de una ranura en un agujero; e, rectificado con muela de disco; f , rectificado con muela de copa.

Figura Nº 2:

Las máquinas—herramientas se subdividen en un gran número de tipos y se distinguen por las funciones que desempeñan. Un mismo género de máquina se puede subdividir en: semiautomática, automática, horizontal, vertical, universal, para trabajos exteriores, para trabajos interiores, etc. Un torno, por ejemplo, puede ser: paralelo, semiautomático, automático, etc.; una fresadora: horizontal, vertical, universal, para engranajes, etc.; una rectificadora: para exteriores, para interiores, para planos, etc.; una taladradora: sensitiva, de columna, radial, etc. Es evidente el gran número de características que tenemos a nuestra disposición para elegir la máquina adecuada para una determinada fabricación. Sin embargo, muchas veces ocurre que, a pesar de ser evidente la ventaja técnica de hacer un elemento con un torno A, se está obligado a prever el desarrollo de la fabricación en otro torno B, el cual, por no ofrecer las características requeridas, resulta poco conveniente. En la elección de una máquina—herramienta se ha de tener en cuenta el concepto de fijar para la misma los elementos de dimensiones respectivamente proporcionales, es decir: a una máquina de gran potencia no conviene asignarle una operación que requiera una potencia pequeña, y viceversa. Resulta claro que en el primer caso se obtiene una disminución del rendimiento de producción, y en el segundo caso (operaciones que requieran gran potencia realizadas en máquinas de poca potencia), un desajuste de la máquina, con daños inmediatos por vibraciones y el efecto consiguiente de un excesivo desgaste de los órganos solicitados. Para no forzar la máquina sería necesario realizar pequeñas pasadas, pero disminuiría naturalmente, la producción. El problema concerniente al arranque de la viruta a lo largo de la superficie de cualquier elemento puede considerarse resuelto para todos los casos. Sin embargo, conviene decir que todos los elementos proyectados deben presentar una cierta regularidad, conservando la forma de las superficies a mecanizar. 11/09/aa

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1.1.4.1. Conveniencia de elección de una máquina—herramienta en función de la cantidad de piezas a producir. En el párrafo 1.1., letra C , se ha dicho que la elección de la máquina—herramienta debe hacerse también teniendo en cuenta la cantidad de piezas a producir. Es natural que un determinado elemento, al poderse realizar con diversos tipos de máquina, sea objeto de examen desde el punto de vista económico. Una pieza cualquiera, de hecho, puede ser realizada en una máquina común, semiautomática, automática o especial. Suponiendo tener todas estas máquinas a disposición se deberá decidir, en base a un balance económico de conveniencia, cuál será el tipo de máquina— herramienta más rentable para tal producción. En líneas generales es válida la siguiente regla: entre dos máquinas—herramientas para desarrollar un mismo trabajo es más rentable la que requiere un mayor tiempo de preparación. En otros términos: el mayor trabajo que requiere la preparación de una máquina, respecto a otras, es recompensado por una mayor producción. Esta regla resulta evidente cuando se piensa que una máquina—herramienta, la que para que sea más rentable, presenta unos automatismos que, para ser puestos a punto en un determinado trabajo, requieren un mayor tiempo de regulación y fijación de las herramientas. Está claro que resulta conveniente gastar este mayor tiempo de preparación dentro de los límites de una determinada cantidad de piezas, por debajo de la cual será conveniente entonces elegir la máquina—herramienta común. La elección no puede hacerse según una estimación arbitraria, sino según un balance económico que expondremos más adelante. Supondremos que, para simplificar los cálculos, admitimos soportar un gasto igual para las herramientas, lo mismo para un tipo de máquina que para el otro, por lo que este valor no será considerado en la comparación; también los diversos costos de las máquinas no serán considerados en el balance económico que exponemos, por cuanto la amortización de la maquinaria forma parte de los gastos generales con los cuales se computa el coste/hora de la mano de obra. Supondremos que queremos comparar los costes de producción de un cierto elemento que puede, indiferentemente, construirse con una máquina A de rendimiento menor que con una máquina B de rendimiento mayor. Llamamos con: T A = Tiempo en minutos necesario para preparar la máquina A de rendimiento menor. T B = Tiempo en minutos necesario para preparar la máquina B de rendimiento mayor. t A = Tiempo en minutos necesario para producir una pieza con la máquina A. t B = Tiempo en minutos necesarios para producir una pieza con la máquina B. cm = Coste de la mano de obra (comprendidos gastos generales) en pesos. C A = Coste total de la pieza mecanizada con la máquina A. C B = Coste total de la pieza mecanizada con la máquina B; y n = Número de piezas a producir Se tiene, haciendo los balances económicos: C A C B

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=   t A + A   cm n   T =   t B + B   cm n   T

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11 Transformando oportunamente se tiene: C A C B

t · n T  =   A + A  cm n   n t · n T  =   B + B  cm n   n



O bien: C A C B

t n + T A  =   A  cm n   t n + T B  =   B  c m  n 

en pesos

 en pesos

Existirá un número n límite de piezas para el cual es indiferente emplear una máquina u otra. Ocurre cuando C A = C B; por tanto, se pueden igualar las dos fórmulas y  :

 t A n + T A  c   m  n 

t n + T B

=   B 

n

 c  m 

o sea: t A n + T A = t B n + T B t A n − t B n = T B − T A

haciendo n factor común:

( t A − t B ) n = T B − T A donde: n

= T B − T A t A − t B



Con la fórmula  , estableciendo a priori una diferencia posible T B – T A en minutos, y haciendo variar el denominador, se obtienen unos valores que, recogidos en un sistema de coordenadas (abscisa t A – tB y ordenada n), dan un diagrama como el de la figura 3, que contiene tantas curvas como una diferencia T B – TA que se pone en el numerador de la fórmula  ; que presuponen otras tantas diferencias t A – tB de tiempos en minutos centesimales. Al final del desarrollo de cada cálculo se señalan los distintos puntos referidos a las coordenadas; si se unen convenientemente los citados puntos se obtiene un diagrama que permite determinar rápidamente el número de piezas n límite.

1.1.4.2. Ejemplo I: Se deben tornear 200 piezas obtenidas de una barra de acero. El torneado es posible lo mismo en el torno automático B que en el semiautomático A. Determinar qué máquina es la más conveniente sabiendo, en principio, que: TA = 90’ (tiempo necesario para preparar el torno semiautomático A) TB = 210’ (tiempo necesario para preparar el torno automático B) 11/09/aa

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tA = 3’ (tiempo necesario para producir una pieza con torno A); y tB = 2’ (tiempo necesario para producir la misma pieza en el torno B). R ESOLUCIÓN

Si en la fórmula  sustituimos los valores conocidos, tendremos: n

=

− T A 210 − 90 = = 120 3−2 t A − t B

T B

(número de piezas límite para el cual es indiferente el empleo de una u otra máquina) Puesto que las piezas a producir son 200, la orientación de la elección es hacia la máquina de mayor rendimiento, o sea el torno automático B. En efecto, es evidente que después de las primeras 120 piezas realizadas se economiza t A – tB = 3 – 2 = 1’ por cada pieza, o sea un total de (200 – 120) · ( 3’ – 2’) = 80’.

1.1.4.3. Ejemplo II Se deben tornear 30 piezas. La operación es susceptible de ser realizada en el torno automático B o en el torno paralelo A. Determinar qué máquina es la más conveniente sabiendo, en principio, que: TA = 45’ (tiempo necesario para preparar el torno paralelo A) TB = 85’ (tiempo necesario para preparar el torno B) tA = 6’ (tiempo necesario para producir una pieza con torno A); y tB = 2’ (tiempo necesario para producir la misma pieza en el torno B). R ESOLUCIÓN

Si en la fórmula sustituimos los valores conocidos, tendremos: n

=

− T A 85 − 45 40 = = = 10 t A − t B 6−2 4

T B

(número de piezas límite para el cual es indiferente el empleo de una u otra máquina) Puesto que las piezas a fabricar son 30, se deberá elegir el torno semiautomático. Con el torneado de las primeras 10 piezas no se obtendrá ninguna ventaja, pero después, para las restantes (30 – 10) = 20 piezas, se ahorrarán en total: (tA – tB) 20 = (6’ – 2’) 20 = 80’

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740 720

TB-TA=25 TB-TA=50

700

TB-TA=100 680

TB-TA=150 TB-TA=200

660

TB-TA=250 TB-TA=300

640

TB-TA=350 620 600 580 560

540 520 500 480 460 440 420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0

Diagrama para la elección de la máquina—herramienta más conveniente en fundación de la cantidad de piezas a producir, del tiempo de preparación máquina y del tiempo de ciclo.

Figura Nº 3:

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1.2. Geometr ía de las Herramientas Cada herramienta posee una manera particular de trabajo, según la máquina de que se trate, la forma de la herramienta, su movimiento relativo con aquellas, etc. Sin embargo la acción recíproca, entre la herramienta y el material, que tiene lugar en el proceso de torneado, puede ser tomada esencialmente como semejante en todas clases de trabajo al conformar piezas arrancando virutas. La forma esencial del corte de la herramienta es la de una cuña, para ángulos y superficies el DIN ha establecido las siguientes designaciones: 1º) Los planos de referencia que sirven para determinar los ángulos en el corte de la herramienta forman, según indica la figura 4, un sistema de ejes coordenados rectangulares en el espacio, cuyos ejes corresponden a las direcciones del movimiento de la herramienta o de la pieza. El plano principal I contiene la dirección del corte y la del avance longitudinal, el plano II la dirección del corte y la del avance de profundidad, y el plano III comprende el avance longitudinal y el de profundidad. 2º) Las fuerzas de corte que actúan sobre la herramienta al arrancar viruta, se pueden descompone según estos planos en la forma siguiente: a) fuerza de corte principal FC en la dirección principal del corte, b) Fuerza de avance Fa en la dirección del avance. c) Fuerza normal de reacción F r en la dirección del avance de profundidad. La resultante de F c y Fa es R 1; la de Fc y Fr es R 2, y la de Fr y Fa es R 3. La resultante de las tres fuerzas F c, Fa y Fr es R 3. 3º) Los ángulos de corte a los efectos de la práctica deben medirse según el DIN en un plano normal al plano principal III (plano de posición del útil) y sobre la proyección del borde cortante sobre el plano principal III (plano N – N de la figura 5) o plano de ataque. En esta figura se designan por: SUPERFICIE DE CORTE: La superficie que está situada en la pieza inmediatamente debajo del corte: SUPERFICIE DE TRABAJO: La superficie exterior de la pieza producida por el corte. CORTE PRINCIPAL: El borde a – b (figura 5) que está en la dirección del avance

CORTE SECUNDARIO : el borde b – c que se une lateralmente al corte principal (figura 5), las herramientas de forma y las de repasar no suelen tener corte secundario. SUPERFICIE O PLANO DE ATAQUE: La superficie frontal de la cuchilla sobre la cual resbala la viruta. SUPERFICIE DE INCIDENCIA: La superficie del útil que va dirigida contra la superficie de corte. ÁNGULO DE INCIDENCIA : El ángulo que forman las superficies de corte y de incidencia. ÁNGULO DE FILO : El ángulo de la cuña que constituye la herramienta de corte.

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ÁNGULO DE ATAQUE : El ángulo que forman la normal a la superficie de corte y la superficie de ataque. La suma de los tres ángulos, incidencia, filo y ataque, vale 90º. A mayor valor de γ mejor es la superficie elaborada, la potencia específica absorbida es menor. El ángulo γ actúa facilitando el escurrimiento de viruta. ÁNGULO DE CORTE : El ángulo que forman la superficie de corte y la de ataque. ÁNGULO DE PUNTA : El ángulo que forman las proyecciones del corte principal y el secundario sobre el plano principal III. Si es grande aumenta el esfuerzo de corte, tiende al mejoramiento de la rugosidad superficial. El valor del radio de punta puede llevar a ser tan grande que aumenta las vibraciones. ÁNGULO DE POSICIÓN : El ángulo que forma el plano principal I con la proyección del borde cortante sobre el plano principal III. ÁNGULO DE INCLINACIÓN : El ángulo que forma el borde cortante con el plano principal III hacia atrás del corte; cuando el corte baja hacia la punta, el ángulo es positivo (elevación positiva) y el caso contrario es negativo (elevación negativa). ALTURA DE CORTE h: La altura desde la punta de la cuchilla hasta el asiento de la misma. En las herramientas curvadas, h puede ser negativa.

n ó e i t c r c o e c r i l e D d

) n i m / V ( n d

e d a d d e i c n n d a v f u A r o P

F

Avance Long.

III

a

III F

r

R F R

2

3

R c

1

I R

3

II Figura Nº 4:

Planos de referencia para los ángulos de corte y las fuerzas que actúan en una herramienta de torno.

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S e c c ió n N -N

S u p e r f ic i e d e In c i d e n c i a d e l c o r te

γ

Secundario h

β

α δ c

ψ 1 a

Su p. de ataque

γ a

Figura Nº 5:

F re n te d e l c o r te o c o r t e p r in c i p a l

b

N

S u p . d e c o r te

S u p . d e T r a b a jo

ε

λ Punta N

S u p . d e in c id e n c ia d e l c o r te p r in c i p a l S u p . d e i n c id e n c ia d e l c o r t e s e c u n d a r io

Designación de los ángulos y de las superficies de corte según las normas DIN.

En el T ORNEADO el plano de referencia es el formado por el eje de la pieza de rotación y la punta de la herramienta. En el F RESADO el plano de referencia es el que pasa o el formado, por el eje de rotación de la fresa y la punta de un diente (o herramienta elemental), ver figura 6.

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P la n o v e rtic a l d e ro t a c ió n o p la n o d e r e fe r e n c i a (+ )

Á n g u lo a x ia l d e a ta q u e

γ a (-)

γ Á n g u l o R e a l d e a t a q u e

Á n g u lo d e c a n to o ψ á n g u l o d e p o s i c i ó n

n ó i c a t o r e d e j E

r

γ

) ( -

Á n g u lo d e in c lin a c i ó n r a d i a l P la n o r ea l d e a ta q u e o p e c h o d e l a h e r r a m i e n t a

Figura Nº 6:

Relaciones geométricas entre los ángulos de la herramienta y el plano de referencia en el fresado, con fresa de frentear.

Siempre coincidirá el ángulo de ataque γ dado por la mayor pendiente entre los dos planos mencionados, el de referencia y el de ataque. Los valores del ángulo de ataque γ serán positivos cuando, respecto al plano de referencia el plano de ataque se encuentra por debajo y negativas cuando se encuentra por encima. Mayores son los valores del ángulo de ataque γ , mejor resultará la superficie elaborada, menor la potencia absorbida y la viruta se forma en mejores condiciones, pero la herramienta resulta con el filo débil sujeto a posibles quebraduras. Veamos la representación normalizada de la geometría de una herramienta monocortante, según DIN (figura 7) y según ISO (figura 8).

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β

γ N

α S e c c ió n M -M

β’

z M

α

Ψ’

A

ε

Ψ

γ S e c c i ó n N - N

M N

y Vista

λ Figura Nº 7:

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Representación normalizada europea (DIN) para herramienta de torno.

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β2 γ 2 S e c c ió n B - B

α2 A

x

βy B

ε

Ψ

B

Ψ ’ α2 γ y S e c c ió n A -A

A Figura Nº 8:

y

Representación normalizada americana (ASA) para herramienta de torno.

El debilitamiento de la herramienta requiere, para evitar consecuencias perjudiciales una mayor rigidez general de la máquina o una disminución de la dureza de la herramienta a favor de su tenacidad, ya que las dos son contrapuestas, lo cual equivale a una disminución de la velocidad de corte VC. El contrario sucede cuando disminuimos el valor del ángulo de ataque γ . Un ángulo γ negativo es recomendado para desbastes.

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2. ASPECTOS TEÓRICOS SOBRE LA FORMACIÓN DE VIRUTA Mucho se ha realizado desde la mitad del siglo pasado hasta el presente, pero mucho todavía queda por hacer sobre el estudio teórico de la formación de la viruta, hasta encontrar leyes valederas, comprobadas y aceptadas universalmente, por los técnicos y científicos. Prima facie permanecería inútil tanto empeño y esfuerzos utilizados para el estudio de la formación de la viruta y las fuerzas en él generadas, ya que disponiendo de una máquina y una herramienta fácilmente podemos desprender virutas, pero debemos tener en cuenta que los OBJETIVOS DEL ESTUDIO DE CORTE DE LOS METALES son: a) Elección de las condiciones de corte más convenientes (costos y tiempos). b) Conocer las fuerzas sobre las máquinas—herramientas: fuerzas, cuplas y su variación con el tiempo (proyecto de las máquinas—herramientas). c) Forma y características de las herramientas (proyecto de las herramientas). d) Estado de las superficies obtenidas (tiempos, costos). e) Elaboración de materiales difíciles (titanio, aleaciones de gran resistencia térmica, etc.) De ello depende la gran importancia que revista esta ciencia tanto a los fines teóricos como prácticos. El sistema de fuerzas que actúan sobre las herramientas, es en general tridimensional, por lo tanto no siendo ellas representables en un plano, la resultante es espacial y formada por tres componentes básicas. Para simplificar el estudio que haremos supondremos trabajar con una herramienta y en condiciones tales que se cumpla al llamado CORTE ORTOGONAL . Ver figura 1.

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V

F

c

F

f

R

Figura Nº 1:

Figura esquemática simplificada del corte ortogonal recto.

Es decir que debemos fijarnos algunas PREMISAS O SIMPLIFICACIONES para el estudio del corte de los metales, que son: a) Corte ortogonal (no hay componentes laterales) b) Viruta plástica sin falso filo. c) Fuerzas y velocidades aplicadas constantes. d) Ausencia de vibraciones e) Efectos térmicos despreciables. En este tipo de corte la geometría de las fuerzas en juego es simple ya que las mismas son responsables en un plano. Ver figura 2.

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P

ρ

γ l

γ

ρ

C ρ γ

F f

γ ρ γ

d

γ

N

Fs

90º

F r F e ρ γ

p

R

1

1

F

V

ψ

R

n l

Figura Nº 2:

Sistema de Fuerzas que actúan sobre la viruta y la herramienta.

La resultante R posee dos componentes básicas F c y Ff , tal como se ve en la figura. La componente F c tiene la misma dirección que la de corte de la herramienta y determina la cantidad de trabajo (energía) para mover, según sea el caso, la herramienta respecto de la pieza (limadoras, fresadoras, perforadoras, etc.) o la pieza respecto de la herramienta (torno, cepillo, etc.) La componente F f no participa en el trabajo de corte, pero conjuntamente con F c solicita la herramienta flexionándola, respecto de la pieza en elaboración. La viruta puede ser considerada como un cuerpo en equilibrio mecánico estable bajo la acción de las fuerzas que se crean en correspondencia de la superficie de contacto entre la viruta y el pecho de la herramienta (plano de ataque) y de la superficie ideal divisoria entre viruta y pieza en elaboración. En la formación de la viruta intervienen dos acciones mecánicas principales.

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C p n

B

p

1

γ−ϕ ϕ

A n

Figura Nº 3:

Ampliación zona redondeada en Fig. Nº 2

a) Una deformación plástica de deslizamiento: del sobremetal que se está transformando en viruta, esto se justifica por el hecho de que el espesor de la viruta p 1 es normalmente mayor que la profundidad de pasada p. b) Una acción de rozamiento: entre viruta y la superficie de ataque de la herramienta.

2.1. Modelos utilizados Entre la gran variedad de modelos utilizados para la explicación de la formación de la viruta y de la aparición de las fuerzas en juego sobre la misma solamente mencionaremos las dos siguientes: 1º) Modelo a zona de deformación plástica, (Figura 4) 2º) Modelo a superficie de deformación plástica (método de la mínima fuerza de corte, Merchant y Ernest), figura 5. En el PRIMER MODELO o sea a ZONA DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA se supone que las superficies delimitantes de las zonas de deformación plástica sean planas y que a lo largo de los planos de traza OA, OB y OC las tensiones usan iguales entre sí y de valor igual a la resistencia del material a la fluencia. Esto traería como consecuencia que la curvatura del arco AB fuera inverso al de la figura, cosa que no se ha encontrado en la práctica. Solamente ello se acerca en el caso de altas velocidades de corte y grandes ángulos . Muchas hipótesis se han elaborado para explicar este fenómeno, pero su formulación matemática es muy laboriosa .

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VIRUTA p 1

ρ

F C

A p

γ

zona

p l á s t i c a PIEZA

α

0 Figura Nº 4:

Modelo de formación de la viruta con zonas de deformación plástica (Modelo debido a K. Okasiuma y K. Hitomi)

El SEGUNDO MODELO o sea SUPERFICIE DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA fue propuesto inicialmente por Pijspanen y elaborado matemáticamente por Merchant—Ernst, (nombre con el cual se conoce). En él el deslizamiento puede explicarse imaginando dividida la viruta, en el momento de su formación, en tantos pequeños elementos cada uno de los cuales desliza sobre el que le precede, según una dirección bien determinada n—n, ver figura 5. γ ∆s

n ϕ

P l a d e n o d s l i e z a m i e n t o γ

ϕ − γ

− ϕ

A

∆x

ϕ

C p

γ

α

p 1 Figura Nº 5:

β

n

Modelo demostrativo sobre la formación de la viruta según la superficie de deformación plástica (Modelo de Pijspanen)

En la figura 5, la recta n—n representa la traza del plano de deslizamiento y está inclinada del ángulo ϕ sobre la horizontal. El valor del deslizamiento y del ángulo de deslizamiento ϕ dependen de la plasticidad del material, de la velocidad de corte, etc. Gran influencia tiene sobre este deslizamiento el ángulo de filo β de la herramienta. Cuanto mayor sea este ángulo, mayor será el deslizamiento.

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Matemáticamente, la relación de corte es el cociente entre la profundidad de pasada y el espesor de la viruta cortada. r c =

p



p1

Por la figura 3 podemos deducir que: AB

=

p cos ϕ

=

p1 cos ( γ − ϕ)

∴

relacionando tendremos: p p1

=

ϕ = r c cos ( γ − ϕ) sen



Sabemos que:

cos ( γ - ϕ) = cos γ cos ϕ + sen γ sen ϕ

De la cual se deduce que el ángulo de deslizamiento se determina por: tg ϕ =

r c cos γ



1 − r c sen γ

Las fuerzas que se encuentran en correspondencia del pecho o plano de ataque de la herramienta son la F y la N (ver figura 2). La fuerza F representa la resistencia de rozamiento, que se genera debido al deslizamiento de la viruta sobre el plano de ataque. La fuerza N, que siempre es normal a F y conocida como “fuerza normal”, representa la acción de la viruta sobre el pecho de la herramienta. La relación entre estas dos fuerzas nos da el conocido coeficiente de rozamiento, en su formulación más simple: F N



= tg ρ = µ

Muy importante, a los efectos de tener un panorama general y exacto del corte, es analizar lo que sucede en correspondencia del plano de deslizamiento; estas fuerzas son la Fs y la Fn. La fuerza Fs representa la fuerza requerida para el corte del metal (es decir para el deslizamiento de un elemento de viruta sobre el anterior, ver figura 2), en correspondencia del plano de deslizamiento n—n. La fuerza Fn es normal a la Fs y representa la fuerza de compresión aplicada sobre el plano de deslizamiento. Con estas dos fuerzas ( Fs y Fn) podemos calcular las correspondientes tensiones medias de corte y de compresión, aplicada sobre el plano de deslizamiento. Con estas dos fuerzas ( Fn y Fs) podemos calcular las correspondientes tensiones medias de corte y de compresión, en la sección de deslizamiento n—n, así tendremos (ver S0 en la figura 6):

τ=

F s S 2

F s

= τ S 2



τ = Tensión tangencial media en la sección de deslizamiento S2. σc =

F n S 2

F n

= σ c S 2



σc = Tensión de compresión media en la sección de deslizamiento S2.

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El trabajo total entregado por la herramienta para remover el metal, es derivado de la fuerza de corte tangencial F c y podemos materializarlo en sus componentes principales: a) el trabajo necesario para vencer la resistencia de rozamiento entre herramienta y viruta y b) el trabajo para el verdadero corte, es decir para vencer el deslizamiento de los elementos de viruta entre sí o deformación en la zona de plano de deslizamiento n—n. Útiles relaciones entre las fuerzas que intervienen en el corte sobre el plano de deslizamiento n—n, las obtendremos observando los dos triángulos rectangulares F f Fc R y Fn Fs R (ver figuras 2 y 6) que tienen en común la resultante R (hipotenusa). En la figura 15 se ha trasladado el sistema de fuerzas al plano A de la herramienta, despreciando las cuplas y efectos secundarios derivados. Aplicando el teorema de Pitágoras a los dos triángulo mencionados y sabiendo que son rectángulos, tendremos: F s2 + F n2 = F c2 + F f 2 = R 2

p 1 n n ó e i c o a r h o c n b a A l e

S2 n ϕ

p

Fs

S1

ϕ

Fc

A

ρ - γ

Fr

A ncho en elaboración

n

R

F f ρ

N Figura Nº 6:

γ

B

ρ - γ

F

γ

Descomposición de la resultante R aplicada por la herramienta a la viruta, según la teoría de Marchant—Ernst.

Por geometría analítica sabemos que estas expresiones representan la ecuación de una sola circunferencia cuyo diámetro es R. En la misma figura 6 se ha trazado esta circunferencia creada por las fuerzas anteriores. Además debemos reconocer que las resultantes R y R 1 de la figura 2 son paralelas y por lo tanto cabe también incluir las fuerzas de rozamiento F y normal n en la misma circunferencia, completando de esta manera el panorama de las fuerzas. Observando la figura 6, tendremos: Fc = R cos ( ϕ - γ ) 11/09/aa

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

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Fs = R cos ( ϕ + ρ - γ ) ∴ R =

F s cos ( ϕ − ρ − γ )



Ff = R sen (ρ - γ )



Fn = R sen ( ϕ + ρ - γ ) = Fs tg (ϕ + ρ - γ )



Con un mismo ancho de viruta y pieza en elaboración (se desprecian los pequeños rebordes e irregularidades en la viruta) podemos escribir: S n

=

S 1

(11)

sen ϕ

Reemplazando este valor en la se tiene otra expresión de la  que igualamos: F s = τ S 2 = τ

S 1 sen ϕ

=

R cos ( ϕ + ρ − γ )

Despejando R y reemplazando en la  se obtiene finalmente: F c = τ S 1

cos (ρ − γ ) sen ϕ cos( ϕ+ρ− γ )

(12)

Para la aplicación práctica de esta fórmula fueron tabulados los valores de las resistencia al corte y otros datos para cada tipo de material, estos pueden encontrarse en la Tabla I. El valor del ángulo de rozamiento ρ entre viruta y herramienta se determina, teniendo en cuenta que: ρ = arctg µ

(13)

µ es el coeficiente de rozamiento y está tabulado.

El ángulo de deslizamiento se determina en función de la relación de corte como ya fue visto en la , de la cual deducimos:  r cos γ   ϕ = arctg  c  r − γ 1 sen c  

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(14)

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Tabla Nº I:

Valores típicos Aproximados de Algunos Metales.

Material AISI

Dureza Brinell HB

Constante de Trabajabilidad C (grados)

Resistenci a al Corte

 kgr   2   mm 

Coeficient e de Exponente rozamient de Meyer Estado del Material o n

Laminado en Caliente Laminado en caliente

1010

103

69,8

49

1,32

2,32

1020

109

69,6

52

0,94

2,33

1045

190

78

64

0,96

2,35

Laminado en caliente

1045

213

81,2

67

0,94

2,25

Trefilado

1022 al plomo

121

71,8

54

0,40

2,29


1113 al azufre

170

71,1

50,4

0,53

2,24

Trefilado

4340

210

74,5

65,1

1,06

2,25


3140

185

70,6

58,1

1,12

2,24


52100

186

71,3

51

1,11

2,22

52100

240

72,9

55

1,04

2,14

304

139

82

82,6

1,18

2,39


410

217

79,3

61,6

0,87

2,20


430

156

73,1

56,7

0,92

2,33


Aluminio

60

84

39

0,84

----------

Trefilado

Cobre

80

47

52

0,79

-----------

Trefilado

Laminado en caliente Trefilado

En la Tabla 1, el valor de la constante de trabajabilidad es de gran importancia, como ya veremos. El exponente de Meyer, n es un factor importante que se refiere al estado de terminación de las superficies. El valor n expresa el endurecimiento del material por efecto mecánico bajo la acción de la herramienta.

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Cuanto menor son los valores del exponente de Meyer ( n) mejores resultados las superficies mecanizadas y viceversa. Recalcando cuanto ya dicho, a los fines de la terminación superficial o rugosidad (a igualdad de otras condiciones, como velocidad, avance, profundidad de pasada, etc.) solamente los valores del exponente de Meyer n y del coeficiente de rozamiento tiene un efecto importante y perfectamente comprobado.

2.2. Estudios de Merchant En la importante ecuación (12) solamente los valores del ángulo de ataque γ y la sección de la viruta S1 antes del corte son conocidos y de naturaleza geométrica, mientras que todas las restantes son de naturaleza físico—mecánica, no fácilmente controlables por el operador. Para simplificar dicha ecuación Marchant sustituyó la tensión tangencial de deslizamiento τ, por resistencia del material, que para los de estructura cristalina (las más frecuentemente usadas) puede expresarse de la siguiente manera: k s

k 0 =

(15)

+ εσ c

En la cual: K s = resistencia al deslizamiento del material. k c; ε = constantes del material. σc = tensión de compresión del material en el plano de deslizamiento.

Durante la acción de corte es evidente que la tensión tangencial τ debe superar la resistencia al deslizamiento k s, para que se verifique la rotura o desplazamiento en la relación  los valores de la  tenemos:

σc =

F n S 2

=

F s S 2

tg( ϕ + ρ − γ )

= τ tg( ϕ + ρ − γ )

Por la desigualdad ( τ ≥ k s) que podemos hacerlo τ = k s para simplificar y reemplazando la superior en la (17) nos queda: k s = k 0 + ε k s tg (ϕ + ρ - γ ) operando podemos despejar: k s

=

k 0 1 − ε tg

( ϕ + ρ − γ )

En la acción de corte de los metales es evidente la necesidad y conveniencia de reducir al mínimo valor la energía (trabajo o potencia de corte) entregada a la herramienta para ese fin, por lo tanto debe hacerse mínimo el valor de la fuerza de corte F c dada por la (12), para ello reemplazamos en ella la (16) obteniéndose: F c

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= S 1 k 0

cos ( ρ − γ )

[1 − ε tg( ϕ + ρ − γ ) ] sen ϕ cos ( ϕ + ρ − γ )

(17)

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30

Para hacer mínimo al valor de la fuerza principal de corte Fc debemos derivar esta respecto del ángulo de deslizamiento ϕ e igualar a cero: dF c d ϕ

=0

Derivando la (19), como se dijo, se obtiene la condición de Fc mín. cuando se cumpla: tg ( 2ϕ + ρ − γ ) =

1 ε

De otra manera podemos expresarla por: arctg

1

ε

= 2ϕ + ρ − γ = c

(18)

o también: ϕ + ρ - γ = c- ϕ

Si ahora reemplazamos este valor de c Fc operando: F c

= S 1k c

(19)

en la ecuación (17) tenemos el mínimo valor de

cot ϕ + tg ( c + ϕ) 1 − ε tg ( c − ϕ)

(20)

Para la aplicación de esta ecuación debemos conocer los valores de las tres constantes del material: k c, y c. Este último valor se encuentra tabulado en la tabla I para distintos materiales. La ecuación (15) es representable en el plano y da una recta de pendiente:

ε=

k s

− k 0 σc

(21)

Ver la figura 7. Ks

Cº

= K s K

0

+

ε

·

σ

c

K0

σc Figura Nº 7:

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Gráfico de la relación ks = k0 + ε σc

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En abscisas tenemos representando los valores de la tensión de compresión σc sobre el plano de deslizamiento y en ordenadas al valor de la resistencia el deslizamiento del material. La constante de trabajabilidad c que es expresada en grados sexagesimales, indica en la figura 7 el ángulo entre la recta inclinada de ecuación k s = k c + ε σc que sale de k 0 y las ordenadas de k s. Este ángulo c representa la mayor o menor aptitud de un material a ser trabajado con una máquina herramienta. Sus valores están ligados a los que expresan la plasticidad del material y para un mismo material pueden variar según la estructura metalográfica y por lo tanto según la “historia” del material o sea los tratamientos térmicos y mecánicos sufridos. Cuanto mayor c mayor será la trabajabilidad de ese material. En general un material posee buenas condiciones de trabajabilidad cuando el ángulo de deslizamiento es grande y la fuerza de corte Fc es reducida. Ello se verifica para valores del coeficiente de rozamiento y de la resistencia de corte k s bajos. Sin duda la simplificación del estudio que realizamos condujo a apartarnos de otros factores que tienen su influencia sobre las mejores condiciones de corte. ticos—experimentales para determinar las 2.3. Métodos pr ác fuerzas de corte (F c)

El método teórico y racional que acabamos de desarrollar presenta el inconveniente de no ser de fácil aplicación, para salvar este inconveniente se introdujo un método simplificado, basado sobre la presión unitaria de corte K z, que viene dada por: K z

=

F c

(22)

S

de la cual deducimos: F c

K z

=

S

(23)

Como puede verse esta fórmula es mucho más simple que las deducidas teóricamente en las (12) y (20), las cuales presentan además el inconveniente de requerir el auxilio de valores experimentales que dependen de cada material. Sobre la presión unitaria de corte K Z influyen varios factores. a) DUREZA DEL MATERIAL: K Z aumenta con la dureza. b) R ESISTENCIA A LA ROTURA DEL MATERIAL: K Z aumenta con la resistencia σR . c) TRABAJABILIDAD DEL MATERIAL: K Z disminuye con el aumento de trabajabilidad. d) SECCIÓN DE LA VIRUTA: K Z disminuye al aumentar el ángulo de ataque γ e) Á NGULO DE POSICIÓN ψ : K Z aumenta al disminuir el ángulo de posición ψ . Ver figura 5. f) PROFUNDIDAD DE PASADA Y AVANCE : en este caso la influencia de los dos valores p y a no sólo influye por su producto, que nos da la sección de viruta (S) y que ya vimos en el apartado d, sino por sí mismos. Para una determinada sección S, la presión unitaria K Z aumenta al aumentar la profundidad de pasada p.

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g) LA VELOCIDAD DE CORTE, LA R EFRIGERACIÓN Y LA LUBRICACIÓN: tienen poca influencia sobre la presión unitaria de corte K Z. La figura 8 ofrece una visión panorámica de lo que acabamos de enunciar.

resistente

blando baja

alta baja

p / a = 0 , 1 chico

alta sí

1

6=P/a grande

no sí

20º T i p o d e m a t e r ia l 2 3 V e lo c id a d d e c o r t e 4 S e c c ió n d e la c i r u t a 5 F o r m a d e la c ir u t a 6 Á n g u lo d e l F ilo 7 H e r r a m . la p id a d a 8 L u b r ic . y r e fr ig . Á n g u l o d e p o s i c i ó n ψ Figura Nº 8:

no

90º

a i r a t i n u e n t ó r i o s c e r

e

P d

Influencia de los distintos factores de la presión unitaria de corte K z.

En la tabla II se ofrecen distintos valores de la presión unitaria de corte para distintos materiales y condiciones y que se aplican directamente en la ecuación (23). La misma fue elaborada para secciones de 1 y 10 cm2, para secciones intermedias se puede interpolar linealmente.

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Tabla Nº II:


Presión unitaria de corte KZ, para distintos materiales en función de la sección S de corte, para 1 y 10 mm2.

Presión unitaria de corte K Z Características mecánicas Material a Trabajar

kg mm

2

Carga de rotura a tracción σR

Dureza Brinnell

S = 1 mm2

S = 10 mm2

30 – 40 40 – 50 50 – 60 60 – 70 70 – 85

90 – 120 120 – 140 140 – 170 170 – 195 195 – 235

170 210 250 300 360

126 154 183 225 268

80 – 100 100 – 125 125 –160

225 – 265 265 – 380 380 – 450

315 400 500

225 283 355

480

600

460

63 – 80

180 – 230

315

225

40 – 50 50 – 60

120 – 140 140 – 170

170 200

126 145

Fundición gris blanda Fundición gris semi—dura Fundición gris dura Fundición especial de aleación

14 18 25

160 220 300

80 100 125

63 77 98

40

400

158

125

Latín y bronces, dulces Latín y bronces, medianos Latín y bronces, duros

20 – 25 25 – 30 30 - 35

63 – 80 80 – 100 100 – 125

63 80 100

50 63 77

65 70

50 63

42 53

75

71

61

50 – 60

24

20

Acero extra dulce Acero Dulce Acero semi—duro Acero duro Acero duro tratado Acero CrNi Acero CrNi Acero CrNi Acero de herramientas tratado Acero al Manganeso Acero Fundido Acero Fundido

Aluminio y aleaciones dulces Aluminio y aleaciones duras Aluminio y aleaciones al silicio Electrón

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2.4. Método de Kronemberg Para el cálculo de la presión unitaria de corte K Z para distintas secciones de corte, Kronemberg en base a resultados experimentales ha establecido la siguiente relación: K Z

=

K Z 1 m

(24)

S

En el cual K Z1 corresponde a la presión unitaria de corte para la sección unitaria S = 1 mm 2 y m es un exponente constante que depende del material. Este valor lo podemos reemplazar en la ecuación (25) y operando se obtiene:

=

F c

K S (1) Z 1 m S

= S K Z 1

 − 1    S  m 

Y finalmente nos queda F c

= K Z 1

1   1−   m   S

(25)

Los valores de la presión unitaria (para S = 1 mm 2) de K Z1 los obtenemos de la figura 9 para los aceros y de la figura 10 para las fundiciones y también de la tabla III, en función del ángulo de ataque . Tabla Nº III:

Ángulo de ataque γ

Presión unitaria de corte kZ1 para distintos materiales en función del ángulo de ataque γ .

Aceros (σR en 40

50

60

70

kg mm

80

2

)

90

Fundiciones (Dureza Brinell) 100 130 100 120 140 160 180 200

30º

192 224 256 289 320 351 386 486

68

72

80

83

87

8

25º

200 233 268 302 335 368 405 507

72

77

83

87

91

95

20º

210 243 279 315 349 383 422 538

75

81

87

92

96

100

15º

217 253 290 328 363 399 439 555

79

85

91

97

100 105

10º

226 262 321 340 377 414 457 571

83

89

95

101 106 110

5º

234 272 313 354 392 430 474 595

85

93

100 105 112 125

0º

242 282 324 366 406 446 491 616

87

97

103 110 125 135

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( k g /m m 2) K z 1 º 8 0 º 7 5 º 7 0 º 6 5 º 6 0 º 5 5 º 5 0

400 350

300

Á

β i l o e F d o u l g n

250

σr

200 45

50

55

60

65 70 75 80 85

( k g /m m 2)

Valores de presión unitaria de corte KZ1 (para S = 1 mm2) en función del ángulo del filo β y de la resistencia a la rotura σZ para los aceros.

Figura Nº 9:

(k g /m m 2) K

z1

100 95 90 85

r a P a

H

80

=

0 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4

0 1 2 0 1 0

75 70 65

βº

(grados)

60 50 Figura Nº 10:

55

60

65

70

75 80

85 90

Valores de la presión unitaria de corte KZ1 (para S = 1 mm2) en función del ángulo β y de la dureza Brinell Hp para las fundiciones.

Los valores del exponente 1 − 11/09/aa

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1

m

son propios y constantes para cada material y valores

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= 0,803 m  1 1 − = 0,865 m  1  1 − = 0,76  m  1 1 − = 0,54  m  1  1 − = 0,76  m  1−

Aceros Fundicione s Bronces Latón Aleaciones livianas

1

La función exponencial Tabla Nº IV:

( 28)

1 1− m

S

está resuelta en la tabla IV para distintos valores de viruta.

Solución de la función exponencial

Sección de viruta S


0.803

S

0.865

S

1 1− m

S

para distintos valores de S y del material.

0.54

S

0.76

S

0.76

S

(mm )

Acero

Fundición

Latón

bronce

0.25 0.50 0.75 1

0.33 0.57 0.79 1.00

0.30 0.55 0.78 1.00

0.47 0.69 0.86 1.00

0.35 0.59 0.80 1.00

Aleaciones livianas 0.35 0.59 0.80 1.00

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6 7 8 9

1.38 1.74 2.09 2.42 2.73 3.04 3.35 3.64 4.22 4.77 5.31 5.84

1.42 1.82 2.21 2.59 2.96 3.32 3.67 4.02 4.71 5.38 6.04 6.69

1.24 1.45 1.64 1.81 1.97 2.11 2.25 2.38 2.63 2.86 3.07 3.28

1.36 1.69 2.01 2.30 2.59 2.87 3.14 3.40 3.90 4.39 4.86 5.31

1.36 1.69 2.01 2.30 2.59 2.87 3.14 3.40 3.90 4.39 4.86 5.31

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

6.35 6.86 7.35 7.84 8.32 8.80 9.27 9.73 10.19 10.64 11.08

7.33 7.96 8.58 9.20 9.80 10.41 11.00 11.60 12.18 12.77 13.35

3.47 3.65 3.83 4.00 4.16 4.32 4.47 4.62 4.76 4.90 5.04

5.75 6.19 6.61 7.02 7.43 7.83 8.22 8.61 9.00 9.37 9.75

5.75 6.19 6.61 7.02 7.43 7.83 8.22 8.61 9.00 9.37 9.75

2

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2.5. Formación de la viruta La formación de la viruta depende: del material y de su estado, de la velocidad de corte, de la geometría de la herramienta, (es decir de sus ángulos) y de la sección de la viruta. De los materiales frágiles (como por ejemplo el hierro fundido) se obtienen virutas entrecortadas y de materiales tenaces obtenemos normalmente virutas largas. Por lo tanto, es práctico hablar de materiales con viruta larga o corta. Las denominadas virutas largas están compuestas de elementos de recalcado, que se sobreponen y se sueldan entre sí. Debido a los muchos factores que intervienen en la formación de la viruta, no fue posible obtener una regla general y definitiva al respecto. Generalmente se distinguen cuatro fórmulas típicas de viruta en el maquinado de los metales:

2.5.1. VIRUTA ARRANCADA Se forma cuando el ángulo de ataque γ varía entre 0 y 10º, ver figura 11, y a baja velocidades de corte. El material que se va acumulando sobre el plano de ataque de la herramienta sufre un cierto prensado, recalcado y endurecimiento, produciéndose la rajadura a – b, que se adelanta al filo de corte. Cuando al recalcado y el endurecimiento llegan a un grado máximo, el elemento de viruta se corta bajo un ángulo ϕ de deslizamiento. La mayor o menor longitud a – b depende también de la velocidad de corte. Esta rajadura del material, provoca (según el estado del mismo y de su estructura) mayores o menores desviaciones del diámetro teórico torneado y por lo tanto crea las correspondientes irregularidades en la superficie trabajada. La medida del ángulo de deslizamiento ϕ depende del coeficiente de rozamiento entre la superficie de ataque de la herramienta y la viruta, del coeficiente de rozamiento interno del material mecanizado y además de la medida del ángulo de corte δ. Con el recalcado y la cortadura de elementos de viruta aparecen fluctuaciones de las fuerzas de corte y de la temperatura de corte del mismo. γ h a s t a 1 0 º o o t n e t e r i o m c a e z i d l s o e n d a l e P d

δ β

c p

Figura Nº 11:

b

α

a

1er tipo. Viruta arrancada. Ángulo de ataque entre 0 y 10º. Materiales agrios y frágiles.

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2.5.2. VIRUTA DESPRENDIDA Este tipo de viruta (figura 12) es una transición a la viruta plástica. En este tipo, los elementos de viruta son menos marcados que en la figura 20. La viruta desprendida aparece en materiales de mayor plasticidad y menor resistencia a la cortadura. La superficie trabajada tiene una terminación mejor que en el caso anterior, porque la rajadura a – b es más corta y ésta misma rajadura tiene una inclinación que se aleja de la pieza a trabajar, debido a esto la superficie abierta adelante del filo de la herramienta será cortada después por el mismo, mejorando así la superficie mecanizada. γ h a s t a 1 7 º

p 1

o o t n e t e r i o m c a e z i d l s o e n d a l e P d

δ º 5 2 =

β

`G

α

ϕ p

b

Figura Nº 12:

a

2do tipo. Viruta. Viruta desprendida. Ángulo de ataque hasta 17º. Materiales semi—duros.

2.5.3. VIRUTA PLÁSTICA La viruta (figura 13) aparece con las mayores velocidades de corte. El ángulo ϕ es en este caso mayor que los anteriores. Cuanto más pequeño es el ángulo de desprendimiento o ataque γ tanto más laminillas (elementos finos de la viruta) se formarán y al mismo tiempo aumentarán el espesor p1 de la viruta, con respecto a la profundidad de corte p (p 1 > p). La aparición de la viruta plástica depende del material mecanizado creándose también menores ángulos de ataque γ . Al mismo tiempo, con la creciente plasticidad, disminuye hasta desaparecer la rajadura que se adelanta al filo de corte y aparece una zona de deformación en el material mecanizado.

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o o t n e t e r i


γ h a s t a 3 0 º

o m c a e z i d l s o e n d a l e P d

1

p

º 2 3 =

ϕ

δ

p

Figura Nº 13:

β

c

α

b a

3er tipo. Viruta Plástica. Ángulo de ataque hasta 30º. Materiales Blandos.

2.5.4. VIRUTA PLÁSTICA CON FALSO FILO Según algunos autores, especialmente los norteamericanos, existiría un cuarto tipo de viruta: la viruta plástica producida por herramientas con falso filo. Este tipo generalmente se encuentra en la elaboración de metales dúctiles con herramienta en acero rápido a las velocidades normales que este permite, a veces también con metales duros. Esta presenta las mismas características de la viruta plástica. A parte la adhesión de metal sobre el filo cortante de la herramienta que se acumula y luego se desprende de la misma adherirse a la viruta. El aporte de metal sobre el filo cortante (figura 14) es una mesa soldada y muy dura, cuya parte inferior adhiere fuertemente sobre el plano de corte o de ataque (pecho de la herramienta) mientras pasa encima la viruta. Este tipo de viruta con aporte o de cuchilla con falso filo, presenta siempre una superficie elaborada de feo aspecto y grandes esfuerzos de corte. Las anteriores observaciones (con los cuatro tipos de virutas gráficamente mostradas) se basan en investigaciones con herramientas de acero rápido y con velocidades de corte y ángulo para este material. Con el uso de herramientas de metal duro que tengan los correctos ángulos γ , los cuales generalmente son menores que en una herramienta de acero rápido, y con velocidades aptas para metal duro, domina aún en materiales con viruta corta, la viruta plástica. La rajadura que se adelanta al filo de corte prácticamente no existe más y la zona de deformación del material mecanizado se extiende apenas bajo de la superficie trabajada de la pieza mecanizada.

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40

o o t n e t e i r o m c a e z i d l s o e n d a l e P d

γ h a s t a 3 0 º

p 1

δ

º 0 3 =

ϕ

Figura Nº 14:

11/09/aa

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p

β

c b

a

α

4to tipo. Viruta plástica con aporte o cuchilla con falso filo.

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