14-MECANICA DE CORTE Julio Alberto Aguilar Schafer
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14-MECANICA DE CORTE
Julio Alberto Aguilar Schafer
MECANICA DE CORTE
Julio Alberto Aguilar Schafer
MAQUINABILIDAD
La maquinabilidad de un material, se define en función de:
1. Acabado e integridad superficial de la parte maquinada
2. Duración de la herramiente
3. Requerimiento de fuerza y potencia
4. Control de viruta
EVOLUCIÓN EN LA PRODUCCIÓN DE VIRUTA A TRAVÉS DEL TIEMPO, CON EL USO DE NUEVOS MATERIALES DE CORTE
MECÁNICA DE CORTE
Julio Aguilar
FUNDAMENTOS DEL MECANIZADO
Objetivos
MECÁNICA DEL CORTE
Conocer los principios básicos de la formación de la viruta y su influencia en las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta
Introducir el mecanizado de alta velocidad
MECÁNICA DEL CORTE
Corte ortogonal vs corte oblicuo.
Mecánica de formación de viruta Tipos de viruta.
Cinemática y Dinámica del corte ortogonal.
Balance energético en el mecanizado.
Desgaste de herramienta.
Refrigeración y lubricación.
Mecanizado de alta velocidad (MAV o HSM).
Mecánica del corte
Corte ortogonal vs Corte oblicuo
El filo de la herramienta (OF) es perpendicular a velocidad de corte (v).
Corte ortogonal
El filo de la herramienta (OF) y la velocidad de corte (v) no forman un ángulo recto, sino l0 (inclinación del filo) y/o X 90 (posición).
Corte oblicuo
Y
Z
Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal
Modelos de formación de la viruta
MODELO DE PIJSPANEN Plano de cizallamiento X=90º; l=0º Mat. Pieza maleable Hta rígida Régimen estacionario Flujo continuo de viruta
Fotografia de formación de la revava
Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal
Ángulo de cizallamiento,
Formado por el plano de cizallamiento con la superficie a mecanizar.
Depende de: material de pieza y conds de corte.
Parámetros geométricos
Y
Z
Formación de viruta: proceso de deformación plástica.
Disminuye la longitud y aumenta el espesor de la viruta.
Causas para una mayor deformación: • menor , y • menor (mayor s).
Factores influyentes:
• tenacidad pieza
• calidad de hrrta
•
•
Efectos de ( e):
• velocidad salida de viruta.
• Pc y Tª.
Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal
Parámetros geométricos
sentg
.1
cos.
Relación entre factor de recalcado y ángulo de cizallamiento: (entre 10 y 60º)
Factor de recalcado, ( c)
es la relación entre la long de viruta formada y la del mat. equivalente (o espesor no deformado y espesor de viruta tras el corte): (entre 0.2 y 1)
1)cos(.
.
OA
senOA
e
h
l
l
m
v e deformación
Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal
Deformación,
Parámetros geométricos
sentg
x
s
x .
1cos.2)(cotlim
2
0
)cos(.
cos
sen
Para un dado, la deformación es mínima si:
= 1 e = h 24
La relación de estos parámetros es:
• Para un , si ( e) deformación ().
• Para un (e=cte), si deformación ().
Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal
Longitud de contacto de la viruta
Cuando dejen de actuar sobre la viruta esfuerzos de compresión normales a la cara de desprendimiento no habrá contacto con la herramienta.
Longitud de contacto de la viruta con la herramienta:
4
)(1)cos(.
.
tge
sen
senhBCOBl
Mecánica del corte
Viruta en el Corte Oblicuo
La viruta no fluye sobre la cara de desprendimiento de la hrrta en dirección perpendicular al filo forma un ángulo con la normal.
Aplicando principios de tª de plasticidad:
l
Se puede aplicar fórmulas de corte ortogonal, teniendo en cuenta que:
• e
ll 22 cos.sensensen e
Corte ortogonal y oblicuo
Sección de la viruta
sen
ha
senbp
hbapS
.
..
Corte ortogonal y oblicuo
Sección de la viruta
mat. no arrancado necesidad de filo secundario
Espesor de viruta equivalente:
he = área sección viruta / long filo cortante
p . a = l . he
Mecánica del corte
Tipos de Viruta
Continua:
Mats. tenaces y dúctiles (vc, a).
grandes ( ).
Parcialmente segmentada:
Compuesta de elementos parcialmente unidos
y ligados entre sí.
Totalmente discontinua:
Mats. frágiles (no soportan tensión de cizallamiento)
Mats. dúctiles (vc, avance); No metálicos.
Superf. de contacto muy reducida.
bajo o negativo ( ); mec. en seco; rigidez máquina
Si rigidez no adecuada, como Fc varía continuamente, aparecen vibraciones calidad superficial y precisión dimensional
Mecánica del corte
Tipos de Viruta
Ondulada:
Existencia de vibraciones.
Continua con filo de aportación (recrecido):
Se forman capas de viruta debido al rozamiento
en la superf de contacto viruta-herramienta, y se
quedan adheridas a hrrta.
Filo aportado crece hasta que rompe bruscamente.
Consecuencias: acabado superf. y vida hrta.
Mecánica del corte
Cinemática del corte ortogonal
v, veloc. de corte: relativa entre hrrta y pieza, debida al mov. de corte. vs, veloc. de deslizamiento de la viruta respecto pieza. vc, veloc. de deslizamiento de la viruta respecto hrrta. Velocidad de deformación muy elevada: = vs/y = 102 106 s-1 (ensayos de fluencia 10-2; choque 102) ? Usar características comunes de materiales ensayos propios (y cte separación de planos de deslizamiento 0.0180.18 mm)
)cos(cos
v
sen
vv cs
)cos(
cos
)cos(.
vv
senvv
e
hvv
s
c la max velocidad a la que puede fluir la viruta sobre la sup desprendimiento de hrrta es v (velocidad de corte).
Dinámica del corte
Análisis de las fuerzas de corte ortogonal
F se descompone según 3 sist. de fuerzas (círculo de Merchant):
Dirección del mov pral de corte y avance: Ft (Fc) y Fn (Fa).
Plano de cizalladura y normal: Fs y Fsn
Superf. de hrrta y normal: F y Fn
)(
)cos(
FsenFF
FFF
an
ct
)(
)cos(
FsenF
FF
sn
s
cosFF
FsenF
n
n
rozF
Ftg
siendo coef. fricción
En corte ortogonal, la fuerza total F está contenida en el plano normal al filo de la herramienta.
ó Fa/Fc = tg(-)
Dinámica del corte
Tensiones en el corte ortogonal
Tensiones actuantes en el plano de cizallamiento:
Tensión dinámica de cizallamiento:
)cos( senA
F
A
F
s
ss
Tensión normal al plano de cizallamiento:
)(. sensenA
F
A
F
s
sns
)cos(.
)(
)cos(.
)cos(
)cos(.
1
sen
senAFF
senAFF
senAF
san
sct
s
sen
AAs
)cos( FFs
Dinámica del corte
Modelos de mecanizado en corte ortogonal , , no se pueden relacionar geométricamente, pero sí con teorías de plasticidad y consideraciones energéticas Modelos de mecanizado.
-
Conclusiones: Relaciones lineales. Para un determinado, y As (As = A / sin )
Como resist. media de mat. en zona cizallado es cte, si As Fc
Para un determinado, Fc
Dinámica del corte
Corte oblicuo
222
cpa FFFF
3
5
cp
ca
FF
FF
vFvFvFvFP cppaac ....
Dinámica del corte
Presión específica de corte, ps
Estudio del arranque de viruta y cálculo de fuerzas de corte y potencia presión de corte, ps o ks.
A
Fkp c
ss Fuerza de corte
Sección de viruta
Cuando A = 1 mm2, se tiene la presión específica de corte, kso.
Potencia específica de corte, Psp: potencia necesaria para arrancar un volumen unitario de material en la unidad de tiempo.
A
F
vA
vFP
vAQ
vFP
c
c
ccsp
c
cc
.
.
.
.
Vol de material arrancado en 1 min
Dinámica del corte
Presión específica de corte, ks
Factores de los que depende ks:
Características del material a mecanizar: dureza pz ks
Mat. y geometría de hrrta: HTA/PZA ks
ks
kr, X ks
En fresado:
ps = ps TABLA . k
1º ks 1%
Dinámica del corte
Presión específica de corte, ks
Sección y espesor de viruta. h, A ks
V ks Velocidad de corte.
Presión específica de corte, ks
Lubricación y refrigeración: modifican rozamiento pieza-hrrta.
Desgaste de la herramienta: modifica la hrrta ks.
Dinámica del corte
Cálculo de ks:
mm
ccss
bh
F
A
Fkp
.
x
m
y
msoc hbkF
xz
y
1
1
z
msx
m
sso hk
h
kk
.
)1(
kso y z dependen del mat de pieza y mat. y geometría de hrrta.
En catálogos de fresado: ps hm, = ps TABLA . k . khm
Presión específica de corte, ks
Dinámica del corte
Mecánica del corte
Fuentes de calor en el mecanizado
Energía absorbida en el proceso de corte se utiliza en:
Deformación elástica: se devuelve sin producir calor.
Deformación plástica: no se devuelve (romper enlaces atómicos con desprendimiento de calor).
Pérdidas por rozamiento.
Def. plástica Def. plástica y
rozamiento
Rozamiento
P = Ps + Pr + Parr = Fc.vc
Arrollamiento viruta
Rozamiento
Cizallamiento
Mecánica del corte
Temperatura en el corte
La energía disipada se convierte en calor incremento de Tª en zona de corte.
Las mayores Tªs se alcanzan con: mat pieza muy duro, alta vc y ap. Si el mat pieza tiene alto calor específico y conductividad térmica, la Tª no es tan alta.
vc vc
Mecánica del corte
Filo recrecido
Debido a la existencia de rozamiento entre viruta y hrrta alcanzar límite de cizalladura en el interior de viruta antes que deslice sobre hrrta zona de cizalladura secundaria.
Variación de geometría de viruta y conds de corte, ya que hay un añadido al filo cortante y un aumento de e (provoca Fc).
Filo adherido es inestable desgaste de la cara de desprendimiento y perjudica el acabado.
Menor incidencia de filo recrecido si vc, ya que al Tª, el mat se ablanda e inhibe su formación.
Mecánica del corte
Desgaste de la herramienta
En el corte, la hrrta está sometida a: grandes tensiones mecánicas, alta Tª y efectos corrosivos del refrigerante desgaste progresivo o fallo prematuro.
Fallo prematuro provocado por: deformación plástica del filo, fatiga y rotura frágil (tensiones y baja tenacidad).
Desgaste progresivo no puede ser evitado, pero sí controlado.
Tipos de desgaste
Mecanismos de desgaste progresivo
Tipos de desgaste
Desgaste de la Herramienta
Remedios al desgaste
Desgaste de la Herramienta
Mecánica del corte
Refrigerantes/Lubricantes
Aceites de corte: minerales + aditivos; vegetales (capa lubricante); mixtos.
Fluidos base agua: emulsiones (aceite mineral + agua (directas (90%) / indirectas) + emulsionante = taladrina); soluciones (sintéticas y semisintéticas).
Tipos
Refrigeración (enfriar eficazmente hrrta): viscosidad, capacidad de mojar bien el mat (contacto), calor específico y conductividad térmica.
Lubricación: facilita flujo viruta y .
Prevenir filo recrecido
Proteger de corrosión
Lubricar M-H
Evacuar viruta
Funciones
Mecánica del corte
Refrigerantes/Lubricantes
Tipo y mat de hrrta: acero al C (emulsiones), HSS (sg pieza), metal duro (emulsiones o en seco)
Mat de pieza: aleac. no férreas ligeras y pesadas (en seco o aceites); aleac. Ni ( emulsiones); fundición
(en seco); aceros (aceites)
Conds. de mecanizado: cond extremas y delicadas ( aceites); cond ligeras (emulsiones)
Tipo de mecanizado: rectificado (emulsiones); taladrado (aceites puros de baja viscosidad)
Reciclaje y mantenimiento
Selección
Fluido: riego a 10225 l/min. Localización próxima a la zona de corte.
Neblina: para acceder a zonas difíciles y mejorar visibilidad pieza. En rectificado, a 1080 psi de presión, con emulsiones.
Alta presión: 800 5000 psi. Actúa como rompevirutas. Mayor evacuación de calor en procesos de elevada velocidad y potencia de corte.
Forma de aplicación
Mecánica del corte
Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM)
Causas de su aparición: desarrollo de mat de hrrta, desarrollo de M-H (componentes y sistemas de control) y conocimientos del mecanismo de formación de viruta y desgaste de hrrta. optimización y proceso diferenciado.
Definición: optimización del mecanizado con las limitaciones existentes pieza/material/máquina-herramienta. Puede suponer mecanizar a velocidades de corte entre 5 y 10 veces superiores a las que se utilizan de manera convencional “para cada material”. (no implica necesariamente
rpm)
Mecánica del corte
Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM) HSM como proceso diferenciado: Fenómenos físicos asociados al corte: mats responden a la hipótesis de Salomon
Fenómenos difusión asociados al desgaste de hrrta: capas de recubrimiento contra el desgaste por difusión.
Mecánica del corte
Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM)
Efectos del incremento de vc:
Mat. dúctil: zona de deformación primaria tiende al plano de cizallamiento, de forma que deformación Fc
entre viruta y hrrta
Desaparece filo recrecido calidad superficial
Casi la totalidad del calor se evacua por la viruta
Frecuencia de excitación dinámica alejada de frecuencia crítica de M-H.
Consecuencias:
Mayores gastos de inversión (25 veces): formación, infraestructuras, herramientas, controles, CAD/CAM; cambio de mentalidad y distribución del tiempo.
Mayores beneficios: calidad superficial, tp mecanizado (30% en fresado), operaciones acabado (pulido), dinero en consumo de htas y seguridad.
Mecánica del corte
Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM) Campos de aplicación (Solución no general)
Cilindrado con diferente tipo de inserto
Los tres componentes principales en un ingerto son:
Los insertos pueden ser de diferentes formas y tamaños
Diferentes filos producen diferentes acabados
Acabado burdo Acabado fino
PORTA PASTILLAS
Fijación de insertos en una torre
Propiedades importantes en los ingertos
Las herramientas de corte de carburos tienen clasificación ISO
La configuración de los ingertos determinan la forma de la viruta
Ejemplos de la forma como la revarva se pude quebrar
Sumario:
Tipos de fracturas en los ingertos
Algunas consideraciones sobre las herramientas de corte
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