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UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL

MECATRONICA

TEMATEORIA DEL CORTE ORTOGONAL

2015

Ing Jaime Cancho

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ELEMENTOS PRESENTES EN UN PROCESO DE CORTE

Se distinguen tres elementos principles:1. La pieza2. La herramienta3. La maquina- operador

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TIPOS DE HERRAMIENTA DE CORTE

• De acuerdo a sus filos pueden ser :• MONOFILOS, un solo filo de corte.• MULTIFILOS, varios filos distribuidos regularmente.• POLICORTANTES, distribución aleatoria de sus filos.

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TIPOS DE MAQUINAS HERRAMIENTAS

• Se pueden distinguir los principales grupos:• Las que usan herramientas de corte MONOFILO, es decir, los tornos y

las limadoras (acepilladoras)• Las que usan herramientas de corte MULTIFILOS, es decir, las

fresadoras y los taladrados.• Las rectificadoras utilizan herramientas POLICORTANTES.

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EL TORNO PARALELO

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MOVIMIENTOS EN EL TORNO

a)Torneado exteriorb)Torneado al refrentar y

tronzar

1)Superificie de trabajo2)Superficie de corte3)Superficie trabajada

I) Movimiento principalII) Movimiento de avance

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TIPOS DE CUCHILLAS SEGÚN SU TRABAJO

a)Recta para cilindrarb)Acodada para cilindrarc)De toped)De refrentare)De tronzarf) De acanalarg)De perfilarh)De roscari) De mandrinar orificios pasantesj) De tope para mandrinar

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CORTES EN EL TORNO

Diferentes tipos de corte en el torno, utilizando cuchillas codificadas en pastilla carburada

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ANGULOS DE LA CUCHILLA PARA TORNO

Los principales ángulos de trabajo de una cuchilla de acero HSS. El grado de los filos dependerá del material a ser mecanizado

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CEPILLO O LIMADORA DE CODO

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MATERIALES DE LAS PIEZAS

• Entre los materiales mas utilizados para la fabricación de piezas se tienen:

1. Aceros al carbono.2. Aceros inoxidables.3. Fundiciones.4. Plásticos.5. Aleaciones de bronces.6. Materiales no metálicos (aluminio)

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MATERIALES DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE

Los materiales para las herramientas de corte mas utilizados son:1. Acero rápido (HSS) o super rápido (HHSS)2. Plaquitas de carburo, con y sin recubrimiento.3. Cerámica (oxido de aluminio).4. Nitruro de boro cubico (CBN) y diamante.

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PARTES DE UNA HERRAMIENT DE CORTE MONOFILO

Las partes de una herramienta monofilo son dos:

1. El vástago o zona de sujeción.

2. La zona cortante.

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LA ZONA DE CORTE DE UNA HERRAMIENTA MONOFILO

Encontramos:

1. Filo principal.2. Filo secundario.3. Punta.

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SUPERFICIES DE UNA HERRAMIENTA MONOFILO

• Encontraremos tres superficies:• La cara : por donde se desprende la

viruta.• El flanco principal : por donde se

tiene contacto con la superficie inicial de la pieza a trabajar.

• Filo secundario : por donde pasa la superficie ya mecanizada de la pieza a trabajar.

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HERRAMIENTA MONOFILO DE INSERTOS

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TIPOS DE HERRAMIENTAS

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OPERACIONES DE DESBASTE Y ACABADO

• En el desbaste lo que se requiere es remover la mayor cantidad de material por unidad de tiempo y depende mucho de la capacidad de la maquina herramienta utilizada.

• En el acabado se requiere obtener el mejor acabado superficial, según la especificación en el plano de la pieza.

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VARIABLES EN UN PROCESO DE MECANIZADO

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CORTE ORTOGONAL

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CORTE ORTOGONALDentro del proceso de arranque de viruta el corte puede ser ortogonal u oblicuo.

Estos se diferencian en el ángulo de inclinación del filo con respecto a la dirección del desplazamiento relativo entre la herramienta de corte y la pieza a ser mecanizada.

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CORTE ORTOGONAL

En el caso del corte ortogonal el filo es perpendicular a la dirección de desplazamiento de la herramienta de corte y en corte oblicuo existe cierto ángulo, debido a que este ángulo toma valores bajos (menores a 15º), se considera el estudio del corte ortogonal como el mas acertado, este será el tipo de corte que estudiaremos en adelante.

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SUPERFICIES DE CORTE

Las superficies característicos de una herramienta de corte, en el sistema de corte ortogonal son :

• SUPERFICIE DE ATAQUE O DESPRENDIMIENTO, es la cara de la herramienta de corte sobre la que se desliza la viruta desprendida.

• SUPERFICIE DE INCIDENCIA , es la cara de la herramienta de corte que queda frente a la superficie trabajada de la pieza.

• FILO O ARISTA CORTANTE, es la intersección de la superficie de incidencia y de desprendimiento en la herramienta de corte.

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LOS ANGULOS DE CORTE

Se deberá cumplir que : a+b+g=90º

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LOS ANGULOS DE CORTE

Los ángulos que definen la posición de las

superficies en la herramienta de corte son :

• ANGULO DE INCIDENCIA (a) Es el ángulo formado por la superficie de incidencia de la herramienta de corte y la superficie ya mecanizada de la pieza.

• ANGULO DE DESPRENDIMIENTO (g) Es el ángulo formado por la superficie de desprendimiento de la herramienta de corte y la perpendicular a la superficie ya mecanizada de la pieza.

• ANGULO DE FILO (b) Es el ángulo formado por las superficies de incidencia y

de desprendimiento de la herramienta de corte.

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La correcta elección de estos ángulos influirá notablemente en las fuerzas desarrolladas durante el corte, en la calidad superficial de la zona mecanizada y en el desgaste de la herramienta de corte.

Con un a muy pequeño, el contacto con la pieza aumenta, con ello aumenta el rozamiento y la temperatura, en consecuencia se acelera el desgaste de la herramienta de corte. Si a muy grande, se debilita el filo.

El a toma siempre valores positivos, su elección correcta esta en función a la herramienta de corte y el material de la pieza a maquinar.

ANGULO DE INCIDENCIA ( a)

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Con un g grande hace que la herramienta penetre y corte bien, dando un mejor acabado superficial, pero debilita el filo, u g pequeño favorece la resistencia de la herramienta, pero la energía consumida y el calentamiento de la herramienta aumenta.

En general, g toma valores entre -5º y 30º . Su elección estará condicionada por la resistencia del material de la herramienta de corte, el material a mecanizar y el avance utilizado en el mecanizado.

ANGULO DE DESPRENDIMIENTO (g)

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El espesor del material antes de ser trabajado y de sufrir alguna deformación queda definido por el avance (a), una vez deformado define el espesor de la viruta ( Ad )

Mediante el factor de recalcado ( Cr ), se relacionan ambos espesores:

FACTOR DE RECALCADO ( Cr )

Donde :

Ao = espesor de viruta antes de ser

deformada, (equivale al avance)

Ad = espesor de viruta deformada

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Es el ángulo formado por el plano de corte o cizalladura y la superficie a mecanizar. Este es un plano teórico en el que se produce el deslizamiento de los átomos del material, que da lugar a la deformación plástica localizada. Depende del material de la herramienta de corte y de las condiciones de corte.

ANGULO DE CIZALLADURA ( ∅ )

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Con (∅) y (g) pequeños, se generan condiciones de corte con una mayor deformación, por lo tanto con mayor segmentación, mejorando asi las condiciones de corte.

Existe una relación entre (∅), (g) y (Cr) que se extrae de la figura adjunta:

ANGULO DE CIZALLADURA ( ∅ )

tg  ∅❑=cos   (g )Cr  –  sen  ( g )   

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DETERMINACION DEL ANGULO DE CIZALLAMIENTO (φ)

Ls =

Ls =

Donde : Ls = Longitud de plano de cizallamientoTo = espesor de viruta sin deformar.Td = espesor de viruta deformada.

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FORMACIONDE VIRUTA

La forma en que se produce la rotura de las uniones internas del material depende de varios factores como las propiedades del propio material, las propiedades del material de la herramienta de corte y de la velocidad con que se produce el corte.

Si se aplica una fuerza a un metal, en estos planos de deslizamiento los átomos comienzan a deslizarse unos sobre otros, hasta que parte del material se separa. Este material empujado fuera de la superficie es la denominada viruta

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El proceso de formación de viruta es un proceso de deformación plástica, se realiza en tres fases :

1. RECALCADO, el material es desplazado por la herramienta de corte, deformándose plásticamente.

2. CIZALLADO, el esfuerzo cortante supera la resistencia del material en el plano de corte, por lo que resulta cortada una parte de viruta.

3. DESLIZAMIENTO, la viruta se desliza sobre la cara de desprendimiento de la herramienta de corte, y en funciona del material y las condiciones de corte, se trocea en pequeñas porciones o se mantiene unida formando una viruta continua.

FORMACION DE VIRUTA

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FORMACION DE VIRUTA

La formación de viruta general calor, el cual se distribuye :

El 80% es generado en la deformación del material, en la zona primaria.

El 18% se genera en la deformación

de la zona secundaria.

El 2% se genera por el rozamiento

de la punta de corte con la superficie mecanizada, en la zona terciaria

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VIRUTA DEFORMADAEl espesor del material antes de ser trabajado y de sufrir deformación alguna queda definido por el avance (a), una vez deformado se define el espesor de la viruta (Td)

m = ld x Td x W x λDonde :

λ = densidad del material (gr/cm3)

m = Masa de viruta deformada (gr)

w = Ancho de viruta (cm)

Td = espesor de viruta deformada (cm)

ld = longitud de viruta deformada (mm)

Razón de remoción de viruta (Rv) en (/min)

Rv = Vc x a x p

Donde :

Vc = Velocidad de corte.

a = avance

p = profundidad de corte

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VIRUTA DEFORMADACalculo del espesor de la viruta deformada:

m = ld x Td x w x ρe

ω = m / ld = Td x w x ρe

Donde :m = peso de la viruta deformada ( gr )w = ancho de viruta (mm)ρe = peso especifico ( gr/cm3)ω = peso de viruta por unidad de longitud ( gr/m)

ld = longitud de viruta deformada (m)

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PARAMETROS DE CORTE

Los parámetros de corte, son las magnitudes tecnológicas necesarias, a las cuales hay que asignar valores determinados, para conseguir realizar el proceso de arranque de viruta de forma optima :

1. La Velocidad de corte ( Vc ) en (m/min).2. El avance del corte ( a ) en (mm).3. La profundidad del corte ( p ) en (mm).

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VELOCIDAD DE CORTEEs la velocidad lineal relativa de la herramienta de corte respecto de la pieza, en la dirección y sentido del movimiento de corte.

Esta parámetro es el mas importante, si es muy baja, la productividad es muy pequeña, si por el contrario, se trabaja a demasiada velocidad de corte, la herramienta de corte se desgastara rápidamente.

Para su selección se disponen de tablas que dependen del material de la pieza a trabajar, el material de la herramienta de corte y principalmente por la operación de corte a realizarse.

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VELOCIDAD DE CORTEPara herramientas de acero rápido y el material de la pieza de acero al carbono, el material mas utilizado en los procesos de manufactura convencionales, el valor de la velocidad de corte está entre los 15 m/min y 30 m/min.Cuando la pieza a ser maquina tiene movimiento rotacional, esta definida como la velocidad tangencial de la pieza producida por el movimiento angular y depende del diámetro de la pieza.

Vc = Velocidad de corte ( m/min ) d = Diámetro de la pieza (mm) n = frecuencia rotacional de la pieza (rev/min)

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EL AVANCESe define como a distancia recorrida por la herramienta de corte sobre la pieza a cortar por cada ciclo.En el torno, el avance es el desplazamiento relativo herramienta-pieza en cada revolución o carrera (vuelta de la pieza)Denotaremos el avance por la letra ( a )La selección del avance depende del acabado superficial requerido, siendo mayor en operaciones de desbaste que en operaciones de acabado. Para operaciones de desbaste oscila entre 0.1 a 0.5 mm/min. En operaciones de cavado oscila entre 0.05 a 0.01 mm/min.

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VELOCIDAD DE AVANCE

Se define como el desplazamiento dela herramienta de corte respecto de la pieza en la dirección del movimiento de avance por unidad de tiempo.Se denota como ( Va ) y se mide en ( mm/min).

Va = Velocidad de avance ( mm/min )

a = avance ( mm/rev )

n = frecuencia rotacional ( rev/min)Va = a x n

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PROFUNDIDAD DE CORTE

La profundidad de corte o profundidad de pasada ( p ) es la distancia que penetra la herramienta de corte en la pieza a mecanizar, se expresa en ( mm ).

Conocidos la profundidad de corte ( p ) y el avance ( a ), podemos conocer la sección de la viruta ( S ), también medida en ( mm ).

S = a x p

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RELACION DE CORTE ( Rc )La relación de corte es un parámetro para evaluar las condiciones de corte.

Como la profundidad de corte es una configuración de la maquina, la relación de corte puede ser calculada midiendo el espesor de la viruta.

El espesor de la viruta desprendida es mayor que la profundidad de corte, por lo

r es siempre menor que 1.

Donde :

To = Espesor de la viruta sin deformar (profundidad de corte).

Td = Espesor de la viruta deformada (desprendida).

Vv = Velocidad de flujo de la viruta.

Vc = Velocidad de corte.

lo = longitud de viruta no deformada

ld = longitud de viruta deformadaRc = =

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RELACION DE CORTE ( Rc )• LA Rc es la relacion de espesores de la viruta antes y después de realizado el

mecanizado.• Considerando el ancho de la viruta constante, se tiene que el ancho de la

viruta (Wd) por su longitud (ld) debera ser igual al producto del espesor de la viruta no deformada (To) por la longitud recorrida por la herramienta (lh).

• Ademas :

l

Vc = Velocidad de corte (m/min)

Tm = Tiempo de obtención de viruta (min)

lo = Longitud de viruta no deformada (m)

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ld = m/rpld = longitud de viruta deformada (mm)

m = masa de viruta (gr) rp = razón de peso (gr/m)

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Las fuerzas de reacción del material a mecanizar no actúan en el filo, sino en una zona mas alejada de él cuanto menor sea el ángulo de desprendimiento.

La resultante de estas fuerzas ( R ) se descompone en varias direcciones perpendiculares, dando lugar a las siguientes componentes de fuerza como se puede apreciar

LAS FUERZAS EN EL CORTE

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Se pueden distinguir tres fuerzas principales :Fuerza de corte ( Fc ).Fuerza de cizallamiento ( Fs ).Fuerza de fricción ( Fr ).

Todas las fuerzas que estudiaremos estarán dadas en ( Kgf )

LAS FUERZAS EN EL CORTE

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LA FUERZA CORTE (Fc)La fuerza de corte se ejecuta en la dirección del corte, la misma dirección de la velocidad de corte y el avance.

Donde :

ρ = ángulo de rozamiento.

Φ = ángulo de cizallamiento.

Fnc = Fuerza normal de corte o Fuerza de empuje.

𝐹𝑐=𝐹𝑠𝑐𝑜𝑠 ρ𝑐𝑜𝑠(ϕ+ρ)

Fc = RcosρFnc = Rsenρ

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LA FUERZA CIZALLAMIENTO (Fs)La determinación de la fuerza de corte (Fc) esta basada en el calculo de la fuerza de cizallamiento (Fs)

Donde :

τs = esfuerzo cortante del material

φ = ángulo de cizallamiento.

Ao = área de sección de la pieza a cortar

Fns = Fuerza normal de cizallamiento.

𝐹𝑠=τ 𝑠𝐴𝑐𝑠𝑒𝑛ϕ

Fs = Rcos(ρ+φ)Fns = Rsen(ρ+φ)

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Esta es la fuerza de friccionamiento entre la herramienta de corte y la viruta desprendida del material mecanizado, esta fuerza se desarrolla a lo largo de la cara de la herramienta de corte. Existe también la fuerza normal de fricción (Fnr) y el coeficiente de fricción (μ), relacionados como:

Con el ángulo de fricción (δ), se tiene:

μ = tan δCon el ángulo de rozamiento (ρ), se tiene:

ρ = δ - g

LA FUERZA DE FRICCION (Fr)

μ

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La fuerza total de corte (R) esta en función de la Fuerza de fricción (Fr), su fuerza normal (Fnr) y la cara de corte.R también esta en función del movimiento de la herramienta de corte (Fc) y la fuerza de empuje (Fnc).La fuerza de cizallamiento (Fs) es la fuerza necesaria para realizar el corte del material en el plano cortante, su fuerza normal (Fns) ejerce l comprensión en este mismo plano.

LA FUERZA RESULTANTE ( R )

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FUERZAS A CALCULARTomando como base la fuerza de corte y la fuerza normal de corte, es posible plantear las ecuaciones para las cuatro fuerzas que no pueden medirse.

Fr = Fc sen γ + Fnc Cos γFnr = Fc Cos γ - Fnc sen γFs = Fc Cos φ - Fnc sen φFns = Fc sen φ + Fnc Cos φ

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Merchant estudio las fuerzas en corte ortogonal y estableció, ”el plano de cizallamiento, es un proceso de corte ortogonal, se sitúa de forma tal que la potencia necesaria para la deformación es mínima”

TEORIA DE MERCHANT

Ao Vc

Donde :τs = Esfuerzo cortante del material (Kgf/mm2) Vc = Velocidad de corte (m/min)Ao = Área de sección a cortar (mm2)Ao = To x W

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TEORIA DE MERCHANTMerchant definió el esfuerzo cortante, expresado según la siguiente relación :

τs = Además :

φ = 45 + -

tan =

Sen φ = dirección del ángulo de cizallamiento

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α = de incidenciaβ = de filoγ = de desprendimientoφ = de cizallamientoρ = de rozamiento δ = de fricción

LOS ANGULOS

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VELOCIDADES

La Velocidad de cizallamiento (Vs)

Vs = x Vc

La Velocidad de la viruta (Vv)

Vv = x Vc

( - )Φ γ

γ

Φ

Vv

Vc

Vs

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DISTRIBUCION DE ESFUERZOS

Esfuerzo de cizallamiento (τs)

τs==x senφ

Esfuerzo normal de compresión (σn)

σn==x senφ

AoAd

φ

Sen φ = Sen φ = dirección del ángulo de cizallamientoAs = Ad = Area de cizallamiento

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POTENCIAPotencia de corte (Pc)Pc = Fc x Vc

Potencia de cizallamiento (Ps)Ps = Fs x Vs

Potencia de rozamiento (Pr)Pr = Fr x Vv

Potencia eléctrica (Pe)Pe = Pc x η

VvVs

Vc

Las potencias deberán ser expresadas de ( Hp )

Watts =

1𝐻𝑝745.7𝐾𝑔𝑓 𝑚/ 𝑠