rugosidad torneado

Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, 475-482

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RELACIÓN ENTRE LA RUGOSIDAD Y LAS VARIABLES DEMECANIZADO EN UNA OPERACIÓN DE TORNEADO CONINSERTOS

N.E. Mazini, J.M. Blanco, L. Iurman y D. Ziegler

Laboratorio de Metalurgia, Departamento de Ingeniería, Universidad Nacional Del Sur. Avda.Alem 1253. (8000) Bahía Blanca, Argentina

RESUMENEn este trabajo se estudian las condiciones de mecanizado en una operación de acabado en

torno que permiten obtener estados superficiales finos, semifinos o medios, con una rugosidadrespecto de una línea media con un valor de CLA o Ra entre 1,6 y 6,3 µm.

Se analizan las variaciones de la rugosidad en función del avance, la velocidad y el espesor depasada, como así también la influencia del radio de punta y el montaje de la herramienta paradistintos ángulos de posición de filo y desahogo.

Se establecen también las condiciones que permiten maquinar con menor consumo de energíaespecífica y menor tiempo de máquina.

Palabras clavesRugosidad, Torneado, Acabado, Herramientas, Insertos

INTRODUCCIÓNLa rugosidad superficial de una pieza consiste en las finas irregularidades de la textura

superficial originadas por la acción del proceso de fabricación.En una operación de maquinado el radio de punta “Rp” y el ángulo de desahogo “K´r” junto

con el avance son en principios, los parámetros que más afectan el acabado superficial y la precisiónde la medida.

En la figura 1 se esquematiza el perfil teórico que deja una herramienta con punta curva ymontada en forma tal que el ángulo de posición de filo “Kr” sea igual al de desahogo “K´r”.

En la figura 2 se hizo lo mismo con herramienta sin radio de punta con un ángulo de posiciónde filo “Kr” y otro de desahogo “K´r”.

eht

Fig. 1 – Herramienta con radio de punta y Kr = K´r

Mazini, Blanco, Iurman y Ziegler

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Fig. 2 – Herramienta sin radio de punta

La altura teórica del perfil estaría dado por las ecuaciones:

para el caso de la figura 1: 22421 aRpRpht −×−= (1)

o con la ecuación aproximada:Rp

aht 82 (2)

siendo “a” el avance en mm / rev y el radio “Rp” en mm.

Tabla 1. Valores teóricos de la altura máxima ( ht ) – [2]Rp mm a mm

0,3 0,2 0,10,4 28 12,5 30,8 14 6 1,51,2 9 4 1

para el caso de la figura 2: )´(sen´sensen

rKKrrKKraht +

××= (3)

La rugosidad cuadrática media “Rm” y la rugosidad respecto de la línea promedio “Ra” o“CLA” esta dado por las ecuaciones (4) y (5).

dxylRl

a ∫×=0

1(4)

2/1

0

2 )1( ∫×=l

m dxylR(5)

Si se calcula según los perfiles de las figuras 1 y 2, los valores de la rugosidad “Ra” o “Rm”los valores que se obtienen son generalmente menores que los obtenidos de la superficie real pormedio de un rugosímetro.

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Fig.3 – Perfil de rugosidad

Los valores más bajos de “CLA” que se pueden lograr en operaciones de acabado entorneado están entre 1, 6 y 3,2 µm [3]. En la tabla 2 se indican los valores de rugosidad que puedenobtenerse en superficies torneadas.

Tabla 2 – Valores de CLA para superficies torneadas – [3]CLA Clase o usos Aconsejable para tolerancias de

medida ±1,60 Fino 0,0753,20 Semifino 0,16,3 Medio 0,17512,5 Semirugoso 0,33

Las especificaciones y manufactura de una superficie requieren una rigurosa interacción entrelas propiedades metalúrgicas de la superficie, las condiciones de maquinabilidad y el método deensayo de la medida de la rugosidad, como así también se necesita un estudio integral delcomportamiento de la superficie, como de la estructura metalúrgica de la misma, pues ambosfactores influyen en la calidad de la superficie maquinada.

Así por ejemplo en estructuras en que las fallas por fatiga pueden afectar su superficie, encasos de corrosión bajo tensiones o en superficies con dureza crítica por desgaste, se haceimprescindible junto con las condiciones metalúrgicas un estudio de la rugosidad más conveniente.

Debe tenerse en cuenta además que el costo de torneado entre una superficie con terminaciónfina y una semirugosa aproximadamente se triplica [3].

DESARROLLO EXPERIMENTALEl estudio se hizo maquinando un acero al carbono SAE 1010, usando herramientas con

insertos de metal duro recubiertos para trabajar sin fluido de corte, en un torno paralelo con unapotencia en el motor de 5 Kw.

Los parámetros que se variaron para estudiar su influencia sobre la rugosidad, además de losya indicados como principales, el avance y el radio de punta de la herramienta, fueron la velocidad,la profundidad de la pasada y los ángulos de posición y desahogo.

Los portaherramientas utilizados tenían plaquitas triangulares con radios de punta de 0,4 y 0,8mm fijadas por medio de bridas formando ángulos de posición de filo y desahogo de 60°.

Plaquitas cuadradas con radios de punta de 0,4; 0,8 y 1,2 mm fijas por medio de bridasformando ángulos de posición de filo y desahogo de 45°.


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Plaquitas triangulares con radio de 0,8 mm, fijas por medio de bridas formando un ángulo Kr= 90° y K´r = 30°.

Todos los portaherramientas se fijaron en el torno en forma tal que durante el maquinadomantuvieran los ángulos indicados.

Por medio de un rugosímetro Taylor Hobson, se midió el “CLA” ( Ra ) de las superficiesmaquinados y se hizo un registro de las mismas.

Se trabajó usando una longitud de muestreo de 4,8 mm y un período ( cutt – off ) “λ” de 0,8con amplitudes de x 1000 y x 500.

Los registros se hicieron con una velocidad de desplazamiento de papel x 20 y se usaron lasamplitudes ya indicadas.

Por medio de un cabezal dinamométrico [4] se determino las fuerzas de torneadoespecialmente la de corte “Fc” en Newton para calcular la potencia y la energía específicaconsumida y la fuerza de empuje “Fe” para evaluar sus efectos sobre el perfil de la rugosidad.

Las ecuaciones utilizadas fueron:

Potencia:60

vFcPc ×= Newton (6)

siendo “v” la velocidad de corte usada en m / min.

El caudal de viruta: 1000×××= veaQ mm 3 (7)

“a” es el avance en mm/rev y “e” la profundidad de pasada en mm.

La energía específica :Q

PcEc = GJ/m 3 (8)

Se agregó también el tiempo para una longitud de torneado de 100 mm.

Tiempo:vat ×= 100 min (9)

RESULTADOSLos valores de avances y espesores recomendados [1] son:

para acabado extremo: a = 0,05 – 0,15 mm /rev ; e = 0,25 – 2 mmpara acabado normal: a = 0,10 – 0,30 mm/rev ; e = 0,50 – 3 mmdebiendo trabajarse con altas velocidades.

En las tablas 3 y 4 se analiza el efecto de la velocidad en operaciones de acabado extremo ynormal.


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CondicionesTabla 3. Influencia de la velocidad de corte con pasadas

de acabado normala mm 0,1 v m / min 95 190 250e mm 2 H mm 4 - 6 4 - 6 4 – 6Rp mm 0,8 CLA 4 2,5 2Kr ° 60 Ec Gj / m3 3,65 3,32 2,93

Pc Kw 1,15 2,10 2,41T min 3,33 1,66 1,25

CondicionesTabla 4. Influencia de la velocidad de corte con pasadas

de acabado extremoa mm 0,1 v m / min 190 250 375 500e mm 0,5 H mm 2 - 4 2 - 4 2 - 4 2Rp mm 0,8 CLA 1,5 1,5 1,5 1,5Kr ° 60 Ec Gj / m3 4,42 3,92 3,66 3,66

Pc Kw 0,70 0,82 1,16 1,52t min 1,66 1,25 0,83 0,62

En la tabla 5 se analiza el efecto de la profundidad de pasada trabajando a velocidad y avanceconstante para ángulos Kr = K´r = 60° y Rp = 0,8.

Condiciones Tabla 5. Influencia de la profundidad de pasadaa mm 0,1 e mm 3 2 1 0,5

v m/min 190 h mm 4 – 6 4 – 6 2 - 4 2 - 4Rp mm 0,8 CLA 3 2,5 1,5 1,5Kr ° 60 Ec Gj / m3 2,97 3,32 3,67 4,42

Pc Kw 2,83 2,10 1,16 0,70t min 1,66 1,66 1,66 1,66

En las tablas 6a y 6b se puede apreciar la influencia que tiene el radio de punta de laherramienta en combinación con distintos avances.

Condiciones Tabla 6a. Influencia del avance para Rp = 0,8e mm 0,5 a mm 0,3 0,2 0,1

V m/min 250 h mm 10 - 16 6 - 10 2 - 4Kr ° 60 CLA 3 2 1,5

Ec Gj / m3 2,3 2,5 3,92Pc Kw 1,43 1,04 0,82t min 0,42 0,63 1,25


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Condiciones Tabla 6b. Influencia del avance para Rp = 0,4e mm 0,5 a mm 0,3 0,2 0,1

v m/min 250 h mm 20 - 28 12 - 14 3 – 4Kr ° 60 CLA 6 3,5 2

Ec Gj / m3 1,82 2,23 2,74Pc Kw 1,14 0,93 0,57t min 0,42 0,63 1,25

En la tabla 7 se indica la rugosidad obtenida cuando se trabajó con una herramienta de ángulode posición de filo 90° y uno de desahogo de 30°.

Condiciones Tabla 7. Influencia del avance para Kr = 90° y K´r = 30 °e mm 0,5 a mm 0,3 0,2 0,1

v m/min 250 h mm 4 - 3 2 – 1,5 2Rp mm 0,8 CLA 3 - 5 2 2

En la tabla 8 se observa la influencia que tiene el radio de punta en una operación de acabadonormal con un montaje de herramienta Kr = K´r = 45°

Condiciones Tabla 8. Influencia del radio de puntaA mm 0,3 Rp mm 0,4 0,8 1,2E mm 0,5 h t 28 14 9

v m/min 250 h mm 36 12 – 16 8 – 10Kr ° 45 CLA > 10 4 2,5

En las figuras 4, 5 y 6, se llevaron los perfiles obtenidos en el rugosímetro como indicativopara algunos casos particulares que se indican en cada uno.

x 500 x 1000 x 1000↑→ x 20 ↑→ x 20 ↑→ x 20

Fig. 4 – Perfil para tabla 6a = 0,3

Fig. 5 – Perfil para tabla 8Rp = 0,4

Fig. 6 – Perfil para tabla 8Rp = 0,8


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DISCUSIÓNSegún se aprecia en las tablas 3 y 4 en desbastes normales conviene trabajar con velocidades

altas para disminuir el valor del CLA, en cambio con condiciones de acabado extremo paravelocidades superiores a 200 m/min si bien no se aprecia variaciones en la rugosidad convienetrabajar con la mayor velocidad posible, pues mejora el consumo de energía específica y disminuyeel tiempo de maquinado.

De la tabla 5 se observa que el espesor de pasada si bien no tiene tanta importancia como lavariación del avance, su disminución hace caer tanto la altura de picos a valles como el CLA.

De las tablas 6a, 6b y 7 se ve la importancia que tiene sobre la disminución de la rugosidad lacaída de los valores del avance.

Tanto la disminución del avance como de la profundidad consiguen una menor rugosidad aexpensas de un mayor consumo de potencia específica, en el caso particular del avance el tiempo demaquinado aumenta, tablas 5, 6a y 6b.

De las tablas 6a, 6b y 8 se comprueba que para iguales condiciones de maquinado el mayorradio de punta produce una disminución muy importante en el valor de la rugosidad, lo que seaprecia también en las figuras 5 y 6.

De las tablas 6a y 7 se observa que maquinando con las mismas plaquitas triangulares peromontadas con distintos ángulos de posición de filo y desahogo, si bien se obtienen valores similaresde CLA, los perfiles obtenidos tienen menores alturas de pico a valle, cuando el ángulo de desahogoes menor.

En aquellas condiciones que se originan fuerzas de empuje radial “Fe” altas los diagramasmuestran perfiles irregulares tal es el caso de la figura 4 donde el valor de “Fe” fue de 893 Nproduciendo inestabilidad en la operación. En cambio en las figuras 5 y 6 se ven dos perfiles en quelas cargas fueron 200 N dando cortes de perfiles limpios.

CONCLUSIONES- Las condiciones de maquinado que permiten un acabado fino con CLA < 1,60 son:- profundidad 0,5 mm, avance 0,1 mm, velocidades superiores a 200 m / min, herramientas con

Kr y K´r de 60° y Rp = 0,8 mm.- En estas condiciones cuanto mayor sea la velocidad usada menor es el consumo de potencia

específica y menor el tiempo de maquinado.- Las condiciones para un acabado semifino con CLA < 3,2 son:

profundidades menores de 3 mm con avance de 0,1 mm ó profundidades de 0,5 mm conavances menores de 0,3 mm ambos casos con velocidades superiores a los 200 m / min yherramientas con Kr = K´r = 60°; Rp = 0,8 mm.

- Las demás condiciones de torneado estudiadas permiten obtener estados superficiales medioscon CLA < 6 excepto con herramientas de Kr = 45°´, Rp = 0,4 mm; con avance de 0,3 yespesor de 0,5 y velocidad de 250 m / min que dan un estado semirugoso con CLA > 10.

- Las herramientas con insertos triangulares permiten obtener rugosidades similares con menoralturas de pico a valle si su montaje se hace con valores de K´r lo más chico posible.


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REFERENCIAS1. S. Coromant. El mecanizado moderno, ISBN 91-97-22-99-2-X, VI 48, 1994.2. M.S. Carrilero – M.M. Barceno. Relación paramétrica del mecanizado, ISBN 84-7786-184-

6, 53, 1994.3. M. Field, J. Kahles, W.P. Koster, Metal Handbook, Vol. 16, 22, ASM, 1989.4. N.E. Mazini – J.M. Blanco – L. Iurman – D. Ziegler, Cabezal Dinamométrico para Medir

Fuerzas de Torneado Usando Herramientas con Insertos de Metal Duro, Actas de lasJornadas SAM 99, 1999.

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