Teoría del corte de los metales

Geometría de formación de la virutaFuerzas actuantes sobre la herramientaCalidad superficial obtenidaVida de la herramienta o duración del filoVibraciones durante el mecanizado

Los problemas del maquinado son de resolución factible sobre una base de ingeniería

Hechos empíricos relativos a la maquinabilidad

Fundamentos de la mecánica del corte

Factores básicos que gobiernan la geometría de formación de la viruta

Naturaleza del materialVc, Ancho/espesor viruta

Fluido de corte

Angulos hta.

TIPO DE VIRUTA

1 2 3

Tipo 1: Segmentos individuales levemente adheridos o desconectados p/ fractura delante del filo

Tipo 2: Viruta larga y continua. Deformación continua, delante del filo (sin fractura)y flujo uniforme s/ la herr.

Tipo 3: Similar al tipo 2, con bordes irregulares. La elevada fricción entre viruta y herramienta, causa fragmentos de la viruta que continuamente recrecen y se eliminan quedando adheridos a la viruta y a la pieza.

Tipo de viruta: Características

Tipo de viruta Material Vc Fluido

corte Herram Acabado Desgaste filo

Fzas/fricción

Evac.viruta

bajas bueno

----

mala

mala

---

bajas

elevada fricción

bajo

elevado

bajo

elevado

quebradizo normal -- (-) bueno

dúctil baja -- -- pobre

normala alta

si (+) bueno

baja si

3 dúctil bajas bueno de alta VC pobre

2 dúctil

1

Virutat2

t1

φ

(φ−α)

α

Herramienta

Pieza

Mecánica de la formación de virutaNo cambia con el tipo de viruta

Modelo del plano de cizallamiento Viruta tipo 2 - Corte ortogonal (λ=0)

Angulo de cizallamiento ΦLínea que delimita al material de la pieza

no deformado de la viruta deformada

ELEMENTOS CARACTERISTICOS

Angulo de cizallam. Φ

Angulo de ataque α

Inclinación del filo λ

Corte ortogonal

Corte oblícuo

Deformación cizallante εc

Veloc. Flujo viruta Vf

Veloc. Cizallamiento Vs

Razón de corte rc= t1/t2

Endurecimiento

Vc

λ

Vc

Vf

Herramienta

Pieza

λyCorte oblícuo

Angulo de cizallamientoentre el plano de cizallamiento y la dirección del movimiento principal

Herra-mienta

Pieza

Camino de corte largoCamino de corte reducido

Virutadelgada

Virutagruesa

t1

Angulo φ grande

Ángulo φ pequeño

Depende del material a mecanizar y las condiciones de corte

Al aumentar el ángulo α (+), aumenta Φ y disminuye la fuerza.

Influye s/ las Fzas. (camino corto y largo)

Deformación cizallante εc

εc = ctg φ + tg (φ - α)

Modelo de formación de viruta: la deformación del material se produce por el desplazamiento de lámina paralelas (Δx), mientras que se desliza una distancia Δs, resultando:

εc = Δs / Δx

Velocidad de flujo de viruta Vf

De las Figuras 2 y 3, se obtiene:

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

( )αφφ−

=cos

senVV Cf

Deformación cizallante εc

Velocidad de cizallamiento Vs

( )αφα−

=cos

cosCs VVDe las Figura 3, se obtiene:

Razón de corte rc

αα

φsenr

rtg

c

c

⋅−⋅

=1

cos

El análisis del proceso de corte requiere conocer Φ

Método de la razón de corte para obtener Φ

1. Medir los espesores de viruta antes y después del arranque (t1 y t2) o

2. Medir el recorrido de la herramienta y la longitud de la viruta (l1 y l2)

rc = t1 / t2 = l2 / l1 t2

t1

φ

(φ−α)

α

Herram

Pieza

Endurecimiento producido al mecanizar

Fragmento de material recrecido

Tipo 2

Tipo 1

Tipo 3

El material de la viruta y de la superficie de la pieza resultan severamente endurecidos en el proceso de mecanizado

Fuerzas actuantes sobre la herramientaCaso más general: Tridimensional

Vc

Y

Fuerzas actuantes sobre la herramientaCorte ortogonal

Ft

FnF

N

R´R´

R

FsFc

Viruta

Análisis de las fuerzas: 3 direccionesSegún el desplazamiento de la herramienta (de corte)Según el plano de cizallamiento (plano Φ) Según el desplazamiento de la viruta sobre la cara de ataque de la herramienta

F Fn

R´

t1

R´

R

Fuerzas actuantes sobre la herramientaCírculo de fuerzas: Corte ortogonal

F:: Fuerza de rozamientoN: Fuerza normal

Fs: Fuerza de cizallamientoFn: Fuerza de compresión

Fc: Fuerza de corteFt: Fuerza de empuje

Círculo de Fuerzas

El trabajo total se obtiene de la Fc.

Dos fuentes: el trabajo p/ vencer la fricción y el de cizallamiento

Componentes de la Fza. resultante R

Relaciones de fuerzas en el corte ortogonal

Parámetros conocidos o fácilmente medibles: Φ, α, Fc, Ft, Ao, Vc

Parámetros que pueden calcularse: μ, F, Ss, Ws, Wf y Wn

Coeficiente de rozamiento μ (= tg τ):

Fuerza de rozamiento F:

Resistencia al cizallamiento Ss:

Trabajo de cizallamiento Ws:

Trabajo p/ vencer la fricción Wf:

Trabajo total consumido en el corte Wn:

αα

μtgFFtgFF

tc

ct

−+

=

o

tcs A

senFsenFS

φφφ 2cos ⋅−⋅⋅=

F = Ft cos α + Fc sen α

Ws = Ss [ ctg φ + tg (φ - α )]

( )αφφ−

⋅=cos

senAFW

of

00 AF

BCABCF

W ccn ==

Valores típicos de los parámetros calculadosInfluencia de t1 y α

Mecanizado ortogonal sobre Ac. SAE 4340, 200HB, Vc= 542pie/min, Herr. Metal duro, α=-10º (Δ), α= +10º (O),

Magnitudes básicas que controlan las fuerzas y la potencia

Geométricas: α y Ao Mecánicas: Ss, μ, y C

C: Constante de maquinado C [grados] = 2 φ + τ – α

Fuerzas y consumo de

potencia

Acabado superficial

Vida de la herramienta

MALO ? MALOBUENO NINGUNO BUENOBUENO BUENO BUENO

* MALO BUENO

* BUENO BUENO

Efecto al reducir el valor de la propiedadPropiedad del material

Dureza Brinell, HBCoeficiente de fricción, m Resistencia al cizallamento, SsConstante de maquinado, C

NINGUNO BUENO*

Endurecibilidad por deformación, nInclusiones duras y abrasivas en la microestructura

Con α y Ao fijos: Ss, μ y C controlan totalmente las fzas. y la geom. de la formación de viruta

Wn: Potencia de corte específica

Efectos sobre las Fuerzas y el acabado superficial

( )( )ατατ−−

−⋅=

sensenCS

W sn

cos000.198

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡min/lg3pu

CV

Efectos sobre la Vida de la Herramienta

Ss, μ, y C influyen s/ la energía necesaria p/ cizallar el metal y vencer la fricción e/ viruta y herr.

Esa energía determina la VIDA DE LA HERRAMIENTA, pues influye s/ la Temperatura del corte y la Acción abrasiva del material de la pieza

Temperatura del corte

b . Tz = B

b [ºC]: Temp. de la cara de ataque

T[min]: tiempo real de corte hasta desgastar el filo

B: constante ∼ 800

z: 1/10 a 1/25

Al aumentar b, disminuyen la dureza del material y la resistencia al desgaste de la herram.

Aplicando fluido de corte se reduce b y aumenta T .

Disminuyendo Ss y μ o aumentando C, disminuye la cantidad de energía y aumenta T

Acero I II IIIW% 16,5-18,5 18 18-19Cr% 4,0-4,5 4 4,0-4,5V% ,,,,,,,,,,,,, 1,2 1,5-1,8Co% ,,,,,,,,,,,,, 10 2,2-2,6Mo% 0,8-,0 0,8C% 0,65-0,75 0,6 0,65-0,7

Acción abrasiva del material pieza

Constituyentes duros

Endurecimiento en el corte

Dureza inicial

Coef. de fricción Constante C

Cantidad de deformación

Endurecimiento p/deformación

Efectos sobre la Vida de la Herramienta

1010 Lam. Cal. 103 2,32 69,8 46 1,321019 Lam. Cal. 147 2,24 73,1 54 0,951019 Tref. Frío 169 2,16 73,7 52 0,981020 Lam. Cal. 109 2,33 69,6 50 0,941022 (al Pb) Lam. Cal. 121 2,29 71,8 52 0,41045 Lam. Cal. 190 2,35 78 63 0,961045 Tref. Frío 213 2,25 81,2 95 0,941070 Lam. Cal. 217 2,34 78,8 75 0,841095 Lam. Cal. 182 2,34 73 95 0,891113 (sulfurizado) Tref. Frío 170 2,24 71,1 49 0,531340 Lam. Cal. 192 2,25 74,8 63 1,12340 Lam. Cal. 197 2,31 76,2 62 0,993115 Lam. Cal. 131 2,23 78,4 47 1,143130 Lam. Cal. 169 2,32 72,4 56 0,943140 Lam. Cal. 185 2,24 70,6 56 1,123150 Lam. Cal. 197 2,35 75,7 60 1,134340 Lam. Cal. 210 2,25 74,5 63 1,0652100 Lam. Cal. 186 2,22 71,3 49,5 1,1152100 Tref. Frío 240 2,17 72,9 53 1,04

303 (sulfurizado) Lam. Cal. 162 2,37 92 72 0,8304 Lam. Cal. 139 2,9 82 80 1,18410 Lam. Cal. 217 2,2 79,3 60 0,87416 (sulfurizado) Lam. Cal. 215 2,2 82,7 56 0,82430 Lam. Cal. 156 2,33 73,1 55 0,92430F (sulfurizado) Lam. Cal. 181 2,26 74,6 57 0,8

Constante de maquinado C

(grados)

Resistencia cortante Ss

(kg/mm2)

Coeficiente de fricción,

m

Aceros inoxidables

Acero AISI Nª Condición Dureza Brinell

Endurecibilidad por deformación,

n

Control de las magnitudes mecánicas básicas Ss, μ, C

Ss: alta p/materiales duros y resistentes. Aumenta con el endurecimiento por tratamiento térmico. Pequeño aumento c/ procesos de deformación en frío. Es poco afectada por las condiciones de corte.

μ: es la variable de mas simple control en el corte. Puede reducirse empleando fluido de corte, y aumentando el avance y la velocidad de corte.

Ciertos aditivos químicos también reducen μ (Pb y S en los aceros)

C: tal como Ss, es levemente afectada por las condiciones de corte. La microestructura y tamaño de grano del material ejercen apreciable influencia. El trabajo en frío generalmente favorece su aumento

Cálculo de las fuerzas a partir del ángulo Φ

μ = tg ( C - 2 φ + α)

( )( )φφ

αφ−⋅+−

⋅⋅=Csen

CsenSAF so cos2

Wn = Ss [ tg (C - φ) + ctg φ ]

Fc = Ao Ss [ tg (C - φ) + ctg φ ]

Ft = Ao Ss [ ctg φ tg (C - φ) - 1 ]

t1 α rc φ εc Fc Ft μ Ss σ Wt Wn Wn/Wt3

t1 Vc α rc φ εc Fc Ft μ Ss σ Wt Wn Wn/Wt

Corte ortog. Acero (HB=187). Herramienta: Metal Duro. Ancho de corte 6.35 mm. S/ fluído de Corte.

Valores de los parámetros en el corte ortogonal

Corte Ortog. Ac. SAE 4130. Herram.: Acero Rápido. Ancho de corte 12.1mm. Vc: 27m/min. S/fluído de Corte.

Vibraciones

Frecuencia alejada de la natural

AutoinducidasForzadas

Equilibrio inestable del elemento vibrante

Variación rítmica de las fuerzas por causas mecánicas

Su severidad (vibrado)

Frecuencia cercana a la natural

Una vez iniciadas se automantienenSer las menos

severas

Proporcionalidad inversa entre Fc y Vc

producidas por

caracterizadas porcaracterizadas por

debido a

Vibraciones

Causas de las vibraciones

Interferencia por desgaste en el flancoHerramienta poco robustaPiezas de baja frecuencia naturalAltas velocidades de corteFilo desgastado

Juegos en la M-HFilo recrecido (viruta tipo 3)Fracturas (viruta tipo 1)Marcas de “vibrado previo”

Forzadas

Autoinducidas

La Fza de corte varía con la Vc

Factores principales que generan vibraciones autoinducidas

Variación de la fuerza con la velocidad de corte: al disminuir Fc con el aumento de Vc. La herramienta flexiona y oscila, generando inestabilidad que se autoperpetúa.

Interferencia entre el flanco de la herramienta y la superficie que se mecaniza

Vc-frecuencia del elemento vibrante potencial