yicela-muñoz t1
DESCRIPTION
La termodinámica en el corte de metales, mediante el uso de herramientas de corte, donde existe desprendimiento de viruta.TRANSCRIPT
La termodinámica en el corte de los metales
República Bolivariana de Venezuela
Ministerio Del Poder Popular para la Educación Superior
Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Escuela de Ingeniería Industrial # 45
Cátedra: Procesos de Manufactura
Profesor: Realizado Por:
Ing. Alcides Cádiz. Muñoz Yicela
Ciudad Guayana, 03 de Noviembre del 2013.
1
La termodinámica en el corte de los metales
INDICE
Introducción……………………………………………………………………………..3
La termodinámica en el corte de metales, mediante el uso de herramientas de corte, donde existe desprendimiento de viruta………………………………………4
Importancia de las variables de corte, calor, energía y temperatura en el proceso de manufactura…………………………………………………………………………..6
Uso de tablas físicas y químicas asociadas a la termodinámica de corte de metales……………………………………………………………………………………8
Seguridad industrial y el desprendimiento de virutas en el proceso de manufactura……………………………………………………………………………..12
Conclusión……………………………………………………………………………….15
Bibliografía……………………………………………………………………………….16
Anexos……………………………………………………………………………………17
2
La termodinámica en el corte de los metales
INTRODUCCIÓN
Una herramienta de corte es el elemento utilizado en las máquinas
herramienta para extraer material de una pieza cuando se quiere llevar a cabo un
proceso de mecanizado. Hay muchos tipos para cada máquina, pero todas se
basan en un proceso de arranque de viruta. Es decir, al haber una elevada
diferencia de velocidades entre la herramienta y la pieza, al entrar en contacto la
arista de corte con la pieza, se arranca el material y se desprende la viruta.
En todo proceso tenemos diversas variables, las cuales afectan las
entradas o salidas del proceso. Temperatura, nivel, flujo, presión, son las variables
más comunes en los procesos industriales, las cuales son monitoreadas y
controladas por medio de la instrumentación del proceso.
Aunque no se va a estudiar a fondo el fenómeno termodinámico, sí que
conviene tener algunos conceptos claros respecto a la influencia de los distintos
parámetros de corte en las temperaturas de la herramienta y en la pieza y, por los
tanto, en la economía y calidad del proceso.
La correcta utilización de los elementos de seguridad es fundamental para
mantener una excelente protección individual y del contexto laboral. Ante las
posibles situaciones de riesgo es necesario contar con el compromiso del
profesional y la responsabilidad planteada durante instrucciones y capacitaciones
de normas y procedimientos de seguridad. La concientización referida a la buena
utilización de elementos de seguridad, herramientas y artefactos eléctricos tiene
mucha importancia al momento de enfrentar situaciones peligrosas, de riesgo, o
de manipulación de elementos en la rutina de trabajo.
3
La termodinámica en el corte de los metales
1- La termodinámica en el corte de metales, mediante el uso de herramientas de corte, donde existe desprendimiento de viruta.
Cortar metales involucra la remoción de metal mediante las operaciones de
maquinado. Tradicionalmente, el maquinado se realiza en tornos, taladradoras de
columna, y fresadoras con el uso de varias herramientas cortantes. El maquinado
de éxito requiere el conocimiento sobre el material cortante.
El maquinado es un proceso de manufactura en el que una herramienta de
corte se utiliza para remover el exceso de material de una pieza de forma que el
material que quede tenga la forma deseada. La acción principal de corte consiste
en aplicar deformación en corte para formar la viruta y exponer la nueva superficie.
Podemos cortar: metales, madera, plásticos, compuestos, cerámicas.
Podemos lograr tolerancias menores de 0.001 y tolerancias mejores que 16
micros pulgadas. Para los procesos de corte se requiere el uso de una cuchilla
para remover el material. Las cuchillas pueden tener uno, varios, o múltiples
segmentos cortantes.
Ejemplos de algunos procesos de corte: torneado cilíndrico, corte en fresadora,
taladrado.
En los procesos por arranque de viruta interviene lo siguiente:
Metal Sobrante: es la cantidad de material que debe ser arrancado de la pieza
en bruto, hasta conseguir la configuración geométrica y dimensiones, precisión y
acabados requeridos. La elaboración de piezas es importante, si se tiene una
cantidad excesiva del material sobrante, originará un mayor tiempo de maquinado,
un mayor desperdicio de material, y aumentará el costo de fabricación.
Profundidad de corte: es la profundidad de la capa arrancada de la superficie
de la pieza en una pasada de la herramienta.
Velocidad de avance: es el movimiento de la herramienta respecto a la pieza
o de ésta última respecto a la herramienta en un período de tiempo determinado.
4
La termodinámica en el corte de los metales
Velocidad de corte: Es la distancia que recorre el filo de corte de la
herramienta al pasar en dirección del movimiento principal (Movimiento de Corte)
respecto a la superficie que se trabaja: El movimiento que se origina, la velocidad
de corte puede ser rotativo o alternativo; en el primer caso, la velocidad de, corte o
velocidad lineal relativa entre pieza y herramienta corresponde a la velocidad
tangencial en la zona que se está efectuando el desprendimiento de la viruta, es
decir, donde entran en contacto herramienta y, pieza y debe irse en el punto
desfavorable. En el segundo caso, la velocidad relativa en un instante dado es la
misma en cualquier punto de la pieza o la herramienta.
Tipos de viruta:
A partir de la apariencia de la viruta se puede obtener mucha información
valiosa acerca del proceso de corte, ya que algunos tipos de viruta indican un
corte más eficiente que otros. El tipo de viruta está determinado primordialmente
por:
a) Propiedades del material a trabajar.
b) Geometría de la herramienta de corte.
c) Condiciones del maquinado (profundidad de corte, velocidad de avance y
velocidad de corte).
En general, es posible diferenciar inicialmente tres tipos de viruta:
Viruta discontinua. Este caso representa el corte de la mayoría de los
materiales frágiles tales como el hierro fundido y el latón fundido; para estos
casos, los esfuerzos' que se producen delante del filo de corte de la herramienta
provocan fractura. Lo anterior se debe a que la deformación real por esfuerzo
cortante excede el punto de fractura en la dirección del plano de corte, de manera
que el material se desprende en segmentos muy pequeños. Por lo común se
produce un acabado superficial bastante aceptable en estos materiales frágiles,
puesto que el filo tiende a reducir las irregularidades.
5
La termodinámica en el corte de los metales
Las virutas discontinuas también se pueden producir en ciertas condiciones
con materiales más dúctiles, causando superficies rugosas. Tales condiciones
pueden ser bajas velocidades de corte o pequeños ángulos de ataque en el
intervalo de 0° a 10° para avances mayores de 0.2 mm. El incremento en el
ángulo de ataque o en la velocidad de corte normalmente elimina la producción de
la viruta discontinua.
Viruta Continua. Este tipo de viruta, el cual representa el corte de la
mayoría de materiales dúctiles que permiten al corte tener lugar sin fractura, es
producido por velocidades de corte relativamente altas, grandes ángulos de
ataque (entre 10º y 30º) y poca fricción entre la viruta y la cara de la herramienta.
Las virutas continuas y largas pueden ser difíciles de manejar y en
consecuencia la herramienta debe contar con un rompe virutas que retuerce la
viruta y la quiebra en tramos cortos.
Viruta Continua con protuberancias. Este tipo de viruta representa el
corte de materiales dúctiles a bajas velocidades en donde existe' una alta fricción
sobre la cara de la herramienta. Esta alta fricción es causa de que una delgada
capa de viruta quede cortada de la parte inferior y se adhiera a la cara de la
herramienta. La viruta es similar a la viruta continua, pero la produce una
herramienta que tiene una saliente de metal aglutinado soldada a su cara.
Periódicamente se separan porciones de la saliente y quedan depositadas en la
superficie del material, dando como resultado una superficie rugosa; el resto de la
saliente queda como protuberancia en la parte trasera de la viruta.
2- Importancia de las variables de corte, calor, energía y temperatura en el proceso de manufactura.
Variables Independientes:
- Material, condición y geometría de la cuchilla.- Material, condición y temperatura de la pieza de trabajo.- Uso de fluido de cortes.- Características de la máquina.
6
La termodinámica en el corte de los metales
- Condiciones de corte.
Variables Dependientes:
- Tipo de viruta.- Fuerza y energía disipada.- Aumento en temperatura.- Desgaste en la cuchilla.- Terminado de superficie.
Temperatura de corte: casi toda la energía de corte se disipa en forma de
calor. El calor provoca altas temperaturas en la interface de la viruta y la cuchilla.
Una de las limitaciones de los procesos de corte son las temperaturas alcanzadas
durante el mecanizado. La potencia consumida en el corte se invierte en la
deformación plástica de la viruta y en los distintos rozamientos. Estos trabajos se
convierten en calor que se invierte en aumentar las temperaturas de la viruta, la
herramienta y la pieza de trabajo. La herramienta pierde resistencia conforme
aumenta su temperatura, aumentando su desgaste y por lo tanto disminuyendo su
vida útil. Por otro lado, un calentamiento excesivo de la pieza de trabajo puede
variar las propiedades del material debido a cambios micro estructurales por
efectos térmicos, también puede afectar a la precisión del mecanizado al estar
mecanizando una pieza dilatada que a temperatura ambiente se puede contraer.
Fuerzas de corte: Aunque el costo de la potencia consumida en una
operación de mecanizado no es un factor económico importante habitualmente, es
necesario su conocimiento para ser capaces de estimar la cantidad de potencia
necesaria para realizar la operación debido a las limitaciones impuestas por la
máquina disponible. La capacidad de estimar la potencia de una operación es
importante sobre todo en las operaciones de desbaste ya que lo que interesa es
realizar la operación en el menor tiempo y en el menor número de pasadas
posible. Por otra parte, las fuerzas de corte también intervienen en fenómenos
como el calentamiento de la pieza y la herramienta, el desgaste de la herramienta,
la calidad superficial y dimensional de la pieza, el diseño del amarre y utillajes
7
La termodinámica en el corte de los metales
necesarios, etc. La interacción entre la herramienta, la viruta y la pieza, se traduce
en una serie de presiones sobre la superficie de la herramienta. Este sistema de
fuerzas y presiones se puede reducir a una fuerza resultante F. El momento
resultante se puede despreciar ya que el área sobre el que se aplica la fuerza es
muy pequeña.
Generación de calor: La potencia consumida en una operación de corte
Pm se convierte en calor principalmente por los siguientes mecanismos:
-Deformación plástica en la zona de cizalladura de la viruta.
-El calor generado por unidad de tiempo tiene un valor se puede calcular en
función de la velocidad de cizallado y la fuerza de cizallado: Ps=Fsvs
Variable de calor: En la fundición, la energía se agrega en la forma de
calor de modo que la estructura interna del metal se cambia y llega a ser liquida.
En este estado el metal se esfuerza por presión, la cual puede consistir de la sola
fuerza de gravedad, en una cavidad con forma donde se le permite solidificar. Por
lo tanto, el cambio de forma se lleva a cabo con el metal en dicha condición en la
que la energía para la forma es principalmente la del calor, y se requiere poca
energía en la fuerza de formación.
3- Uso de tablas físicas y químicas asociadas a la termodinámica de corte de metales.
Formación de la viruta: la herramienta de corte al penetrar con su filo en el
material, provoca la separación de una capa del mismo que constituye la viruta,
esto se realiza de la siguiente manera:
La determinación de la fuerza de corte en el mecanizado permite conocer,
no solo las solicitaciones dinámicas a las que se ve sometida la herramienta y la
pieza, sino también el valor de la potencia requerida para poder efectuar el
proceso. La mayor parte de dicha potencia se consume en la eliminación del
material de la pieza, de ahí que la componente de la fuerza que reviste una mayor
8
La termodinámica en el corte de los metales
importancia desde éste punto de vista es aquella que tiene la misma dirección que
la velocidad de corte.
Descripción de la formación de la viruta:
- El filo en forma de cuña abre el material
- El material separado se recalca (aumenta su grueso) por efecto de la fuerza
aplicada con la cara anterior de la herramienta.
- La partícula de metal se curva y se desvía de la superficie de trabajo.
- Cada partícula siguiente hace el mismo proceso, para continuar unida a la
anterior, formando una viruta más o menos continua o separarse y dar
origen a una viruta fragmentada.
Dependiendo de la naturaleza del material y de la forma de la herramienta,
la viruta será diferente, es decir una misma herramienta produce virutas diferentes
en distintos materiales.
Los materiales plásticos como el cobre, el plomo, los aceros suaves, dan
unas virutas largas más o menos rizadas, por el contrario la fundición, el bronce, el
latón con mucho cinc, y en general los materiales quebradizos originan virutas
cortas.
Básicamente, la viruta se forma en un proceso de cizalladura localizado que
se desarrolla en zonas muy estrechas. Se trata de una deformación plástica, bajo
condiciones de gran tensión y alta velocidad de deformación, que se genera a
partir de una región de compresión radial que se propaga por delante de la
herramienta cuando ésta se desplaza por encima de la pieza.
Esta región de compresión radial posee, al igual que toda deformación
plástica, una zona de compresión elástica que pasa a serlo de compresión plástica
al otro lado de la frontera entre ambas. En los metales recocidos, la compresión
plástica engendra densas marañas y redes de dislocaciones, y cuando este
endurecimiento por deformación plástica llega a la saturación (acritud total), al
material no le queda otro remedio que cizallarse.
9
La termodinámica en el corte de los metales
Modelo Plano de cizallamiento (Pijspanen): Para realizar el análisis de la
viruta es necesario simplificar el proceso de corte y una primera simplificación es
el corte ortogonal. Pijspanen analiza el corte con pequeños elementos de espesor
infinitesimal que resbalan unos por encima de otros según la dirección que
determina el plano de cizallamiento.
En este modelo, se postula la existencia de una llamada superficie ó plano
de cizallamiento, cuya forma es la consecuencia de una particular distribución de
tensiones a lo largo del área de contacto herramienta pieza. También puede ser
debida a la geometría de la herramienta de corte.
El modelo supone que el material arrancado se encuentra dividido en
infinitos pequeños elementos de espesor infinitesimal, que resbalan uno sobre el
otro por la acción de la herramienta, según una dirección común determinada por
el plano de cizallamiento inclinado un ángulo con respecto a la superficie plana de
la pieza a mecanizar.
La viruta se separa de la pieza por un mecanismo de deformación plástica,
correspondiente al desplazamiento relativo de los elementos de espesor, y
además como la viruta resbala sobre la cara de desprendimiento, se manifiesta
también una acción de rozamiento entre la viruta y la herramienta.
Método de corte ortogonal: Ts recibe el nombre de tensión dinámica de
cizallamiento, siendo una constante propia de cada material. Sustituyendo la
expresión anterior en la que se relaciones Fc y Fs. Esta expresión proporciona el
valor de la fuerza de corte en función de la tensión dinámica de cizallamiento, de
la sección de viruta indeformada, del ángulo de cizallamiento y del ángulo de
rozamiento. De estas cuatro variables, tres de ellas (ts, y Ac) son conocidas,
mientras que p es desconocido.
Por lo tanto, se requiere una ecuación más que relacione el ángulo de
rozamiento con las otras variables conocidas. Esta ecuación se obtiene a partir de
la llamada “Hipótesis de Merchant”, que establece lo siguiente: “El plano de
10
La termodinámica en el corte de los metales
cizallamiento, en un proceso de corte ortogonal, se sitúa de forma tal que la
potencia necesaria para la deformación es mínima”.
Merchant encontró que existía una buena correspondencia entre los
resultados de su teoría y los experimentos de corte en plásticos sintéticos, pero
que la correspondencia era muy pobre para otros materiales, como por ejemplo el
acero.
Esto se debía a que se había considerado los materiales como isótropos; es
decir, que su resistencia al corte era constante en todo el plano de cizalladura y no
se veía afectada por la temperatura, velocidad de deformación, etc.
Conclusiones:
- Si el ángulo de desprendimiento aumenta, el ángulo de cizalladura aumenta.
- Si el ángulo de rozamiento disminuye (disminuye la fricción), el ángulo de
cizalladura aumenta.
- Si el ángulo de cizalladura aumenta, disminuye el área de corte (menor potencia
necesaria).
- Si el ángulo de cizalladura disminuye, aumenta el área de corte (mayor potencia
necesaria).
Método de la presión de corte: Este método es de los denominados
empíricos. Establece que la fuerza de corte es directamente proporcional a la
sección de viruta indeformada con una constante de proporcionalidad denominada
presión de corte ó resistencia específica de corte (ks): Fc = ks.Ac
La presión de corte depende de numerosos factores, a saber:
a) Materiales de la pieza y de la herramienta ambos materiales, aparte de otros
factores (acabado superficial, lubricación, etc.), son responsables del valor del
rozamiento que aparece entre ambos cuando se ponen en contacto. Un
incremento de dicho rozamiento y de la dureza del material de la pieza supone un
aumento en el valor de ks.
11
La termodinámica en el corte de los metales
b) Geometría de la pieza y de la herramienta en particular, existe una variación de
ks con la variación del ángulo de desprendimiento. Cuanto más “positiva” es la
geometría de corte (mayor ángulo de desprendimiento), menor es el valor de ks,
puesto que la viruta sufre una menor deformación a igualdad de material
eliminado.
c) Sección de viruta, cuando la sección de viruta aumenta ks disminuye.
d) Velocidad de corte, aunque de modo muy ligero, se observa una disminución de
ks cuando aumenta la velocidad de corte.
e) Lubricación, al modificarse las condiciones de rozamiento pieza, herramienta,
un incremento de la lubricación supone un descenso del valor de ks al reducirse la
fuerza de rozamiento.
f) Desgaste de la herramienta, modifica la geometría y por lo tanto el valor de ks
aumenta.
Al ser tan numerosos y en algunos casos difícilmente cuantificables los
factores que influyen en el valor de ks, el único método fiable para su
determinación es la medición directa sobre el proceso de mecanizado concreto en
las condiciones específicas en que éste se realiza.
En la práctica, dado que este proceder es poco viable, se recurre a la
utilización de tablas que recogen las variaciones de ks en función de una serie de
variables dependientes de los factores anteriormente mencionados.
4- Seguridad industrial y el desprendimiento de viruta en el proceso de manufactura.
Recomendaciones de seguridad para la prevención de riesgos laborales en
máquinas herramientas.
1. Los interruptores y las palancas de embrague de los tornos, se han de asegurar
para que no sean accionados involuntariamente; las arrancadas involuntarias han
producido muchos accidentes.
12
La termodinámica en el corte de los metales
2. Las ruedas dentadas, correas de transmisión, acoplamientos, e incluso los ejes
lisos, deben ser protegidos por cubiertas.
3. El circuito eléctrico del torno debe estar conectado a tierra. El cuadro eléctrico al
que esté conectado el torno debe estar provisto de un interruptor diferencial de
sensibilidad adecuada. Es conveniente que las carcasas de protección de los
engranes y transmisiones vayan provistas de interruptor es instalados en serie,
que impidan la puesta en marcha del torno cuando las protecciones no están
cerradas.
4. Las comprobaciones, mediciones, correcciones, sustitución de piezas,
herramientas, etc. deben ser realizadas con el torno completamente parado.
5. Proteger los elementos de transmisión mediante resguardos fijos o móviles
asociados a dispositivos de enclavamiento.
6. Comprobar que las protecciones se encuentran en buen estado y en su sitio cuando se usa la herramienta.
Protección personal
1. Para el torneado se utilizarán gafas de protección contra impactos, sobre todo
cuando se mecanizan metales duros, frágiles o quebradizos.
2. Asimismo, para realizar operaciones de afilado de cuchillas se deberá utilizar
protección ocular.
3. Si a pesar de todo, alguna vez se le introdujera un cuerpo extraño en un ojo...
¡cuidado!, no lo restriegues; puedes provocarte una herida. Acude inmediatamente
al Centro Médico.
4. Las virutas producidas durante el mecanizado, nunca deben retirarse con la
mano.
5. Para retirar las virutas largas se utilizará un gancho provisto de una cazoleta
que proteja la mano. Las cuchillas con rompe virutas impiden formación de virutas
largas y peligrosas, y facilita el trabajo de retirarlas.
6. Las virutas menudas se retirarán con un cepillo o rastrillo adecuado.
7. La persona que vaya a tornear deberá llevar ropa bien ajustada, sin bolsillos en
el pecho y sin cinturón. Las mangas deben ceñirse a las muñecas, con elásticos
en vez de botones, o llevarse arremangadas hacia adentro.
13
La termodinámica en el corte de los metales
8. Se usará calzado de seguridad que proteja contra los pinchazos y cortes por
virutas y contra la caída de piezas pesadas.
9. Es muy peligroso trabajar en el torno con anillos, relojes, pulseras, cadenas al
cuello, corbatas, bufandas o cualquier prenda que cuelgue.
10. Asimismo es peligroso llevar cabellos largos y sueltos, que deben recogerse
bajo un gorro o prenda similar. Lo mismo puede decirse de la barba larga, que
debe recogerse con una redecilla.
11. No retirar los desechos con la mano. Usar elementos auxiliares (cepillos, brochas, etc.).
Cabeza, ojos y oídos.
Proteger las vías respiratorias y los ojos es de gran importancia cuando se
realizan actividades industriales. Los elementos de seguridad relacionados a la
protección de los sentidos superiores, están contemplados en todas las normas
internacionales y son de uso obligatorio para los individuos implicados en la tarea.
Entre los elementos de seguridad más importantes encontramos a los
protectores auditivos, de gran importancia cuando se realizan actividades con
frecuencia de ruido muy altas y que pueden afectar la audición. En cuanto a la
protección ocular en trabajos donde se registran riesgos de chispas, virutas,
esquirlas, es necesario utilizar gafas protectoras o anteojo de seguridad. Por lo
general el anteojo de seguridad es fabricado en policarbonato de alto impacto
puede ser transparente totalmente y tiene protección lateral. La protección de la
cabeza está directamente encomendada al uso correcto del casco. El casco es
provisto por la institución contratante y debe ser utilizado durante toda la jornada
laboral sin excepción.
14
La termodinámica en el corte de los metales
CONCLUSIÓN
Los procesos industriales tienen su propósito principal el de transformar
materias primas en un producto final. Durante el proceso de la producción de
estos bienes, se tienen diversos procesos, ya sea que sean reutilizados los
materiales, o se convierta energía para producir el producto final.
El objetivo fundamental en los procesos de manufactura por arranque de
viruta es obtener piezas de configuración geométrica requerida y acabado
deseado. La operación consiste en arrancar de la pieza bruta el excedente del
metal por medio de herramientas de corte y máquinas adecuadas.
El principal riesgo derivado de las máquinas herramienta es el riesgo
mecánico, entendiendo como tal el conjunto de factores físicos que pueden dar
lugar a una lesión por la acción mecánica de elementos de máquinas,
herramientas, piezas a trabajar o materiales proyectados, sólidos o fluidos. Las
formas elementales del peligro mecánico son principalmente: aplastamiento;
cizallamiento; corte; enganche; atrapamiento o arrastre; impacto; perforación o
punzonamiento; fricción o abrasión; proyección de sólidos o fluidos.
De forma general, para evitar accidentes se recomienda seguir las indicaciones de
seguridad.
15
La termodinámica en el corte de los metales
BIBLIOGRAFÍA
- Ciencia e Ingeniería de Materiales. William Smith. 3 Ed.
- Mecánica de Materiales. Beer and Jhonston. 4 Ed.
- Ingeniería de fabricación. Mecanizado por arranque de viruta.
Autores:
Fernando Arranz Merino
Julián Rodríguez Montes
M. Del Mar Cledera Castro
Yolanda Burón Fernández
Bibliografía electrónica:
http://es.wikipedia.org/wiki/Maquinabilidad
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000155/lecciones/lec2/2_6.htm
http://todoingenieriaindustrial.wordpress.com/procesos-de-fabricacion/3-3-desprendimiento-de-viruta-por-maquinado-convencional-y-cnc/
http://html.rincondelvago.com/desprendimiento-de-virutas.html
16
La termodinámica en el corte de los metales
ANEXOS
1- Fuerza de corte: método de la presión de corteValores de presión específica de corte y Z para materiales de uso frecuentes.
17
La termodinámica en el corte de los metales
2- Fuerza de corte: método de la presión de corte
18
La termodinámica en el corte de los metales
3- Fuerza de corte: método de la presión de corte.
19
La termodinámica en el corte de los metales
20
La termodinámica en el corte de los metales
4- Virutas
21
La termodinámica en el corte de los metales
22