diseño de una herramienta para cilindrado externo

DISEÑO DE UNA HERRAMIENTA PARA CILINDRADO EXTERNO

(DESBASTE)

Elkin Valbuena - Yuscy Pantoja

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE

INGENIERÍAS FISICO-MECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍA

MECÁNICA BUCARAMANGA, 2013

CONTENIDO

1. Objetivos.2. Introducción.3. Planteamiento del problema.4. Características del material de trabajo.5. Herramienta existente en el mercado.6. Geometría del capto del fabricante.7. Marco teórico.8. Proceso de diseño de la herramienta.9. Conclusiones10. Anexos.

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OBJETIVOS

Estudiar un caso real de diseño de herramientaspara un proceso específico.

Realizar el diseño conceptual de la herramienta,dimensionando el sistema, materiales,propiedades y geometrías para mejorar eldesempeño de esta en la aplicación.

Evaluar el desempeño del/de los sistema(s)diseñados.

Determinar posibles inconvenientes que puedanestar involucrados para permitir un buendesempeño.

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INTRODUCCIÓN

En la industria de la manufactura es cada vez más necesario tener alalcance soluciones prácticas y eficaces para solucionar problemas quea diario se presentan. En el maquinado de piezas cilíndricas, porejemplo, se requiere una herramienta cuya versatilidad sea admirable,y cuya asequibilidad no sea una simple utopía. Por tal razones, lasinvestigaciones en el campo de diseño de herramientas ha avanzadode manera colosal, alcanzando diseños que son cada vez más óptimos,sin dejar atrás los fundamentos básicos de su funcionamiento.

En este documento se presenta el proceso de diseño para unaherramienta de corte utilizada en procesos de cilindrado externo paracondiciones específicas, planteadas más adelante, y se hace énfasis ala importancia del uso de software de diseño de ingeniería para larealización de este.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA


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CARACTERISTICAS DEL MATERIAL DE TRABAJO.

Fuente: Aceros Otero (p59).


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HERRAMIENTA EXISTENTE EN EL MERCADO (CATÁLOGO SANDVIK)

• El portaherramientas:en el punto 6 seestableció este. Y larecomendación delfabricante fue:GC4225. (C4-DCRNR/L-22050-12).

• La herramientaseleccionada es: CNMG12 04 08 –PM DISEÑO DE HERRAMIENTAS Elkin Valbuena

- Yuscy Pantoja7

GEOMETRÍA DEL CAPTO DEL FABRICANTE


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MARCO TEÓRICO

Se presenta a continuación los fundamentosbásicos a tener en cuenta al momento dediseñar y dimensionar una herramienta decorte para cilindrado externo.


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MARCO TEÓRICO

I. Cilindrado externo.

II. Diagrama de velocidades en la zona de corte.

III. Diagrama de corte de e. Merchant.

IV. Diagrama de cuerpo libre.

V. Analisis de esfuerzo cortante.

VI. Analisis de esfuerzo cortante.

VII.Ángulo de corte.

VIII.Potencia.


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CILINDRADO EXTERNO:

Reducir el diámetrode la barra dematerial que se estátrabajando.


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Velocidad de corte


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DIAGRAMA DE CORTE DE E. MERCHANT


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DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE


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ANALISIS DE ESFUERZO CORTANTE

• Un ángulo de corte bajo significa un alto esfuerzo cortante.

• La suposición de Merchant: El ángulo de corte se debe ajustar para minimizar la fuerza de corte. Se deriva entonces de esto:


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ÁNGULO DE CORTE.

Maximizar el esfuerzo cortante.

Minimizar la fuerza de corte.


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POTENCIA

Los datos provenientes detablas de la potenciaunitaria específica decorte esencialmenteprovienen de la energíarequerida para tal corte.La mayoría de la energíase consume en lacizalladura y elrozamiento en lasuperficie de contactoentre herramienta yviruta.


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PROCESO DE DISEÑO DE LA HERRAMIENTA

A partir del modelo del fabricante, se diseña elinserto, con su respectivo porta-herramienta yplaquita base.


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PROCESO DE DISEÑO DE LA HERRAMIENTA

I. Cálculos de Fuerzas Sobre la Plaquita.

II. Alternativas del diseño del sistema (Diseño CAD).

III. Materiales y características.

IV. Metal duro.

V. Estudio CAE de las alternativas.

VI. Resultados del estudio CAE.


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Cálculos de Fuerzas Sobre la Plaquita


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Propiedades de la Pieza de Trabajo

Material Acero SAE 1045

Dureza BHN 180

Sy (MPa) 392,4

Tao (MPa) 196,2

U (in*Lbf/in^3) 240000

Condiciones de Corte

Vc (mm/min) fn (mm/rev) ap (mm) MRR (mm^3/min)Pot

(Lbf*pulg/min)

400000 0,5 1,5 300000 4393709,575


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Tablas de Resultados

rAvance (mm)

f (mm) alfa beta gamma phi Fs (Lbf) Fc (Lbf) Fa (Lbf) Fr (Lbf) F (Lbf)

1 0,5 1,5 7 90 7 41,500 49,924 279,001 240,009 55,800 372,236

0,9 0,5 1,5 7 90 7 38,529 53,107 279,001 265,135 55,800 388,911

0,8 0,5 1,5 7 90 7 35,290 57,261 279,001 295,075 55,800 409,908

0,7 0,5 1,5 7 90 7 31,770 62,829 279,001 331,173 55,800 436,613

0,6 0,5 1,5 7 90 7 27,961 70,554 279,001 375,111 55,800 470,811

0,5 0,5 1,5 7 90 7 23,863 81,772 279,001 428,574 55,800 514,423

0,4 0,5 1,5 7 90 7 19,488 99,158 279,001 491,160 55,800 567,620

0,3 0,5 1,5 7 90 7 14,865 128,952 279,001 548,510 55,800 617,914

0,2 0,5 1,5 7 90 7 10,034 189,858 279,001 487,116 55,800 564,125

rAvance (mm)

f (mm) alfa beta gamma phi Fs (Lbf) Fc (Lbf) Fa (Lbf) Fr (Lbf) F (Lbf)

1 0,5 1,5 5 90 5 42,500 48,966 279,001 231,998 55,800 367,121

1 0,5 1,5 6 90 6 42,000 49,438 279,001 235,977 55,800 369,649

1 0,5 1,5 7 90 7 41,500 49,924 279,001 240,009 55,800 372,236

1 0,5 1,5 8 90 8 41,000 50,423 279,001 244,096 55,800 374,883

1 0,5 1,5 9 90 9 40,500 50,937 279,001 248,237 55,800 377,593

1 0,5 1,5 10 90 10 40,000 51,464 279,001 252,436 55,800 380,367

1 0,5 1,5 11 90 11 39,500 52,007 279,001 256,693 55,800 383,205

1 0,5 1,5 12 90 12 39,000 52,566 279,001 261,009 55,800 386,110

1 0,5 1,5 13 90 13 38,500 53,140 279,001 265,388 55,800 389,083

1 0,5 1,5 14 90 14 38,000 53,732 279,001 269,829 55,800 392,126

1 0,5 1,5 15 90 15 37,500 54,341 279,001 274,336 55,800 395,241


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ALTERNATIVAS DE DISEÑO DE LA HERAMIENTA

El sistema consta de tres partes esenciales: Portaherramientas,plaquita base y plaquita cortante. Las geometrías generales semuestran en los siguientes planos. Se trató de diseñar unportaherramientas para torno CNC, a diferencia del portaherramientasdel fabricante, que corresponde a un capto para acoplar en un mangouniversal. Mientras que en la plaquita cortante se variaban algunosparámetros:• El radio de punta.• Forma de cara.• Filos por cara.• Material del inserto.Para cada paquete de resultados se especificará al pie de la imagenqué parámetros se variaron para una mejor interpretación.


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Modelo de inserto


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Porta-Herramienta


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DISEÑO CAD DE LAS PLAQUITAS


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Diseño N°1

• Plaquita sencilla, únicamente con redondeo en las puntas.

Diseño N°2

• Plaquita con detalles geométricos

Diseño N° 3

• Plaquita con detalles geométricos mas simples

Diseño N°4

• Plaquita con puntas reforzadas.

MATERIALESAntes de empezar a simular el desempeñomecánico, se debe definir el material de loscomponentes del sistema. Para esto, se consultóen el catálogo de la Sandvik las calidadescomunes para distintos materiales:


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Algunas características


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METAL DURO CON RECUBRIMIENTO

Es la calidad de la plaquita cortantefabricada por la Sandvik. Paraconocer las propiedades del metalduro, se consultó el manual de estemismo fabricante “Comprender elmetal duro”, donde se encontraronlas propiedades del metal duro sinrecubrimiento conociendo elporcentaje de Co (10%) que poseíael inserto (Calidad ISO P-25 <<Verpágina A20 del catálogoMC_2009_Klick_SPA_A de laSandvik, adjunto en el CD>>).


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Características del metal duro.


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CAE DEL SISTEMA.

Una vez conocidas las propiedades del losmateriales del sistema y las fuerzas involucradas, seprocedió a realizar la simulación. La forma como sehizo se resume en un informe entregado porSolidworks, donde se muestra la distribución de lasfuerzas en los filos, la forma de sujeción de laherramienta, el mallado y características de este,propiedades de los materiales de las piezas yalgunos resultados de simulación mecánica como loson Analisis de esfuerzos, deformaciones, tensionespor el criterio de Von Misses y factores deseguridad.


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RESULTADOS CAE

Se muestra a continuación los resultados de lassimulaciones realizadas para cada sistemadiferente, donde permanecen constantes lascaracterísticas del portaherramientas y laplaquita base mientras se alteran algunosparámetros de la plaquita cortante; enfocadas adeterminar el factor de seguridadprincipalmente de la plaquita cortante.


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RESULTADOS CAE


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I. Plaquita básica.II. Plaquita con detalles geométricos en la cara, con

doble filo por cara y radio de punta 0,8[mm].III. Plaquita detalles geométricos en la cara más suaves,

una cara cortante y radio de punta 0,8[mm].IV. Plaquita con radio de punta 1[mm].V. Plaquita con puntas reforzadas, radio de punta

1[mm].VI. Plaquita con propiedades del material mejoradas al

10%, radio de punta 1[mm] y acabados geometricosen las caras.

Plaquita básica.


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Plaquita con detalles geométricos en la cara, con doble filo y radio de punta 0,8[mm].


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Plaquita detalles geométricos en la cara más suaves, una cara cortante y radio de punta 0,8[mm].


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Plaquita con radio de punta 1[mm].


43

Plaquita con puntas reforzadas, radio de punta 1[mm].


44

Plaquita con propiedades del material mejoradas al 10%, radio de punta 1[mm] y acabados geometricos en

las caras.


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Plaquita con propiedades del material mejoradas al 10%, radio de punta 1[mm] SIN acabados geometricos

en las caras.


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CONCLUSIONES

Durante el proceso de simulación es importante definir losparámetros para realizar dicha operación, ya que como esbien sabido, las herramientas de cálculo no son más quesimplemente eso, y los resultados que estos arrojandepende siempre de las entradas que le de el usuario.

Se observa a partir de los resultados la necesidad de poseerinformación concreta de, principalmente, las propiedades,más que todo, de acuerdo a los materiales que se trabajen.Esta es la razón por la cuál, aunque se conozca unaaproximación del material de los insertos, no se obtienenlos mismos desempeños en las plaquitas diseñadas encomparación con las existentes en el mercado.


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• Aunque la principal pieza crítica del sistema eslógicamente la plaquita cortante, se debe prestaratención también a los otros dos elementos, yaque en ocasiones se observa como se venafectados en gran medida junto con la plaquita,alcanzando factores de seguridad cercanos a losque posee esta última en su parte crítica: el filo.Por ejemplo el mango en la parte donde se sujetay la plaquita base, en la parte directamentedebajo de la cara inferior de la plaquita cortante.


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Se encontraron inconvenientes en el desempeño de las plaquitas que poseían acabados geométricos en las caras dado que estos disminuían la resistencia de la pieza y con radios de punta bajos. En el proceso de diseño se debe buscar un balance entre estas características para optimizar el desempeño de la plaquita y con ello del sistema mismo.


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ANEXOS

El CD contiene, además de la presentación “Diseño deuna herramienta para cilindrado externo”: MC_2009_Klick_SPA_A.pdf. sección de Catálogo de

torneado de la Sandvik. Metal duro.pdf. Tratado del Metal Duro de la Sandvik. Cálculo de fuerzas.xlsx. Contiene una hoja de cálculo

para determinar las fuerzas actuantes sobre la plaquita. Selección de herramienta Sandvik.docx. Proceso paso a

paso de la Selección de herramienta Sandvik. Sistema.zip. Contiene las piezas, ensamble e informes

que entrega Solidworks como resultado de lasimulación CAE.


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diseño de una herramienta para cilindrado externo

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