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Ingeniería de Sistemas y Automática

Tecnología de Fabricación y Tecnología de Máquinas

VIDA DE LAS HERRAMIENTAS

Tecnología de Tecnología de Fabricación y Fabricación y Tecnología de Tecnología de

MáquinasMáquinas



INDICE:

• INTRODUCCIÓN

• TEMPERATURA

• MECANISMOS DE DESGASTE

• VELOCIDAD DE CORTE - AVANCE

• VIDA DE LAS HERRAMIENTAS

• TEORIA DE TAYLOR

• ECONOMIA DEL MECANIZADO



INTRODUCCIÓN

La herramienta está sujeta a condiciones extremas de operación.

El desgaste de la herramienta afecta a :

Terminación superficialDimensionesEconomía del proceso



TEMPERATURA

Temperaturas en el corte de metales:

333.00 )(4.0Kvt

CUTρ

=

Método analítico de Cook:

• T temp. Media en la interfase viruta-herramienta (ºC)

•U energía específica de la operación (Nm/mm3)

•v velocidad de corte (m/seg)

•t0 espesor de la viruta antes de corte (m)

•ρC calor específico volumétrico del material (J/mm3-ºC)

•K difusividad térmica del material de trabajo (m2/s)

Zona Primaria(Cizalladura)

Zona Secundaria(Rozamiento)



TEMPERATURA



TEMPERATURA

La energía utilizada en la operación de corte eleva la temperatura de la pieza, herramienta y viruta.

La energía total del corte se utiliza en : Cizallamiento + Rozamiento.

Distribución de temperaturas :

Punto X : Se incrementa la temperatura por conducción, elevándose rápidamente cuando el punto pasa por la zona primaria y posteriormente algo más cuando accede a la zona secundaria.

Punto Y : Pasa por la zona primaria y secundaria, su calentamiento continua hasta que deja la zona secundaria. La temperatura máxima se obtiene sobre la cara de desprendimiento a una cierta distancia de la arista de corte.

Punto Z : Se calienta por conducción cuando pasa por debajo de la arista de corte.



TEMPERATURA



MECANISMOS DE DESGASTE

Desgaste de las herramientas:

Por exceso de temperatura

Por rotura

Por desgaste progresivo




El mecanismo de perdida de capacidad de corte de las herramientas puede clasificarse en los tres tipos siguientes :

Temperatura : La dureza y resistencia de los metales disminuyen con la temperatura.Si la temp. De corte es demasiado elevada para la herramienta, se pierde la dureza y por lo tanto la capacidad de corte.Se manifiesta de forma instantánea y generalmente es consecuencia de exceso de velocidad

Rotura :Como consecuencia del alto grado de dureza, las herramientas suelen ser frágiles.Cuando las fuerzas de corte superan un determinado umbral empiezan a desprenderse partículas de la arista de corte o a veces un trozo importante de la herramienta.Las elevadas fuerzas que producen este tipo de rotura no corresponden a régimen permanente, sino a variaciones transitorias como por ejemplo vibraciones.




Los dos mecanismos de desgaste anteriores suelen producir daños en la superficie mecanizada y son indeseables

Desgaste progresivo :

Ocurre cuando la herramienta se utiliza adecuadamente.Produce una perdida de forma de la herramienta y reducción de su eficiencia de corte.A partir de un determinado instante se produce un desgaste acelerado y la falla total de la herramienta




Mecanismos de Desgaste Progresivo :

Abrasión :Partículas duras de la parte rayan y desprenden partículas de la herramienta.

Adhesión :

Cuando dos metales entran en contacto a alta presión y temperatura se produce la adhesión o soldado entre ellos (viruta y herramienta).

A medida que la viruta fluye a través de la herramienta se rompen pequeñas partículas de la herramienta y se separan de la superficie, provocando el desgaste de la superficie.




Mecanismos de Desgaste Progresivo :

Difusión :La difusión es el intercambio de átomos a través del limite de contacto entre dos superficies.La difusión ocurre en el limite herramienta-viruta y ocasiona que la superficie de la herramienta quede agotada por los átomos que le imparten dureza..Conforme este proceso continua, la superficie de la herramienta se vuelve mas susceptible a la abrasión y la adhesión.La difusión contribuye principalmente al desgaste en cráter.

Deformación Plástica :Las fuerzas de corte que actúan en el borde corte a altas temperaturas hacen que este se deforme plásticamente, haciéndolo mas vulnerable a la abrasión de la superficie de la herramienta.La deformación plástica contribuye principalmente al desgaste del flanco




Tipos de desgastes progresivos :

Desgaste en la cara de incidencia o frontal :Se manifiesta por la aparición sobre la cara de incidencia de una banda estriada y brillante paralela a la arista de corte.Determina el estado de la superficie obtenida y la precisión dimensional.

Deformación plástica :La punta del útil puede sufrir deformación permanente como consecuencia de las elevadas temperaturas y presiones en el corte.Se produce en materiales altamente resistentes.Se traduce en un mayor desgaste frontal a la altura de la punta del útil.




Tipos de desgastes progresivos :

Entalla :En ciertas condiciones se produce una entalla sobre la arista cortante a la altura del diámetro periférico de la pieza, especialmente cuando existe filo recrecido.Se suele presentar en el mecanizado de materiales dúctiles a bajas velocidades.

Desgaste en la cara de desprendimiento o craterización :Está caractizado por una cubeta que se origina en la cara de desprendimiento.Su influencia es notable sobre el enrollamiento de la viruta sobre si misma, de tal forma que en ciertas condiciones puede sustituir al rompe virutas.




Entalla




Deformación Plática y cráter




Desgaste en la cara de incidencia



VELOCIDAD DE CORTE

Resulta evidente que la velocidad de corte no puede ser elegida arbitrariamente, ya que con velocidades pequeñas, el tiempo de mecanizado es grande; mientras que si las velocidades son muy elevadas, se calienta el filo de corte por encima de las temperaturas permitidas por el material de la misma y como consecuencia se pierde rápidamente el filo de la herramienta, teniendo que reafilarla con lo que aumentan los tiempos no productivos y como consecuencia los gastos.



VELOCIDAD DE CORTE

Velocidad de corteEs la que corresponde al movimiento principal de corte y representa los (m/min) recorridos por un punto de la pieza con relación a la herramienta, o de la herramienta con relación a la pieza, dependiendo de quién de ellos lleve el movimiento principal.En la máquina herramienta torno, hemos visto que el movimiento principal es rotatorio y que lo lleva la pieza bajo el efecto del eje principal de la máquina, por tanto, la velocidad de corte será:

V = Velocidad de corte en n/min

D = Diámetro máximo de la pieza en mm. Este valor varía a lo largo del filo de la herramienta, haciendo variar, por tanto, la velocidad de corte a lo largo del mismo. Sin embargo, se toma el valor máximo, ya que en el caso de grandes penetraciones es el punto más desfavorable del filo.

ne = Número de revoluciones por minuto del eje principal (n.r.p.m.).



AVANCE

Avance

Se llama avance «s» al desplazamiento de la herramienta o de la pieza en la dirección de movimiento de avance.

El avance se establece normalmente en milímetros-vuelta (mm/v) para operaciones de torneado y en milímetros-minuto (mm/min) para fresado y taladrado.

Los valores de avance recomendados para cada herramienta de torneado se indican en mm/v; sin embargo, para fresado se indican habitualmente, debido al número de dientes «Z», en milímetros-diente «Sz».

Para determinar el avance en milímetros-minuto, se aplica la siguiente fórmula:s = Sz*Z*N (mm/min)



VIDA DE LAS HERRAMIENTAS TEORÍA DE TAYLOR

Taylor para ello realiza una serie sistemática de larguísimos ensayos, haciendo intervenir en los mismos, doce parámetros de corte, entre los que se encuentran: las condiciones de corte(velocidad de corte, avance, profundidad de pasada, etc.); la geometría de la herramienta(ángulo de situación principal, ángulo de desprendimiento normal, ángulo de caída de filo, radio de redondeamiento, etc.); la calidad del material de la herramienta y pieza; el criterio de duración o vida de la herramienta(desgaste frontal de la cara de incidencia, profundidad de cráter de la cara de desprendimiento, tolerancias de la pieza, etc.); y condiciones de trabajo, como el refrigerante utilizado, medios de fijación de la pieza, potencia y estado de la máquina, tipo de máquina, tipo de operación, etc.

Esta teoría se basa en el cálculo de la velocidad de corte para una duración establecida de la herramienta entre dos afilados consecutivos

Frederick Taylor - 1907




Para estudiar la relación existente entre la vida de la herramienta y la velocidad de corte, fijó arbitrariamente diez de los parámetros y se dedicó a variar la velocidad de corte para estudiar la influencia en la duración del filo.

Definió como Vida de la Herramienta : “Longitud de tiempo de corte en el cual se puede usar la herramienta.

Y para establecer la vida de la herramienta Taylor adoptó el criterio de caída de filo, que se detecta por la aparición de vibraciones, por un empeoramiento brusco del acabado superficial y por un sensible aumento de los esfuerzos de corte. Estableciendo como desgaste máximo permitido 0.05 mm.

Los resultados obtenidos los llevó a una gráfica en la que en abcisas consta el logaritmo de la velocidad de corte y en ordenadas, el logaritmo de la vida de la herramienta; de tal forma que observó que siempre que permaneciesen fijos los diez parámetros, cualesquiera que fuera su valor, siempre se obtenía una recta.




CVT n =

n : Pendiente de la recta

C




n : depende del material de la herramienta y pieza

C : es una constante que engloba todos los factores que han permanecido fijos durante el ensayo, por tanto, dependerá del avance, penetración, geometría y calidad de la herramienta, calidad del material a trabajar, condiciones de trabajo, criterio de desgaste, etc.

Expresa la velocidad de corte para una duración de la herramienta de 1min. y para los valores fijados en el ensayo.




La ecuación de Taylor V·T n = C , solamente se puede utilizar cuando permanecen fijos los parámetros de ensayo englobados en la constante C.

Con el objeto de obtener una relación más amplia entre la velocidad de corte y los diversos factores que le afectan, investigadores posteriores a Taylor, han tratado de evaluar la influencia que sobre la constante C ejercen diversos factores de mecanizado, entre los que se encuentran:

El desgaste de la cara de incidencia El espesor (h) de virutaEl ancho (b) de viruta

Generalización de la fórmula:




La forma de operar para el estudio de la relación existente entre la velocidad de corte y el parámetro elegido, fue la misma que la utilizada por Taylor, es decir, fijando el resto de los parámetros se ha tratado de evaluar la influencia del parámetro elegido sobre la velocidad de corte.

Obteniéndose la siguiente formula debida a GILBERT (1950):


napv TAPCV ---=

p : profundidad de pasada

a : avance



VIDA DE LAS HERRAMIENTASECONOMÍA DEL MECANIZADO

Supongamos una operación de mecanizado en la cual se ha elegido convenientemente, tanto la máquina a utilizar, como la herramienta, así como el fluido de corte.

De este modo, las únicas condiciones de corte que nos quedan por determinar son la profundidad de pasada (p), el avance (a) y la velocidad de corte (V).

La profundidad de pasada , viene normalmente prefijada en base a las creces de sobremetal que hay que arrancar. En desbaste será la mayor posible, limitada por la geometría de la herramienta y la potencia y rigidez disponibles.

El avance, en el caso de operaciones de acabado, está determinado por el grado de acabado superficial requerido; y, en operaciones de desbaste, se sabe experimentalmente que se debe elegir el máximo avance posible.

Por tanto, nos queda únicamente por determinar el valor de la velocidad de corte.




Lógicamente fijados todos los parámetros, el empleo de velocidades bajas, ocasionarán elevados tiempos de producción y como consecuencia, elevados costos, debido al elevado tiempo de mecanizado.

Igualmente el costo de producción será elevado, con el empleo develocidades muy altas, ya que el tiempo de producción será elevado debido a la necesidad de cambio frecuente de la herramienta.

Evidentemente existirá una condición óptima que de un tiempo de producción mínimo.

Igualmente existirá una condición óptima que dará el costo mínimo de producción.

Debido a que estos dos objetivos no pueden alcanzarse conjuntamente, existirá una condición intermedia que será la que nos de el máximo beneficio.




Elección de la Velocidad de Corte :

Criterio Optimizar la utilización de la herramienta de corte

Objetivo Maximizar la remoción de material (o nivel de producción)Minimizar costos del proceso




Determinación del Tiempo más Económico

Parámetros :

N : numero piezas por lotenp : numero de piezas que podemos fabricar con un filoN/np = numero de filos necesarios

Tiempos por piezaTm Tiempo de maniobraTc Tiempo de corte

Tiempos por loteTr Tiempo de reglaje de la maquina para esa pieza (único para todas las piezas)





Tiempo por cada filo de herramientaTch Tiempo de cambio de herramienta (aplicable cada vez que cambiamos el filo)

CostesPm Tasa horaria de la máquinaPh Coste de la herramientaPaf Coste de un afiladoNaf Numero de afilados posibles en la herramientaPf Coste de cada filo





Determinamos el coste de cada filo :

Pf = (Ph+Paf Naf)/(Naf+1) La herramienta ya viene afilada, por lo que el numero de afilados que usamos es Naf+1

El coste total del lote será :

P=(Tr + (Tm+Tc) N) Pm + (N/np) Pf +( N/np) Tch Pm

Suponemos que el tiempo de duración de la herramienta es T y deseamos saber su valor para que P sea minimo.

Según Taylor V T n = C





Sabemos que :Np Tc = T

Y que Tc= K/V (El tiempo de corte es proporcional a la velocidad de corte)

Sustituimos Tc en función de la velocidad en la expresión de P Derivamos respecto a la velocidad y sustituimos el valor de V, que hace la derivada valga cero, en la expresión de Taylor, obteniendo que el Tiempo de vida mas económico es :

0=∂∂VP

Rnn

PPTP

nnT

m

mchfe

-1-1=

+=

[ ] mchp

fp

mcmr PTnNP

nNPNTTTP ++++= )(




Determinación del Tiempo de máxima producción

NTT

nTTT r

mp

chcu +++=

0u =∂∂

TT

chp TnnT -1

=




Coste por Volumen

Volumen horario de Viruta



VIDA DE LAS HERRAMIENTAS

Otros criterios para determinar el desgaste

Inspección directa del filoAumento del consumo de potenciaDegradación de la terminación superficialEvolución de las cotas de la piezaEmisión acústicaTiempo acumulado de corteAumento de la Vibración

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