tema a2 170 “análisis experimental de las fuerzas de corte

MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Tema A2 170

“Análisis experimental de las fuerzas de corte con arranque de viruta en operaciones de

cilindrado orientado a la enseñanza”

D. Roldána, I. Cuevaa, O. Ruiza, A. Ortiza

a“Unidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales. Facultad de Ingeniería, UNAM. Laboratorios de Ingeniería Mecánica “Ing. Alberto Camacho

Sánchez”. Circuito interior, Anexo de Ingeniería, Ciudad Universitaria, 04510 México D.F.

* Contacto: [email protected]

R E S U M E N

La demanda de profesionales con bases sólidas en las diferentes áreas de conocimiento de las ingenierías, en este caso en

el área de manufactura es cada día mayor ya que se requiere de personal calificado. En uno de los temas en donde se

demanda cada día va en aumento el número de ingenieros con robusta formación teórica y de amplios conocimientos

técnicos, como en operaciones que involucran el arranque de viruta para la obtención de piezas con geometrías

determinadas, tolerancias muy cerradas y acabados superficiales de alta calidad. Con el estudio de los procesos de

mecanizado por arranque de viruta se busca generar una guía práctica donde se analicen dichos procesos como una

herramienta que fortalezca los conocimientos teóricos a través de experimentos, los cuales involucran cálculos de algunas

variables que intervienen en dichos procesos. Un ingeniero con conocimiento basto en los procesos de manufactura y

dominio de los parámetros de mayor incidencia en las operaciones de corte será capaz de generar soluciones óptimas en

la manufactura de piezas que involucran ajustes, tolerancias dimensionales y geométricas, así como rugosidades que

permitan el correcto funcionamiento de los elementos que han de ensamblar y una alta calidad dentro de estándares

internacionales.

Palabras Clave: Fuerzas de corte, operaciones con arranque de viruta, operaciones de torneado.

A B S T R A C T

The demand of professionals who have solid knowledge on the different engineering areas, specifically related to

manufacturing, increases day by day. This is so because there is the need of having qualified personnel. One of the aspects

in which there is a high demand of professionals with thorough theoretical knowledge and ample technical expertise, is

that where operations involve the extraction of shavings to get geometrical shapes, very narrow tolerance and high-quality

products with surfaces roughness.

The research on mechanized processes of the extraction of shavings aims at creating a practical guide where such

processes can be analyzed. This would provide a tool to reinforce the theoretical concepts by means of experimenting.

Such experiments would involve the calculation of variables taking part in such processes. An engineer who has a vast

knowledge on the manufacturing processes and the control of the parameters of highest incidence in cutting operations,

will be able to provide optimal solutions to manufacture the pieces that involve adjustments, dimension tolerance and

roughness that will allow the correct functioning of the assembling elements and a high quality within international

standards.

Keywords: Cutting forces, chip removal operations, turning operations.

a aD. Roldán , I. Cueva , O. Ruiz , A. Ortiz

a“Unidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales. Facultad de Ingeniería, UNAM. Laboratorios de Ingeniería Mecánica “Ing. Alberto Camacho

Sánchez”. Circuito interior, Anexo de Ingeniería, Ciudad Universitaria, 04510 México D.F.

* Contacto: [email protected]

ISSN 2448-5551 MM 126 Derechos Reservados © 2018, SOMIM

mailto:[email protected]


1. Introducción

La importancia de conocer la magnitud de las fuerzas de

corte que afectan las operaciones básicas de torneado como

el cilindrado y careado de piezas que requieren una gran

precisión, pueden ayudar a comprender las afectaciones

debido a vibraciones y deformaciones que se pueden

originar en las piezas de trabajo. Un problema frecuente es

en operaciones de torneado resulta cuando se sobrepasan las

fuerzas de corte permisibles; debido al desgaste de las

herramientas utilizadas para tal fin. Estos factores son de

gran importancia principalmente en la industria aeronáutica

y en el sector salud así como en otros campos ingenieriles,

donde se trabaja con aleaciones de costos elevados y

geometrías con un grado de complejidad considerable y que

muchas veces son rechazadas por no cumplir con los

requerimientos de diseño, siendo necesario un retrabajo,

teniendo como consecuencia un impacto negativo por

debido al gran costo de manufactura.

Por otra parte, para los estudiantes de ingeniería el saber

y poder trabajar con nuevos materiales, cada vez más

sofisticados o incluso los llamados “exóticos” como se dice

con frecuencia, es de gran importancia para el desarrollo de

nuevos proyectos en grupos de trabajo integrados por

alumnos y académicos. Por otra parte, el conocimiento de

los parámetros adecuados para el maquinado aunado al

desarrollo de protocolos y procedimientos específicos para

operaciones de torneado de materiales de ingeniería son

herramientas útiles para los futuros profesionistas. Entre las

aleaciones con las que se podría trabajar se encuentran:

aluminio litio serie 8000, aleaciones de titanio grado 5,

aceros inoxidables serie 300-400, aleaciones base níquel

tipo 625-925, aleaciones base cobalto Aermet 100-340 entre

otros utilizados principalmente por su alta resistencia a la

corrosión en ambientes marinos, así también se podrían

considerar materiales ligeros de alta resistencia para la

industria aeronáutica.

Por estas razones se han realizado análisis y modelos

predictivos que ayuden a cuantificar y evaluar estas fuerzas

de corte, así como los principales parámetros que

intervienen durante las operaciones con arranque de viruta.”

(Dorlin & et al., 2015)

Las fuerzas de corte y la rugosidad superficial que se

obtiene en el proceso de maquinado en un torno durante los

procesos de cilindrado se realizan tomando en cuenta cuatro

parámetros principales como son: velocidad de corte,

avance, profundidad de corte y ángulo de ataque.

Los modelos matemáticos permiten el cálculo de las

fuerzas de corte en operaciones con herramientas de

geometría compleja. Este tipo de modelos están basados en

la suposición de que las fuerzas de corte son proporcionales

al espesor de la viruta, que básicamente es una relación de

las condiciones de corte, la geometría, el proceso y otras

variables del mismo. Estas relaciones se estudian por

separado siendo necesaria la experimentación para la

obtención de los coeficientes específicos de corte que

relacionan las diferentes magnitudes y parámetros medidos.

La predicción fiable del valor de las componentes de

fuerzas en operaciones de mecanizado es fundamental para

determinar los requisitos de potencia, los errores

geométricos en los componentes mecanizados, las

características de las vibraciones, los requerimientos de

resistencia de las herramientas de corte, el diseño de otras

herramientas de corte, o el dimensionamiento de las propias

máquinas de mecanizado, de manera directa o indirecta son

un paso intermedio necesario para el cálculo de muchos

aspectos en los procesos de mecanizado. Por lo cual su

importancia es vital para las siguientes actividades.

Figura 1. Configuración básica del proceso de cilindrado en

torno.

En el proceso de torneado, la pieza de trabajo tiene un

diámetro especifico D (mm), gira a una velocidad angular

N (rev/min), una velocidad de avance; fv (m/min) que

realiza la función de trasladar la herramienta de corte a lo

largo de la pieza de trabajo, y por último, la velocidad de

corte o velocidad superficial; cv (m/min) que se produce en

el punto donde se está maquinando en la figura 2 se pueden

apreciar estos parámetros que identifican al proceso de

torneado.

Figura 2. Parámetros involucrados en el proceso de

torneado.



2. Parámetros de corte en el cilindrado

Para darle una interpretación a los resultados obtenidos en

cuanto los parámetros de diámetro mayor, herramientas

utilizadas y la velocidad de husillo se realizó un análisis

matemático de las fuerzas teóricas.

Si se sabe que las ecuaciones para obtener la velocidad

de corte, el avance y la profundidad de corte para una

operación de torneado son:

0

min 1000c

D mm N rpmmv

=

o bien:

0

60c

D mm N rpmmmv

s

=

es posible obtener la tasa de remoción de material:

cRMR v d f=

donde:

d = profundidad de corte

f = avance

La potencia de corte se obtiene a partir del producto de la

potencia unitaria del material y la rapidez de remoción de

material.

3

3c u

Nm Nm mmP P RRM

s smm

=

A partir de la potencia de corte se puede obtener la fuerza

teórica de corte.

c

c

c

NmP

sF N

mv

s

=

La fuerza de corte teórica para un proceso de torneado

03

1000

1c u

mm NmF N P f mm t mm

m mm

=

La correcta elección de los parámetros de corte es un

factor clave que determina la calidad de la superficie a

maquinar y sirve para cerciorarse que la formación de las

virutas está dentro del campo de la geometría de la

herramienta. Además, influye en el grosor de la viruta, así

como también en la forma de rotura o desahogo de ésta.

• Diámetro inicial, iD (mm): es el diámetro de la pieza

en bruto del material o el diámetro de la pieza a

maquinar antes de realizar desbaste.

• Diámetro final, fD (mm): es el diámetro de la pieza de

trabajo terminada después de maquinados previos.

• Diámetro transitorio, tD (mm): es el diámetro que se

obtiene en la pieza de trabajo después de haber

realizado un desbaste.

• Diámetro medio, mD (mm): es el diámetro que se

obtiene entre la diferencia del diámetro inicial y final

como se muestra en la ecuación 1.

2

i f

m

D DD

+= (1)

• Velocidad del husillo, N (rev/min): Es la velocidad a

la que gira el husillo en donde se encuentra acoplado el

plato y mordazas para sujetar la pieza de trabajo.

• Velocidad de corte o velocidad superficial, cV (m/min):

es la velocidad existente entre el material y la

herramienta, conocida como velocidad tangencial. La

velocidad de corte se puede determinar como se muestra

en la ecuación 2.

1000c

D Nv

= (2)

• Avance f (mm/rev): Es el avance por revolución de

giro del husillo.

• Velocidad de avance fv (m/min): es la velocidad a la

que se mueve la herramienta de corte a lo largo de la

pieza de trabajo y está determinado por el avance por

revolución de giro del material de trabajo como se

muestra en la ecuación 3. La velocidad de avance es un

factor muy importante y puede influir en el volumen de

producción y en la duración de la herramienta de corte.

Una velocidad muy baja en maquinado ocasionaría

pérdidas de tiempo; una velocidad muy alta hará que la

herramienta tenga un desgaste acelerado. Por ello, la

velocidad y el avance correctos son importantes según

el material de la pieza y el tipo de herramienta de corte

que se utilice.

fv f N= (3)

• Profundidad de corte d (mm): es la diferencia entre la

superficie de trabajo y la superficie maquinada, dividida

entre dos. La profundidad de corte se mide siempre en

ángulos rectos respecto a la dirección de avance de la

herramienta, no al filo. La manera en que el filo

principal se aproxima a la pieza de trabajo se expresa

como el ángulo de entrada k , el cual representa el

ángulo formado entre el filo y la dirección de avance.



• La velocidad de remoción de material RRM

(mm3/min): es una forma de cuantificar cuanto

volumen de material se está removiendo por minuto de

la pieza de trabajo, dicho valor se obtiene como se

muestra en la ecuación 4.

m fRRM D d v= (4)

• La fuerza de corte cF (N): se puede determinar en un

punto tangencial a la herramienta de corte, se obtiene

como se muestra en la ecuación 5.

c

c

m

PF

D N=

(5)

en donde:

cP : Potencia de corte (W)

N : Velocidad del husillo (rev/min)

3. Metodología.

Se describe el equipo utilizado durante la medición de las

fuerzas de corte, así como la preparación de los

experimentos y herramentales utilizados.

• Torno convencional y accesorios

• Herramienta de corte

• Portaherramientas

• Dinamómetro

• Amplificador

• Tarjeta de adquisición de datos y licencia

• Computadora

• Cables de conexión

• Herramentales de acoplamiento al torno convencional

• Especímenes de prueba

Para llevar a cabo el proceso de cilindrado se utilizó un

torno con las especificaciones que se muestran en la tabla 1.

Un torno paralelo marca Titanium BJ1640, 16”x40” de

reciente adquisición ubicado en los talleres de la Facultad de

Ingeniería, de la UNAM.

Tabla 1. Características del torno Titanium BJ1640D

Especificación Unidades Valor

Volteo sobre la bancada mm 460

Volteo sobre el carro mm 288

Distancia entre puntos mm 1000

Viaje del carro transversal mm 230

Viaje del carro auxiliar mm 120

Rango de velocidades RPM 32 – 200

Motor principal HP 5.5

Peso kg 2000

Herramienta de corte. La herramienta de corte utilizada

para el experimento es un inserto cuadrado de clasificación

S tipo escuadra 90°, con ángulo de incidencia a 5° para un

sistema de sujeción por presión.

Portaherramientas. El portaherramientas es de tipo

fijación a presión para insertos sin agujero. El inserto se

sujeta con una brida a presión que lo mantiene sobre el

asiento del portaherramientas.

Dinamómetro Kistler. El dispositivo que se utilizó para el

desarrollo experimental de este trabajo fue un dinamómetro

modelo 9263 estacionario de estructura modular que se

monta en la torreta de la máquina herramienta; dicho

dinamómetro utiliza cristales piezoeléctricos contenidos en

su base, y como complemento una herramienta de corte, la

cual es soportada de tal manera que se pueda cambiar y hacer

pruebas sin alterar el sensor precargado.

La medición de las fuerzas de corte se realizó con un

dinamómetro KISTLER mediante celdas de carga como se

muestra en la figura 3 donde la fuerza se descompone en tres

componentes cF ,

fF y tF , en donde:

cF : Fuerza de corte en el eje z.

fF : Asociada a la fuerza de avance en el eje x.

tF : Asociada a la fuerza de empuje en el eje y.

Figura 3. Celdas utilizadas en el dinamómetro y las fuerzas

asociadas, (KISTLER, 2013).

Dichas celdas se encuentran previamente calibradas a

solicitud del fabricante para garantizar un comportamiento

lineal, de tal manera que las 3 celdas se pueden conectar a

través de cables de los llamados de bajo ruido para enviar la

información al amplificador.

Estos elementos se encuentran dentro de la carcasa del

dinamómetro como se muestra en la figura 4, acopladas de

tal manera que puedan transmitir información. Estas celdas

de carga utilizan cristales piezoeléctricos, los cuales de



ninguna manera se ven afectados por las condiciones de uso

crítico, que se presentan en el mecanizado.

Los materiales con los que cuentan los dinamómetros son

diseñados y fabricados para minimizar la vibración y la

interferencia por la emisión acústica. La solidez y rigidez de

estos sensores y componentes los hace ideales para los

entornos de fabricación dinámica de los procesos de

manufactura.

Figura 4. Vistas isométrica y superior de dinamómetro con

accesorios, portaherramientas e inserto (CAD´s por D.

Roldán e I. Cueva).

• Ventajas del dinamómetro Kistler utilizado para la

medición de las fuerzas de corte:

• Alta rigidez

• Amplio rango de medición (Fx de 0 a10 KN, Fy de 0 a

10 KN, Fz de 0 a 20 KN)

• Alta Rigidez

• Diseño versátil

• Vida útil prolongada (periodos de tiempo de hasta 15

años para calibrar el equipo).

• Operación simple

Figura 5. Dimensiones de las probetas en [mm]

Para llevar a cabo las mediciones experimentales de las

fuerzas de corte se prepararon 6 piezas de prueba de

aluminio ASTM 6061-T6, 6 piezas de acero SAE 1018 y 6

piezas de acero inoxidable AISI 304, con las dimensiones

que se muestran en la figura 5.

Los dispositivos empleados para la medición de las

fuerzas de corte son: dinamómetro calibrado por la empresa

Kistler modelo 9263 para operaciones de torneado, un

amplificador de señales Kistler 5070A, tarjeta de

adquisición de datos Kistler 2825A y E software DynoWare

para la visualización y análisis de datos, así como cables

conectores blindados (bajo ruido) para la transmisión de los

datos.

4. Análisis de resultados.

En las gráficas derivadas del experimento para determinar

las fuerzas involucradas durante la operación de cilindrado,

en una gráfica derivada de los experimentos se pueden

apreciar dos secciones a destacar, la primera que representa

el estado transitorio y la segunda sección de la gráfica y más

importante representa el estado estacionario. El transitorio

se presenta al inicio y al final del experimento, y estos datos

no son considerados en cálculos posteriores, y sólo se toman

los valores de la segunda sección como se puede apreciar en

la figura 6.

Figura 6. Gráfica típica obtenida de la medición de las

fuerzas de corte.

Para el análisis de los datos obtenidos cabe destacar que

solo se tomaron los valores en un lapso de 5 segundos en la

parte más estable de la gráfica (estado estacionario), que

equivale a analizar 500 datos, donde se obtiene la media

aritmética y establece un dato promedio de la fuerza de

corte, fuerza de empuje y fuerza de avance.

Los siguientes gráficos describen el comportamiento de

la fuerza de corte en la aleación aluminio 6061 al variar el

avance, profundidad de corte y rpm, mismos parámetros se

modifican para las aleaciones de acero 1018 y 304.



Figura 7. Fuerza vs profundidad de corte para desbaste,

avances (mm/rev).

Figura 8. Fuerza vs profundidad para acabado, avances

(mm/rev).

Los siguientes gráficos describen el comportamiento que

tiene la fuerza de corte en la aleación de acero 1018 variando

los parámetros descritos anteriormente.

Figura 9. Fuerza vs profundidad para desbaste, avances

(mm/rev).


(mm/rev).

En los siguientes dos gráficos se observa el

comportamiento que tiene la fuerza de corte en la aleación

acero inoxidable 304 con respecto a la variación de los

parámetros de corte.



Figura 11. Fuerza vs profundidad para desbaste, avances

(mm/rev).


(mm/rev).

5. Análisis de resultados.

En las gráficas se aprecian dos zonas que se dividen antes y

después de la profundidad de corte de 0.2 mm, en donde es

visible que después de este punto la variación de la fuerza

de corte real tiene un comportamiento cuasi lineal. Se

observó un incremento progresivo conforme se aumentaba

la profundidad de corte (mm), el avance (mm/rev) y la

velocidad del usillo (rpm). Los rangos de fuerzas de corte

reales para las probetas de aluminio 6160 para operaciones

de desbaste se encontraron entre los 20 y 260 N, para el

acero 1018 entre los 30 y 440 N, para el acero inoxidable

304 entre los 60 y 580 N, considerando que los tres

materiales fueron ensayados bajo las mismas condiciones de

operación.

En cuanto al comparativo de las fuerzas obtenidas de

manera experimental respecto a las fuerzas teóricas se logró

observar una variación para la aleación de aluminio 6061 en

un rango para operaciones de desbaste entre el 2% y 5% de

diferencia, en las zonas de la probeta donde la apariencia se

consideró buen, para la aleación de acero 1018 la diferencia

se encontró un rango entre 10 y 13%, asimismo para el acero

inoxidable 304 el rango se encontró entre 9% y 11%.

En cuanto a los rangos de variación para las operaciones

de acabado los rangos se cerraron sensiblemente para las tres

aleaciones, en el caso del aluminio 6061 se encontró entre el

1 a 3%, para el acero 1018 del 5 al 7% y para el acero

inoxidable de 6 a 9%.

Adicional a la variación de la fuerza de corte, se logró

evaluar de manera cualitativa las superficies de las probetas.

Por una parte, la buena apariencia de la longitud maquinada

está asociada a las zonas lineales de las gráficas y por otro

lado se observó una marcada diferencia negativa en las

superficies asociada a las zonas de las gráficas donde el

comportamiento no fue lineal.

6. Conclusiones.

Con el desarrollo de la infraestructura para el análisis

experimental de las operaciones de torneado se desarrollarán

prácticas para las materias afines del área de manufactura.

Como un primer avance fue posible medir la fuerza de

corte en 3 aleaciones comerciales: acero 1018, acero

inoxidable 304 y aluminio 6061, con los valores obtenidos

se logró comprobar el buen funcionamiento del equipo de

medición al comparar los valores reportados en la literatura.

Se logró visualizar y analizar el efecto que tiene la variación

de los parámetros involucrados en el cilindrado.

Al analizar el comportamiento de la fuerza de corte en los

gráficos obtenidos se hace evidente el efecto que tienen los

parámetros de corte, sobre la fuerza de corte derivadas de los

experimentos, experimental de manera lineal la fuerza de

corte requerida, este comportamiento se evidencio para la

gama de avances.

Se logró obtener información básica para comprender lo

relativo al proceso de cilindrado, y el manejo de esta

información sirva como un documento de apoyo para los

estudiantes y profesores logrando una mejor comprensión en

las operaciones con arranque de viruta, factor importante en

el área de manufactura, que se verá reflejado en la toma de

decisiones en la práctica profesional.

La medición experimental de las fuerzas de corte es una

herramienta de gran importancia en el área metal mecánica

a nivel industrial, para la optimización de un proceso de

maquinado, buscando hacer más eficiente la fabricación de

piezas de alta calidad, igualmente la capacidad de control del

proceso, en particular en la manufactura de elementos

estructurales críticos para la seguridad, ejemplos de esto

podemos verlos en; la industria aeroespacial y biomédica.

Por último, el presente trabajo puede ayudar a la mejora

de estrategias del proceso de mecanizado, además de

proporcionar información para la investigación; formación

de viruta, desgaste de la herramienta, verificación de

simulaciones, mejora en la elección la geometría de la

herramienta de corte y comportamiento real que presentan

diferentes materiales bajo las mismas condiciones de



maquinado. Por otro lado, se logró adquirir experiencia en

el manejo de los medidores de fuerzas y los equipos

acoplados.

Agradecimientos

A la Universidad Nacional Autónoma de México, a la

Facultad de Ingeniería y a la UDIATEM en especial a Juan

Javier Martínez Rincón, Diego Ricardo Pichardo Aragón,

Pablo Rivero Borrell Contreras, Erick Francisco Luz López,

Tania Estefanía Rojas Salgado, Eduardo Cuevas Villa, al

ingeniero Roberto Cisneros y al biólogo Germán Álvarez.

Los autores también agradecen al proyecto PE103816

“Desarrollo de material didáctico para el área de Ingeniería

de la Manufactura” por los recursos otorgados para el

desarrollo de este trabajo.

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