tecnología de los metales
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Fundamentos de la teoría de corte de los metales
Formación de la viruta y fenómenos que la acompañan
El corte (formación de la viruta) es un proceso físico complicado que se
acompaña de un gran desprendimiento de calor, deformación del metal,
desgaste de la herramienta cortante y recrecimiento del filo de la cuchilla. El
conocimiento de las regularidades del proceso de corte y de los fenómenos que
lo acompañan, permite dirigir racionalmente este proceso y fabricar las piezas
de más alta calidad, de forma más económica y más productiva.
Al cortar diferentes materiales se forman los siguientes tipos principales de
viruta: larga o continua, cortada y corta o fraccionada.
Tipos de viruta:
a: larga o continua, b: cortada, c: corta o fraccionada
La viruta larga o continua
Se forma al cortar metales dúctiles (por ejemplo, el acero dulce, el latón) con
altas velocidades de corte y pequeños avances, a temperaturas de 400 a 500
°C. A la formación de la viruta continua contribuye la reducción del ángulo de
corte (siendo óptimo el valor del ángulo de afilado) y la alta calidad del líquido
lubricante enfriador.
La viruta cortada.
Está formada por elementos bien definidos, ligados entre sí y tiene la superficie
en forma de sierra. Este tipo de viruta se forma durante el maquinado del acero
duro y de algunos tipos de latón con pequeñas velocidades de corte y grandes
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avances. Al cambiar las condiciones de corte, la viruta cortada puede
transformarse en viruta continua y viceversa.
La viruta corta o fraccionada
Se origina al cortar materiales poco dúctiles (hierro fundido, bronce) y tiene
forma de fragmentos aislados.
La herramienta cortante deforma no sólo la capa arrancada, sino también la
capa superficial de la pieza trabajada.
Recrecimiento del filo de la cuchilla
a: parte recrecida del filo, y 1 ángulos de corte antes
y después del recrecimiento del filo, respectivamente
La deformación de la capa superficial del metal depende de diferentes factores
y su profundidad constituye desde centésimas de milímetro hasta varios
milímetros. A consecuencia de la deformación, la capa superficial del metal se
endurece, aumenta su dureza y disminuye la ductilidad, es decir, tiene lugar el
llamado endurecimiento por deformación en frío de la superficie que se
mecaniza.
Cuanto más blando y más dúctil sea el metal trabajado, tanto más intenso será
el proceso de formación de la capa endurecida por deformación en frío. La
capacidad de endurecimiento por deformación de las fundiciones es
considerablemente menor que la de los aceros.
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La profundidad y el grado de aumento de la resistencia mecánica a causa del
endurecimiento por deformación en frío crecen con el incremento del avance y
de la profundidad de corte y se reducen con la elevación de la velocidad de
corte. Cuando se trabaja con una herramienta mal aguzada, la capa endurecida
por deformación en frío es aproximadamente 2 a 3 veces mayor que durante el
trabajo con una herramienta bien afilada. El empleo del líquido lubricante
enfriador disminuye considerablemente la profundidad y el grado del
endurecimiento por deformación de la capa superficial.
Al mecanizar metales, sobre todo los dúctiles, en la proximidad inmediata del
filo de la cuchilla, a su faceta anterior se adhiere el material que se trabaja,
formando una prominencia metálica cuneiforme y cuya dureza supera 2 a 3
veces la del material que se mecaniza. Representando algo así como la
continuación de la cuchilla, esta parte recrecida cambia los parámetros
geométricos de la cuchilla (Si < 6), participa en el corte del metal y ejerce
influencia sobre los resultados del maquinado, el desgaste de la cuchilla y las
fuerzas que actúan sobre la herramienta.
Cuando la velocidad de corte v < < 5 m/min no hay recrecimiento. La magnitud
máxima de la prominencia corresponde a v = 10 a 20 m/min para las
herramientas de acero rápido y v> > 90 m/min para las de aleaciones duras.
Por eso, a tales velocidades no se recomienda que se haga el maquinado fino.
Con el aumento del avance se intensifica el recrecimiento del filo, por lo que
durante el maquinado fino se recomienda un avance de 0,1 a 0,2 mm/rev. La
profundidad de corte no ejerce influencia sustancial sobre las dimensiones de
la prominencia.
Para reducir la prominencia se recomienda que disminuya la rugosidad de la
faceta anterior en la herramienta cortante, que aumente, en la medida de lo
posible, el ángulo de afilado y (por ejemplo, cuando y = 45°, la prominencia casi
no se forma) y que se empleen líquidos lubricantes enfriadores. Al contrario,
durante el maquinado de desbaste la formación de la prominencia se
manifiesta favorablemente al proceso de corte.
Fenómenos térmicos que se presentan durante el corte
Durante el corte de metales cerca de 80% de trabajo se gasta en la
deformación plástica y elástica de la capa que se arranca, y de la capa próxima
a la superficie maquinada y la superficie de corte, y cerca de 20% de trabajo,
para superar el rozamiento en las facetas anterior y posterior de la cuchilla. Un
85 a 90% del trabajo de corte se transforma en energía térmica, cuya cantidad
(en la zona de corte) influye sustancialmente en el desgaste y la resistencia de
la herramienta y en la rugosidad de la superficie mecanizada.
Se ha establecido que más del 70% de este calor se evacúa con la viruta, un
15...20% se absorbe por la herramienta, un 5 a 10%, por la pieza y sólo el 1 %
se emite al espacio circundante.
La temperatura en la zona de corte depende de las propiedades físico-químicas
del material que se trabaja, de los regímenes de corte, de los parámetros
geométricos de la herramienta cortante y del líquido lubricante enfriador que se
utiliza.
Cuando se mecaniza el acero se produce más calor que cuando se trabaja el
hierro fundido. Con el aumento de la resistencia mecánica y de la dureza del
material que se labra, la temperatura en la zona de corte se eleva y en
condiciones pesadas de trabajo puede alcanzar 1000 a 1100 °C.
Al aumentar el avance, la temperatura en la zona de corte crece, pero con
menor intensidad que cuando aumenta la velocidad de corte. La profundidad de
corte ejerce mínima influencia (en comparación con la velocidad y el avance)
sobre la temperatura en la zona de corte.
Con el aumento del ángulo de corte 6 y del ángulo principal de ataque (p la
temperatura en la zona de corte crece, mientras que con el crecimiento del
radio r de redondeo de la cuchilla, decrece. El empleo del líquido lubricante
enfriador reduce sustancialmente la temperatura en la zona de corte.
Desgaste de la herramienta cortante
El desgaste de la herramienta cortante se diferencia considerablemente del
desgaste que sufren las piezas de máquinas, puesto que la zona de corte, en la
que trabaja la herramienta, se caracteriza por la pureza química de las
superficies que rozan entre sí, la alta temperatura y presión en la zona de
contacto.
El mecanismo de desgaste de la herramienta durante el corte de metales es
complicado e incluye los desgastes abrasivo, adhesivo y difusivo. La influencia
específica de cada uno de éstos depende de las propiedades del material, de la
herramienta y de la pieza, así como de las condiciones de maquinado (en
primer lugar, de la velocidad de corte).
Formas geométricas de desgaste de la cuchilla
hp: desgaste de la faceta posterior hh: desgaste del apoyo
hr: desgaste radial r: radio de redondeo
El desgaste abrasivo de la herramienta consiste en lo siguiente: la viruta
penetra en la superficie activa de la herramienta y por medio de rayaduras
microscópicas arranca el metal de esta superficie. La intensidad del desgaste
abrasivo sube con la reducción de la velocidad de corte.
El desgaste adhesivo de la herramienta tiene lugar como consecuencia de la
adherencia o del pegamiento que sufren las superficies en rozamiento y la
separación ulterior de partículas diminutas del material de la herramienta.
Como resultado de este desgaste que tiene lugar a temperaturas inferiores a
los 900 °C surgen cráteres en las superficies activas de la herramienta, los
cuales, al unirse, forman hoyos. El desgaste adhesivo disminuye al elevar la
dureza de la herramienta.
El desgaste difusivo de la herramienta, que tiene lugar a temperaturas de 900 a
1200 °C, es resultado de la disolución mutua del metal de la pieza y del
material de la herramienta. La actividad del proceso de disolución se eleva al
aumentar la temperatura de la capa de contacto, es decir, al crecer la velocidad
de corte. Por eso, el desgaste difusivo puede considerarse como uno de los
tipos de desgaste químico que conduce a cambios en la composición química y
las propiedades físico-químicas de las capas superficiales de la herramienta y
que reduce su resistencia al desgaste.
Cuanto más altas sean las propiedades mecánicas del material a mecanizar y
el contenido de carbono, cromo, tungsteno, titanio y molibdeno en éste, tanto
más intenso será el desgaste de la herramienta. La influencia máxima sobre la
intensidad de desgaste se debe a la velocidad de corte, la mínima, a la
influencia del avance y de la profundidad de corte.
El desgaste que predomina en la faceta posterior se observa habitualmente
durante el maquinado con bajas velocidades de corte de aceros, cuando se
arranca una capa fina (no más de 0,15 mm) de material, así como cuando se
mecaniza el hierro fundido.
El desgaste que predomina en la faceta anterior se observa cuando se
desarrollan gran presión y alta temperatura en la zona de corte. Semejantes
condiciones surgen durante el corte con altas velocidades y sin refrigeración
del acero, cuando se corta una capa de gran espesor (más de 0,5 mm). Si el
desgaste de la cuchilla tiene lugar en la faceta anterior, en ésta se forma un
hoyo, cuyos ancho y profundidad aumentan constantemente. En este caso, el
ancho del puente entre el hoyo y el filo disminuye sin cesar y cuando
desaparece este puente, el desgaste es total o catastrófico
El desgaste de la broca por la faceta posterior, cerca de la parte periférica del
filo es el más difundido y surge como resultado del aumento de la temperatura
en la zona de corte. El desgaste del filo transversal (arista frontal) de la broca
con mayor frecuencia surge cuando se mecanizan materiales duros o cuando
es alta la velocidad de corte. El desgaste de la broca por la faceta anterior tiene
consecuencias más graves durante el taladrado profundo. El desgaste del
sector del margen de corte próximo al cuerpo cortante de la broca, depende de
la magnitud de las deformaciones, del desvío de la broca y de otros factores.
Formas geométricas de desgaste de la broca
fcp: desgaste de la faceta posterior hm: desgaste del margen de corte, ha:
desgaste de la faceta anterior, hc11: desgaste del tramo cilíndrico, hcon:
desgaste del tramo cónico
Durante el maquinado fino de las piezas como criterio tecnológico del desgaste
de la herramienta se adopta un desgaste, al superar el cual, la precisión de las
dimensiones obtenidas y la rugosidad de la superficie trabajada ya no
corresponden a las prefijadas (por los requerimientos técnicos). De esta
manera, el criterio tecnológico del desgaste de las herramientas con
dimensiones establecidas de antemano para mecanizar los agujeros (por
ejemplo, de los escariadores) es el desgaste por la faceta posterior, a
consecuencia de lo cual el taladro mecanizado no corresponde a la tolerancia
prefijada en cuanto a la dimensión o la calidad de la superficie.
La resistencia de la herramienta se caracteriza por su capacidad de mecanizar
durante largo tiempo, sin reafilarla, piezas brutas de acuerdo con los
requerimientos técnicos. El período de resistencia se determina por la duración
del trabajo directo de la herramienta (excluyendo las interrupciones) entre dos
reafilados consecutivos; este tiempo se llama período de durabilidad o vida útil
de la herramienta.
La velocidad de corte ejerce la mayor influencia sobre la durabilidad de la
herramienta. Así, el aumento de la velocidad de corte en un 50% reduce la
durabilidad de la herramienta aproximadamente en un 75%, mientras que un
aumento análogo del avance disminuye la durabilidad de la herramienta en un
60%.
Influencia del líquido lubricante enfriador (LLE) sobre el
proceso de corte
El empleo del LLE influye favorablemente sobre el proceso de corte de
metales: se reduce considerablemente el desgaste de la herramienta cortante,
se eleva la calidad de la superficie mecanizada y decrecen los gastos de
energía.
A la par con esto disminuye el recrecimiento del filo de la herramienta y mejora
la evacuación de la viruta y las partículas abrasivas de la zona de corte. Mínimo
efecto produce el empleo del LLE al mecanizar el hierro fundido y otros
materiales frágiles.
Al efectuar el corte con una herramienta de aleación dura a altas velocidades,
se recomienda organizar el suministro ininterrumpido y abundante de LLE ya
que durante el enfriamiento intermitente en las placas de aleación dura pueden
formarse grietas y la herramienta se estropea.
El empleo de LLE es más eficaz durante el maquinado de materiales tenaces y
dúctiles. En este caso, al aumentar el espesor de la capa cortada y la velocidad
de corte, la influencia positiva del LLE sobre el proceso de formación de la
viruta disminuye. La elección del LLE depende del material que se trabaja y del
tipo de maquinado.
El LLE ha de tener altas propiedades refrigerantes, lubricantes y anticorrosivas
y no ser nocivo para el personal.
Todos los LLE pueden dividirse en dos grupos principales: los refrigerantes y
los lubricantes. Al primer grupo pertenecen las soluciones y emulsiones
acuosas con capacidad calorífica y conductibilidad térmica altas. Gran difusión
obtuvieron las emulsiones acuosas con sustancias tensoactivas; estas
emulsiones acuosas se emplean durante los trabajos de desbaste, cuando la
rugosidad de la superficie trabajada no debe satisfacer requisitos elevados.
Al segundo grupo pertenecen los aceites minerales, el queroseno, así como las
soluciones de sustancias tensoactivas en aceite o en queroseno. Los líquidos
de este grupo se emplean en los trabajos de acabado.
También se aplican los aceites adicionados de aditivos azufrados, en los cuales
como adición activada se usa el azufre.
Factores principales que influyen sobre la fuerza de corte
Cuando se conocen las fuerzas que actúan en el proceso de corte, es posible
calcular y elegir la herramienta cortante y los dispositivos, determinar la
potencia consumida para el corte, así como explotar racionalmente la máquina
herramienta, los útiles y los dispositivos.
Fuerzas que actúan sobre la cuchilla:
l: cuchilla, 2: pieza bruta, P: fuerza cortante, Px, Py y Pz: componentes de la
fuerza cortante, v: velocidad de corte, s: avance, t: profundidad de corte
La formación de la viruta durante el corte tiene lugar bajo la acción de la fuerza
de corte que supera la resistencia del metal. La fuerza de corte P (en N)
durante el torneado tiene tres componentes a la figura anterior
La tangencial Pz, orientada verticalmente hacia abajo, que determina la
potencia que se consume para realizar el movimiento principal de la máquina
herramienta
La radial Py, dirigida a lo largo del avance transversal (esta fuerza aparta la
cuchilla y se toma en consideración para calcular la resistencia mecánica de la
herramienta y del mecanismo de avance transversal de la máquina);
La axial Px, orientada a lo largo del avance longitudinal (esta fuerza trata de
apartar la cuchilla hacia el carro y se toma en consideración para determinar la
carga admisible sobre la cuchilla y los mecanismos de la máquina durante el
avance longitudinal).
Entre las tres componentes de la fuerza de corte existen aproximadamente las
correlaciones siguientes: Py = = (0,25...0,5) Pz\ Px = (0,1...0,25) Pz.
En la mayoría de los casos Pz « «í 0,9/\ lo cual permite realizar mu¬chos
cálculos prácticos no por la fuerza P de corte, sino por su componente
tangencial Pz.
Durante el corte, sobre los valores de Pz, Py y Px influyen los factores
siguientes: el metal que se mecaniza, la profundidad de corte, el avance, el
ángulo de afilado de la cuchilla, el ángulo principal de ataque de ésta, el radio
de redondeo del filo de la cuchilla, los líquidos lubricantes enfriadores, la
velocidad de corte y el desgaste de la cuchilla.
Las propiedades físico-químicas del metal que se trabaja influyen
sustancialmente sobre la magnitud de la fuerza de corte. Cuanto mayor sea el
límite de resistencia a la tracción y la dureza del metal que se mecaniza, tanto
mayores serán Pz, Pv y Px.
El aumento de la profundidad de corte y del avance también conduce al
incremento de las componentes de la fuerza de corte, además, la profundidad
de corte influye en mayor grado sobre la fuerza de corte que el avance.
Cuanto menor sea el ángulo de afilado y o cuanto mayor sea el ángulo de corte
6 = 90° — y, tanto mayor será la fuerza de corte.
Cuando crece el ángulo principal de ataque <p, la fuerza Py disminuye
bruscamente y la fuerza Px aumenta. Para las cuchillas de aleaciones duras, al
aumentar <p de 60 a 90°, la fuerza Pz prácticamente no varía. Con el aumento
del radio r de redondeo del filo de la cuchilla las fuerzas Pz y Py crecen,
mientras que Ja fuerza Px decrece.
Los líquidos lubricantes enfriadores aminoran la fuerza Pz cuando el espesor
de la viruta que se corta es pequeño; el incremento del espesor de la capa
cortada y de la velocidad de corte reduce el efecto obtenido con el empleo del
LLE.
Cuando crece la velocidad de corte de 50 a 400...500 m/min, la fuerza Pz
disminuye considerablemente; el aumento ulterior de la velocidad de corte sólo
da una reducción insignificante de la fuerza Pz.
El desgaste de la faceta posterior de la cuchilla agranda considerablemente las
fuerzas Py y Px.
El material del cuerpo cortante de la cuchilla también ejerce influencia sobre la
fuerza de corte; por ejemplo, las cuchillas de aleaciones duras arrancan la
viruta con una fuerza algo menor que las de acero rápido.
Rugosidad de la superficie y precisión del maquinado
En las superficies de las piezas, después de su maquinado mecánico, siempre
quedan irregularidades. El conjunto de irregularidades así formado se llama
rugosidad de la superficie.
Formación de las rugosidades transversal
La magnitud de la rugosidad ejerce una influencia directa sobre la calidad de
las uniones móviles y fijas. Las piezas que tienen superficies muy rugosas en
las uniones fijas, no aseguran la precisión requerida y la fiabilidad del montaje,
y cuando éstas se emplean en las uniones móviles, se desgastan rápidamente
y no garantizan los huelgos iniciales.
En la superficie maquinada con una cuchilla de tornear se forman
irregularidades en forma de resaltos y canales helicoidales. Las irregularidades
dispuestas en sentido del avance s forman la rugosidad transversal y las
irregularidades orientadas en dirección de la velocidad de corte v, la rugosidad
longitudinal. La altura H y el carácter de las irregularidades dependen del
material que se mecaniza, del régimen de corte, de la geometría de los filos de
la herramienta y de otros factores.
La magnitud H crece con el aumento del avance y disminuye con el incrementó
del radio de redondeo del filo de la cuchilla.
Altura H de las rugosidades que surgen durante el torneado:
N: influencia del ángulo complementario de ataque (p„ b: influencia del avance
s, c: influencia del radio r de redondeo del filo de la cuchilla
Cuando crece la velocidad de corte, la altura H de las irregularidades
disminuye. El aumento del ángulo complementario de ataque y la reducción del
de incidencia, así como la embotadura del filo conducen al aumento de la
rugosidad de la superficie. En las condiciones de producción la rugosidad de
una superficie trabajada se evalúa comparándola con un patrón. Como patrón
se emplea una pieza mecanizada, cuya rugosidad está reconocida como apta.
Las desviaciones respecto al dibujo de las dimensiones y otros parámetros de
la pieza acabada se deben a los errores del maquinado, cuya magnitud ha de
encontrarse dentro de los límites de tolerancia.
Los errores se subdividen en sistemáticos y aleatorios. Son sistemáticos los
errores que durante el maquinado de una partida de piezas se repiten en cada
una de ellas. Los errores sistemáticos por su magnitud son mayores que los
aleatorios y determinan la pre-cisión de la pieza que se trabaja.
Son causas principales de los errores sistemáticos del maquinado:
los defectos de la máquina herramienta (por ejemplo, la falta de rectitud de las
guías de la bancada y de los carros, la falta de paralelismo o de
perpendicularidad de las guías respecto al eje del husillo, la fabricación no
precisa del husillo y de sus bases, etc.); la deformación de las unidades de
montaje (conjuntos) y de las piezas en la máquina herramienta bajo la acción
de las fuerzas de corte y del calentamiento en el proceso de trabajo; la
fabricación inexacta de las herramientas cortantes, de los dispositivos y su des-
gaste; la deformación de las herramientas y de los dispositivos bajo la acción
de las fuerzas de corte y del calentamiento durante el maquinado; los errores
en la instalación y el ajuste de la pieza bruta en la máquina herramienta; la
deformación de la pieza bruta bajo la acción de las fuerzas de corte y de
apriete o debida al calentamiento durante el maquinado; los errores que surgen
al instalar y ajustar las herramientas para una dimensión determinada; los
errores de medición provocados por la inexactitud de los instrumentos y de los
aparatos de medida, su desgaste y deformación o por error del obrero en la
lectura de las indicaciones de los dispositivos de medida.
Las causas que provocan los errores sistemáticos pueden detectarse y
eliminarse.
Son aleatorios los errores que surgen a consecuencia de deformaciones
elásticas casuales de la pieza bruta, de la máquina herramienta, del dispositivo
o de la herramienta cortante.