3. procesos de torneado 3.1. introducción -...
TRANSCRIPT
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 12
3. PROCESOS DE TORNEADO
3.1. Introducción
El proyecto se centrará en el proceso de torneado que es aquel donde una
herramienta de punta única remueve material de la superficie de una pieza
cilíndrica que se encuentra rotando sobre sí misma. En dicho proceso la
herramienta avanza de manera lineal y en dirección paralela al eje de rotación
(figura 3.1).
Figura 3.1. Esquema del proceso de torneado
La máquina herramienta empleada es el torno. Dentro de las elaboraciones
que se pueden realizar están: cilindrado, refrentado, taladrado, roscado,
tronzado, entre otras. El torno suministra la potencia necesaria y permite
seleccionar diferentes parámetros de corte.
El torneado será el proceso más común en el corte del metal, y es por ello que
estará altamente optimizado mediante la elección de los distintos factores para
su aplicación. Se podrá dividir en varias aplicaciones básicas referentes al tipo
de herramienta, datos de corte, o la programación, como son el torneado
longitudinal, el refrentado, o el perfilado.
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 13
3.2. Parámetros de corte
Los parámetros de corte en el torneado vienen definidos por los movimientos
fundamentales que realizan la pieza y la herramienta durante el corte. Estos
son la velocidad de corte, la profundidad de corte y el avance (figura 3.2).
(a) (b)
Figura 3.2. Movimientos fundamentales del proceso de torneado:
a) Cilindrado, b) Refrentado
Velocidad de corte, será la velocidad lineal de la periferia de la pieza que
está en contacto con la herramienta. Se expresará en metros por minuto
(m/min). El valor adecuado para el mecanizado dependerá de muchos
factores, entre ellos, localidad y tipo de herramienta empleada, la
profundidad de corte, la dureza del material a mecanizar, o el avance
usado. Esto queda reflejado en la ecuación 3.1.
𝑉𝑐 =𝜋𝑛𝐷0
1000 (3.1)
Donde n son las revoluciones por minuto y D0 es el diámetro inicial de la
pieza a mecanizar.
Además, la duración de la herramienta podrá ser determinada mediante la
velocidad de corte, como se muestra en la ecuación 3.2 (ecuación de
Taylor), en la se refleja como una lata velocidad de corte permite realizar el
mecanizado en menos tiempo, a costa de acelerar el desgaste de la
herramienta.
𝑉𝑐𝑇𝑛 = 𝐶 (3.2)
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 14
Avance, se llamará así a la velocidad relativa entre la pieza y la
herramienta, es decir, la velocidad con la que avanza el corte en la
dirección de corte. Será un parámetro muy importante en el proceso de
torneado, que se medirá en milímetros por revolución (mm/rev). El avance
estará limitado por la rigidez en las sujeciones entre pieza y herramienta,
así como por la potencia del motor de la máquina.
Profundidad de corte, medida en milímetros (mm).
Dentro de las características de la herramienta, los factores a tener en cuenta
serán: la forma, los ángulos característicos, la composición, los tratamientos
sufridos, la dureza, el acabado superficial, y el estado de afilado.
Más adelante, cuando se analicen los resultados, se podrán relacionar la
influencia de estos factores en el resultado de rugosidad esperada.
3.3. Herramientas
3.3.1. Materiales de las herramientas
Algunas de las propiedades importantes que deben tener los materiales
empleados en herramientas estarán determinadas por los tipos de fallo que
pueden aparecer en éstas, como son:
El material de la herramienta deberá poseer una alta tenacidad, de manera
que se capaz de absorber gran cantidad de energía sin que se produzca la
fractura.
La herramienta opera a elevadas temperaturas, y será necesario que el
material de la herramienta conserve su dureza al aumentar la temperatura.
Debe presentar resistencia al desgaste. No dependerá solo de la dureza de
la herramienta, también influirá el acabado superficial de la herramienta, la
composición química de la herramienta y de los materiales de trabajo o el
empleo de fluidos de corte.
A continuación, se van a analizar algunos de los grupos de materiales más
usados para herramientas de corte.
Acero al carbono
A pesar de tener un bajo coste, de su facilidad a la hora del conformado y
afilado, su uso es cada vez más limitado (operaciones de muy baja velocidad).
Esto se debe, a su baja dureza en caliente y resistencia al degaste cuando se
opera a velocidades de altas.
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 15
Acero rápido
Serán aceros de alta aleación, con una buena dureza a elevadas temperaturas
lo cual permite su uso a altas velocidades de corte. Los tipos de aceros rápido
pueden dividirse en dos tipos principales: al molibdeno (serie M) y al
tungsteno (serie T). En general, la serie M tendrán una mayor resistencia a la
abrasión que la serie T, sufre menos distorsión durante el tratamiento térmico
y es menos costosa. Es por ello que la mayoría de las herramientas de acero
rápido se fabrican de la serie M.
El acero rápido será uno de los materiales más importantes empleados en
herramientas de corte en la actualidad. Las razón se encuentra en ser un tipo
de material adecuado para una gran variedad de operaciones donde se
requieren formas complejas de la herramienta, como brocas, escariadores,
machuelos o cortadores de engranajes. La mayor limitación que presenta será
que las velocidades de corte empleadas serán más bajas que en el caso de las
herramientas de carburo (metal duro).
Aleaciones de cobalto fundidas
Debido a su gran dureza tienen una elevada resistencia al desgaste, además
de conservar dicha dureza a altas temperaturas. Son menos tenaces que los
aceros rápidos y sensibles a las fuerzas de impacto, lo cual hace que no sea
recomendable su uso en operaciones de corte interrumpido (fresado).
Metal duro
Los grupos de materiales descritos anteriormente presentan limitaciones
respecto a la resistencia mecánica y la dureza, y particularmente frente al
choque térmico. Esto limita su eficiencia en operaciones donde se requiere una
gran velocidad de corte. Los carburos, sin embargo, conservarán su dureza
para un amplio rango de temperaturas. Además, poseen un alto módulo de
elasticidad, una lata conductividad térmica, una baja dilatación térmica. Todo
esto hace que sea uno de los materiales más importantes empleados en la
fabricación de herramientas, pues tienen una gran versatilidad y un coste
económico.
Los dos tipos básicos que se emplean en mecanizado son el carburo de
tungsteno y el carburo de titanio. El carburo de titanio tendrá mayor
resistencia al desgaste que el de tungsteno, pero no será tan tenaz como este
último.
Cerámica
Se componen principalmente de óxido de aluminio de grano fino y alta pureza,
el cual se prensa y sinteriza a altas temperaturas en forma de insertos.
Algunos fabricantes añaden otros componentes como carburo de titanio u
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 16
óxido de circonio, que ayudan a mejorar propiedades como la tenacidad o la
resistencia al choque térmico.
Las herramientas fabricadas con este tipo de cerámica tienen una muy alta
resistencia a la abrasión y dureza en caliente. Son más estables químicamente
que los aceros rápidos y los carburos, lo que significa una menor tendencia a
la aparición de filo recrecido. Ello colabora a obtener un mejor acabado
superficial en fundiciones y aceros. El gran inconveniente será la baja
tenacidad de las cerámicas, lo que puede llevar al fallo prematuro de la
herramienta al desportillarse o a un fallo catastrófico.
Los insertos de cerámica serán eficaces en el mecanizado a alta velocidad y
operaciones de corte interrumpido, como el torneado de acabado o
semiacabado.
Diamante y nitruro de boro cúbico
El material más duro conocido es el diamante, y destacan entre sus
propiedades su baja fricción y su alta resistencia al desgaste. La alta dureza
será una de las propiedades deseables en las herramientas de corte, por ello
se empleará el diamante en operaciones en las que sea necesario un buen
acabado superficial y exactitud dimensional, como puede ser aplicaciones de
esmerilado y mecanizado.
Para la fabricación de este tipo de herramientas suele emplearse diamante
policristalino sinterizado (SPD). Se fabrica empleando un polvo fino de
cristales de diamante granulado, y será la orientación aleatoria de dichos
cristales la que confiera una mejora elevada de la tenacidad.
Los insertos de este tipo de herramienta se fabrican depositando una capa de
SPD de aproximadamente 0,5 mm de espesor sobre un substrato de carburo.
Su uso será idóneo para operaciones de corte continuo de acabado,
mecanizado de alta velocidad de metales no ferrosos y abrasivos no metálicos
como fibras de vidrio, grafito y madera. No es recomendable su uso con acero
y otros metales ferrosos, así como aleaciones de níquel, debido a la gran
afinidad química existente. El diamante se usa también como abrasivo
Tras el diamante, el material más duro será el nitruro de boro cúbico (CBN).
La fabricación de herramientas de corte de este material se realizará de la
misma manera que con el SPD. El CBN no reacciona con el hierro y el níquel,
por lo que se empleará para mecanizar acero y aleaciones basadas en níquel.
Tanto las herramientas de SPD como las de CBN son caras, por ello su uso
deberá estar totalmente justificado.
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 17
3.3.2. Configuración de las herramientas
Los elementos que definen la configuración geométrica de una herramienta de
una sola punta se muestran en la siguiente figura 3.3.a. La eliminación de la
viruta será un problema frecuente en el torneado. Los métodos para romper la
viruta aparecen en la figura 3.3.b, siendo la finalidad de los rompevirutas la de
controlar el flujo de la viruta durante el mecanizado, eliminar las virutas largas
y reducir el calor y las vibraciones generadas.
a)
b)
Figura 3.3. Ángulos de las plaquitas (a) y métodos de rompevirutas (b)
También será importante la forma en la que se coloque el filo de corte de la
herramienta. Las diferentes formas se recogen en la figura 3.4. De todas ellas,
la que se suele emplear es la que fija mecánicamente la paquita al
portaherramientas, debido a que permite un mejor aprovechamiento de la
plaquita (permite darle la vuelta para usar la otra punta de corte).
Figura 3.4. Herramienta enteriza y formas de fijar las plaquitas en el
portaherramientas
La configuración geométrica de las plaquitas determinará las características de
las mismas, como se refleja en la figura 3.5. En general, cuanto mayor sea el
ángulo de la herramienta mayor será su resistencia, aunque también
requerirán una mayor potencia y estarán más expuestos a vibraciones.
Además un mayor número de bordes representa una ventaja económica, pues
permite darle un mayor uso a la plaquita.
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 18
Figura 3.5. Características de las plaquitas en función de su forma
Por último, habrá que mencionar la clasificación ISO de las plaquitas de metal duro según el material al cual se aplique. Se pueden dividir en tres grupos que
se distinguen por las siguientes letras:
Grupo P, empleado en materiales que producen viruta larga como son los
aceros o las fundiciones maleables. El color usado para su designación será
el azul.
Grupo M, empleado en materiales difíciles de mecanizar, que pueden
generar viruta larga o corta, como son el hierro fundido, aceros
austeníticos o aceros al manganeso. El color usado para su designación es
el amarillo.
Grupo K, empleado en materiales que producen viruta corta, como son el
hierro fundido o aleaciones no férreas. El color usado para su designación
es el rojo.
A continuación de la letra se añaden dos cifras que pueden ir desde 01 a 50
(en incrementos de 5). Éstas indican en orden creciente el aumento de la
ductilidad en la herramienta, mientras que en orden decreciente indican el
aumento de la dureza en caliente. Es por ello que cuando las cifras sean altas,
dichas herramientas se utilizarán en operaciones de desbaste y cuando sean
bajas en operaciones de acabado.
3.3.3. Tipos de operaciones de torneado
La forma de una pieza que se fabrica mediante mecanizado es debida a los
movimientos relativos entre la herramienta y la pieza de trabajo, así como a la
forma de la herramienta de corte. Según esto, las operaciones de torneado
podrán clasificarse en función de la forma de la pieza creada como se recoge
en la figura 3.6.
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 19
Cilindrado Refrentado
Torneado de perfiles Perfilado
Ranurado Tronzado
Mandrinado Roscado
Figura 3.6. Operaciones de torneado
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 20
3.4. Vibraciones
Las vibraciones durante el proceso de mecanizado estarán relacionadas con la
rigidez de la máquina empleada. Cuanto mayor sea dicha rigidez, menor serán
las vibraciones o traqueteo producido, obteniéndose así mejores resultados en
cuanto a la calidad superficial. Es por ello importante recalcar el efecto que
puede tener sobre el acabado de la pieza si no se controlan, como por
ejemplo: marcas de traqueteo sobre la superficie que crean un mal acabado
superficial (ver figura 3.7); puede afectar a la vida útil de la herramienta de
corte, acelerando su desgaste, así como provocando el fallo prematuro de la
misma; falta de precisión en las dimensiones requeridas en el elemento de
trabajo; también puede generarse un ruido molesto durante el mecanizado,
sobre todo si se trabaja a altas frecuencias.
Figura 3.7. Detalle del acabado superficial durante el mecanizado
Se debe distinguir entre las vibraciones que son de tipo forzadas, y aquellas
que son autoexcitadas. En cuanto a las primeras, no serán analizadas en el
desarrollo del proyecto, pues este tipo de vibraciones son debidas a
componentes del torno como pueden ser el funcionamiento del motor y la
bomba, o el accionamiento de engranajes, es decir, se trata de una fuerza
periódica que se introduce en el movimiento relativo entre la herramienta y la
pieza. Por tanto, puede obviarse dicha vibración si se consigue aislar esa
fuerza, o simplemente considerando su aportación como un ruido de fondo, al
tratarse de elementos inherentes a la máquina herramienta que sean difíciles
de modificar.
En cuanto al segundo tipo de vibración, serán éstas a las que llamaremos
traqueteo, y serán en las que nos fijaremos a la hora de analizar los
resultados de los ensayos, y las medidas de aceleraciones tomadas. Este tipo
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 21
de vibración estará causada por el contacto entre la herramienta y la pieza de
trabajo, es decir, se referirá al proceso de remoción de material en sí mismo.
Las causas del traqueteo se pueden resumir en la existencia de perturbaciones
en la zona de corte, como pueden ser: la falta de homogeneidad en la
superficie del material de trabajo, la variación en la formación de la viruta, o
que la fricción entre la herramienta y la viruta varíe como consecuencia de los
fluidos de corte empleados.
También puede ocurrir que un material que haya sido mecanizado
previamente (por ejemplo, con pasadas de desbaste), vuelva a mecanizarse
para realizar una última pasada de acabado. Sin embargo, en dicha superficie
habrá perturbaciones y rugosidad producida por la herramienta de corte en las
anteriores pasadas, que contribuirán a la aparición de traqueteo, pues la
profundidad real de mecanizado irá variando durante el proceso, produciendo
vibración.
Para poder aminorar dicho efecto, se podrá aumentar el amortiguamiento en
la máquina, o bien, aumentar la rigidez dinámica del sistema. Ésta rigidez se
puede definir como la relación entre la amplitud de la fuerza aplicada por la
herramienta y la amplitud de la vibración resultante. Por tanto, puede
modificarse variando los parámetros de corte durante el mecanizado, para que
se reduzca el traqueteo lo máximo posible.
Un hecho a destacar será que a medida que aumente la dureza del material a
mecanizar, la tendencia a la aparición de traqueteo será mayor, lo que
también estará influenciado por el tipo de viruta que se produzca. La viruta
continua implica fuerzas de corte constantes, por tanto no habrá tendencia al
traqueteo; mientras que la viruta discontinua, al producirse de manera
periódica produce cambios en las fuerzas de corte que darán pie a la aparición
de traqueteo. Visto así, si analizamos el tipo de viruta obtenida para cada
material utilizado en los ensayos tenemos:
Acero medio al carbono, se obtiene una viruta ininterrumpida que será
larga.
Acero inoxidable, se obtienen virutas en forma de láminas.
Hierro fundido, se obtiene una viruta corta, como polvo, que además
manchará mucho debido al alto contenido en carbono.
La viruta continua suele estar asociada a buenos acabados superficiales, pero
puede pasar que al ser tan larga la viruta, ésta acabe enrollándose en el
portaherramientas, los soportes y la pieza. Si se trata de un torno en paralelo
manual, esto puede ser reparado por el operario. Este tipo de viruta puede
producir un mal acabado superficial en el mecanizado de metales suaves a
bajas velocidades y ángulos de ataque, además de introducir esfuerzos
residuales superficiales en la zona mecanizada. Un tipo de viruta continua que
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 22
afectará negativamente al acabado superficial será aquella en la que aparece
borde recrecido [9]. Dicho borde se irá acumulando en el filo de la
herramienta de corte modificando su geometría, y cuanto mayor sea peor será
el acabado superficial obtenido. Aunque cabe mencionar, que un borde
delgado y estable reduce el desgaste de la herramienta (actúa como
protección).
La viruta discontinua, se produce normalmente en materiales frágiles (como el
hierro fundido), debido a la poca capacidad de absorber deformaciones
cortantes durante el proceso de corte. Aquí también tendrá un papel
importante el traqueteo antes descrito, pues la rigidez de la máquina
herramienta deberá ser alta para impedir la vibración de la misma, que influye
en la formación de la viruta discontinua.
La influencia de la longitud de voladizo en el mecanizado (distancia entre
portaherramientas y filo de corte de la herramienta) es analizada en el artículo
“Three-component receptance coupling substructure analysis for tool point
dynamics prediction” de Schmitz, Tony L. et al [27](2005). En él, los autores
cuentan cómo realizan una serie de ensayos, para obtener la longitud de
voladizo que les permita realizar cortes más profundos sin que aparezca
traqueteo y con una velocidad cercana a la máxima de giro del husillo. Esos
ensayos consistirán en un análisis de la respuesta en frecuencia de la máquina
herramienta.
El estudio del voladizo en varios tipos de aplicaciones les permitió definir
algunas premisas:
Si una herramienta en voladizo está vibrando, reducir la longitud del
voladizo disminuirá probablemente su vibración. Sin embargo, habrá
ciertos casos en los que puede ocurrir que la mejora de la estabilidad en la
herramienta se produzca aumentando la longitud del voladizo.
Para poder predecir cuándo hará falta una herramienta con mayor longitud
de voladizo, será necesario primero realizar una serie de ensayos previos.
En general, la vibración puede ser un parámetro que limite el rendimiento de
la máquina herramienta, como por ejemplo, reduciendo la velocidad, el avance
y la profundidad de corte. Algunas recomendaciones para reducir la tendencia
a la vibración durante el mecanizado serán:
Emplear un ángulo de entrada y un ángulo de inclinación positivo. Cuanto
más positivo sea el ángulo de inclinación menor será la fuerza de corte, lo
que implica una menor flexión.
Emplear geometrías positivas genera menores fuerzas de corte y menor
flexión de la herramienta.
Controlar el desgaste de la herramienta y el tratamiento dado al radio de
punta de la herramienta. El que el filo de corte tenga un redondeado
Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en
procesos de torneado
Capítulo 3 23
pequeño hará que las fuerzas de corte sean menores en todas direcciones,
lo que facilita la acción de corte y reduce la flexión de la herramienta.
Un desgaste excesivo de la plaquita, como puede ser el del flanco, podría
causar problemas de vibración.
Que la profundidad de corte sea mayor que el radio de punta de la
herramienta.
Disminuir la fuerza radial generará menor flexión en la dirección radial,
aminorando la vibración de la herramienta (figura 3.8).
Si comparamos dos fuerzas iguales en módulo, una aplicada en la dirección
radial y la otra en la dirección axial, será esta última la que genere menos
flexión de la herramienta (figura 3.8).
Figura 3.8. Fuerzas de corte en torneado
Para torneado interior, el ángulo de entrada no debe ser menor de 75°
(ángulo de inclinación 15°).
Elegir el radio de punta lo más pequeño posible, pues reduce la tendencia a
la vibración.
Para el ángulo del vértice, un ángulo pequeño dará mayor estabilidad a la
herramienta.
La velocidad de corte debe ser la adecuada. Una velocidad de corte
demasiado alta puede generar desgaste en el flanco, mientras que si es
demasiado baja favorece la aparición de borde recrecido. Si el patrón de
desgaste es irregular, esto reduce la vida útil de la herramienta y empeora
el acabado superficial.
Las posibles combinaciones entre profundidad de corte y avance serán
importantes a la hora de mejorar el área de la viruta. Si este área es muy
grande, las fuerzas de corte serán demasiados grandes; mientras que si es
muy pequeña, el rozamiento entre la pieza y la herramienta será excesivo.
Si se produce vibración con voladizos largos, será recomendable aumentar
el avance y modificar la velocidad de corte. En general, los mejores
resultados se obtendrán para mayores velocidades de corte.