maquinado - mecanizado

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Procesos de Manufactura I FIME FUNDAMENTOS DE MAQUINADO El Maquinado como método para producir formas tridimensionales sólidas es el de más uso universal y tal vez el más importante de todos los procesos de manufactura. En el maquinado los dispositivos de una máquina impulsados con potencia causan la eliminación de parte de la materia prima en forma de viruta por medio de una herramienta cortante. El maquinado tiene dos aplicaciones en la manufactura: a) Generalmente se utiliza para producir una o pocas partes, aún si el diseño de la parte pudiera llevar soldadura, fundición, forja o trabajo en prensa. b) Cuando se requiere altas exactitudes y acabados superficiales. Muchas partes se les da su forma general por algún proceso de alta deformación y se maquinan sólo en superficies selectas donde se necesita altas exactitudes. Los procesos tradicionales de maquinado se basan en que existen materiales más duros y fuertes que otros. Si un material duro tiene una geometría apropiada, puede llamarse herramienta, cuando la herramienta se pone en contacto con la pieza a trabajar (más débil) con la fuerza suficiente se produce una falla de ruptura en la pieza. Para dar la forma al producto por la eliminación de parte de la materia prima debe causarse una falla a la fractura en el sitio que se desea, produciéndose de esta manera la viruta. Este proceso se efectúa en forma continua y sin producir una deformación significativa en las otras partes de la pieza trabajada. Para esto se requiere que haya un movimiento relativo entre la pieza a maquinar y la herramienta de corte. Movimientos básicos para el corte por maquinado.- Para producir una superficie maquinada se requiere de un movimiento relativo entre la herramienta de corte y la pieza que esta siendo maquinada, este movimiento relativo esta conformado por dos movimientos básicos, que son: a) Movimiento de corte, que el movimiento (relativo) entre la herramienta cortante y la porción de la pieza que esta siendo cortada. Este movimiento da como resultado la formación de la viruta. Puede ser rotatorio o rectilíneo. La velocidad con que se realiza este movimiento se denomina velocidad de corte. Para el caso de que este movimiento es rotatorio la velocidad de corte puede ser calculada de la siguiente manera:

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Generalidades sobre mecanizado con arranque de viruta

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Page 1: Maquinado - Mecanizado

Procesos de Manufactura I FIME

FUNDAMENTOS DE MAQUINADO

El Maquinado como método para producir formas tridimensionales sólidas es el de más uso universal y tal vez el más importante de todos los procesos de manufactura. En el maquinado los dispositivos de una máquina impulsados con potencia causan la eliminación de parte de la materia prima en forma de viruta por medio de una herramienta cortante.

El maquinado tiene dos aplicaciones en la manufactura:

a) Generalmente se utiliza para producir una o pocas partes, aún si el diseño de la parte pudiera llevar soldadura, fundición, forja o trabajo en prensa.

b) Cuando se requiere altas exactitudes y acabados superficiales. Muchas partes se les da su forma general por algún proceso de alta deformación y se maquinan sólo en superficies selectas donde se necesita altas exactitudes.

Los procesos tradicionales de maquinado se basan en que existen materiales más duros y fuertes que otros. Si un material duro tiene una geometría apropiada, puede llamarse herramienta, cuando la herramienta se pone en contacto con la pieza a trabajar (más débil) con la fuerza suficiente se produce una falla de ruptura en la pieza.

Para dar la forma al producto por la eliminación de parte de la materia prima debe causarse una falla a la fractura en el sitio que se desea, produciéndose de esta manera la viruta. Este proceso se efectúa en forma continua y sin producir una deformación significativa en las otras partes de la pieza trabajada. Para esto se requiere que haya un movimiento relativo entre la pieza a maquinar y la herramienta de corte.

Movimientos básicos para el corte por maquinado.-

Para producir una superficie maquinada se requiere de un movimiento relativo entre la herramienta de corte y la pieza que esta siendo maquinada, este movimiento relativo esta conformado por dos movimientos básicos, que son: a) Movimiento de corte, que el movimiento (relativo) entre la herramienta cortante y

la porción de la pieza que esta siendo cortada. Este movimiento da como resultado la formación de la viruta. Puede ser rotatorio o rectilíneo. La velocidad con que se realiza este movimiento se denomina velocidad de corte. Para el caso de que este movimiento es rotatorio la velocidad de corte puede ser calculada de la siguiente manera:

(m/min) ó (pies/min)

Donde: D = diámetro del elemento que gira (mm ó pulgadas) n = velocidad de rotación (rpm)

b) Movimiento de Avance o de alimentación, es el movimiento que hace que la herramienta se desplace hasta porciones nuevas de la superficie que esta siendo maquinada. Por tanto este movimiento permite obtener una superficie mecanizada. Este movimiento puede ser realizado en forma manual o automáticamente. La velocidad con que se realiza este movimiento se denomina Avance o Alimentación.

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Dependiendo del tipo de máquina y herramienta que se utilice este avance puede expresarse de la siguiente manera:

A = avance expresado en mm/min o pulg./mina = avance expresado en mm/rev o pulg./revaz = avance expresado en mm/diente (filo cortante) o pulg/diente

Estas formas de avance se relacionan entre sí de acuerdo a las siguiente fórmulas:

A = a * n a = az * z

Además de los dos movimientos anteriores, para general una superficie mecanizada y eliminar el material en exceso se requiere de un “movimiento” adicional que es el llamado movimiento de aproximación. Este movimiento que no es continuo sino discreto controla la cantidad de material a eliminar. Este movimiento se mide por una unidad de longitud por ciclo de maquinado completo y se le denomina penetración o profundidad de corte (mm/pasada ó pulgadas/pasada)

Fig. 1 Movimientos Básicos para el Maquinado

El tiempo de maquinado depende de los valores que se seleccionen para cada uno de estos movimientos, y no sólo eso sino también la exactitud del trabajo y la calidad del acabado superficial; por lo tanto hay que seleccionarlos de una manera apropiada.

Técnicas básicas de maquinado.-

Cinco son las técnicas “tradicionales de maquinado” que utilizan un método mecánico para dar forma a los metales y son:

Taladrado, incluyendo el escariado, avellanado y roscado con machuelos Torneado, incluye al mandrinado o torneado interno Fresado tanto horizontal como vertical Cepillado, que incluye el mortajado, el brochado y el limado Rectificado, incluyendo el amolado y esmerilado.

Movimiento de corte

Movimiento de avance

Movimiento de aproximación

Movimiento de corte

Movimiento de avance

Movimiento de aproximación

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Esquemas de los procesos tradicionales de maquinado.-

Existen otras técnicas de maquinado pero que para arrancar la viruta se basan en fenómenos químicos, electroquímicos, vibratorios y ópticos

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Teoría de Corte de los metales por medio de maquinado.-

Observando cortar metales a las máquinas y herramientas, sabrá que este realmente no se corta, mas bien, la herramienta arranca viruta de la pieza que se trabaja. Algunas veces se forma virutas cortas y pequeñas, en otras ocasiones estas serán más largas y se arrancarán al desprenderse del material. Cuando se comprenda lo que sucede al ser cortado el material, se estará mejor capacitado para usar más ingeniosamente las máquinas herramienta.

Los cuatro factores siguientes determinan el modo en que una máquina herramienta corta el metal.

1. La acción de la herramienta cortante sobre el material que se corta.2. El tipo de material de la herramienta cortante.3. la forma de la herramienta cortante.4. El tipo de material de la pieza que se trabaja.

Formación de la viruta.-

La herramienta de corte es un dispositivo de carga. Si esta es lo suficientemente fuerte para que no se doble o se rompa y la pieza a trabajar esta sujeta lo suficientemente rígida para resistir una posible deflexión, se producirá una viruta por un movimiento relativo entre las dos, sin importar la forma de la punta de la herramienta cortante.

La acción de la herramienta sobre la pieza produce una fuerza normal a la dirección de flujo de la viruta y una fuerza de fricción que es perpendicular a la anterior. La sección de esfuerzo cortante máximo esta en un plano que aproximadamente se localiza a 45º inclinado respecto a la fuerza resultante. A lo largo de este plano se producirá primeramente una deformación plástica hasta que se alcancen los esfuerzos críticos luego de lo cual producirá la fractura

produciéndose la viruta la cual viajara a lo largo de la cara de la herramienta.

La forma de la viruta dependerá fundamentalmente de la naturaleza del material trabajado y de la geometría de la herramienta cortante así como de su posición relativa respecto a la pieza. Sin embargo tiene también influencia la velocidad con que se desplaza la herramienta respecto a la pieza, el grosor de la viruta y la temperatura en el área de corte.

Los tipos de viruta generados por el maquinado se pueden ser de varios tipos, los principales son tres:

Viruta discontinua o segmentada, propia de materiales frágiles y de poca ductilidad. Debido a su poca capacidad de flujo plástico la viruta se rompe en segmentos cortos. Viruta propia de los bronces, hierro fundido. Se obtiene un buen acabado superficial cuando el avance es pequeño.

Viruta continua, propia de materiales con suficiente ductilidad media, de dureza entre 170 y 240 BHN. Esta es la viruta propia de los aceros para maquinaria. Desde el punto de vista de maquinado es la viruta ideal.

Fuerza resultante

Zona de esfuerzo máximo

Zona de esfuerzo máximo

Fuerza de corte

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Viruta Segmentada Viruta Continua Viruta continua con

crecimiento de borde

Viruta continua con crecimiento de borde, que se obtiene al maquinar materiales de alta ductilidad que experimentan una gran deformación plástica antes de fracturarse, la dureza de estos materiales es menor a 160 BHN. Este tipo de viruta es bastante perjudicial puesto que deteriora rápidamente el borde de las herramientas cortantes. Esta viruta es propia del hierro de construcción y de algunos tipos de aluminio.

Materiales para herramientas de corte.-

Deben cumplir ciertas cualidades que de permiten trabajar satisfactoriamente, estas son: dureza, tenacidad y resistencia a temperaturas elevadas. Entre los materiales más utilizados se encuentran los siguientes:

Aceros de alto contenido de carbón.- (0.9 – 1.2 %) Se utilizan para trabajar materiales blandos y de alta maquinabilidad, no resisten más de 400 °C, se requiere abundante refrigeración.

Aceros rápidos (HS y HSS).- aleaciones de Tg, Cr, V, Cu, Mo, son muy utilizados. Pueden trabajar hasta 600 °C, necesitan refrigeración, trabajos los aceros de buena maquinabilidad (dureza < 220 HBN; Vc = 12 – 27 m/min).

Carburos cementados.- Se obtiene por pulvimetalurgia, tienen cualidades de amortiguación aprovechado en maquinado con vibraciones, se puede maquinar casi cualquier material, (dureza < 40 Rc; Vc = 12 – 27 m/min).

Materiales cerámicos.- a base de oxido de aluminio, son altamente frágiles utilizados especialmente en el torneado (1160 °C) pueden trabajar hasta 120 – 900 m/min maquina aceros hasta 65 Rc (aceros tratados térmicamente, fundiciones duras).

Diamantes.- Tienen uso limitado por su alto costo, tienen gran rendimiento y dan óptimo acabado, pero son de difícil conformación

Geometría (Forma) de la herramienta de Corte.-

Independiente del número de filos cortantes que posea la herramienta, para cortar un material en forma eficiente, ésta debe tener una geometría básica que presente una acción de cuña de separación.

La forma de la herramienta cortante ayuda a determinar la resistencia de su filo, puesto

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que el borde cortante de cualquier herramienta de metal tiene que ser resistente y estos bien apoyados.

= ángulo de incidencia frontal = ángulo de punta frontal = ángulo de salida frontal L = ángulo de incidencia longitudinalL = ángulo de punta longitudinalL = ángulo de salida longitudinal de la superficie de desprendimientose = ángulo de filo primario de corte f = ángulo de filo secundario de corter = radio de la punta

Los ángulos básicos necesarios de una herramienta cortante de un solo filo se explican a continuación.

Ángulos de Incidencia.- Son necesarios para que solamente el filo cortante de la herramienta este en contacto con la pieza mecanizada. Se deben mantener a un mínimo valor para proveer un buen soporte al filo, especialmente al maquinar materiales duros, se pueden aumentar para producir cortes claros en materiales blandos. Se pueden utilizar más de un ángulo de incidencia frontal reducir la cantidad de reafilados que necesita el borde cortante.

Ángulos de salida o desprendimiento.- Sirve para separar y controlar el tipo de viruta de la pieza maquinada, se hace necesaria cuando se maquinan materiales suaves, dúctiles, materiales que tienen tendencia a formar crecimiento de filo, ayuda a reducir el esfuerzo de la herramienta de corte al aumentar la acción rebanadora de la misma.

Las herramientas de acero de alta velocidad se esmerilan con ángulos de salida mayores que cero. Las herramientas de carburos pueden tener un ángulo positivo o negativo. Los ángulos negativos se utilizan para mecanizados severos e intermitentes, se utilizan también en mecanizados a elevadas velocidades para mantener mejor sección de soporte.

Ángulos Filo primario de Corte.- El filo cortante de la herramienta, puede ser esmerilado en aproximadamente 15° para disminuir los esfuerzos sobre la superficie de contacto. Estos ángulos tienen dos propósitos:

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1- Evitar que la punta (solamente) choque con el material al tomar contacto con este.

2- Para disminuir la sección de la viruta cortada

Radio de la punta.- Elimina la esquina frágil de la herramienta, prolonga la duración de la misma y mejora el acabado. El radio puede ser grande para herramientas de desbastar y resistencia máxima, o puede ser reducido para avances ligeros; los radios mayores producen un mejor acabado en tanto no vibren con la pieza.

Para diversos tipos de maquinados (torneado, taladrado, cepillado, etc.), existen tablas en las que se especifican los ángulos , y para trabajar con distintos materiales y así mismo para distintos materiales de la herramienta de corte.

En forma general, las pastillas de carburos, de óxidos sinterizados, materiales cerámicos, son materiales frágiles por lo tanto al filo cortante habrá que proporcionarle un mayor apoyo, a fin de que no se astillen con facilidad.

Rompe Virutas.- Durante la operaciones comunes de maquinado, el control del flujo de la virutas puede no ser importante, pero esto es muy importante cuando el maquinado es semiautomático o automatizado completamente, puesto que estas pueden legar a interferir con la operación de corte. En consecuencia los rompe virutas se utilizan para curvar y partir las virutas en pedazos pequeños que puedan ser removidos con facilidad con el refrigerante o con una corriente de aire o que simplemente caigan sobre la bandeja recolectora de virutas.

Maquinabilidad de los Materiales

La maquinabilidad de un material es una propiedad tecnológica y por tanto no es una cualidad totalmente intrínseca del mismo, sino que depende de algunos factores externos.

La maquinabilidad se podría definir como la facilidad que presenta un material para ser maquinado. La facilidad de maquinado puede ser asociada a cualquiera de los siguientes aspectos:

Al acabado superficial. A la vida de la herramienta de corte. A la potencia necesaria para cortar el material. Al ritmo de eliminación del material. A la consecución de tolerancias estrechas.

Un material de buena maquinabilidad es aquel que permite obtener un buen acabado superficial y una tolerancias estrechas, que no deteriore en forma acelerada a la herramienta de corte, que no sobrecargue a la máquina todo esto cuando se elimina el material en exceso a un ritmo económico.

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Este aspecto es muy importante tomar en cuenta al momento de seleccionar el material con el cual se construirá una pieza, puesto que esto tendrá una influencia muy marcada en el costo final del producto.

En forma práctica se ha establecido un coeficiente de maquinabilidad, tomando en forma arbitraria a un material como patrón (Acero AISI 1112) al que se le ha asignado el 100% de maquinabilidad. Por tanto existen materiales con maquinabilidad menor al 100% como la mayoría de los aceros para construir maquinaria, pero también se cuenta con materiales que tienen una maquinabilidad mayor a 100% como es el caso de algunas aleaciones de aluminio que pueden tener hasta un 400% de maquinabilidad.

Fluidos de Corte.-

De lo expuesto anteriormente se deduce que tanto debido a la deformación plástica como a la fuerza de fricción se tiene que la herramienta de corte esta expuesta a zonas calientes, calor que es perjudicial para la vida de la herramienta, por lo tanto es importante que la fricción se mantenga tan baja como sea posible para reducir la generación de calor, por esto se utilizan los lubricantes.

El propósito principal del lubricante es:

Reducir la fricción Formar una capa de aceite sobre la superficie del metal facilitando su

cizallamiento. Ayudar a remover el calor generado durante el corte por cizallamiento o debido a

la fricción. Proteger el trabajo contra el enmohecimiento.

Cuando el corte es severo y el lubricante no puede remover el calor con la celeridad requerida, se utilizan líquidos refrigerantes. Estos refrigerantes pueden ser el agua, el aire, aceites livianos ó aceites solubles en agua. El propósito de los refrigerantes es:

Evacuar el calor generado durante el corte (acción refrigerante). Eliminar las virutas por acción del lavado.

Otros beneficios que se obtienen por la utilización de líquidos de corte durante el maquinado son:

Incrementa la vida útil de la herramienta de corte. Mejora la calidad de acabado superficial. Se puede incrementar la velocidad de corte para disminuir el tiempo de

maquinado.

Dependiendo del tipo de operación y el tipo de material mecanizado se debe seleccionar el lubricante o refrigerante adecuado, algunas recomendaciones generales son:

El hierro gris se mecaniza en seco. El acero y hierro dulce se mecanizan con aceites solubles en agua. El aluminio con aceites livianos, minerales u orgánicos.