TEORIA DEL MAQUINADO DE METALES

1. Visión general de la tecnología de mecanizado2. Teoría de la formación de viruta en el mecanizado de metales.

• Modelo de corte ortogonal• Formación real de la viruta

3. Las relaciones de la Fuerza y la ecuación Merchant• Fuerzas en el corte de metales• La Ecuación de Merchant

4. Relaciones entre potencia y energía en el Mecanizado5. Temperatura de corte

• Métodos analíticos para el cálculo de la T de corte.• Medición de la temperatura de corte

Los procesos de remoción de material

Son una familia de operaciones de formado, en las que el material sobrante es removido de una pieza de trabajo inicial, con el fin de lograr la forma final que se desea.

• Maquinado convencional, en el cual una herramienta de corte agudo, se utiliza para cortar mecánicamente el material.

• Proceso abrasivo, El material se remueve de forma mecánica, mediante la acción de partículas abrasivas duras.

• Procesos no tradicionales, utilizan otras formas de energía, aparte de la herramienta de corte agudo ó de partículas abrasivas.

Los 3 procesos principales de maquinado son: El torneado El Taladrado El fresado Las demás operaciones de maquinado son:

El perfilado El cepillado El escariado El aserrado

Las demás procesos abrasivos son:

Afilado Fundido Acabados

• El maquinado se puede aplicar a una amplia variedad de materiales de trabajo.

• Prácticamente todos los materiales sólidos se pueden maquinar.

(a) Sección transversal del proceso de maquinado, (b) Herramienta con ángulo de inclinación negativo.

El Maquinado

Las herramientas de corte

Una herramienta de corte tiene uno ó más filos cortantes y está hecha de un material más duro que el material de trabajo.

Angulo de inclinación (α), es sobre el cual se orienta la cara inclinada que dirige el flujo de la viruta resultante, se mide respecto a un plano perpendicular a la superficie de trabajo.

El ángulo de inclinación puede ser positivo, como en a) ó negativo como en b)

¿Por qué es Importante el Mecanizado?• Por la variedad de materiales de trabajo que se pueden

mecanizar.• Por su uso para cortar metales.• Por la variedad de formas de piezas especiales con

características geométricas posibles, tales como:

roscas de tornillo. Precisos agujeros redondos Bordes rectos Superficies con buena precisión dimensional y acabado

superficial.

Las formas de energía utilizadas en los procesos no tradicionales son:

• Energía Mecánica• Energía Electromecánica• Energía Térmica• Energía química

• Los plásticos y sus compuestos, se pueden cortar también por maquinado.

• En el caso de los cerámicos, presentan dificultades, debido a su alta dureza y fragilidad, sin embargo la gran mayoría se pueden cortar mediante procesos de maquinado abrasivo.

Desventajas del Maquinado• Desperdicio de material.

En el proceso de maquinado, la viruta que se genera es material de desperdicio, aunque en la actualidad, se puede reciclar, disminuyendo el desperdicio.

• Tiempo de consumo

Una operación de mecanizado generalmente lleva más tiempo para dar forma a una pieza determinada, que en los procesos alternos de conformación, tales como la fundición, metalurgia de polvo, o forjado.

Maquinado y secuencia de Manufactura

• Generalmente se realiza después de los procesos de fabricación, tales como:

• fundición, • forja, • Deformación volumétrica

Otros procesos crean la forma general de la pieza y el maquinado ofrece la forma final, dimensiones, acabado y detalles geométricos especiales que otros procesos no pueden crear.

Operaciones de maquinadoPara realizar la operación de maquinado, se requiere, movimiento relativo entre la pieza ó material de trabajo y la herramienta.

Este movimiento relativo, se logra por medio de un movimiento primario conocido como, • velocidad de corte.

y un movimiento secundario, conocido como,• avance.

Herramienta de corte elimina material de una pieza de trabajo giratorio para formar una forma cilíndrica.

Los tres movimientos mas comunes del proceso de maquinado

Torneado

Se utiliza para crear un agujero redondo, generalmente por medio de una herramienta giratoria (broca) con dos bordes cortantes

Taladrado

• Rotación múltiple de herramienta, a través del trabajo para cortar un plano o superficie recta.Dos formas: c) fresado periférico y d)fresado frontal

Fresado

Herramientas de corte de formas complejas

Existen dos tipos básicos:

a) Herramienta de una sola punta, la cual tiene un filo cortante y se utiliza para operaciones como el torneado, generalmente tiene una punta redondeada llamada radio de la nariz.

b) Herramienta de múltiples filos cortantes, tiene más de un borde de corte y generalmente realizan su movimiento respecto a la pieza de trabajo mediante rotación. El Taladrado y el Fresado utilizan herramientas rotatorias de múltiples filos cortantes.

(a) Herramienta de una sola punta, que muestra la cara inclinada, el flanco y la punta. (b) Una fresa helicoidal, representativa de las herramientas con bordes cortantes múltiples.

Herramientas de corte

Condiciones de corteEstas son las tres dimensiones del proceso de maquinado:

– Velocidad de corte v – movimiento primario.– Avance f – movimientosecundario.– Profundidad de corte d – penetración de la herramienta

de corte dentro de la superficie original de trabajo.

Para dichas operaciones, la tasa de remoción de material viene dada por:

RMR = v f d

En donde, RMR = Tasa de remoción de material, mm3/s ó (in3/min) = velocidad de corte, m/s ó (ft/min), la cual debe convertirse a mm/s ó (in/min).

f = avance, mm ó (in)d = profundidad de corte, mm ó (in)

Las unidades típicas usadas para la velocidad de corte son m/s ó (ft/min).

El avance en torneado se expresa usualmente en mm/rev ó (in/rev) y la profundidad de corte se expresa en mm ó (in).

En la operación de taladrado, la profundidad se interpreta normalmente como la profundidad del agujero taladrado.

Condiciones de corte para el Torneado

Velocidad de corte v, avance f y profundidad de corte d, de una operación de torneado.

Desbaste vs AcabadoLas operaciones de maquinado, se dividen normalmente en dos categorías, distinguidas por el propósito y las condiciones de corte:

Cortes para desbaste primario, se usan para remover grandes cantidades de material de la pieza, a fin de producir una forma muy cercana a la requerida. Estas operaciones se realizan a alta velocidad.

Cortes de acabado, se usan para completar la pieza y alcanzar las dimensiones finales, las tolerancias y el acabado de superficie. Estas operaciones se realizan a baja velocidad.

Máquinas herramientas El término máquina herramienta, se aplica a

cualquier máquina accionada por fuerza motriz que realice operaciones de maquinado, incluso el esmerilado.

Máquinas herramientas más frecuentes:– Tornos.– Prensas taladradoras.– Máquinas fresadoras.

Las máquinas herramientas modernas, realizan sus procesos con un alto grado de automatización, CNC.

Aunque un proceso real es tridimensional, el corte ortogonal tiene solo dos dimensiones.

Corte ortogonal: como un proceso tridimensional

Corte Ortogonal

Relación de virutaDurante el corte, el borde cortante de la herramienta, se

coloca a cierta distancia por debajo de la superficie original del trabajo. Esta corresponde al espesor de la viruta antes de su formación to , al formarse la viruta a lo largo del plano de corte, incrementa su espesor a tc

La relación del grueso de la viruta ó relación de viruta r, viene dado por:

Como el espesor de la viruta después del corte siempre es mayor que el espesor antes del corte, la relación de viruta siempre será menor a 1.0

c

o

tt

r

Determinación del ángulo del plano de corte

• Con base en los parámetros geométricos conocidos, podemos determinar el ángulo del plano de corte así: sea ls = longitud del plano de corte, entonces….

Ls sen / Ls cos (-α) = sen / cos (-α)

Lo anterior puede agruparse a fin de determinar el valor de , quedando:

sin1

costan

r

r

(a) Formación de viruta, representada por las placas paralelas, (b) una placa aislada, y(c) triángulo de deformación cortante.

Deformación cortante durante la formación de viruta

Deformación cortanteLa deformación cortante para el corte de metales, se reduce a la siguiente ecuación, basada en el modelo de placas paralelas:

= tan( - ) + cot

En donde:g = deformación cortante, f = ángulo del plano de corte, y = ángulo de inclinación de la herramienta de corte.

Ejemplo Corte OrtogonalEn una operación de maquinado que se aproxima al corte ortogonal, La herramienta de corte tiene un ángulo de inclinación de 10o.

El espesor de la viruta antes del corte es 0.50 mm y el espesor de la virutaDespués del corte es 1.125 mm. Calcule el plano de corte y la deformación Cortante de la operación.

La relación de espesor de la viruta, se determina por:

por lo tanto r = 0.50 / 1.25 = 0.444

El ángulo del plano de corte está dado por:

Por lo tanto, tang = 0.444 cos 10o / 1-0.444 sen 10o = 0.4738 = 25.4La deformación cortante se calcula con la ecuación, = tan( - ) + cot = tan(25.4 - 10) + cot 25.4 = 0.275 + 2.111 = 2.386

Visión más realista de la formación de viruta, en la que se muestra la zona de corte, y la zona secundaria de corte, como resultado de la fricción herramienta-viruta.

Formación de viruta

• A bajas velocidades de corte, la viruta se forma en segmentos separados.

• Se forma una textura irregular en la superficie maquinada.

• Una alta fricción herramienta-viruta

• Avances y profundidades grandes promueven este tipo de formación.

Viruta Discontinua

• Materiales dúctiles

• Velocidades altas

• Avances y profundidades pequeños.

• Borde cortante bien afilado

• Baja fricción herramienta-viruta

• Virutas continuas y largas.

Viruta Continua

• Materiales dúctiles• Baja a media velocidad de

corte.• La fricción entre

herramienta-viruta, causa adhesión de porciones de material de trabajo.

• La formación de acumulación en el borde es naturaleza cíclica.

Viruta Continua con acumulación

• Virutas Semicontinuas – forma de diente de sierra.

• Formación cíclica de la viruta de alta resistencia al corte.

• Está asociada con metales difíciles de maquinar, como las aleaciones de Titanio, superaleaciones a base de níquel y aceros enoxidables austénicos.

Viruta dentada

• Fuerza de Fricción F y Fuerza Normal a la fricción N. • Fuerza cortante Fs y Fuerza Normal a la cortante Fn

(a) fuerzas que actúan sobre la viruta en el corte ortogonal

Fuerzas que actúan sobre la viruta

Fuerzas Resultantes• La suma vectorial de F y N = Fuerza resultante R• La suma vectorial de Fs y Fn = Fuerza resultante R‘

Fs = fuerza cortante, que causa la deformación de corte que ocurre en el plano de corte.Fn = fuerza normal a la cortante, es normal a la fuerza cortante.

• Las fuerzas que actúan sobre la viruta, deben estar balanceadas:– R' debe ser igual en magnitud a R – R’ debe ser opuesta en dirección a R– R’ debe ser contraria a R

Coeficiente de FricciónCoeficiente de fricción entre la herramienta y laviruta:

La fuerza de fricción y su fuerza normal, se pueden sumar vectorialmente, para formar una fuerza resultante R, la cual se orienta en un ángulo , llamado ángulo de fricción.

El ángulo de fricción se relaciona con el coeficiente de fricción de la siguiente manera:

N

F

tan

Esfuerzo cortanteLa fuerza cortante Fs , es la fuerza que causa la deformación de

corte que ocurre en el plano de corte, por lo cual la fuerza normala la cortante será Fn.

Con base en la fuerza cortante, se define el esfuerzo cortante que actúa a lo largo del plano de corte entre lapieza de trabajo y la viruta como:

En donde el área del plano de corte, As =

w = ancho de la operación de corte ortogonal.sinwt

A os

s

s

AF

S

• F, N, Fs, and Fn , no pueden medirse directamente.– Fuerza de corte Fc y fuerza de empuje Ft

(b) Fuerzas que actúan sobre la herramienta y pueden medirse

Fuerza de corte y fuerza de empuje

Fuerzas en el corte de metales • Se pueden deducir ecuaciones para relacionar las cuatro fuerzas

componentes que no pueden medirse con las dos fuerzas que pueden ser medidas:

F = Fc sin + Ft cosN = Fc cos F‑ t sin Fs = Fc cos F‑ t sinFn = Fc sin + Ft cos

• Si la fuerza de corte y la fuerza de empuje son conocidas, se pueden utilizar estas 4 ecuaciones para calcular estimaciones de la fuerza cortante, la fuerza de fricción y la fuerza normal a la fricción, y con base en estos estimados, se puede determinar el esfuerzo cortante y el coeficiente de fricción.

EJERCICIO Esfuerzo cortante en maquinado

Tomando como ejemplo el ejercicio de corte ortogonal, suponga que la fuerza de corte y la fuerza de empuje se miden durante una operaciónde corte ortogonal con valores de Fc = 1559 N y Ft = 1271 N. El ancho deLa operación de corte ortogonal, es w = 3.0 mm. Con base en éstos datos,Determine la resistencia al corte del material de trabajo.

Solución

A partir del ejemplo de corte ortogonal, el ángulo inclinado es de 10o y el ángulo del plano de corte es 25.4o .

La fuerza cortante, se calcula a partir de: Fs = Fc cos F‑ t sin: Fs = 1559N cos 25.4o - 1271N sen 25.4o = 863 N

El área del plano de corte, está determinada por:

= (0.50 mm) (3.0 mm) = 3.497 mm2

sen 25.4o

por lo tanto, el esfuerzo cortante que iguala la resistencia al corte Del material de trabajo es: = 863 N = 247 N/ mm2 = 247 Mpa 3.497 mm2

sinwt

A os

s

s

AF

S