ingenieria de procesos de mecanizado
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Introducción a los procesos de mecanizado 2
La siguiente tabla resume las características de los movimientos que se acaban de definir para los principales procesos de mecanizado:
Tabla 1. Características de los movimientos en las principales operaciones de mecanizado.Movimiento Torneado Fresado Taladrado Rectificado cilínd. Limado Cepillado
CortePIEZA
(Giratoriocontinuo)
HTA.(Giratoriocontinuo)
HTA.(Giratoriocontinuo)
HTA.(Giratoriocontinuo)
HTA.(Rectilíneoalternativo)
PIEZA(Rectilíneoalternativo)
Avance principal
HTA.(Rectilíneocontinuo)
PIEZA(Rectilíneocontinuo)
HTA.(Rectilíneocontinuo)
PIEZA(Giratoriocontinuo)
PIEZA(Rectilíneo
intermitente)
HTA.(Rectilíneo
intermitente)
Avancesecundario
---PIEZA*
(Rectilíneocontinuo)
---PIEZA
(Rectilíneoalternativo)
--- ---
De penetración HTA. PIEZA --- HTA. HTA. HTA.
*En los casos en los que se tenga movimiento de avance secundario
2. Consideraciones sobre piezas y herramientas
En este apartado se va a pasar revista a las características de las piezas y de las herramientas que pueden influir más directamente en el proceso de corte y, en particular, a los materiales con que
habitualmente se fabrican.
Piezas
Las piezas que van a ser sometidas a un proceso de mecanizado puede provenir de fundición,estampación, de mecanizados previos, o se puede partir directamente de una preforma. Lamaquinabilidad de un material representa la capacidad que éste tiene para ser mecanizado. Dependede muchos factores tales como:
1. La composición química del material de la pieza.2. Su microestructura.3 Las inclusiones que contenga
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1. Aceros al azufre. Los aceros al azufre de fácil mecanización contienen de un 0,20% a un 0,30%de azufre y, además, deben contener un mínimo de 0,60% de manganeso para que puedanformarse inclusiones de sulfuro de manganeso. Las velocidades del corte empleadas al
mecanizar los aceros al azufre pueden llegar a ser doble que la de los aceros del mismocontenido de carbono.2. Aceros al plomo. Los aceros al plomo deben contener, por lo menos, un 0,15% de este metal
para obtener mejoras apreciables en la mecanización, siendo el porcentaje más utilizado de 0,15a 0,30. Los contenidos de carbono deben ser inferiores a 0,50 %. El plomo no modificasensiblemente las características mecánicas del acero, y sólo se nota una pequeña disminuciónde la tenacidad en caliente y la templabilidad.
3. Aceros al fósforo. El fósforo en porcentajes de 0,10 a 0,20, se emplea como elemento deadición a los aceros de bajo contenido de carbono para elevar su maquinabilidad.
Las fundiciones, a causa de su mayor contenido en carbono y acritud, dan virutas cortas, quedificultan el enfriamiento en la zona de corte y obligan a trabajar con menor velocidad. Por estarazón la fundición maleable se trabaja mejor que la dura.
Las aleaciones no férreas presentan mejor maquinabilidad. Las de aluminio y magnesio semecanizan muy bien (unas 20 veces mejor que los aceros al azufre ya mencionados). Sólo sicontienen silicio, cobre o manganeso desgastan mucho el filo, por lo que se aconseja usarherramientas de metal duro. Las aleaciones de magnesio se trabajan extraordinariamente bien acualquier velocidad. Los bronces y latones se mecanizan con una gran facilidad (cuatro veces mejorque los aceros al azufre), disminuyendo su capacidad de mecanizado con el aumento de contenidode cobre. Las aleaciones a base de cinc y níquel tienen buena maquinabilidad y, al adicionarlesazufre, se aumenta.
Herramientas
Elegir el material para la fabricación de una herramienta es uno de los problemas más difíciles deresolver en la determinación de un proceso de mecanizado; ya que, un mismo material empleado
bajo diferentes condiciones puede dar lugar a muy distintos resultados.
No obstante, a continuación se muestran algunos de los aspectos más importantes a valorar a la hora
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9. Diamantes naturales10. Diamantes sinterizados policristalinos
Figura 2.Variación de la dureza frente a la temperatura para los materiales más usados en lafabricación de herramientas.
Las herramientas se pueden caracterizar, además de por el material empleado en su fabricación, porla forma en que están construidas y por el número y manera de actuar sus filo de corte. Por su
construcción, puede hablarse de herramientas enterizas, con plaquitas soldadas o con plaquitas defijación mecánica. Por el número y manera de actuar sus filos puede hablarse de herramientas confilos de corte en contacto continuo y de contacto intermitente. El primer tipo puede dividirse a suvez en herramientas de un solo filo (torneado, limado, cepillado) y de dos filos (broca helicoidal).Mientras que el segundo en herramientas de varios filos (fresas y brochas) y herramientas con unú i d fi id d fil ( l d ifi d b ñi )
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Figura 3. Torno paralelo
Bancada o bastidor: es el órgano resistente principal del torno, soporta los restantes elementos de lamáquina y su parte inferior está cimentada o apoyada en el suelo del taller. Debe poseer grandesdimensiones a fin de ofrecer una elevada rigidez estática y dinámica. Suele ser de fundición (aunqueen ocasiones se construye de acero soldado), aligerado de material en su interior y reforzado conriostras y nervaduras. Después de su construcción global y antes del mecanizado de las guías,soportes de guías asientos de cojinetes etc debe ser tratada térmicamente la bancada a fin de
Contrapunto ocabezal móvil
Husillo de roscar
Cabezal fijo
Husillo de cilindrar
Bancada o bastidor
Carro portaherramientas
Plato universal
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Dispositivos auxiliares: de lubricación de la máquina y de aplicación del fluido
Además del torno horizontal cabe mencionar los siguientes tipos de tornos: vertical, al aire, torno,copiador, revólver, automático por levas, automático multihusillo, de control numérico.
El torno vertical recibe tal denominación por ser vertical el husillo del movimiento principal y, portanto, vertical el eje de la pieza que se mecaniza. Los restantes órganos de este tipo de máquina seadaptan a esta condición definitoria. Este torno surgió con el fin de posibilitar el mecanizado de
piezas de gran diámetro, poca longitud y peso considerable, tales como volantes, ruedas y coronas
de gran diámetro. La carga y descarga de la pieza, así como su fijación y centraje correcto serealizan en este torno con una mayor rapidez y seguridad que en tornos de disposición horizontal.Además, es más rígido en el caso de piezas de masa muy elevada; esto en ocasiones se ve mejorado
por el hecho de ir el cabezal enterrado y cimentado adecuadamente. La parte del bastidor quesoporta el carro portaherramientas puede ser de columna o de pórtico y puede no tener una unidadestructural directa con el cabezal y accionamiento principal. A fin de evitar manipulaciones con
piezas de gran tamaño y peso suele disponer, como accesorio, de cabezales autónomos, esto es, conmotor de accionamiento incorporado, de taladrar y de rectificar.
Para el mecanizado de piezas de gran diámetro, poca altura y masa no excesiva se emplea el tornode aire; de husillo horizontal, gran escote y bancada para soporte del portaherramientas muy baja yseparada de la bancada del cabezal y accionamiento principal. Su empleo está disminuyendo, siendosustituido por tornos verticales.
Herramientas
Las herramientas de torno con plaquita de fijación mecánica constan de los componentes básicos: el portaherramientas (también denominado mango) y la plaquita. La plaquita suele ser de metal duro(con o sin recubrimiento) o de cerámica. Existen designaciones normalizadas para los mangos y las
plaquitas de fijación mecánica.
Portaherramientas o mango
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Figura 5. Código de designación de las plaquitas,
4. Fresado
El nombre genérico de fresado se emplea para designar el conjunto de operaciones de mecanizadoque pueden efectuarse en una máquina-herramienta denominada fresadora. Es, junto con eltorneado, uno de los procesos de mecanizado más empleado. En él, el movimiento principal es derotación y lo lleva la herramienta o fresa. Los movimientos de avance y penetración son
generalmente rectilíneos, pudiendo llevarlos la herramienta o la pieza según el tipo de máquina-herramienta y la operación realizada. El fresado permite mecanizar superficies planas, ranuras,engranajes e incluso superficies curvas o alabeadas.
La máquina-herramienta específicamente concebida para la realización de procesos de fresado es la
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la clasificación de las mismas, tal como se contempla en la norma UNE 16224:1981 sobreTerminología de las fresas. Las fresas cuentan con cuerpo y con sistema de fijación y arrastre.
Atendiendo a su construcción el cuerpo de las fresas puede ser: enterizo, con plaquitas soldadas,con plaquitas intercambiables de fijación mecánica, con cuchillas enterizas intercambiables y concuchillas intercambiables de plaquitas soldadas.
En el cuerpo de las fresas cabe considerar las siguientes características: tipos de dentado, forma delos dientes, forma de las aristas de corte, paso del dentado y sentido del corte. A continuación seindican las posibilidades que, para cada una de estas características, recoge la normativa
considerada.Tipo de dentado
Recto
Helicoidal aderechas
Helicoidal aizquierdas
Helicoidalalterno
Forma de los dientes
Triangular
En arco
En arco con bisel
Fresado y afilado
De perfil constante
Paso del dentado
Regular o uniforme
Sentido de corte
Corte a derechas (movimienten el sentido de las agujas de
reloj para un observadorsituado en el lado de arrastre
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Por su parte, el sistema de fijación y arrastre puede basarse en la existencia de mango o de agujeros,teniéndose para ambos casos las siguientes variantes:
Figura 8. Principales tipos de fijación y arrastre de las fresas
Utillajes de fresado
Con mango Con agujero
Cilíndrico liso Agujero liso
Cilíndrico con planode arrastre
Agujero con agujerosde arrastre
Cilíndrico con rosca Agujero con chavetero
Cono Morse conagujero roscado
Agujero con ranuratransversal
Cono Morse conagujero roscado y plano de arrastre
Agujero con montajedirecto sobre nariz de
husillo
Cono Morse conlengüeta de arrastre
Agujero para centrarcon rosca
Cono Morse conlengüeta de arrastre y
chavetaAgujero cónico
Cono ISO con agujeroroscado
I t d ió l d i d 11
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Figura 9. Aparato de división directa.
El otro tipo de utillajes más ampliamente extendido en el fresado son los conos de acoplamientoherramienta/máquina-herramienta. Las conicidades empleadas en el acoplamiento de herramientasgiratorias (fresas y brocas, principalmente) al husillo de la máquina-herramienta son: cono Morse,cono ISO 7/24 y cono Jacobs. En todas ellos la conicidad en tanto por ciento viene definida por:
100% ⋅
−
=
L
Dmenor Dmayor Conicidad
La conicidad tipo Morse tiene 7 números normalizados (del 0 al 6) y se define por un valor deldiámetro coincidente con la mayor sección del cono o con una sección próxima a ella; acontinuación se indican los valores de los conos Morse:
Tabla 2. Valores de los conos tipo Morse.Cono Morse Diámetro de referencia (mm) Conicidad (%)
0 9.040 5.201 12.065 4.982 17.780 4.99
-3- 23.825 5.02-4- 31.267 5.19
-5- 44.399 5.26-6- 63.348 5.21
La conicidad ISO o 7/24 tiene 10 tamaños designados, de menor a mayor, por los números: 30, 40,45 50 55 60 65 70 75 80 A dif i d l M i id d i bl
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La conicidad Jacobs, de empleo casi exclusivo en acoplamientos para portabrocas, es un sistema deconicidad variable cuyos tamaños son:
Tabla 4. Valores de los conos tipo Jacobs.Cono Jacobs Diámetro referencia (mm) Conicidad (%)
0 6.350 4.9291 8.469 7.709
2 corto 13.940 8.1552 14.199 8.155
33 15.850 6.3506 17.170 5.191
3 20.599 5.325(4)* 28.550 5.240(5)* 35.890 5.183
*Los valores entre paréntesis deben evitarse en lo posible
El portaherramientas deberá tener el mango con conicidad igual a la del husillo de la máquina y conidéntico número; en caso de no ser así, existen casquillos de adaptación entre distintos tamaños de
un mismo tipo de conicidad así como adaptadores 7/24-Morse. Los números de los conos Morse eISO que están entre guiones son los que corresponden a los tamaños más empleados en husillos defresadoras, mandrinadoras y taladradoras.
A continuación se facilitan los croquis porta-fresas de arrastre por tetones, con mango cónico 7/24 yMorse según las normas UNE.
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5. Taladrado
El taladrado o mecanizado de agujeros tiene lugar, preferentemente, en máquinas taladradoras y
está caracterizado por el hecho de ser la herramienta la que lleva el movimiento principal (de giro) yel de avance.Las máquinas taladradoras pueden clasificarse, según la posición del husillo, en horizontales(mandrinadora y taladradora para agujeros profundos) y verticales y, según su accionamiento deavance, en manuales y con avance automático.
Las más usuales son las verticales y admiten la siguiente división: de columna o montante; de
sobremesa; de bandera o radial; de herramientas múltiples monohusillo, revolver o de torreta; dehusillo múltiple y de precisión o máquina punteadora
La taladradora de columna tiene el armazón en forma de columna (C) empotrada en su parte inferioren una placa de base (B) sobre la que pueden sujetarse las piezas grandes por medio de las ranurasen (T) que posee dicha base. Para soportar piezas de tamaño medio y pequeño, existe además la
mesa de trabajo (M), que suele poder girar alrededor de la columna y también desplazarse en altura.
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nt oducción a los p ocesos de mecanizado 15
Figura 14. Geometría típica de una broca
Según puede apreciarse en ella, el arranque lo efectúan las aristas de corte (A), el filo o aristatransversal (B) que une los extremos de las aristas de corte no arranca material, sino que comprime
el material del centro del agujero provocando una indentación cuyos resaltes laterales se sitúanfrente a los filos de corte. La designación usual de los restantes elementos de la broca se facilitan acontinuación:
α : ángulo de incidencia β : ángulo de filo
γ : ángulo de desprendimientoψ : ángulo de la puntaϕ : ángulo del filo transversalC: cara de incidenciaD: faja de guía o labio
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Figura 15. Geometrías típicas del cuerpo de las brocas
Una mayor descripción de los elementos constituyentes de las brocas se tiene en las normas UNE16121:1967 Brocas helicoidales. Definiciones y clasificación, UNE 16122:1985 Brocas
helicoidales con mango cilíndrico. Serie extra-corta, UNE 16123:1985 Brocas helicoidales con
mango cilíndrico. Serie corta, UNE 16124:1967 Brocas helicoidales. Mango cilíndrico. Serie larga
y UNE 16125:1985 Brocas helicoidales con mango cónico morse normal.
6. Rectificado
Introducción
Los abrasivos son unos materiales de gran dureza que, en forma de granos sueltos o aglomerados, se
emplean para la limpieza o conformación de toda clase de materiales. La forma más habitual detrabajar es frotar la superficie de la pieza con ellos o proyectarlos en forma de chorro sobre lamisma. De este modo, los diminutos cristales que los forman arrancan partículas del material. Estas
partículas se diferencian de las virutas, vistas anteriormente al exponer los procesos de mecanizado por arranque de viruta, en que no tienen forma definida y son de tamaño mucho más pequeño (del
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Figura 16. Rectificadora cilíndrica de exteriores.
A: Bancada.B: Mesa portapiezas, deslizable longitudinalmente sobre guías.C: Cabezal portapiezas que sujeta y da movimiento de giro a la piezaD: Cabezal portamuelas que contiene el husillo y los órganos que transmiten el movimiento. El
cabezal está montado sobre el carro portamuelas que desliza sobre guías, transversalmente ala bancada.
E: Contrapunto o cabezal móvil.F: Muela.G: Protección de la muelaH: Grifos de refrigeranteI: Manivela para el movimiento longitudinal de la mesa.L: Palanca de mando.
M: Inversor del movimiento de la mesa. N: Topes para la inversión del movimiento de la mesa.O: Cuadro de mando para los motores.P: Manivela de mando.Q: Palanca para el desplazamiento rápido automático del carro portamuelas.
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Por su parte, las rectificadora cilíndrica de interiores se emplean para rectificar superficiescilíndricas interiores (agujeros) y superficies planas en las extremidades de las piezas. En este caso,los movimientos relativos entre pieza y herramienta son:
Movimiento de corte por rotación rápida de la muela y lenta de la pieza sentido contrario. Movimiento de avance por desplazamiento alternativo de la pieza o de la muela. Movimiento de penetración por desplazamiento transversal de la muela.
Figura 18. Movimientos relativos entre muela y pieza en el rectificado cilíndrico de interiores.
Otras rectificadoras ampliamente empleadas en la industria son: la rectificadora cilíndrica universal y la rectificadora sin centros. La rectificadora cilíndrica universal presenta una gran versatilidad yaque puede equiparse con accesorios que le permiten realizar tanto rectificados planos comocilíndricos, exteriores e interiores, afilado de herramientas entre otros. La rectificadora sin centrosutiliza dos muelas girando en el mismo sentido de rotación pero con velocidades periféricas
diferentes. Como consecuencia del efecto de frenado que efectúa la rueda que gira más despacio,denominada muela de avance, la pieza recibe un movimiento lento de giro o avance cilíndrico.
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1. La naturaleza del abrasivo: generalmente son artificiales. Poseen una nomenclatura reducida enlas normas ISO en forma de una letra mayúscula. Los más importantes son: corindón artificial(A) y carborundum (C).
2. El tamaño de grano del abrasivo: la granulación es decisiva para la calidad del acabadosuperficial. Cuanto más pequeño sea el grano mejor acabado puede obtenerse sobre todo de altasvelocidades de trabajo.
Figura 20. Tamaños de granos de abrasivos y tamices.
El tamaño de los granos se denota con números que corresponden a la cantidad de agujeros por
pulgada de longitud que posee la última criba a través de cuyas mallas pasan dichos granos, esdecir, un número pequeño corresponde a grano grueso y un número grande a grano fino.
Tabla 6. Clasificación de los granos de abrasivo en función de su tamaño.
Grueso 8 10 12 14 15 20 24Medio 30 36 46 54 60Fino 70 80 90 100 120 150 180Muy fino 220 240 280 320 400 500 600
3. El grado de dureza de la muela: esta es una magnitud que tiende a expresar la resistencia mediaque opone cada grano a ser arrancado del aglomerante. Se indica con una letra mayúsculaatendiendo a la siguiente escala mostrada en la siguiente tabla.
Tabla 7. Designación de los granos de abrasivo en función de su grado de dureza.
Muy blanda A B C D EBlanda F G H I J
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a) b)
Figura.35. Estructura: a) cerrada; b) abierta
Las distintas estructuras se designan en el sistema ISO con un número del cero al catorce comomuestra la siguiente tabla.
Tabla 8. Designación de las muelas en función de su estructura
5. La naturaleza del aglomerante: en la fabricación de muelas se usan principalmente seis tipos deaglomerantes o aglutinantes: vitrificado, silicado, goma, laca, resinoide, caucho y metálico. Losaglomerantes vitrificados se obtienen mediante la fusión de materiales cerámicos principalmentearcillas y feldespatos. Los de silicato constan esencialmente de silicato de sodio endurecido
mediante horneado. En este caso, la muela se comporta como si fuera más blanda que en el casode aglomerantes vitrificados. Los aglomerantes resinoides son compuestos plásticos fuertes peroflexibles y se emplean en la fabricación de gran tamaño. Los de caucho son caucho vulcanizadoduro y se usan en la manufactura de muelas delgadas y flexibles. Los aglutinantes de goma lacase usan en muelas empleadas en la producción de acabados lisos sobre superficies duras y losmetálicos se usan en muelas con abrasivos de diamante. La designación de las muelas en función
del tipo de aglomerante se ha recogido en la siguiente tabla.
Tabla 9. Designación de las muelas en función del tipo de aglomerante
Cerrada 0 1 2 3 4 5 6
Media 7 8Abierta 9 10 11 12 13 14
Aglomerante DesignaciónVitrificado V
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Tabla 10. Designación de las muelas.51 A 30 P 9 V K4
Identificación del fabricante Aglomerante vitrificado
Estructura o grado de porosidadGrado de durezaTamaño de grano
Naturaleza de abrasivoSímbolo del fabricante
Además de los parámetros vistos, hay dos más que son: las dimensiones y la forma de las muelas.Las dimensiones características de las muelas suelen venir expresadas en mm y son: el diámetroexterior de la muela (D), el espesor de la muela (S) y el diámetro del agujero (d). A estasdimensiones fundamentales pueden añadirse otras tales como el diámetro del rebaje (D1) o la
profundidad del rebaje (P), como el ejemplo mostrado en la figura.
Figura 21. Dimensiones de las muelas
La forma de las muelas depende del mecanizado a que se las destina y de la morfología de la pieza a mecanizar. Las formas de la muela más empleadas son las siguientes
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Los elementos fundamentales de una limadora son:
A: Bastidor o bancadaB: MotorC: Cambio de velocidadesD: Palancas de cambio de velocidadesE: CarneroF: Guías de deslizamientoG: PortaherramientasH: Tambor graduado para la inclinación del portaherramientasI: Limitador de la carrera de trabajo
K: Manivela para regular la altura de la herramientaL: Carro verticalM: Guías verticales para L
N: Mesa portapiezasO: Guías horizontales para NQ: Soporte para NS: Guías para regular altura de N
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Los trabajos más corrientes de limado son los siguientes:
Planeado o aplanado. Es el más usual y su misión es mecanizar superficies planas. Según la posición que adopte la superficie que se trabaja con respecto al plano de la mesa, se clasifican en planeado:
− Horizontal. La pieza se sujeta a la mesa y se ajustan el recorrido de la herramienta y la profundidad de corte. El avance, que se desplazando la mesa, puede ser manual o automático.
− Vertical. El avance se hace a mano desplazando verticalmente el carro portaherramientas quedebe colocarse con la inclinación adecuada para que pueda levantarse la herramienta durante el
retroceso y no deteriore la superficie que se está mecanizando.− Inclinado. Se da al portaherramientas la inclinación adecuada y se comunica el avance a mano.
Mecanizado de superficies cilíndricas. Estas, a su vez, pueden ser: cóncavas o convexas. Lascóncavas se mecanizan girando al portaherramientas para conseguir el avance circular mientrasque, en las convexas, es la pieza la que sufre al final de la carrera de retrocesos un pequeño
movimiento de rotación cuyo arco equivale al avance.
Mecanizado de superficies cónicas. Se ejecuta como en el caso anterior salvo que ahora hay quecolocar la pieza de forma que su eje quede inclinado el ángulo correspondiente a la conicidaddeseada. De esta forma la trayectoria de corte de la herramienta coincide con la generatriz delcono.
Mecanizado de ranuras. Se consigue con herramientas de forma adecuada según el tipo de ranuraque se desee obtener.
Mecanizado de superficies con un perfil determinado. Se consiguen combinando manualmente yde forma adecuada tanto el avance como el desplazamiento del portaherramientas en sentidovertical o inclinado.
Cepillado
La obtención de superficies planas en las limadoras está limitada a las piezas de pequeñasdimensiones (recorrido máximo de la herramienta 1000 mm) puesto que, si son elevadas, al final
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La figura muestra un tipo usual de cepillo de tamaño medio (longitud de la mesa, l=3 m). En ella podemos distinguir los siguientes elementos:
Figura 27. Cepillo A: Bancada.B: Guías horizontales para el deslizamiento de la mesa portapiezas.C: Mesa portapiezas.D: Montante doble con traviesa superior, donde se disponen las guías verticales opara el
deslizamiento del puente portaherramientas.E: Puente portaherramientas.
F: Cabezales portaherramientas con desplazamiento horizontal.G: Vástago para el movimiento de avance.H: Tambor graduado para la inclinación del portaherramientas.I, L : Topes para la regulación de la carrera de la mesa.M: Palanca para la inversión automática del movimiento de la mesa.
Mortajado o limado vertical
El mortajado es similar al limado. Se diferencian en que el movimiento de la herramienta de cortees vertical. Por lo general, el mortajado se emplea para el mecanizado lineal en el interior de
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Los elementos fundamentales de una mortajadora como la mostrada en la siguiente figura son:
Bastidor de fundición con dos guías en la parte superior para facilitar el desplazamiento del cabezaly otras en la parte inferior para el movimiento de la mesa.
Cabezal portaherramientas que puede inclinarse mediante giro en un plato vertical y al que se leimprime un movimiento rectilíneo alternativo mediante un mecanismo de biela-manivela o de brazooscilante como en las limadoras. Este último permite la regulación de la posición inicial y final de laherramienta y la carrera de trabajo así como la obtención de una velocidad de retroceso más rápidaque la de trabajo.
Mesa portapiezas, capaz de deslizarse longitudinalmente y transversalmente sobre un carro. El cuál,a su vez, puede desplazarse verticalmente y regular la altura. En la mayoría de las mortajadoras lamesa portaherramientas es giratoria y puede accionarse mediante un aparato divisor con lo que seobtienen giros precisos.
Figura 29. Mortajadora.
Introducción a los procesos de mecanizado 28
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Figura 30. Movimientos del proceso de brochado.
El brochado puede realizarse tanto en superficies interiores como exteriores. El interior fue el primero que se empleó y el más usual. Se utiliza en las fabricaciones en series de piezas que precisan orificios con una gran variedad de formas
Figura 31. Tipología de piezas obtenidas por brochado
La operación se realiza comunicando a la brocha un movimiento de corte, para lo cual se le hace
pasar a través de un orificio previamente practicado en la pieza. A su paso los dientes van atacando progresivamente a todo, o parte, del perímetro del orificio de partida. Las brochas para interioresestán formadas por una barra de acero rápido, con un cuerpo provisto de numerosos dientescortantes en su periferia, convenientemente distanciados y capaces de reproducir el perfil que sedesea obtener. Entre cada dos dientes consecutivos existe un hueco o vano donde se va acumulandola viruta arrancada por cada uno de ellos.
Introducción a los procesos de mecanizado 29
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Las brochas se diseñan para que trabajen simultáneamente un mínimo de tres filos. El parámetro i oincremento por diente (radial o transversal) toma distintos valores a lo largo de la brocha:
i ≈ 0,25 mm en la zona de desbaste i ≈ 0,05 mm en la zona de acabado y rascado (escariado rectilíneo) i ≈ 0,05 mm en la zona de calibrado (bruñido rectilíneo)
Tradicionalmente las brochas eran enterizas de acero rápido pero, dado el coste elevado de las degran tamaño se está evolucionando hacia diseños de brochas provistas de cuchillas o lamas postizascon plaquitas de metal duro. Últimamente, se están desarrollando diseños basados en un cuerpo
sobre el que se montan plaquitas de fijación mecánica. Generalmente, las brochas son herramientasespeciales y requieren diseños específicos para cada utilización.
Las máquinas destinadas a realizar las operaciones de brochado se denominan brochadoras y sólodisponen del movimiento de corte rectilíneo por lo que son de construcción muy simple. Pueden serverticales y horizontales. Las segundas se emplean con mayor frecuencia para los brochados
interiores; las verticales para el perfilado tanto de superficies interiores como exteriores. Elmovimiento de trabajo se obtiene por medio de un mecanismo de vástago dentado o más frecuente, por accionamiento oleodinámico.
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Figura 34. Geometría de la herramienta monofilo.
La piezas se pueden limarse y cepillar tanto con el avance a derecha como a izquierda. En el primercaso, la herramienta presenta el filo a la derecha mientras que en el segundo a la izquierda. Algunasherramientas tienen los filos simétricos y, por lo tanto, pueden trabajar a derechas y a izquierda:
Figura 35. Avance a derechas y a izquierdas
Las herramientas pueden ser rectas, de cuello de cisne, curvadas y especiales, como en el caso delas herramientas de ranurar
Introducción a los procesos de mecanizado 31
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Figura 37. Colocación de la herramienta de mortajar
Debido a que una gran parte de las operaciones de mortajado son de tipo ranurado con secciones deforma específicas (chaveteros, ejes acanalados, agujeros acanalados, etc.) las herramientas demortajar suelen ser herramientas de formar. Las herramientas pueden ser rígidas que se utilizan encabezales portaherramientas oscilantes, por lo que pueden ser más robustas y oscilantes que las quese utilizan en máquinas de cabezal portaherramientas fijo.
a) b) c) d)
Figura 38. Herramientas de mortajar: a) en desbaste; de perfilar; c) de chavetear; d) oscilante.
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Fundamentos
del
corte 2
E l l i i d i i l l l id d d
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En los casos en que el movimiento de avance sea intermitente o en los que la velocidad de avancesea muy pequeña con respecto a la de corte, se puede considerar que la velocidad efectiva coincide
aproximadamente con la de corte, V V e ≅ .
Figura 2. Velocidades de los movimientos relativos entre pieza y herramienta.
La unidad más correcta para la expresión de las velocidades de los procesos de mecanizado es elmetro por segundo [m/s]. Sin embargo, habitualmente se emplean como unidades el metro porminuto [m/min], para la velocidad efectiva y la de corte, y el milímetro por segundo [mm/min] parala de avance ya que, dichas unidades se adaptan mejor a las magnitudes de las mismas y, además,
son de uso tradicional en talleres y catálogos. De todos modos es recomendable proporcionar suscorrespondientes valores en m/s entre paréntesis.
También suele ser habitual, en el torneado, el taladrado y en los procesos de mecanizado conmovimiento de avance intermitente, expresar los avances en milímetros por doble carrera[mm/doble carrera] o en milímetro por revolución [mm/rev].
2. Análisis geométrico del modelo de corte ortogonal
2.1. Modelos de corte
Ve
Va
Vc
Fundamentos del corte 3
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El ángulo que forma la perpendicular a la dirección del movimiento principal con la arista de corterecibe el nombre de ángulo de inclinación λ . Cuando dicho ángulo es recto, λ =90º, el modelo decorte se conoce como corte ortogonal o plano, mientras que para λ ≠90º el modelo se denomina de
corte oblicuo o tridimensional.En general, los procesos de mecanizado siguen el modelo de corte oblicuo. Es más, la arista a lolargo de la que se produce el corte no suele estar contenida en el plano correspondiente a lasuperficie mecanizada sino en el relativo a la superficie en curso de mecanizado como se muestra enla siguiente figura donde el ángulo de inclinación, λ , está en el plano que contiene a la superficiemecanizada mientras que los ángulos χ
r 1 y χ
r 2 están en el plano perpendicular al movimiento de
corte.
Figura 4. Posicionamiento relativo pieza-herramienta más habitual en la práctica.
Sin embargo, por su mayor sencillez de cálculo y porque el ángulo de inclinación se aproxima
bastante al valor de corte ortogonal se suele hacer el análisis de los procesos de mecanizado bajo lahipótesis de corte ortogonal.
2.2. Formación y tipos de viruta
Herramienta
Pieza
Va
λ
Viruta
χ r 1
χ r 2
Fundamentos
del
corte 4
2h
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1
2
h
h=ξ
siempre mayor que la unidad. En ocasiones es sustituido por el factor de corte o factor inverso
de recalcado dado por r c = 1/ ξ . Simultáneamente se produce un acortamiento de la longitud de la viruta (l2<l1) como
consecuencia de la conservación de volumen que caracteriza a todo proceso de deformación plástica:
2
1
1
22211
l
l
h
hlbhlbh =⇒=
El material de la pieza va a influir muy directamente en la forma de la viruta. Los principales tiposde viruta son:
a.
Discontinua o fragmentada: está constituida por trozos fragmentados de corta longitud. Apareceen el mecanizado de materiales frágiles o materiales dúctiles a bajas velocidades. La superficie
de contacto entre la viruta y la cara de corte de la herramienta es muy pequeña. b.
Parcialmente fragmentada: es similar a la anterior, pero ahora los trozos quedan unidos entre sí.c.
Continua: se produce cuando se dan ciertas condiciones de estabilidad en la zona de cizallamientodonde tiene lugar la deformación plástica. Aparece en el mecanizado de materiales tenaces a altasvelocidades. En este caso puede ser fraccionada mediante “rompevirutas” o “arrolladores de viruta”que se fundamentan en la fragilidad del material de la viruta.
d.
Onduladas: se producen incluso con materiales tenaces cuando se dan condiciones de
inestabilidad en el flujo plástico como consecuencia de vibraciones en piezas y herramientascon la consiguiente variación en el coeficiente de rozamiento entre las mismas.
e.
Continua con filo adherido o aportado: este tipo de viruta aparece cuando, debido alrozamiento, parte de la viruta queda adherida a la herramienta mediante microsoldaduras enforma de capas actuando como prolongación del filo de corte. Su permanencia durante elmecanizado va a influir en las fuerzas implicadas, en el acabado superficial o en la duración dela herramienta. Es propio del mecanizado de materiales dúctiles cuando se aumenta la
velocidad (pero aún dentro de la zona de bajas velocidades).
En la siguiente figura se han recogido los principales tipos de viruta descritos.
1. Cinta 2. Tubular 3. Espiral cónica 4. Helicoidal plana 5. Helicoidal cónica 6. En arco
Fundamentos
del
corte 5
2 3 E t di d l ió l l i t d t
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2.3. Estudio de la sección normal a la arista de corte
Si se considera el caso de corte ortogonal, en una sección cualquiera de la pieza y la herramienta perpendicular a la arista de corte se tendrá una situación como la mostrada en la siguiente figura. Lacara Aγ se denomina cara de desprendimiento y es sobre la que desliza la viruta. La cara Aα es lacara de incidencia y queda siempre frente a la superficie mecanizada. La cara de desprendimientoforma con el plano normal a la superficie de la pieza que está siendo mecanizada un ángulo γ denominado ángulo de desprendimiento. La cara de incidencia, por su parte, forma con la superficieque ya ha sido mecanizada un ángulo α denominado ángulo de incidencia. Entre ambas caras, Aγ y Aα , se materializa el ángulo β denominado ángulo de filo o de corte. En la figura también puedeidentificarse el ángulo de deslizamiento, ϕ , que identifica el plano sobre el que desliza la virutadeformada.
α
β
γ
ϕ
Ο
Α
h1 h2
Pieza
Herramienta
Va
Αγ
Αα
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Fundamentos
del
corte 7
Ángulo de posición : es el ángulo formado por la arista de corte y la dirección de la velocidad de
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Ángulo de posición r: es el ángulo formado por la arista de corte y la dirección de la velocidad deavance.
Figura 7. Sección normal a la velocidad de corte.
Además, pueden definirse y establecerse los siguientes parámetros y relaciones entre ellos:
Sección de la viruta no deformada, A1: sección de material perpendicular a la dirección de lavelocidad de corte que va a ser eliminada. Se cumple que:
111 hb pa A ==
además, entre el avance y el espesor de viruta no deformada puede plantearse la siguiente relación:
r asenh χ =1
T bié d d fi i l l d t i l li i d id d d ti d l
χ r
a
b1
h1
p
Pieza
Herramienta
V
Fundamentos
del
corte 8
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Figura 8. Velocidades en las proximidades del filo de la herramienta.
γne
ϕ
Pieza
Herramienta
Ve
Αγ
Αα
Vs
Vv
Análisis de los procesos de mecanizado 1
3.- Análisis de procesos de mecanizado
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p
1. Introducción
En esta lección se dan las claves para poder realizar un análisis preliminar de los principales procesos de mecanizado. Concretamente, se revisan de las operaciones básicas realizadas en los
procesos de torneado, fresado y taladrado y las expresiones que ligan los parámetros y variables que
intervienen en ellas. Asimismo, se muestran las expresiones empleadas habitualmente en la
estimación de las fuerzas de corte y de la potencia involucradas en dichos procesos.
2. Procesos de torneado
El torno permite obtener, básicamente, piezas con simetría de revolución aunque también es
posible, mediante determinadas operaciones, obtener superficies planas. En el torneado, el
movimiento principal es de rotación y lo lleva la pieza, mientras que los movimientos de avance y
penetración suelen ser rectilíneos y los lleva la herramienta.
Los ejes, habitualmente usados en las operaciones de torneado, son Z según el eje de rotación de la
pieza y X paralelo a la bancada y perpendicular a Z. El eje Y se define formando un triedro a
derechas con los anteriores.
Las principales operaciones que pueden realizarse en un torno son: cilindrado, refrentado, roscado,
ranurado, taladrado y moleteado. En la siguiente figura se ha representado la configuración típica
pieza-herramienta de cada una de ellas así como la dirección de la velocidad de avance.
Seguidamente, se analizarán con mayor detalle cada una de estas operaciones y se darán las
relaciones que existen entre los parámetros de mecanizado en cada una de ellas.
Análisis de los procesos de mecanizado 2
Cilindrado: permite la obtención de una geometría cilíndrica de revolución mediante el avance de la
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p g
herramienta según el eje Z. Puede aplicarse a exteriores, reduciendo el diámetro exterior de la pieza,
y a interiores, aumentándolo. La siguiente figura representa una sección normal a la velocidad de
corte, V, en una operación de cilindrado exterior.
Figura 2. Sección normal a la velocidad de corte, V, en una operación de cilindrado exterior
En ella pueden apreciarse:
a: avance
p: profundidad de pasada
b1: ancho de corteh1: espesor de la viruta no deformada
A1: sección de viruta no deformada
χr : ángulo de posición
V : velocidad de corte
V a: velocidad de avance
N: velocidad de rotación
Di: diámetro inicial D f : diámetro final
Las principales relaciones entre los parámetros anteriores son:
χr
Análisis de los procesos de mecanizado 3
Refrentado: con esta operación se pueden obtener superficies planas perpendiculares al eje de
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rotación de la pieza. El movimiento de avance es paralelo al eje X y perpendicular al Z. Cabe
destacar como particularidad de esta operación que, aunque se realice a velocidad de rotación
constante, la velocidad de corte no será constante sino que será mayor según aumenta el diámetro.
Esto da lugar a que también varíe la potencia, presentando su valor más elevado para el diámetromás grande en el que se trabaje. En la siguiente figura se ha esquematizado un proceso de
refrentado.
Figura 3. Sección normal a la velocidad de corte, V, en una operación de refrentado.
En ella pueden observarse:
a: avance
p: profundidad de pasada
b1: ancho de corte
h1: espesor de la viruta no deformada
A1: sección de viruta no deformada
χr : ángulo de posición
V : velocidad de corte
V a: velocidad de avance
χr
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Análisis de los procesos de mecanizado 5
T l d d ió ífi d l d h h i á i
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Taladrado: aunque no es una operación específica del torno ya que de hecho existe una máquina-
herramienta específica como es la taladradora para realizar esta operación, el torno permite realizar
taladros coaxiales al eje de rotación de la pieza. Para ello se sitúa una broca en el extremo del
contrapunto y se desplaza éste con el movimiento de avance hasta conseguir el taladro. En el casode tornos de control numérico, la broca debe situarse en la tortea portaherramientas en lugar de en el
contrapunto, siendo su trabajo como el de cualquier otra herramienta de interiores. Una operación
muy habitual en el torno, caso particular de taladrado, es la denominada operación de punteado.
Consiste en dar un pequeño taladro en el extremo de la pieza más alejado del plato de garras y
permite emplear este taladro como elemento de centraje en la sujeción entre puntos. Existen tornos,
normalmente de control numérico, en los que la torreta dispone de un cabezal monitorizado que permite la realización de taladros paralelos al eje del cabezal. La cinemática de esta operación se
verá al hablar de las operaciones en taladradora.
Moleteado: el moleteado no es una operación de mecanizado propiamente dicha, puesto que no
elimina material de la preforma. Se utilizar para marcar con una geometría estriada alguna de las
superficies de revolución de la pieza a fin de facilitar su amarre manual, impidiendo que éstaresbale en el contacto con la mano por efecto del sudor o la grasa depositada sobre la superficie.
Figura 6. Operación de moleteado
3. Procesos de fresado
Las operaciones de fresado más comunes son: fresado cilíndrico y fresado frontal. A continuación
d ib l i i l í i d d d ll
Análisis de los procesos de mecanizado 6
inconvenientes mencionados para el fresado en concordancia. Ahora bien, en este caso se producen
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fuerzas que tienden a levantar la pieza de su apoyo sobre la mesa.
En el fresado en concordancia el espesor máximo de viruta se da al inicio del corte. Esto tiene la
ventaja de mejorar la sujeción de la pieza pero, sin embargo, el impacto originado por cada filoaumenta la probabilidad de su rotura y la intensidad de las vibraciones producidas en las guías de la
máquina.
En general, los resultados obtenidos en uno y otro caso son semejantes y la elección de uno u otro
dependerá: de la operación concreta que se esté efectuando, del tipo de fijación empleada y de la
rigidez de la máquina-herramienta utilizada.
Para plantear las expresiones que ligan a los principales parámetros del fresado se va a tomar la
siguiente configuración.
Figura 8. Fresado cilíndrico en oposición.
donde:
a z, es el avance por filo. Viene dado por: z
zn
aa = siendo a el avance por vuelta y n z el número
de filos de la herramienta.
h1, el espesor de viruta no deformada.
b1, el ancho de viruta no deformada.
p, la profundidad de pasada.
N , la velocidad de rotación.
B, el ancho de la herramienta.
D, el diámetro de la herramienta
V y V a, las velocidades de corte y de avance respectivamente
Análisis de los procesos de mecanizado 7
222
sen D
p D D
⎟ ⎞
⎜⎛ +⎟
⎞⎜⎛ =⎟
⎞⎜⎛
θ
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sen2
p22
⎟ ⎠
⎜⎝
+⎟ ⎠
⎜⎝
−=⎟ ⎠
⎜⎝
θ
por lo que:
( ) p p D D2sen −=θ
expresión que puede aproximarse por:
D
p2sen ≅θ
si se tiene en cuenta que p es mucho menor que D.
Todo ello permite expresar el espesor máximo de viruta no deformada como:
D
pah z 2max1 ≅
A continuación se muestran las principales relaciones que existen entre los parámetros del fresado:
Sección de viruta: 111 hb A = (no constante)
Volumen de material eliminado por unidad de tiempo: se calcula como el producto del área de
material perpendicular a la velocidad de avance, A p por la velocidad de avance paN bV A z a p 1==&
Velocidad de corte: 1000
NDV
π = donde: V (m/min) la velocidad de corte, N (rpm) la velocidad de giro
de la fresa y D (mm) es el diámetro.
Velocidad de avance: aN V a = donde: V a (mm/min) es la velocidad de avance, a (mm/rev), avance
por vuelta y N (rpm), es la velocidad de giro de la pieza.
Fuerza de corte (paralela a la dirección de la velocidad): 1 Ak F sc = (no es constante)
Potencia requerida en el proceso: paNbkzkVFP === & (no es constante)
Análisis de los procesos de mecanizado 8
fresar, l, las longitudes de entrada y salida de la herramienta, le y ls, y de )( p D p x −= , longitud
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existente entre el eje de la fresa y el borde de la pieza en el instante inicial de contacto.
Fresado frontal: en él, el eje de rotación de la herramienta es perpendicular a la superficie fresada.Suele realizarse en fresadoras verticales. La configuración más usual de este tipo de fresado se
muestra en la siguiente figura.
Figura 10. Fresado frontal
donde:
a z, es el avance por filo. Viene dado por: z
zn
aa = siendo a el avance por vuelta y n z el número
de filos de la herramienta.
h1, el espesor de viruta no deformada.b1, el ancho de viruta no deformada.
p, la profundidad de pasada.
N , la velocidad de rotación.
B, el ancho de la herramienta.
D, el diámetro de la herramienta
V y V a, las velocidades de corte y de avance respectivamente
En este caso, el espesor de viruta no deformada es prácticamente constante e igual a zah =max1 .
Las expresiones que relacionan los parámetros del fresado frontal son análogas a las del fresado
Análisis de los procesos de mecanizado 9
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Figura 11. Posiciones inicial y final de una fresa en el fresado frontal de una pieza de longitud l
El tiempo de mecanizado puede expresarse como: aN
l D
l D
l
V
l
t
se
a
mm
++++
==22
donde: V a, es la
velocidad de avance y lm, la longitud de mecanizado y se obtiene como suma de: la longitud a
fresar, l, las longitudes de entrada y salida de la herramienta, le y ls y la longitud existente entre el
eje de la fresa y el borde de la pieza en los instantes inicial y final del mecanizado dado por
22
D D+ .
4. Procesos de taladrado
Principales operaciones de taladrado
Dentro de la designación de mecanizado de agujeros van a ser consideradas las siguientes
operaciones de mecanizado: taladrado, taladrado profundo, escariado, avellanado, retaladrado o
mandrinado con herramienta giratoria, trepanado y roscado de machos.
El taladrado con broca o taladrado: permite obtener un agujero, pasante o ciego, paralelo al eje de
rotación de la pieza. En general, las tolerancias dimensionales obtenidas no suelen ser buenas por lo
que, esta operación, sólo se realizará cuando las especificaciones geométricas no demanden una
gran precisión o como paso previo a las operaciones de acabado que se comentarán a continuación.
La situación más habitual del taladrado con broca se muestra en la siguiente figura.
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Análisis de los procesos de mecanizado 11
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Figura 13. Escariador.
El avellanado es una operación que, generalmente, se emplea en el achaflanado de la entrada de los
agujeros y se efectúa en el acabado de los mismos, aunque en ocasiones, el desbaste y desbarbado
de la entrada de los agujeros puede ser el objetivo en sí mismo. Cuando se emplea como operaciónde acabado, su misión suele ser de servir de alojamiento a la cabeza de tornillos. Una operación
similar es la obtención del alojamiento de forma cilíndrica para cabezas hexagonales y Allen
mediante avellanadores cilíndricos.
a) b)
Figura 14. Avellanadores: a) cónico; b) cilíndrico
El retaladrado consiste en el agrandamiento del diámetro de un agujero previamente taladrado u
Análisis de los procesos de mecanizado 12
La eventual falta de alineación entre R y R’ puede ser despreciada; ya que tiene un valor muy
pequeño con respecto a la magnitud de las fuerzas.
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pequeño con respecto a la magnitud de las fuerzas.
Figura 15. Equilibrio de fuerzas sobre la viruta en el corte ortogonal.
El ángulo que forma la resultante con la normal a la cara de desprendimiento, se denomina ángulo
de rozamiento, ρ . Si la resultante se supone aplicada a la arista de corte de la herramienta, admite
ser descompuesta de las tres maneras siguientes:
Según la dirección del corte y su normal, obteniéndose respectivamente las fuerzas F c y N c;
Según la cara de desprendimiento y su normal, obteniéndose F γ y N γ Según el plano de deslizamiento y su normal, obteniéndose F s y N s
γne
Ο
Pieza
Herramienta
R’θ ρ
Análisis de los procesos de mecanizado 13
Las expresiones trigonométricas de dichas fuerzas en función de la resultante, R, son:
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( )nec cos RF γ ρ −= y ( )nec Rsen N γ ρ −=
ρ γ RsenF = y ρ γ cos R N =
( )nes cos RF γ ρ ϕ −+= y ( )nes Rsen N γ ρ ϕ −+=
5.2. Cálculo de la potencia de mecanizado
5.2.1 A través de la fuerza de corte Fc
De las expresiones vistas en el apartado anterior se tiene que la relación entre la fuerza de corte y la
de deslizamiento viene dada por:
( )
( )ne
ne
s
c
cos
cos
F
F
γ ρ ϕ
γ ρ
−+
−=
Si se admite una distribución uniforme de tensiones cortantes a lo largo del plano de deslizamiento,
de valors
τ definida por:
s
s
s A
F
=τ
y denominada tensión dinámica de deslizamiento, se tendrá que:
( )
( )
( )
( )
( )
( )ne
ne1s
ne
ness
ne
nesc
cos
cos
sen
1 A
cos
cos A
cos
cosF F
γ ρ ϕ
γ ρ
ϕ
τ
λ ρ ϕ
γ ρ τ
γ ρ ϕ
γ ρ
−+
−=
−+
−=
−+
−=
como:
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Análisis de los procesos de mecanizado 16
Adviértase que, en general, será
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sc p p ≠
ya que la fuerza de corte F c no varía linealmente con A1. Una expresión de carácter experimental
ampliamente utilizada propone que:
( ) f 11sc A pF
−=
Siendo f una constante dependiente del material cuyos valores más habituales son:
1- f = 0,803 para los aceros
1- f = 0,863 para las fundiciones
Evidentemente, dicha expresión de F c es no lineal con respecto a A1.
Igualando las expresiones 1cc A pF = y ( ) f 11sc A pF
−= se tiene:
( ) f 1cs A p p =
y por tanto será ps< pc si A1< 1mm
2
, y viceversa; lo cuál, si se supone que el ancho de corte b semantiene constante, justifica el hecho observable en el ábaco del método simplificado de Boothroyd
de que cuanto menor es el espesor de viruta no deformada, mayor es el valor de pc.
El método de cálculo de la potencia por medio de la presión específica de corte o método de
Kronenberg (1966) se basa en la expresión:
( ) ( ) z A pV A pV F P f 1s
f 11sc &−− ===
Para la obtención del valor de ps se pueden consultar tablas o recurrir a expresiones de carácter
empírico como las siguientes válidas para aceros y fundiciones respectivamente en el mecanizado
Desgaste
en
procesos
de
corte
1
4.-Desgaste en procesos de corte
1 I t d ió
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1. Introducción
Seguidamente se analizan algunos de los principales fenómenos asociados a los procesos de cortecomo son el rozamiento, el aumento de temperatura y la formación de filo recrecido y capa
adherida. También se van a mostrar los principales tipos de fluidos de corte empleados en los
procesos de mecanizado para evitar o, al menos, minimizar el desgaste de las herramientas. Por
último, se van a mostrar los principales tipos de deterioros que sufren las herramientas de corte.
2. Rozamiento en procesos de corte
La pieza y la herramienta se ven sometidas a elevadas fuerzas de contacto durante el proceso de
corte. Sirva de ejemplo el caso del mecanizado de acero en el que son usuales valores de presión de
la herramienta sobre la pieza de unos 2000 a 3000 MPa. Por tanto, va a existir rozamiento entre las
superficies de ambas puestas en contacto así como entre la viruta que se va formando y la cara dedesprendimiento de la herramienta.
Si se amplifica suficientemente la zona de contacto entre las dos superficies, supuestas éstas
teóricamente planas y perfectamente pulidas, se aprecian importantes irregularidades, por lo que el
contacto se establece entre las partes más salientes de dichas irregularidades. Si se aplica una carga
normal N , las zonas de contacto experimentan fuertes deformaciones locales de carácter plástico y
el área real de contacto, Ar , aumenta hasta ser capaz de soportar la carga aplicada; esto es, Ar = N/Y siendo Y , la tensión unidireccional de fluencia del material de menor resistencia de los dos que
están en contacto. En la mayoría de las situaciones que se tienen entre superficies metálicas
(siempre que N no sea excesivamente elevada), se cumple que ar A A << designando por Aa al área
aparente de contacto.
Debido a la fluencia experimentada en la zona de contacto, se producen microsoldaduras queoriginan un cierto nivel de adhesión entre las dos superficies. El inicio de desplazamiento relativo
entre ambas superficies requiere una cierta fuerza, F , tangencial al plano teórico del contacto, para
provocar el cizallado de las asperezas microsoldadas. Dicha fuerza de rozamiento vendrá dada por:
Desgaste
en
procesos
de
corte
2
con (0 ≤ m ≤ 1), denominada ley de rozamiento de Tresca que recoge las tres situaciones
siguientes: ausencia de rozamiento o deslizamiento perfecto para m=0 y τ=0; rozamiento de
adherencia parcial o de semiadherencia para 0< <1 0< <k ro amiento de adherencia para
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adherencia parcial o de semiadherencia para 0<m<1 y 0<τ <k y rozamiento de adherencia para
m=1y τ = k . El mayor inconveniente de este tratamiento es la falta de sentido físico del coeficiente de
adherencia m.
3. Fenómenos térmicos
La energía mecánica puesta en juego en los procesos de corte, puede descomponerse en los
términos de energía de: deformación elástica, deformación plástica y rozamiento. De ellos, el
primero es almacenado por el material y no provoca la generación de calor. Los otros dos términosson de carácter disipativo, ya que las deformaciones plásticas provocan un rozamiento interno y
originan la transformación de la energía mecánica en calorífica. Esto hace que se tengan elevadas
temperaturas en la zona de corte, lo cual incide en el aumento del desgaste de la herramienta.
En lo que respecta al fenómeno de generación de calor, pueden ser consideradas las tres zonas
siguientes: de deformación primaria (1), de deformación secundaria (2) y de rozamiento en
incidencia (3). En general, salvo en el caso de que la herramienta estuviese muy desgastada en sucara de incidencia, la generación de calor en la zona 3 suele ser sensiblemente menor que en las
otras dos zonas.
Figura 1. Fenómeno de generación de calor.
El calor total generado por unidad de tiempo vendrá dado, por tanto, por la suma del calor generado
por unidad de tiempo en las zonas de deformación 1 y 2 Dicho calor es eliminado durante el
Desgaste
en
procesos
de
corte
3
4. Formación de filo recrecido y capa adherida
Como consecuencia del rozamiento existente entre pieza y herramienta durante el proceso de
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Como consecuencia del rozamiento existente entre pieza y herramienta durante el proceso de
mecanizado se produce, como se ha mostrado anteriormente un aumento de la temperatura. Este
efecto combinado con las variaciones en la velocidad de corte provoca que parte del materialmecanizado quede adherido a la herramienta. Si el material queda adherido en el filo el fenómeno
es conocido como filo recrecido o BUE (del inglés Built-Up-Edge), si esto ocurre en la cara de
desprendimiento, da lugar a la capa adherida o BUL (del inglés Built-Up-Layer). El fenómeno
comienza por la acción combinada de causas térmicas y mecánicas formándose la capa adherida.
Inmediatamente después comienza a desarrollarse el filo recrecido hasta alcanzar un espesor crítico.
Momento en el que el filo recrecido se extiende sobre la cara de desprendimiento de la herramientaaumentando el espesor de la capa adherida mediante múltiples capas.
La presencia de ambas incorporaciones puede afectar positiva o negativamente al desgaste de la
herramienta ya que en ocasiones puede contribuir a aumentar la vida de la herramienta, debido al
efecto protector sobre la misma, y otras veces a disminuirla, al contribuir a su deterioro por el efecto
abrasivo producido por pequeños fragmentos desprendidos del filo y de la capa durante el proceso
de corte que están muy endurecidos por la deformación plástica sufrida. El deterioro puede llegar,
incluso, al fallo catastrófico de la herramienta al arrastrar trocitos de la misma que han quedado
soldados al filo y a la capa cuando estos se desprenden de la herramienta como consecuencia de su
inestabilidad mecánica. También puede producirse el deterioro por la diferencia de coeficientes de
contracción entre el material adherido y el de la herramienta cuando esta se enfría al terminar el
proceso de corte.
La aparición de ambas incorporaciones a la herramienta produce una alteración en la geometría de
la misma que afecta al acabado superficial de las piezas. Para muchos materiales, si se dibuja la
curva del acabado superficial (o su inversa, la rugosidad) frente a la velocidad de corte pueden
apreciarse tres zonas como las representadas de forma muy simplificada en la siguiente figura.
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Desgaste
en
procesos
de
corte
5
Los fluidos de corte base agua pueden dividirse en:
Emulsiones Están constituidas por aceites minerales en suspensión acuosa (contenido de agua
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Emulsiones. Están constituidas por aceites minerales en suspensión acuosa (contenido de agua
90%), añadiendo un elemento emulsionante que provoca la formación de la dispersión coloidal.
Su aspecto suele ser lechoso y reciben el nombre de taladrinas. Soluciones. Son, como su nombre indica, soluciones de aceites en agua; generalmente se
obtienen soluciones mejorables añadiendo sulforinato de sosa.
Los aceites de corte se pueden subdividir en los siguientes tres grupos:
Aceites minerales. Son obtenidos en la destilación fraccionada del petróleo. Con el fin de quesean capaces de soportar elevadas presiones y fijarse mejor sobre las superficies metálicas
deben contener ciertos aditivos como por ejemplo, azufres, grafito coloidal o bisulfuro de
molibdeno.
Aceites vegetales. Son sustancias orgánicas de larga cadena molecular, que se adhieren a las
superficies metálicas formando una capa muy fina. Tiene escaso poder antisoldadura y son
fácilmente oxidables. El más empleado es el aceite de colza.
Aceites compuestos o mixtos. Son mezclas de aceites minerales y vegetales con una cantidadde aceite vegetal de entre el 10 y el 30 %. Tienen buenas características lubricantes y presentan
ventajas económicas frente a los vegetales.
Además de la acción lubricante y refregerante, en la actualidad se exige a los fluidos de corte que,
en mayor o menor medida, efectúen las siguientes acciones complementarias: prevención de la
formación de filo recrecido, ayuda a la separación y evacuación de la viruta, protección contra lacorrosión y lubrificación de elementos de la máquina-herramienta.
La eficacia de los fluidos de corte suele verse reducida al aumentar la velocidad de corte y al
aumentar el espesor de la viruta no deformada. En el primer caso, como consecuencia del menor
tiempo de contacto del líquido con la zona del corte y al efecto de centrifugación, en aquellos
procesos en los que el movimiento principal sea de rotación. En el segundo, debido a los mayoresesfuerzos requeridos para el arranque de material. Se ha comprobado experimentalmente que, en
general, los fluidos de corte no influyen sobre las fuerzas de corte pero sí lo hacen, favorablemente,
en el acabado superficial por su acción sobre el filo recrecido.
Desgaste
en
procesos
de
corte
6
maneras: instantáneamente, por desmoronamiento o fallo catastrófico o progresivamente, debida al
fenómeno de desgaste.
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El desmoronamiento o fallo catastrófico es un rápido deterioro de la arista de corte después de un
período de corte bien ejecutado. Suele venir motivado por la acción combinada de los esfuerzos decorte y un incremento de la temperatura. No debe confundirse con la rotura o fallo prematuro de la
herramienta originado por algún defecto de la misma o por algún incidente externo al proceso de
formación de la viruta.
El desgaste de las herramientas de corte se puede definir como la modificación de la geometría de
corte de la herramienta, con relación a su geometría original, que tiene lugar durante el corte y que
es debida a la pérdida progresiva del material de la herramienta. La naturaleza fundamental deldesgaste puede ser diferente en distintas situaciones. En el caso de las herramientas de corte, cabe
considerar tres mecanismos de desgaste básicos que son:
Desgaste por adhesión. Tiene lugar al romperse las microsoldaduras existentes entre el material
de la viruta y el de la herramienta. Cuando estas uniones se fracturan, pequeños fragmentos del
material de la herramienta son arrancados y arrastrados por la viruta. El rozamiento existente
entre la cara de incidencia y la superficie mecanizada también da lugar a desgaste por adhesión, pasando los pequeños fragmentos del material de la herramienta a la superficie mecanizada de
la pieza.
Desgaste por abrasión. Ocurre cuando las partículas de la viruta, endurecidas por deformación
plástica, deslizan por la cara de desprendimiento de la herramienta. Estas partículas
endurecidas pueden ser fragmentos de filo recrecido inestable, fragmentos de material de la
herramienta arrastrados por la viruta y debidos a un previo desgaste por adhesión o pueden ser
constituyentes duros del material de la pieza.
Desgaste por difusión. La difusión en estado sólido tiene lugar cuando átomos de una red
cristalina de una región de alta concentración, se desplazan en presencia de altas temperaturas,a otra región de concentración atómica más baja. Es pues un fenómeno a nivel atómico a
diferencia de la adhesión que es de carácter macroscópico. Este fenómeno tiene lugar en
aquellas zonas en las que hay un contacto íntimo entre dos materiales y su intensidad aumenta
exponencialmente con la temperatura. En el corte, esto se traduce en un debilitamiento de laestructura superficial del material de la herramienta.
El desgaste de la herramienta de corte tiene lugar, principalmente, en la cara de incidencia,
Desgaste
en
procesos
de
corte
7
El desgaste en incidencia es ocasionado por el rozamiento existente entre la superficie
mecanizada y la cara de incidencia de la herramienta, provocando una zona o franja de
desgaste que es paralela a la dirección del movimiento de corte.
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g q p
El desgaste en desprendimiento tiene lugar en la zona de contacto de la viruta con la cara de
desprendimiento de la herramienta y tiende a ajustarse a la forma de la viruta, denominándosecráter a la zona desgastada. La parte de la cara de desprendimiento más próxima al filo
experimenta un menor desgaste.
Para medir el desgaste de la herramienta es necesario establecer parámetros que puedan ser medidos
y permitan cuantificar el valor del desgaste. Para la medida del desgaste en incidencia los
parámetros que se suelen tomar son: el ancho medio de la zona de desgaste, VB, y el ancho máximode dicha zona, VBmáx. Para evaluar el desgaste en la cara de desprendimiento de la herramienta se
emplea la profundidad del cráter , KT , que es la distancia máxima entre el fondo del cráter y la cara
de desprendimiento inicial de la herramienta. Debe advertirse que estos parámetros han de ser
medidos en la zona media del filo de corte tal como se muestra en la figura.
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Desgaste
en
procesos
de
corte
9
mostrados) y, además, la profundidad del cráter dado por la expresión KT (mm) = 0,06 + 0,03 a,
donde a es el avance en mm/rev.
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Para el torneado de acabado, el criterio más usual es el de conseguir que la rugosidad superficial
alcance un valor determinado. Se recomienda para el valor del criterio de desgaste alguno de lossiguientes de Ra (μm): 0,4 - 0,8 - 1,6 - 3,2 - 6,3 - 12,5.
Vida
y
ecuaciones
de
la
herramienta
1
5.-Vida y ecuaciones de la herramienta
1. Vida de la herramienta
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La duración o vida de la herramienta se define como el tiempo de corte, en unas condiciones demecanizado dadas, necesario para alcanzar un criterio de duración de la herramienta. En sudefinición se ha considerado el tiempo de corte o tiempo en el que la herramienta está arrancandomaterial. Sin embargo, la duración de la herramienta puede interesar en otras unidades. Lasunidades de vida de herramienta más empleadas son:
Tiempo de corte, de interés en la Oficina de Métodos y Tiempos.
Tiempo total por componente o tiempo de la pieza en la máquina-herramienta, de interés para elservicio de mantenimiento.
Volumen de material arrancado, de interés científico y en investigación. Cantidad de piezas producidas, de interés para el operario y para el cálculo de los costes de
mecanizado. Velocidad de corte equivalente, para la confección de catálogos y comparación de herramientas.
Velocidad de corte relativa o maquinabilidad relativa, para comparación de las prestaciones de lasherramientas.
2. Ecuaciones de la herramienta
Se denominan ecuaciones de duración o de vida de la herramienta a expresionesmatemáticas que relacionan la duración de la herramienta con uno o varios parámetros del
proceso de mecanizado.
F. W. Taylor (1906) efectuó largas series de ensayos sistemáticos, variando la velocidad decorte y manteniendo constantes los restantes parámetros del proceso, considerando como
criterio de duración el desmoronamiento del filo de la herramienta y llegó a una ecuaciónde vida de la herramienta de empleo aún en la actualidad. A continuación se van a exponerlas principales ecuaciones de vida de la herramienta.
Vida
y
ecuaciones
de
la
herramienta 2
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Figura 1. Gráficas de la ecuación de Taylor
El exponente n expresa la pendiente de la recta logV/logT , y conociendo dos pares de valores(V 1 ,T 1) y (V 2 ,T 2) puede determinarse como:
21
21
loglog
loglog
T T
V V tgn
−
−== α (3)
En la siguiente tabla se recogen los valores más usuales del exponente n en función del material dela herramienta.
Tabla 1. Valores de n para distintos tipos de materiales de herramienta.
n Herramientas0,15 Acero rápido
0,25 ÷ 0,30 Metal duro0,70 Cerámica
Vida
y
ecuaciones
de
la
herramienta
3
21
111
1
nnn paV
K T = (5)
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eliminando T de ambas ecuaciones se llega a:
n
nn
pa
K C
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
=
21
111 (6)
esto es, que C es función del avance y de la profundidad de pasada; por ello, en el caso enque inicialmente se varíe la velocidad de corte, a y p serán constantes y por lo tantotambién lo será C .
En esta expresión generalizada de Taylor se suele trabajar con avances en mm/rev (omm/doble carrera), profundidades de pasada en mm, velocidades de corte en m/min y vidade la herramienta en minutos.
Entre las constantes exponenciales de esta generalización de la ecuación de Taylor se tienenlas siguientes relaciones de desigualdad:
0111
21
>>>nnn
(7)
La validez de esta ecuación generalizada es más discutible que la de la ecuación básica de
Taylor, sin embargo resulta de gran utilidad para el estudio de la influencia del avance y dela profundidad de pasada en la duración de las herramientas de corte.
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Vida
y
ecuaciones
de
la
herramienta
5
ap A1 = el área de la sección de viruta no deformada
2
sr g
−≡
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2sr f
+≡
A continuación Kronenberg introduce el concepto de “velocidad equivalente de corte”como “aquella velocidad de corte que en determinadas condiciones del proceso conduce aun cierto valor de vida de la herramienta”; generalmente, dicha vida de la herramienta se
indica, en minutos, como subíndice de V . Sus ensayos fueron hechos para una vida de 60minutos, con un factor de forma de valor 5 y una sección de viruta de 1mm2. Sustituyendoestos valores en la expresión de Taylor se tiene:
( ) f
gn K
V
1
560 3
60 = (15)
y dividiendo miembro a miembro ambas expresiones se tiene:
f
g
n
A
G
T
V
V
160
560
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛
=⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ (16)
de donde:
n
f
g
T A
GV
V
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛
=
60
5
1
60
(17)
Vida
y
ecuaciones
de
la
herramienta
6
Tabla 9. Tablas de V60 para distintos materiales.
V60 (m/min)Mecanizado de aceroresistencia a tracción en
daN/mm2 Hta. de metal duro Hta. de acero rápido
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daN/mm p3544536170798796105
282213169138113100857667
856451423430262320
V60 (m/min) Mecanizado defundición con HB Fundición nodular con
herramienta de metal duroFundición maleable con
herramienta de metal duroFundición maleable con
herramienta de acero rápido100
125150175200225250275
-
--
220125907065
240
200160130100806045
50
4035302520--
3. Ensayos para determinar los parámetros de la ecuación de vida de la herramienta
V60 (m/min)Material a mecanizarHta. de metal duro Hta. de acero rápido
CobreBronce
LatónAluminio (puro)
850535
10001650
4560
10077
Vida
y
ecuaciones
de
la
herramienta
7
mecanizado de acero o K30 para mecanizado de fundición) o cerámica (cualquier calidadcomercial, indicándola en las hojas de resultados del ensayo).
Condiciones de referencia de la pieza: La superficie debe provenir de laminación o de moldeo.La relación longitud de la pieza/diámetro de la pieza no debe ser excesiva, a fin de evitar
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La relación longitud de la pieza/diámetro de la pieza no debe ser excesiva, a fin de evitar
fenómenos de inestabilidad, y en todo caso inferior a 10. La pieza se sujetará con plato ycontrapunto. El punto será un agujero de 6,3 mm de diámetro, con achaflanado a 120º. Geometría de la herramienta: cuando la geometría de la herramienta no sea variable a ensayar,
se emplearán los valores recogidos en la tabla siguiente. Cuando el radio de la punta de laherramienta r ε = 0,4 mm, el radio de redondeo de la arista principal valdrá: r n = 0,02 ÷ 0,03mm; y cuando r ε > 0,4 mm, será r n = 0,03 ÷ 0,05 mm.
Tabla 10. Características geométricas de las herramientas para distintos materiales.
Material herramientaγ
λ
r εr(*)
Acero rápido 25º 8º 0º 75º 90º
Metal duro +6º 5º 0º 75º 90º- 6º 6º -6º 75º 90º
Cerámica - 6º 6º -6º 75º 90º
(*) εr es el ángulo de la punta
Condiciones de referencia de la herramienta: Se utilizará una herramienta recta de desbastar.Su sección transversal será de 25 x 25 mm en el caso de herramientas con plaquitas de metalduro y de 25 x 16 mm para las herramientas enterizas de acero rápido. El voladizo de la
herramienta deberá ser de 25 mm. Fluidos de corte: Cuando el fluido de corte no sea la variable a ensayar, las pruebas serán
efectuadas bien en seco o bien empleando una solución acuosa que contenga un 0,5 % detrietanolamina y 0,2 % de nitrato de sodio. Únicamente se empleará el fluido de corte en el casode herramientas de acero rápido con criterio de desgaste por desmoronamiento o fallocatastrófico. El caudal del fluido será el mayor valor de los dos siguientes: 3 l/min ó 0,1 l/cm
3
de material
eliminado por minuto. Condiciones de corte: Cuando el avance y la profundidad de pasada no sean las variables del
ensayo, se emplearán de acuerdo con las siguientes restricciones:
Vida
y
ecuaciones
de
la
herramienta
8
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Figura 2. Método operativo de los ensayos convencionales.
Si se hubiera empleado como criterio de duración el desmoronamiento del filo, los valores T 1 ,
T 2 , T 3 y T 4 se habrían obtenido directamente.
En cualquier caso, llevando los cuatro pares de valores (V,T ) a un sistema coordenadodoblemente logarítmico y ajustando los puntos obtenidos a una recta como la mostrada en la
figura:
n = tgα (18)C= V 1min (19)
Vida
y
ecuaciones
de
la
herramienta
9velocidad de corte creciente o ensayo de refrentado, que consiste en refrentar una pieza cilíndrica,con agujero central, de dentro a fuera con velocidad de husillo constante. La velocidad de corteinicial se selecciona de unos 20 a 30 m/min inferior a la que ocurre el fallo catastrófico del filo decorte y la probeta se diseña para que dicho fallo ocurra antes de acabar la pasada de refrentado. La
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y p p q p
velocidad de corte en el instante del fallo catastrófico V z, se puede correlacionar con la velocidadequivalente para una vida de 60 minutos, V 60 como sigue:
Herramientas de acero rápido: V z≅ 2,5 V 60 + 20 (21)Herramientas de metal duro: V z≅ 2,5 V 60 + 50 (22)
La correlación produce aceptables resultados en el rango 70 ≤ V z ≤ 180, con herramientas de acero
rápido.
Evaluación económica de procesos de mecanizado 1
6.-Evaluación económica de procesos de mecanizado
1. Introducción
h h h id id d l i d b d d i l h h d
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Aunque hasta ahora no ha sido considerado explícitamente, no debe perderse de vista el hecho de que
los procesos de conformado por eliminación de material juegan un papel económico muy importante en
el ámbito industrial. Por ello, es necesario relacionar los aspectos meramente tecnológicos con los
económicos para poder comprender toda la problemática que rodea a este tipo de procesos.
El estudio económico de los procesos de mecanizado no va a ser considerado únicamente desde la
óptica de permitir “facturar” los trabajos efectuados en máquinas-herramienta, sino que se va a
analizar cómo influyen los distintos aspectos económicos en la selección “optimizada” de lascondiciones de operación en dichos procesos de fabricación.
Como se ha podido apreciar en lo expuesto anteriormente, existen multitud de opciones a la hora de
seleccionar las condiciones de corte para un cierto proceso; ahora bien, también se ha observado que
el aumento indiscriminado de alguno de tales parámetros, como por ejemplo la velocidad de corte, va
en detrimento de la vida de la herramienta, y, por ello, lo que parecía que iba a ser un aspectoeconómico positivo queda en principio relegado a un estudio más exhaustivo de carácter económico.
Por ello, para seleccionar unas condiciones de corte óptimas se hace necesario tener en cuenta los
aspectos económicos; esto es, los criterios de optimización de las condiciones de mecanizado
deberán ser de carácter económico. Los estudios en esta línea comenzaron hace más de 70 años de
la mano de Forsberg (1929) y han sido continuados por gran cantidad de investigadores, entre ellos:
Witthoff (1947), Gilbert (1950) y Colding (1958). En la actualidad el tema sigue abierto ya que los
modelos a los que se llega son ciertamente complejos, y el empleo del ordenador y de algoritmos
avanzados de optimización está siendo llevado a cabo por prestigiosos equipos de investigación.
2. Determinación de los costes en procesos de mecanizado
A continuación, antes de pasar a la determinación del coste de operación de la máquina, es
necesario definir algunos conceptos básicos, como son:
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Evaluación económica de procesos de mecanizado 3
Para establecer el valor de c& , referido al período de un año suelen hacerse las siguientes
consideraciones. A medida que el tiempo transcurre, la máquina se va depreciando y se puede
admitir que su valor al inicio de cada año es:
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⎟ ⎠ ⎞⎜
⎝ ⎛ −−= A
aC C oa 11 (5)
donde:
C o es el valor inicial de la máquina instalada.
a un número entero que indica la edad de la máquina, en años.
A un número entero que indica el período de amortización, en años.
Parece razonable establecer los costes de seguros e impuestos sobre C a a través de un cierto
porcentajeque, expresado en tanto por uno, se va a designar por r s. Al mismo tiempo, si la inversión
inicial se va restituyendo cada año en la cantidad C o /A, la tasa de interés sólo deberá aplicarse a la
cantidad pendiente C a. En estas condiciones, los costes fijos repercutirán sobre el año a de vida de la
máquina en la cuantía:
( ) ( )⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛ −−+=++ isisa f r r
A
a
AC r r C
A
C C
11
10
0& (6)
Con objeto de que esta cantidad sea la misma cada año, suele trabajarse con el valor medio
correspondiente, lo que conduce a
sss r A
Ar A
A
Ar
2
1111112
1* +=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −−+−−= (7)
e idénticamente,
ii r A
Ar 2
1*
+= (8)
resultando los siguientes costes fijos anuales:
Evaluación
económica
de
procesos
de
mecanizado 4
Finalmente, se tiene que:
V f C C C &&& += (12)
estando C& referido a un año Para la obtención de c& generalmente referido a una hora habrá que
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estando C referido a un año. Para la obtención de c , generalmente referido a una hora, habrá que
dividir C & por el número de horas productivas por año.
3. Determinación del coste de la herramienta por filo
En relación con la determinación del coste de la herramienta por filo (o juego de filos) cabe
distinguir entre herramientas reafilables y herramientas con plaquitas desechables.
Para herramientas reafilables puede establecerse que:
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛
+
+
+
= reafiladooperaciónte
reafiladosn promedio
reafiladosn promedio
reafiladosn promedio
aherramient inicialteC hf cos
1º
º
1º
cos
Para herramientas con plaquitas desechables se tiene:
plaquitasefectivos filosn promedio
plaquitasde juegote
portadelvidalaen filosde juegosn
accesoriosmientas portaherrainicialteC hf
/º
cos
º
cos+
+=
siendo:
nº de juegos de filos en la vida del porta, el número de juegos de plaquitas en la vida del
portaherramientas por el número de filos por plaquita.
Coste del juego de plaquitas, el coste de una plaquita por el número de plaquitas por juego.
El concepto de filos efectivos se introduce por el hecho de que algunas plaquitas se rompen, total o
parcialmente, quedando inservibles uno o varios filos. En el caso de herramientas de varios filos, el
Evaluación económica de procesos de mecanizado 5
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Figura 27. Coste y tiempo por componente frente a la velocidad.
A continuación se van a aplicar los criterios de mínimo coste y de máxima producción a operaciones
con herramienta monofilo y velocidad de corte constante; esto es, al cilindrado en pasada única.
Para la aplicación de dichos criterios se va a considerar la primera generalización de la ecuación de
Taylor , en la que la constante C se expresa en función del avance, a, y de la profundidad de pasada,
p, tal y como se indica en la siguiente expresión:
111
1
nn
K T = (14)
Evaluación
económica
de
procesos
de
mecanizado 6
aV
S
V
l
a
d
d
V a
l
a
l
a
l
V
lt t
na
cm ≡=====≅ π
π π
ϖ
2
(16)
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Siendo S = cte el área de la superficie a mecanizar de la pieza.
4.1. Criterio de mínimo coste por componente
Expresando el coste total en función de los parámetros avance y velocidad de corte:
( ) ( ) ( )
( )1
11
1
11
1
1
−−
+++=
=+++=+++=
nnhf rf np
nn
hf rf np
h
chf rf mnpt
aV K
S C t c
aV
S ct c
K
aV
aV
S C t c
aV
S ct c
T
t C t ct t cC
&&&
&&&&&
(17)
Se podrán obtener los máximos y los mínimos con respecto a cada uno de ellos a partir de las
expresiones 0=∂
∂
V
C t y 0=∂
∂
a
C t . En este caso, el estudio se va a centrar en buscar la velocidad de
corte que conlleva el mínimo coste. Estos es:
01111
2 =⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +⎟
⎠ ⎞⎜
⎝ ⎛ −+−=∂∂ c
C t K aV
naV S c
V C hf
rf
t t
t
&& (18)
Como el término2
aV
S c& no pueden anularse, la condición de mínimo vendrá dada por::
011
1
11
=⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛ −+−
c
C t aV
nK
hf
rf nn
& (19)
Evaluación económica de procesos de mecanizado 7
mc
hf
rf
nn
T c
C t
naV
K ≡⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛ −=
&1
1
1
11 (22)
donde, como puede apreciarse, el primer miembro viene dado en unidades de vida de herramienta.
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A dicha vida se la denomina vida de herramienta para mínimo coste, T mc.
4.2. Criterio de máxima producción
Se parte de la expresión del tiempo total por componente:
h
crf mnpt
T
t t t t t ++= (23)
que, para una operación de cilindrado en pasada única y teniendo en cuenta la generalización de
Taylor, toma la forma siguiente:
11
11
1
−−
++= nnrf npt aV
K
S t
aV
S t t (24)
Siguiendo el procedimiento mostrado en el caso anterior, haciendo 0=∂
∂
V
t t y 0=∂
∂
a
t t , se podrían
obtener los máximos y mínimos de la expresión. A continuación se va a desarrollar el primero deellos.
011
12
2
1
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ −+−=
∂
∂rf
t t t t
K
aV
naV
S
V
t (25)
El punto óptimo para una situación de máxima producción se encuentra sobre 0=∂
∂
V
t t , con el
mayor valor del avance posible
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Ingeniería de procesos de mecanizado
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Eva M. Rubio
Ingeniería de procesos de mecanizadoPlanificación de operaciones y procesos de mecanizado
MU en Ingeniería Avanzada de FabricaciónIngeniería de procesos de mecanizado
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Mecanizado con control numérico
Máquinas-herramienta y uti llajes
Planificación de operaciones y de procesos de mecanizado
Selección de las herramientas de mecanizado
Análisis de los procesos de mecanizado
Tema 02
Tema 10
Tema 09
Tema 08
Tema 07
Evaluación económica de procesos de mecanizadoTema 06
Vida y ecuaciones de la herramientaTema 05
Desgaste en proceso de corteTema 04
Fundamentos del corte
Tema 03
Clasif icación y estudio de los procesos de mecanizadoTema 01
CONTENIDOSTema
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Índice
IntroducciónSelección de procesos
Operación de mecanizado
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Hasta ahora se han estudiado diferentesaspectos relacionados con los procesos de
mecanizado que abarcandesde la descripción física de los elementoque intervienen en ellos: piezas, htas
máquinas, utillajes y operariohasta el análisis detallado de: la geometríay la cinemática del corte, las fuerzasinvolucradas, la potencia necesaria pararealizar el proceso, los problemas asociadoscon el desgaste de las htas y la duración de
las mismas así como el cálculo de los costes
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Índice
IntroducciónSelección de procesos
Operación de mecanizado
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La selección de un proceso quedadeterminada por:Las características y propiedades del material delas piezasLa forma y el tamaño de la pieza
Los requerimientos en las tolerancias dimensionalesy el acabado superficial
Los requerimientos de funcionamiento de la pieza
El volumen de producciónEl nivel de automatización para satisfacer elvolumen de producción y la rapidez de producción
Los costes
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Limitaciones de los procesos convencionalesEl material es muy duro (> 400 HB)
La pieza es demasiado flexible, delicada difícil de sujetaLa forma de la pieza es complicada
Las tolerancias y los acabados son muyexigente
Hay que minimizar el efecto térmico sobrela pieza y la aparición de tensioneresiduale
NO convencionale
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La selección de un proceso quedadeterminada por:La forma y el tamaño de la pieza
Torneado
Fresado
ó
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La selección de un proceso quedadeterminada por:La forma y el tamaño de la pieza
Dimensiones y potencia del equipo empleado
L l ó d d
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La selección de un proceso quedadeterminada por:Los requerimientos en las tolerancias dimensionalesy el acabado superficial
L l ió d d
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La selección de un proceso quedadeterminada por:Los requerimientos en las tolerancias dimensionalesy el acabado superficial
L l ió d d
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La selección de un proceso quedadeterminada por:Los requerimientos de funcionamiento de la pieza
L l ió d d
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La selección de un proceso quedadeterminada por:Los requerimientos de funcionamiento de la pieza
+
TornoFresadora
Unión
Obtener una sola pieza mediante
fresado/torneado o fresado/torneado
L l ió d d
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La selección de un proceso quedadeterminada por:El volumen de producción
cantidad de piezas a fabricar va a permitideterminar
Tecnología y su nivel de automatizacióDistribución en planta de máquinas y equipo
Flexibilidad de los mismos para adaptarse a locambios de volume
El nivel de automatización para satisfacer el
volumen de producción y la rapidez de producción
C id d l t d
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La posibilidad oscila entre los márgenes:
Los casos intermedios más comunes son:
Considerando los conceptos de:variedad y volumen
Producir cualquier producto en cualquier volumen
Producir un único producto en volumen elevado
Muchos productos en pocas unidadesMuchos productos en pequeños volúmenesMuchos productos en volúmenes mediosVarios productos en volúmenes elevadosUn único producto en volúmenes muy elevados
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Orden de magnitud de los volúmenes
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Automóviles,
tornillos
> 100.000Producción en
masa
Camiones,motores5.000-100.000Lotes grandes
Aviones,matrices
10-5.000Lotes pequeños
Todo1-10Experimental oprototipos
Productos
típicos
Unidades
producidas
VolumenOrden de magnitud de los volúmenes
Tecnología: tipos de automatización
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Tecnología: tipos de automatizaciónLa automatización industrial se puede
clasificar en dos grandes grupos:Fija
Volúmenes de producción muy altosProducción en masa
Flexible
Volúmenes de producción medios y bajos
Tecnología: tipos de automatización
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Fija
Se caracteriza por:Tasas de producción
RendimientoDiseño específico de los equipos
Coste de diseño y fabricación de equiposCiclo de vida del equipo acorde con lavigencia del producto en el mercado
Tecnología: tipos de automatización
Tecnología: tipos de automatización
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Flexible
Se caracteriza por:Tasas de producción medias y bajas
Diversidad de producción a obtenerEquipos adaptables (mediante software) a lavariaciones de los productos
Coste de los equipos, instalación y puesta apunto y mantenimiento
Mayor ciclo de vida de los equipos
Tecnología: tipos de automatización
Tecnología: tipos de automatización
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FlexiblePCEM
Equipos convencionales
Equipos de Control Numérico
Tecnología: tipos de automatización
Tecnología: tipos de automatización
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FlexiblePCEMTecnología: tipos de automatización
10 100.000
Distribución en planta o layout
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Layout puede ser
FuncionalCelular
Línea
Distribución en planta o layout
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Distribución en planta o layout Celular
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Agrupación de equipos y procesossegún las operaciones requeridaspara la obtención de un producto
Distribución en planta o layout. Celular
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La selección de un proceso quedadeterminada por:
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La selección de un proceso quedadeterminada por:Los costes
Personal cualificado
Puesta a punto
Equipos
Mantenimiento
Instalación
Adquisición
Herramientas
Compra
AfiladoSustitución
Índice
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Índice
IntroducciónSelección de procesos
Operación de mecanizado
Dado el plano de la pieza se van conocer:
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Dado el plano de la pieza se van conocer:
GeometríaRequerimientos dimensionales
Requerimientos de acabado superficialMaterial
de la misma
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La geometría y el material de la pieza van adeterminar
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g y p
la preforma de partida
la hta o conjunto de htas a utilizarConocida la geometría de la pieza y
establecida la de la preformava a ser conocidala cantidad de material a eliminar
Dicha eliminación se puede hacer en una o envarias pasadas de profundidad p , que habráque determinar en función de la potencia
que tenga la MH y del acabadosuperficial exigido a la pieza
Con respecto a la potencia de la máquinahay que tener en cuenta que si la
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p p qhay que tener en cuenta que, si la potencia de la máquina es P m
la potencia útil , P realmente disponible para efectuar el
mecanizado, vendrá dada por: m u P P η =
donde es el rendimiento de las
transmisiones de la máquina y representa las pérdidas que tienen luga
en los elementos de transmisió
Si es P la potencia necesaria para elarranque de viruta con profundidad p
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p parranque de viruta con profundidad, p,se debe cumplir que:
P < Pu puesto que, en caso contrario, la máquina no
tendría potencia suficiente para llevar acabo el corte
La potencia disponible para efectuar elcorte suele ser el 80% de la potenciaútil. Esto es: P
≈ 0,8 Pu
La selección de la velocidad de corte, V , va avenir condicionada por:
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venir condicionada por:material de la pieza
material de la herramienta elegidatipo de operación (desbaste o acabado)
uso o no de fluidos de corteAdemás, puede que esté supeditada alcumplimiento de un determinado
criterio económicoGeneralmente, los fabricantes de herramientassuelen proporcionar tablas con los valores de la
velocidad de corte recomendados en cada caso
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Por último, el avance, a (o f del inglés feed )
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g
va a venir determinado Por:
profundidad de pasada elegidamaterial de la pieza
V real impuesta en la máquinaposibles a que la misma proporcione
Analizado:
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Analizado:
Plano de la pieza Elegidos:Proceso
MáquinaHerramienta
Preforma
Conocidos:
GeometríaMaterial
PROCEDIMIENTO PRÁCTICO
Será:
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Se calcula velocidad de rotación del husillocalculada Nc (rev/min) a partir de la
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calculada, Nc (rev/min), a partir de laexpresión:
D
Vr 1000 Nc
π =
Donde:
D (mm) es el diámetrde la piez
Con Nc , se selecciona un valor de lavelocidad de rotación real
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velocidad de rotación real
del husillo , N ,de entre los valores disponibles en el tornolo más próximo posible al calculado
REGLA GENERAL
Tomar el valor inferior más cercano
Podrá usarse el superior si se compruebaque el valor de la V≈Vr
Fijada N se obtiene la velocidad de corte real V a
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se obtiene la velocidad de corte real V , a
partir de la expresión
1000
DN V
π =
Conocida V y considerando que toda lapotencia que da la máquina se emplea en el
corte, esto es:
Pu 8 ,0 P Pc ==
Se puede calcular la fuerza de corte,F , mediante la expresión:P
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F, mediante la expresión
Además, será conocida la presión de corte , p c , del
material de la pieza
V
Pc
Fc =
z co c h p p −
= 1donde:
P co , presión específica de corte
h 1 , espesor de viruta no deformada
z, exponente tabulado para cada material
Se podrá determinar la sección deviruta no deformada: Fc
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viruta no deformada
c 1
p
Fc A =
Conocida A 1 y,
habiendo seleccionado una profundidad de pasada, p
se podrá calcular el valor del avancecalculado, a c por:c pa A =1
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Una vez obtenidos los valores delas condiciones de corte V a y p
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las condiciones de corte, V , a y p
es necesario calcular las potenciasde corte
para comprobar que, realmente, laMH es capaz de proporcionarlasy se pueden llevar a cabo lasoperaciones previstas
En las operaciones de desbaste y acabado,los valores típicos de:
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Avance , a Profundidad de pasada, p
Ángulo de posicionamiento de la hta, r Son:
Geometría de la pieza Material de la pieza p c
Plano de la pieza
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p
V F c P
c =c 1 p
Fc
A =
p
A
a c 1
=
a
MHPu Operación
HtasGeometría dela preforma
Vr
D
Vr 1000 Nc
π =
1000
DN V
π =
N
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Eva M. Rubio
Planificación de procesos y operaciones de mecanizado