2-1 2.1 Procesos de Manufactura sin Arranque de Virutas Introducción Un lingote de acero tiene un uso muy reducido hasta que le es dada una forma tal que pueda usarse en un proceso de manufactura. Si el lingote es admitido en frío, se vuelve bastante difícil, si no imposible, convertir el material por medios mecánicos en una forma estructural, acero en barra o lámina. Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puede martillarse, prensarse, rolarse o extruirse en otras formas. Debido a la desoxidación y otras desventajas del trabajo en caliente a temperaturas elevadas, la mayoría de los metales ferrosos se trabajan en frío o se terminan en frío después del trabajo en caliente para obtener un buen acabado superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedades mecánicas. La forja fue el primer método de trabajo en caliente como se muestra en la histórica fotografía de la Fig.1. Una prensa movida por una fuente de potencia general y una banda desde los árboles, tiene un brazo descendente y golpea un pedazo caliente de metal colocado en un dado. Los procesos, mientras la tecnología se ha mejorado, hoy permanecen semejantes. Deformación plástica Los dos tipos principales de trabajo mecánico en los cuales el material puede sufrir una deformación plástica y cambiarse de forma son trabajos en caliente y trabajos en frío Como muchos conceptos metalúrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en frío no es fácil de definir. Cuando al metal se le trabaja en caliente, las fuerzas requeridas para deformarlo son menores y las propiedades mecánicas se cambian moderadamente. Cuando a un metal se le trabaja en frío, se requieren grandes fuerzas, pero el esfuerzo propio del metal se incrementa permanentemente.
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
- 1. 2-12.1 Procesos de Manufactura sin Arranque de VirutasIntroduccinUn lingote de acero tiene un uso muy reducido hasta que le es dada una forma tal que puedausarse en un proceso de manufactura. Si el lingote es admitido en fro, se vuelve bastantedifcil, si no imposible, convertir el material por medios mecnicos en una formaestructural, acero en barra o lmina. Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puedemartillarse, prensarse, rolarse o extruirse en otras formas. Debido a la desoxidacin y otrasdesventajas del trabajo en caliente a temperaturas elevadas, la mayora de los metalesferrosos se trabajan en fro o se terminan en fro despus del trabajo en caliente paraobtener un buen acabado superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedadesmecnicas.La forja fue el primer mtodo de trabajo en caliente como se muestra en la histricafotografa de la Fig.1. Una prensa movida por una fuente de potencia general y una bandadesde los rboles, tiene un brazo descendente y golpea un pedazo caliente de metalcolocado en un dado. Los procesos, mientras la tecnologa se ha mejorado, hoy permanecensemejantes.Deformacin plsticaLos dos tipos principales de trabajo mecnico en los cuales el material puede sufrir unadeformacin plstica y cambiarse de forma son trabajos en caliente y trabajos en froComo muchos conceptos metalrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en frono es fcil de definir. Cuando al metal se le trabaja en caliente, las fuerzas requeridas paradeformarlo son menores y las propiedades mecnicas se cambian moderadamente. Cuandoa un metal se le trabaja en fro, se requieren grandes fuerzas, pero el esfuerzo propio delmetal se incrementa permanentemente.
2. 2-2La temperatura de recristalizacin de un metal determina si el trabajo en caliente o enfro est siendo cumplido o no. El trabajo en caliente de los metales toma lugar por encimade la recristalizacin o rango de endurecimiento por trabajo. El trabajo en fro debe hacersea temperaturas abajo del rango de recristalizacin y frecuentemente es realizado atemperatura ambiente. Para el acero, la recristalizacin permanece alrededor de 500C a700C, aunque la mayora de los trabajos en caliente del acero se hacen a temperaturasconsiderablemente arriba de este rango. No existe tendencia al endurecimiento por trabajomecnico hasta que el lmite inferior del rango recristalino se alcanza. Algunos metales,tales como el plomo y el estao, tienen un bajo rango recristalino y pueden trabajarse encaliente a temperatura ambiente, pero la mayora de los metales comerciales requieren dealgn calentamiento. Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre todo en elrango de trabajo conveniente, siendo el resultado acostumbrado aumentar la temperaturadel rango recristalino. Este rango tambin puede incrementarse por un trabajo anterior enfro.Durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal est en estado plstico yes formado rpidamente por presin. Adicionalmente, el trabajo en caliente tiene lasventajas siguientes:1. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayora de loslingotes fundidos contienen muchas pequeas sopladuras. Estas son prensadas y a lavez eliminadas por la alta presin de trabajo.2. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas atravs del metal.3. Los granos gruesos o prismticos son refinados. Dado que este trabajo esten el rango recristalino, seria mantenido hasta que el lmite inferior es alcanzadopara que proporcione una estructura de grano fino.4. Las propiedades fsicas generalmente se mejoran, principalmente debido alrefinamiento del grano. La ductilidad y la resistencia al impacto se perfeccionan, suresistencia se incrementa y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. Lamayor resistencia del acero laminado existe en la direccin del flujo del metal.5. La cantidad de energa necesaria para cambiar la forma del acero en estadoplstico es mucho menor que la requerida cuando el acero est fro.Todos los procesos de trabajo en caliente presentan unas cuantas desventajas que nopueden ignorarse. Debido a la alta temperatura del metal existe una rpida oxidacin oescamado de la superficie con acompaamiento de un pobre acabado superficial. Comoresultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajoen caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el proceso es econmicocomparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.El trmino acabado en caliente, se refiere a barras de acero, placas o formasestructurales que se usan en estado "laminado" en el que se obtienen de las operaciones detrabajo en caliente. Se hacen algunos desescamados pero por lo dems el acero est listopara usarse en puentes, barcos, carros de ferrocarril, y otras aplicaciones en donde no se 3. 2-3requieren tolerancias cerradas. El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dadoque el contenido de carbono es menor del 0.25%.Los principales mtodos de trabajo en caliente de los metales son:A. Laminado C. ExtrusinB. Forjado D. Manufactura de tubos1.Forja de herrero o con martillo E. Embutido2.Forja con martinete F. Rechazado en caliente3.Forja horizontal G. Mtodos especiales4.Forja con prensa5.Forja de laminado6.Estampado2.1.1 LaminadoLos lingotes de acero que no son refusionados y fundidos en moldes se convierten enproductos utilizables en dos pasos:1. Laminando el acero en formas intermedias-lupias, tochos y planchas.2. Procesando lupias, tochos y planchas en placas, lminas, barras, formasestructurales u hojalata.El acero permanece en las lingoteras hasta que su solidificacin es casi completa, que escuando los moldes son removidos. Mientras permanece caliente, los lingotes se colocan enhornos de gas llamados fosos de recalentamiento, en donde permanecen hasta alcanzar unatemperatura de trabajo uniforme de alrededor de 1200 C en todos ellos. Los lingotesentonces se llevan al tren de laminacin en donde debido a la gran variedad de formasterminadas por hacer, son primero laminadas en formas intermedias como lupias, tochos oplanchas. Una lupia tiene una seccin transversal con un tamao mnimo de 150 x 150mm.Un tocho es ms pequeo que una lupia y puede tener cualquier seccin desde 40mm hastael tamao de una lupia. Las planchas pueden laminarse ya sea de un lingote o de una lupia.Tienen un rea de seccin transversal rectangular con un ancho mnimo de 250mm y unespesor mnimo de 40mm. El ancho siempre es 3 o ms veces el espesor y puede sercuando mucho de 1500mm. Placas, plancha para tubos y fleje se laminan a partir deplanchas.Un efecto del trabajo en caliente con la operacin de laminado, es el refinamiento delgrano causado por recristalizacin. Esto se muestra grficamente en la Fig.2. La estructuragruesa es definitivamente despedazada y alargada por la accin de laminado. Debido a laalta temperatura, la recristalizacin aparece inmediatamente y comienzan a formarsepequeos granos. Estos granos crecen rpidamente hasta que la recristalizacin es 4. 2-4completa. El crecimiento contina a altas temperaturas, si adems la elaboracin no esmantenida, hasta que la temperatura baja del rango recristalino es alcanzada.Los arcos AB y AB son arcos constantes sobre los rodillos. La accin de acuadura enla elaboracin es superada por las fuerzas de rozamiento que actan en estos arcos yarrastran al metal a travs de los rodillos. El metal emerge de los rodillos viajando a mayorvelocidad de la que entra. En un punto medio entre A y B la velocidad del metal es lamisma que la velocidad perifrica del rodillo. La mayora de la deformacin toma lugar enel espesor aunque hay algn incremento en el ancho. La uniformidad de la temperatura esimportante en todas las operaciones de laminado, puesto que controla el flujo del metal y laplasticidad.La mayora de los laminados primarios se hacen ya sea en un laminador reversible dedos rodillos o en un laminador de rolado continuo de tres rodillos. En el laminadorreversible dedos rodillos, Fig. 3A, la pieza pasa a travs de los rodillos, los cuales sondetenidos y regresados en reversa una y otra vez. A intervalos frecuentes el metal se hacegirar 90 sobre su costado para conservar la seccin uniforme y refinar el metalcompletamente. Se requieren alrededor de 30 pasadas para reducir un lingote grande a unalupia. Los rodillos superior e inferior estn provistos de ranuras para alojar las diferentesreducciones de la seccin transversal de la superficie. El laminador de dos rodillos esbastante verstil, dado que posee un amplio rango de ajustes segn el tamao de piezas yrelacin de reduccin. Est limitado por la longitud que puede laminarse y por las fuerzasde inercia, las cuales deben ser superadas cada vez que se hace una inversin. Esto seelimina en el laminador de tres rodillos, Fig. 3C, pero se requiere un mecanismo elevador.Aunque existe alguna dificultad debido a la carencia de velocidad correcta para todas las 5. 2-5pasadas, el laminador de tres rodillos es menos costoso para hacerse y tiene un mayorrendimiento que el laminador reversible.Los tochos podran laminarse en un gran laminador del tamao usado para lupias, peroesto no se acostumbra hacer por razones econmicas. Frecuentemente se laminan lupias enun laminador continuo de tochos compuesto de alrededor de ocho estaciones de laminadoen lnea recta. El acero formado, por ltimo pasa a travs del laminador y sale con untamao final de tocho, aproximadamente de 50mm por 50mm, el cual es la materia primapara muchas formas finales tales como barras, tubos y piezas forjadas.La Fig.4 ilustra el nmero de pasadas y la secuencia de reduccin de la seccintransversal de un tocho de 100 por 100mm para convertirlo en una barra redonda.Otras disposiciones de rodillos usadas en laminadores se muestran en la Fig.3. Aquellosque tienen cuatro o ms rodillos usan a los dems como respaldo de los dos que realizan ellaminado. Adems, muchos laminadores especiales toman productos previamentelaminados y fabrican con ellos artculos terminados como rieles, formas estructurales,placas y barras. Tales laminadores usualmente llevan el nombre del producto que se laminay, aparentemente, son semejantes a los laminadores usados para lupias y tochos.2.1.2 Forja2.1.2.1 Forja Abierta o de HerreroEste tipo de forja consiste en martillar el metal caliente ya sea con herramientasmanuales o entre dados planos en un martillo de vapor. La forja manual, como la hecha porel herrero, es la forma ms antigua de forjado. La naturaleza del proceso es tal que no seobtienen tolerancias cerradas, ni pueden hacerse formas complicadas. El rango de forjadova desde unos cuantos kilogramos y sobrepasa los 90 Mg lo que puede hacerse por forja deherrero.Los martillos de forja se hacen con bastidor del tipo sencillo o abierto para el claro detrabajo, mientras que el tipo de bastidor doble se hace para servicio pesado. Un martinete 6. 2-6tpico de vapor se muestra en la Fig.5. La fuerza del golpe es severamente controlada por eloperador, y se requiere considerable habilidad para el uso de esta mquina.2.1.2.2 EstampadoEl estampado difiere de la forja con martillo en que se usa ms bien una impresincerrada que dados de cara abierta. La forja se produce por presin o impacto, lo cual obligaal metal caliente y flexible a llenar la forma de los dados como en la Fig.6. En estaoperacin existe un flujo drstico del metal en los dados causado por los golpes repetidossobre el metal. Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, lasoperaciones se dividen en un nmero de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente,controlando el flujo del metal hasta que la forma final se obtiene. El nmero de pasosrequeridos vara de acuerdo al tamao y forma de la pieza, las cualidades de forja del metaly las tolerancias requeridas. Para productos de formas grandes y complicadas una operacinde formado preliminar, usando ms de un juego de dados, puede requerirse. Lastemperaturas aproximadas de forjado son: acero 1100 a 1250 C; cobre y sus aleaciones750 a 925C; magnesio 370 a 450C.La forja de acero en dados cerrados varia en tamao desde unos cuantos gramos hasta10 Mg 7. 2-7Los dos tipos principales de martillos de estampado son el martinete de vapor y elmartinete de cada libre o martinete de tabln. En el primero el apisonador y el martillo sonlevantados por vapor, y la fuerza del golpe es controlada por estrangulamiento del vapor.Con estos martinetes, los cuales trabajan rpidamente, se obtienen sobre 300 golpes porminuto. El rango de capacidades de los martinetes de vapor va desde 2 hasta 200 kN. Sonnormalmente diseados de doble bastidor, con un cilindro de vapor ensamblado en su partesuperior que provee la potencia para actuar el apisonador. Para una masa dada delapisonador un martinete de vapor desarrollar el doble de la energa sobre el dado que laque podra obtenerse de un martinete de cada libre o de tabln.En el martinete del tipo cada libre la presin de impacto es desarrollada por la fuerzade cada del apisonador y el dado cuando golpea sobre el dado que est fijo abajo. En laFig.7 se muestra un martinete de cada libre con pistn elevador. Utiliza aire o vapor paralevantar el apisonador. Este tipo de martinete permite la preseleccin de una serie de golpesde carrera corta o larga. El operador es liberado de la responsabilidad de la regulacin delas alturas de la carrera y resultan unos terminados de forja muy uniformes. Los martinetesde este tipo pueden servir para apisonar masas de 225 kg y hasta masas de 4500 kginclusive. El martinete de cada libre con tabln tiene algunos tablones de maderaendurecida unidos al martillo con el propsito de elevarlo. Despus de que el martillo hacado, unos rodillos arrastran los tablones y levantan el martillo hasta 1.5 m. Cuando lacarrera es alcanzada los rodillos se separan y los tablones son sostenidos por unostrinquetes hasta que son liberados por el operador. La fuerza del golpe es enteramentedependiente de la masa del martillo, el apisonador, y el dado superior, el cual pocas vecesexcede los 35 kN. El martinete de tabln no se levanta tan rpidamente como la unidad deaire o de vapor. Los martinetes de cada libre encuentran un uso extenso en la industria paraartculos tales como herramientas manuales, tijeras, cubiertos, partes de herramientas ypiezas de aviacin. 8. 2-8El martinete de forja por impacto, que se muestra en la Fig. 12.8 tiene dos cilindrosopuestos en un plano horizontal el cual acciona los impulsores y los dados uno hacia elotro. El material se posiciona en el plano de impacto en el cual los dados chocan. Sudeformacin absorbe la energa y no hay choque o vibracin en la mquina. Con esteproceso al material se le trabaja igualmente en ambos lados; existe menos tiempo decontacto entre el material y el dado; se requiere menos energa que con otros procesos deforja; y el trabajo es realizado mecnicamente.La pieza forjada tendr una ligera saliente de exceso de metal extendindose alrededorde la lnea de particin. Se le elimina en una prensa independiente de recorteinmediatamente despus de la operacin de forjado. La pequea forja puede recortarse enfro, aunque deben tenerse algunos cuidados en la operacin de recorte para no deformar lapieza. La pieza a forjar usualmente es sostenida de manera uniforme por el dado en elapisonador y empujada a travs de las aristas de corte. Operaciones de punzonado puedenhacerse tambin mientras el recorte se lleva a cabo. 9. 2-9La Fig. 9 muestra los dados para forja del cilindro exterior principal del tren deaterrizaje de un gran avin. Los dados pesan poco ms de 28 Mg. Algunas operaciones deforja requieren un recalentamiento del metal base entre las estaciones de estampado.En general, todas las piezas forjadas estn cubiertas con escamas y deben limpiarse.Esto puede hacerse por inmersin en cido, granallado, o con arena dependiendo deltamao y composicin de la pieza forjada. Si ocurre alguna deformacin durante el forjado,una operacin de enderezado o formado puede requerirse. Usualmente se procura unenfriamiento controlado para piezas grandes y si ciertas propiedades fsicas se necesitan setoman providencias para tratamientos trmicos posteriores.La ventajas de la operacin de forjado incluyen una fina estructura cristalina del metal,la eliminacin de cualquier vaco, un tiempo reducido de maquinado, e insuperablespropiedades fsicas. La forja es adaptable a aceros aleados y al carbono, hierro dulce, cobre,aleaciones ligeras, aleaciones de aluminio y aleaciones de magnesio. Sus desventajasabarcan las inclusiones de escamas y el alto costo de los dados que lo hacen prohibitivopara trabajos de pequea serie. El alineamiento de los dados es algunas veces difcil demantener y debe tenerse mucho cuidado en su diseo para asegurar que no ocurran grietasdurante el forjado debido al plegado del metal durante la operacin. Las estampas de forjatienen un gran nmero de ventajas sobre los dados abiertos de forja, incluyen una mejor 10. 2-10utilizacin del material, mejores propiedades fsicas, tolerancias ms cerradas, ritmos altosde produccin, y se requiere menos habilidad del operador.2.1.2.3 Forjado en PrensaLas prensas de forjado emplean una accin lenta de compresin deformando el metalplstico, contrariamente al rpido impacto del golpe del martillo. La accin de compresines mantenida completamente hasta el centro de la pieza que est prensndose, trabajando afondo la seccin completa. Estas prensas son del tipo vertical y pueden ser operadas ya seamecnica o hidrulicamente. Las prensas mecnicas, cuya operacin es ms rpida, puedenejercer una fuerza de 4 a 90 MN.La presin necesaria para formar el acero a temperatura de forja vara desde 20 hasta190 MPa. Tales presiones estn basadas en la superficie de la seccin transversal de lapieza forjada cuando sta se mide sobre la lnea de particin del dado.Para el forjado de pequeas piezas, se usan estampas, y una sola carrera del apisonadores normalmente necesaria para realizar la operacin de forja. La mxima presin esalcanzada en el extremo de la carrera cuando se fuerza al metal dentro de la forma. Losdados pueden montarse como unidades separadas, o todas las impresiones pueden ponerseen un solo bloque. Para pequeas piezas forjadas son ms convenientes unidadesindividuales de dados. Existen algunas diferencias para el diseo de dados para metalesdiferentes. La forja de aleaciones de cobre puede hacerse con menos ensayos que en acero;consecuentemente, pueden producirse formas ms complicadas. Estas aleaciones fluyenbien en el dado y son extruidas rpidamente.En el forjado en prensa una mayor proporcin del trabajo total puesto en la mquina estrasmitida al metal que en una prensa de martillo de cada libre. Mucho del impacto delmartillo de cada libre es absorbido por la mquina y su cimentacin. La reduccin delmetal con prensa es ms rpida, y el costo de operacin consecuentemente es menor. Lamayora de las prensas de forjar son de formas simtricas con superficies que sontotalmente lisas, y proporcionan unas tolerancias ms cerradas que las obtenidas con unmartillo de cada libre. Sin embargo, muchas piezas de formas irregulares y complicadaspueden forjarse ms econmicamente por forja abierta. Las prensas de forjado se usanfrecuentemente para operaciones de calibrado sobre partes hechas por otros procesos.2.1.2.4 Forjado HorizontalEl forjado horizontal implica la sujecin de una barra de seccin uniforme en dados y seaplica una presin sobre el extremo caliente, provocando el que sea recalcado o formadosegn el dado, como se muestra en la Fig. 12.10. La longitud de la barra a ser recalcada nopuede ser mayor de dos o tres veces el dimetro, pues si no el material se doblar en vez deexpandirse para llenar la cavidad del dado. 11. 2-11Para algunos productos la operacin principal puede completarse en una posicin,aunque en la mayora de los casos la pieza es progresivamente colocada en diferentesposiciones en el dado. Las impresiones pueden estar en el punzn, en el dado fijo o enambos. En muchas ocasiones las piezas forjadas no requieren de una operacin de recorte.Mquinas de este tipo son una consecuencia de pequeas mquinas diseadas para hacerlescabeza en fro a clavos y pequeos tornillos.El penetrado progresivo, o desplazamiento interno, es el mtodo frecuentementeempleado en mquinas de forjado horizontal para producir partes tales como cascos deartillera y cilindros forjados de mquinas radiales. La secuencia de operaciones para elforjado de un cilindro se muestra en la Fig.11. Barras cilndricas de una longitudpredeterminada para un cilindro, primero se calientan a temperatura de forja. Para facilitarla manipulacin de la barra se prensa un porta barra dentro de un extremo. La barra esrecalcada y progresivamente penetrada hasta dejar una copa de fondo grueso. En la ltimaoperacin un punzn de extremo cnico expande y alarga el metal dentro del extremo deldado, liberando el portabarra y punzonando hacia afuera el extremo del pedazo de metal.Grandes cuerpos de cilindro con masas superiores a los 50 kg pueden forjarse de estamanera. El rango de partes producidas por este proceso va desde pequeos a grandesproductos que pesan algunos cientos de kilogramos. Los dados no se limitan al recalcado,pueden usarse tambin para penetrado, punzonado, recorte o extrusin.Con objeto de producir ms formas masivas por este mtodo, una mquina horizontalcontinua ha sido desarrollada. Esta mquina puede alimentar barra de acero calentada por 12. 2-12induccin a la cavidad del dado, en donde rpidos golpes del dado horizontal o si nomartillos exteriores y ajustables alcanzan a la pieza. Algunas de estas mquinas tienen undado de forjado horizontal hueco de longitudes tan largas como formas de seccintransversal constante pueden producirse.Otra variacin para forjado horizontal es la unin de metales. En vez de formar unaabertura en la cabeza de la barra de acero, se hace una operacin de forjado de una formacnica, similar a la Fig. 12.10B. El dado con- forma el perfil cnico deseado y la operacinde unin de metal concluye.2.1.2.5 Forja por LaminadoLas mquinas para forja por laminado son primeramente adaptadas para operaciones dereduccin y conificacin sobre barras de acero de pequea longitud. Los rodillos de estasmquinas mostrados en la Fig.12 no son completamente circulares sino que son cortados deun 25 a un 75% para permitir la entrada de la materia prima entre los rodillos. La porcincircular de los rodillos se ranura de acuerdo a la forma que quiere darse. Cuando losrodillos estn en posicin abierta el operador coloca la barra caliente entre ellos,retenindola con tenazas. Como los rodillos giran, la barra es agarrada por las ranuras delos mismos y empujada hacia el operador. Cuando los rodillos se abren, la barra esempujada hacia atrs y laminada de nuevo, o se le coloca en la ranura contigua para laoperacin siguiente de laminado. Girando la barra 90 despus de cada paso de laminado,no existe la oportunidad de formar rebabas.En el rolado de ruedas, tiras metlicas y artculos similares se usa un tren de rolado deconstruccin un poco diferente. La Fig.13 muestra como una pieza en bruto forjada seconvierte en una rueda, terminada por la accin de los diferentes rodillos dispuestosalrededor de ella. Como las ruedas giran, el dimetro es aumentado gradualmente mientrasla placa y el rin se reducen en seccin. Cuando se roa la rueda a su dimetro final, se lelleva entonces a una prensa y se le da una operacin de formado y calibrado. 13. 2-13La forja por laminado se usa en una amplia variedad de piezas, incluyendo ejes, barraspara propulsores de avin, palancas, hojas de cuchillos, cinceles, estrechado de tubos yextremos de muelles. Las piezas hechas de este modo tienen muy buen terminado desuperficie y las tolerancias son iguales a otros procesos de forja. El metal es trabajadocompletamente en caliente y tiene buenas propiedades fsicas.2.1.3 ExtrusinLos metales que pueden trabajarse en caliente pueden extruirse con formas de seccintransversal uniforme con ayuda de presin. El principio de extrusin, similar a la accin delchorro de la pasta de dientes de un tubo, ha sido muy usado para procesos en serie desde laproduccin de ladrillos, tubo de desage, tubo de drenaje, hasta la manufactura demacarrones. Algunos metales como el plomo, estao y aluminio pueden extruirse en fro,mientras que otros requieren la aplicacin de calor para hacerlos plsticos o semislidosantes de la extrusin. En la operacin actual de extrusin, los procesos difieren un poco,dependiendo del metal y aplicacin, pero en resumen consisten en forzar al metal(confinado en una cmara de presin) a salir a travs de dados especialmente formados.Varillas, tubos, guarniciones moldeadas, formas estructurales, cartuchos de bronce, y cablesforrados con plomo son productos caractersticos de metales extruidos.La mayora de las prensas usadas en el extruido convencional de metales son de tipohorizontal y operadas hidrulicamente. Las velocidades de operacin dependen sobre todode la temperatura y material, varan de unos cuantos metros sobre minuto hasta 275 m/min.Las ventajas de la extrusin incluyen la facilidad de producir una variedad de formas dealta resistencia, buena exactitud y terminado de superficie a altas velocidades deproduccin, y relativamente con un bajo costo de los dados. Ms deformaciones o cambiode forma pueden conseguirse por este proceso que por cualquier otro, excepto fundicin.Longitudes casi ilimitadas de seccin transversal continua pueden producirse, y debido albajo costo de los dados, series de produccin de 150 m pueden justificar su uso. El procesoes alrededor de tres veces ms lento que la forja por rolado, y la seccin transversal debepermanecer constante. Existen muchas variantes de este proceso. 14. 2-142.1.3.1 Extrusin DirectaLa extrusin directa est ilustrada en el diagrama de la Fig.14. Un tocho cilndricocaliente se coloca dentro de la cmara del dado, el falso bloque y el apisonador se colocanen posicin. El metal es extruido a travs del dado abrindolo hasta que slo queda unapequea cantidad. Entonces es cortado cerca del dado y se elimina el extremo.2.1.3.2 Extrusin IndirectaLa extrusin indirecta, Fig.14 es similar a la extrusin directa excepto que la parteextruida es forzada a travs del vstago apisonador. Se requiere menos fuerza por estemtodo, debido a que no existe fuerza de rozamiento entre el tocho y la pared continente. Eldebilitamiento del apisonador cuando es hueco y la imposibilidad de proveer soporteadecuado para la parte extruida constituyen las restricciones de este proceso.2.1.3.3 Extrusin por ImpactoEn la extrusin por impacto un punzn es dirigido al pedazo de metal con una fuerza talque ste es levantado a su alrededor. La mayora de las operaciones de extrusin porimpacto, tales como la manufactura de tubos plegables, son trabajadas en fro. Sin embargohay algunos metales y productos, particularmente aquellos en los cuales se requierenparedes delgadas, en los que los pedazos de metal son calentados a elevadas temperaturas.La extrusin por impacto es cubierta en el capitulo siguiente sobre trabajo en fro.2.1.4 Manufactura de tuberaLos accesorios tubulares y tubera pueden hacerse por soldadura elctrica o a tope,plancha para formado de tubos, perforado y extrusin. Los mtodos de perforado yextrusin se usan para tubera sin costura, la cual es usada en trabajos de alta presin ytemperatura como tambin para transportar gas y lquidos qumicos. Se ha manufacturadotubo de acero sin costura hasta de 400 mm de dimetro. Se usan tambin tubos extruidospara decantadores dado que el proceso puede adaptarse a configuraciones internas, talescomo rayado y ranurado. Tubo soldado a tope es el ms comn y se usa con propsitosestructurales, postes y para transporte de gas, agua y desperdicios. El tubo con soldadura 15. 2-15elctrica se usa principalmente para lneas de tubera que transportan productos del petrleoo agua.2.1.4.1 Soldadura a TopeEn el proceso de soldadura a tope se aplican ambos mtodos, intermitente y continuo.Tiras calientes de acero, conocidas como plancha para tubos, las cuales tienen los bordesligeramente biselados, son usadas de tal modo que se encontrarn exactamente cuando seanformados en un perfil circular. En el proceso intermitente, un extremo de la plancha paratubos es cortada en forma de Y para permitirle entrar a la campana de soldadura, como semuestra en la Fig.15A. Cuando a la plancha para tubos se le acerca hasta el calor desoldadura el extremo es agarrado por unas tenazas las cuales arrastran una cadena detraccin. Como el tubo es arrastrado a travs de la campana de soldado, la plancha paratubo es formada con un perfil circular y los bordes se sueldan juntos. Una operacin finalpasa al tubo entre rodillos de terminado y calibrado para darle el tamao correcto y quitarlela escama. El soldado continuo a tope del tubo es realizado abasteciendo la plancha paratubos en rollos y proveyendo los medios para soldar rpidamente los extremos del rollopara formar una tira continua. Como la plancha para tubos entra al horno, las flamas chocansobre los bordes de la tira para llevarla a la temperatura de soldado. Saliendo del horno, laplancha para tubos entra a una serie de rodillos horizontales y verticales la cual lo convierteen un tubo. Una vista de los rodillos, que muestra cmo el tubo es formado y calibrado esten la Fig.15B. Cuando el tubo abandona los rodillos, es cortado en longitudes quefinalmente son procesadas por desescamado y operaciones de terminado. El tubo hecho poreste mtodo tiene tamaos hasta de 75 mm de dimetro. 16. 2-162.1.4.2 Soldadura Elctrica a TopeLa soldadura elctrica a tope de tubo necesita un formado en fro de la placa de aceropara preparar la forma para la operacin de soldadura. La forma circular es desarrolladapasando la placa a travs de un tren continuo de rodillos que cambian su formaprogresivamente. Este es el mtodo conocido como formado por laminado. La unidadsoldadora colocada en el extremo de la mquina formadora por laminado consta de tresrodillos de centrado y presin que mantienen al perfil formado en posicin y dos rodilloselectrodo que abastecen corriente al generar el calor. Inmediatamente despus de que eltubo pas por la unidad de soldadura, el metal extruido rpidamente es eliminado delinterior y exterior del tubo. Rodillos de calibrado y terminado completan la operacindando al tubo un tamao exacto y concentricidad. Este proceso es adaptado a lamanufactura de tubo de hasta 400 mm de dimetro con espesores de pared que varan desde3 a 15 mm. Tubos de gran dimetro son usualmente fabricados por soldadura de arcosumergido despus de que fueron formados a lo largo en prensas especialmenteconstruidas. Algunos tubos grandes se fabrican por soldadura a martillo, la cual esesencialmente un proceso de forja-soldadura.2.1.4.3 Soldado por RecubrimientoEn el soldado por recubrimiento de tubo, las orillas de la plancha para tubos sonbiseladas como si salieran del horno. La plancha para tubo es entonces estirada a travs deun dado de forjado, o entre rodillos, para darle forma cilndrica con las orillas traslapadas.Despus de recalentada, la plancha para tubo doblada se pasa entre dos rodillos ranuradoscomo se muestra en la Fig.16. Entre los rodillos se fija un mandril que ajusta en el dimetrointerior del tubo. Las orillas son soldadas por recubrimiento por la presin entre los rodillosy el mandril. El tubo soldado por recubrimiento se hace en tamaos de 50 a 400 mm dedimetro.2.1.4.4 PerforadoPara producir tubo sin costura, se pasan tochos cilndricos de acero entre dos rodillos deforma cnica operando en la misma direccin. Entre estos rodillos se fija un punto omandril que ayuda en el perforado y controla el tamao del agujero cuando el tocho esforzado sobre l. 17. 2-17La operacin completa de la fabricacin de tubera sin costura por este procesoconvencional se muestra en la Fig.17. El tocho slido primeramente es punzonado al centroy despus llevado a calor de forja en un horno antes de ser perforado. Entonces esempujado entre dos rodillos de perforado los cuales le imparten rotacin y avance axial. Lacompresin alterna y la expansin del tocho abren un centro, el tamao y forma del cualson controlados por el mandril de perforado. Como el espesor de pared del tubo resulta deltren de perforado, se pasa entre rodillos ranurados sobre un tapn sujeto por el mandril y esconvertido en un tubo largo con un espesor de pared especificado. Mientras permanece atemperatura de trabajo, el tubo pasa a travs de la mquina de carrete la cual adems deenderezar y calibrar da a las paredes una lisura de superficie. El calibrado final y terminadoes realizado de la misma manera que con el tubo soldado.Este procedimiento se aplica a los tubos sin costura hasta de 150mm de dimetro. A lostubos grandes hasta de 350mm de dimetro se les da una segunda operacin con los rodillosde perforado. Para producir tamaos hasta de 600mm de dimetro, recalentados, seprocesan tubos doblemente perforados en un tren de rolado rotatorio como se muestra en laFig.18 y se terminan finalmente con rodillos de carrete y de calibrado como se describi enel proceso de perforado sencillo. Pueden requerirse calentamientos intermedios.En el mtodo continuo, mostrado en la Fig.19 una barra redonda de 140 mm esperforada y transportada al mandril laminador de nueve estaciones en donde se inserta unabarra cilndrica o mandril. Estos rodillos reducen el dimetro del tubo y el espesor de pared.Entonces es eliminado el mandril, y el tubo recalentado antes de entrar al laminadorreductor- alargador de doce estaciones. Este tren no slo reduce el espesor de pared del 18. 2-18tubo caliente sino tambin el dimetro del mismo. Cada rodillo sucesivo es impulsado aproducir una tensin suficiente para alargar el tubo entre estaciones. El mximorendimiento de este tren es 390 m/min para tubo de alrededor de 50mm de dimetro o mspequeo.2.1.4.5 Extrusin de TuboEl mtodo usual para extruir tubos se muestra en la Fig. 20. Es una forma de extrusindirecta, pero utiliza un mandril para formar el interior del tubo. Despus de que el tocho secoloca dentro, el dado que contiene el mandril se empuja contra el lingote como se muestraen la figura. El vstago compresor avanza entonces y extruye el metal a travs del dado yalrededor del mandril. La operacin completa debe ser rpida y velocidades hasta de 180m/min han sido usadas en la manufactura de tubos de acero. Pueden extruirse tubos deacero de bajo carbono a temperatura cercana a la ambiente, pero para la mayora de lasaleaciones el tocho debe calentarse alrededor de 1300C. 19. 2-192.1.5 EmbutidoPara productos sin costura que no pueden hacerse con equipo convencional de rolado,se usa el proceso ilustrado en la Fg.21. Se calienta una lupia a temperatura de forja y conun punzn de penetracin operado con una prensa vertical, la lupia se forma por forjadentro de un extremo hueco cerrado. La pieza forjada es recalentada y colocada en el bancode estirado en caliente que consiste de algunos dados, que decrecen sucesivamente endimetro, montados en un bastidor. El punzn operado hidrulicamente fuerza al cilindrocaliente a travs de la longitud completa del banco de estirado.Para cilindros largos o tubos de pared delgada, pueden requerirse calentamientos yembutidos repetidos. Si el producto final es un tubo, el extremo cerrado es cortado y elresto es enviado a travs de rodillos para terminado y calibrado, similares a los usados en elproceso de perforado. Para producir cilindros con un extremo cerrado similares a los usadospara el almacenado de oxigeno, el extremo abierto es estampado en forma de cuello oreducido por rechazado en caliente.2.1.6 Rechazado en calienteEl rechazado en caliente del metal se usa comercialmente para conformar o formarplacas circulares gruesas de alguna forma sobre un cuerpo giratorio y estrangular o cerrarlos extremos de tubos. En ambos casos una especie de torno se usa para hacer girar la piezarpidamente. El formado se hace con una herramienta de presin roma o rodillo que entraen contacto con la superficie de la pieza en rotacin y provoca el flujo del metal y que stese conforme a un mandril de la forma deseada. Una vez que la operacin se desarrolla, se 20. 2-20genera un considerable calor por rozamiento el cual ayuda a mantener al metal en estadoplstico. Los extremos del tubo pueden reducirse en dimetro, formado segn un contornodeseado, o cerrarse completamente por la accin del rechazado.2.1.7 Forjado tibioUn proceso, conocido como Termoforjado utiliza una temperatura intermedia quenormalmente se usa para trabajo en fro y en caliente. No hay cambios metalrgicos en elmetal ni imperfecciones de superficie frecuentemente asociadas con el metal trabajado atemperaturas elevadas. La Fig.22 es una fotografa de la seccin transversal de un tornillocabeza Alen grabado con cido. Se observa una alta resistencia indicada por la estructuracontinua de las fibras. Dado que las lneas de flujo siguen el contorno de la pieza, sereducen las concentraciones de esfuerzos. La temperatura del metal y las presiones yvelocidades de forjado deben controlarse cuidadosamente, puesto que el metal est abajo dela temperatura de recristalizacin.2.1.8 Mtodos especialesA medida que se obtienen secciones ms delgadas en piezas forjadas, pueden emplearsedados calientes. Si se usa el lubricante adecuado, la oxidacin adicional de la superficie sereduce al mnimo, pueden obtenerse tolerancias ms cerradas, la pieza permanece flexiblepor un periodo de tiempo mayor, y el ritmo de produccin se incrementa. La vida del dadose disminuye, sin embargo, existe un costo asociado con el calentamiento del dado. Amenos que se deseen secciones delgadas, el proceso es pocas veces justificado. 21. 2-21Altas relaciones de energa de formado estn usualmente asociadas con las operacionesde trabajo en fro pero algunas prensas de alta velocidad son manejadas por variosmecanismos, cargas explosivas, o descargas de capacitores. La mayora de las partesformadas de esta manera son terminadas de un golpe. De este modo la operacin es rpida,pueden forjarse secciones delgadas antes de que el calor sea perdido. Debido a la carga deimpacto y el rpido incremento de temperatura del dado asociado con este tipo deoperacin, la vida del mismo es relativamente corta. El proceso es til en la forja a altatemperatura, difcil para formar aleaciones.Debido a lo altamente especializado de los problemas encontrados en la produccinmasiva de partes, algunas prensas clsicas de forjado se adaptan con apisonadoresauxiliares o punzones que se mueven dentro o a travs de ellas. La Fig.23 muestra el uso deun punzn auxiliar que produce un agujero en la pieza forjada. Usualmente, punzones deesta clase son retrasados en su operacin hasta que cualquiera de los dados ha casicompletado su trabajo. Debido a la complejidad de tales operaciones, slo la produccinmasiva de series puede considerarse con este proceso.Los metales que son difciles de forjar (por ejemplo, el titanio) pueden fundirse apresin en atmsfera de gas inerte. Este proceso, conocido como formado en atmsferacaliente, elimina la mayora de la oxidacin y la cscara y tiende a prolongar la vida deldado. Para piezas forjadas muy grandes, el gas inerte se lanza slo dentro del rea deformado, pero en el caso de prensas pequeas, stas son encerradas totalmente por unacabina dentro de la cual el argn es admitido. 22. 2-22Pequeos perdigones de aluminio, tan pequeos como granos de arroz, puedenlaminarse en hojas. La Fig.24 muestra cmo el aluminio fundido es vertido en un cilindrorevolvedor perforado. Las diminutas bolitas se enfran suficientemente para mantener suforma. Ellas son transportadas por aire a una cmara de precalentamiento, roladas encaliente en hojas, y enfriadas. Este proceso es adaptable a la produccin de grandesvolmenes con un mnimo de gastos de equipo. Tericamente, pueden formarse hojas delongitud ilimitada por este proceso.Proceso de trefilacinLa trefilacin consiste en cambiar y/o reducir la seccin de una barra hacindola pasarpor traccin a travs de un dado cnico. Este proceso se realiza en fro. En general esteproceso es econmico para barras de menos de 10mm de dimetro. 23. 2-23Trefilacin de una barra circularEste mtodo se basa en plantear el equilibrio de macro elementos del material,suponiendo una distribucin de tensiones uniformes, ms la aplicacin posterior de lacondicin de fluencia.Sinterizacin,Fuerte desarrollo que se prev en la industria de la pulvimetalurga que estudia ydesarrollan los mecanismos de interaccin que tienen lugar entre la atmsfera y loscomponentes de la aleacin, durante el proceso de sinterizado en horno; ya que estosmecanismos son diferentes a los que rigen para los aceros.Con las atmsferas ALNAT P y ALNAT I trabajar con la cintica de reaccinadecuada para obtener piezas ms resistentes y con menor dispersin, que las que obtendracon cualquier otra alternativa. 24. 2-24El sinterizado lser puede convertirse en la llave que abra las puertas de la fabricacin amedida, conocida tambin como e-manufacturing o produccin electrnica. 25. 2-252.2 Procesos de Manufactura con Arranque de Virutas2.2.1 Procesos de Mecanizado TorneadoMovimiento fundamental de corte:-rotativo (pieza)Movimiento fundamental de avance:-rectilneo (generalmente herramienta)Cilindrado Roscado Tronzado y RanuradoPartes Principales de un TornoCabezal: proporciona el par necesariopara:-hacer girar la pieza-producir el corteBancada: posee guas paralelas al ejede giro de la piezaCarros:-carro longitudinal: se desplaza sobrelas guas de la bancada-carro transversal: sobre el anterior,soporta la torreta portaherramientas 26. 2-26Torneado Exterior1. Cilindrado2. Refrentado3. Copiado-Hacia fuera-Hacia dentro4. Cortes perfilados5. Roscado6. TronzadoTorneado Interior (Mandrinado)1. Cilindrado2. Refrentado / Copiado3. Perfilados4. RoscadoModos de sujecin de las piezas en el torneadoModo 1: sujecin al aire-La pieza se sujeta por uno de susextremos-El mismo plato que la sujeta letransmite el movimiento de giro-Vlido para piezas no esbeltas-La pieza se representa como unaviga simplemente empotradaModo 2: sujecin entre plato y punto-La pieza se sujeta por uno de susextremos y por el otro se encuentraapoyada en un punto-El plato es quien transmite el movimientode giro-Vlido para piezas semi-esbeltas-La pieza se representa como una vigaempotrada y apoyada 27. 2-27Modo 3: sujecin entre puntos-La pieza se apoya en puntos de sus dos extremos-El movimiento de arrastre se comunica por un punto intermedio (mordazas, uas)-Vlido para piezas semi-esbeltas-La pieza se representa como una viga doblemente apoyadaTipos de TornosTorno paralelo-Torno bsico, econmico-Pequeas series-No pueden trabajar simultneamente varias herramientas 28. 2-28Torno de copiar-Reproduce una plantilla-Palpador + servomecanismos-Clasificacin en funcin de los servomecanismosTorno revolver-Semiautomtico-Permite a varias herramientastrabajar simultneamente-Grandes seriesTorno vertical-Eje de rotacin vertical-Para piezas de gran dimetro y pocaaltura-Hasta 20m de dimetro 29. 2-292.2.2 TaladradoTaladrado Corto Taladrado ProfundoBrocas con plaquitas intercambiables Brocas integrales de metal duro y soldadas 30. 2-302.2.3 FresadoPlaneadoFresado en escuadraFresado de ranuras 31. 2-31Fresado de Perfiles2.2.4 Herramientas para MandrinarHerramientas para desbastePara agrandar y/o preparar un agujero para una operacin posterior, Ej.: mandrinado enacabado. 32. 2-32Herramientas para acabadoPara mecanizar un agujero con tolerancias y acabado superficial especficos, Ej.: H7 yRt 6.3..Herramientas silenciosasHerramientas de mandrinar para desbaste1. Desbaste pesado con cartuchos y correderas de extensin ajustables2. Herramienta para mandrinar de un slo filo con una plaquita (Duobore)3. Herramienta gemela para mandrinar con dos plaquitas (Duobore)4. Antivibratoria para agujeros ms profundos (Duobore)5. Doble filo con acoplamiento Varilock 33. 2-33Herramientas de mandrinar para acabado1. Cabeza para mandrinado de precisin un slo filo con cartucho montado en correderaajustable2. Cabeza para mandrinado de precisin de un slo filo con cartucho3. Cabeza para mandrinado de un slo filo con herramientas de mango redondo paradimetros pequeos4. Cabeza para mandrinado de precisin de un slo filo con cartucho y corredera ajustablemontada en una bara concntrica5. Cabeza para mandrinado de precisin de un slo filo con cartucho y corredera ajustablemontada en una barra6. Barra antivibratoria para mandrinado de precisin de un slo filo con cartucho paraagujeros ms profundos 34. 2-342.2.5 LimadoraLimadora Vertical / Mquina de Ranurar 35. 2-352.2.6 Cepilladora / Cepillo Mecnico2.2.7 Mquinas RectificadorasRectificadora de Bielas a Cuchilla: 36. 2-36Rectificadora Cilndrica sin Centros:Rectificadora Cilndrica Entre Puntos: 37. 2-372.2.8 Electro erosin 38. 2-382.3 Herramientas de corte y consideraciones generales2.3.1 Materiales y Nomenclatura de las herramientas de corte2.3.1.1 Materiales de las herramientas de corteLas herramientas de corte deben poseer ciertas caractersticas especficas, entre las quese destacan: resistencia mecnica, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, resistencia aldesgaste y resistencia a la temperatura (porque en un proceso de mecanizado conherramientas tradicionales therramienta > tpieza > tviruta ; con herramientas ms avanzadas selogra concentrar el aumento de temperatura en la viruta). La seleccin de la herramienta decorte va a depender de la operacin de corte a realizar, el material de la pieza, laspropiedades de la mquina, la terminacin superficial que se desee, etc.Para cumplir con cada uno de estos requerimientos han surgido herramientas formadaspor diferentes aleaciones. Los materiales para las herramientas de corte incluyen aceros alcarbono, aceros de mediana aleacin, aceros de alta velocidad, aleaciones fundidas,carburos cementados, cermicas u xidos y diamantes.Para conocer las aleaciones de aceros para herramientas hay que saber las funciones quecumplen cada uno de los elementos que forman la aleacin. El resumen de estascaractersticas se entrega en el cuadro 2.1. Los elementos se agregan para obtener unamayor dureza y resistencia al desgaste, mayor tenacidad al impacto, mayor dureza encaliente en el acero, y una reduccin en la distorsin y pandeo durante el templado.Elemento Cantidad PropiedadesCarbono, C 0,6 % - 1,4 % - Forma carburos con el hierro.- Aumenta la dureza.- Aumenta la resistencia mecnica.- Aumenta la resistencia al desgaste.Cromo, Cr 0,25 % - 4,5 % - Aumenta la resistencia al desgaste.- Aumenta la tenacidad.Cobalto, Co 5 % - 12 % - Se emplea en aceros de alta velocidad.- Aumenta la dureza en caliente.- Permite velocidades y temperaturas de operacinms altas manteniendo la dureza y los filos.Molibdeno,Mohasta 10 % - Elemento fuerte para formar carburos.- Aumenta la resistencia mecnica.- Aumenta la resistencia al desgaste.- Aumenta la dureza en caliente.- Siempre se utiliza junto a otros elementos dealeacinTungsteno, W 1,25 % - 20 % - Mejora la dureza en caliente.- Aumenta la resistencia mecnica.Vanadio, V Aceros al Carbono0,20 % - 0,5 %Aceros Alta Veloc.1 % - 5 %- Aumenta la dureza en caliente.- Aumenta la resistencia a la abrasin.Cuadro 2.1 39. 2-39En las herramientas de corte existen varias familias dependiendo del material que secomponen, cada una tiene ciertas caractersticas de resistencia y puede realizar mejoralguna operacin de corte, ver cuadro 2.2.Cuadro 2.2Herramienta Caractersticas UtilizacinAceros alCarbono Son el tipo de acero ms antiguo enherramientas de corte. Son muy baratos. Tienen buena resistencia al impacto. Se pueden someter fcilmente a tratamientostrmicos como el templado, logrndose unamplio rango de durezas. Se forman y rectifican con facilidad. Mantienen su borde filoso cuando no estnsometidos a abrasin intensa o a altastemperaturas. Han sido sustituidos por otros materiales. Brocas que trabajan avelocidades relativamente bajas. Machuelos. Escariadores y brochas.Aceros de AltaVelocidad Son el grupo con mayor contenido dealeaciones de los aceros. Conservan la dureza, resistencia mecnica yfilo de los aceros. Empleando los equipos adecuados puedenser templadas por completo con poco riesgode distorsin o agrietamiento. Se templan al aceite. Taladrar. Escariar. Fresar. Brochar. Machuelar. Mquinas para fabricar tornillos.AleacionesFundidas Mantienen su elevada dureza a altastemperaturas. Tienen buena resistencia al desgaste. No se necesitan fluidos de corte. Se recomiendan para operacionesde desbaste profundo convelocidades y avancesrelativamente altos Slo se emplean para obtener unacabado superficial especial.CarburosCementados *Carburo deTungstenoAglutinado conCobaltoCarburo deTungstenoAglutinado con Tienen carburos metlicos. Se fabrican con tcnicas de metalurgia depolvos. Tienen alta dureza en un amplio rango detemperaturas. Elevado mdulo elstico, dos o tres veces eldel acero. No representan flujo plstico. Baja expansin trmica. Alta conductividad trmica. Se emplean como insertos o puntas que sesueldan o sujetan a un vstago de acero. Seencuentran en diferentes formas, circulares,triangulares, cuadrados y otras formas. Se emplean para mecanizarhierros fundidos y metalesabrasivos no ferrosos. Mecanizar aceros. 40. 2-40Cobalto +Solucin Slidade WC-TiC-TaC-NbCCarburo deTitanio conAglutinante deNquel yMolibdenoW: Tungsteno C: CarbonoTi: Titanio Ta: TantalioNb: Niobio Opera a altas temperaturas debido a lasaltas velocidades de corte. Trabaja piezas de materiales con altaresistencia mecnica. Cortar.CarburosRevestidos Son insertos normales de carburo revestidoscon una capa delgada de carburo de titanio,nitruro de titanio u xido de aluminio. Con el revestimiento se obtiene unaresistencia superior al desgaste, a la vez quese mantiene la resistencia mecnica y latenacidad. No se necesitan fluidos de corte, si se aplicadebe ser en forma continua y en grandescantidades, para evitar calentamiento ytemplado. Los avances suaves, las bajas velocidades yel traqueteo son dainos. Se utilizan en mquinas deherramientas rgidas, de mayorvelocidad y ms potentes.Cermicas uOxidos Se constituyen de granos finos de aluminioligados entre s. Con adiciones de otroselementos se logran propiedades ptimas. Resistencia muy alta a la abrasin. Son ms duras que los carburos cementados. Tienen menor o nula tendencia a soldarsecon los metales durante el corte. Carecen de resistencia al impacto. Puede ocurrir una falla prematura pordesportilladura o rotura. Son eficaces para operaciones detorneado ininterrumpido a altavelocidad.DiamantesPolicristalinos Tienen dureza extrema. Baja expansin trmica. Alta conductividad trmica. Coeficiente de friccin muy bajo. Se liga a un sustrato de carburo. Son empleados cuando serequiere un buen acabadosuperficial, en particular enmateriales blandos y no ferrosos,difciles de mecanizar. Se emplea como abrasivo enoperaciones de rectificado.CBNNitruro Cbicode Boro Cbico Es el material ms duro que hay en laactualidad. Se liga a un sustrato de carburo. La capa de CBN produce una granresistencia al desgaste. Gran resistencia mecnica de los bordes. Es qumicamente inerte al hierro y al nquela altas temperaturas. Es adecuado para trabajaraleaciones de altas temperaturasy diversas aleaciones ferrosas. Se emplea como abrasivo enoperaciones de rectificado.* : A los carburos cementados se le asigna Grado C-1, Grado C-2, etc. Los grados 1 a 4 se recomiendan paramecanizar hierro fundido, materiales no ferrosos y no metlicos; los grados 5 a 8 son para mecanizar aceros ysus aleaciones. Los grados 1 y 5 son para desbastar, los 2 y 6 son para uso general, 3 y 7 son para acabado, y 4y 8 son para acabado de precisin. Existen tambin otros grados para diversas aplicaciones y segn loriguroso de la operacin de mecanizado. 41. 2-41El siguiente cuadro muestra como difieren las propiedades de los distintos tipos deherramientas.Cuadro 2.3Aceros alcarbonoAceros altavelocidadAleacionesde cobaltoCarburoscementadosCarburosrevestidosCermicas Nitruro deboro cbicoDiamanteDureza encaliente- - - Aumentando - - - Tenacidad - - - Disminuyendo - - - Resistenciaal impacto- - - Disminuyendo - - - Resistenciaal desgaste- - - Aumentando - - - Resistenciaa melladura- - - Disminuyendo - - - Velocidadde corte- - - Aumentando - - - Resistenciaa cambios t- - - Disminuyendo - - - Costo - - - Aumentando - - - Profundidadde corteBaja amediaBaja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Muy bajaAcabadoesperableRegular Regular Regular Bueno Bueno Muy bueno Muy bueno Excelente2.3.1.2 Nomenclatura de herramientas de corteExisten diversos tipos de herramientas de corte, entre las que se destacan las monofilo,las multifilo y las abrasivas. Las herramientas monofilo se usan en las operacionesprincipales de torneado, las multifilo se usan en operaciones de fresado y taladrado, y lasabrasivas en procesos de rectificado.Las herramientas de corte monofilo (un filo) estructuralmente constan de dos partes,una cortante (o elemento productor de viruta) y otra denominada cuerpo. Se encuentrannormalmente en tornos, tornos revlver, cepillos, limadoras, mandrinadoras y mquinasherramientas semejantes.Fig. 2.1 42. 2-42En la figura 2.1 se observan las partes ms importantes de una herramienta monofilodonde se pueden destacar : La cara, que es la superficie o superficies sobre las cuales fluye la viruta(superficie de desprendimiento). El flanco, que es la superficie de la herramienta frente a la cual pasa lasuperficie generada en la pieza (superficie de incidencia). El filo es la parte que realiza el corte, siendo el filo principal la parte queataca directamente a la pieza y el filo secundario la parte restante. La punta de la herramienta es el lugar donde se intersectan el filo principal ysecundario.En general, la herramienta tiene dos componentes de movimiento. La primeracorresponde al movimiento derivado del movimiento principal de la mquina, y la segundaest relacionada con el avance de la herramienta. El movimiento resultante corresponde almovimiento resultante de corte, y el corte, como tal, se produce por un movimiento relativoentre la herramienta y la pieza. El movimiento principal es el que consume una mayorcantidad de energa, y corresponde normalmente al que mueve al husillo. El movimiento deavance ocupa menos energa y puede ser un movimiento continuo o alternado.Fig. 2.2El ngulo entre la direccin del movimiento de corte principal y el movimientoresultante se llama ngulo de la velocidad de corte resultante (). Debe destacarse que,como habitualmente el avance es relativamente pequeo en comparacin con elmovimiento principal, el ngulo de corte resultante se considera cero. 43. 2-43Otro punto importante de tener presente es que no en todas las operaciones demecanizado la velocidad de corte es constante, pues por ejemplo, en el refrentado, lavelocidad de corte es funcin del radio de la pieza.La velocidad de corte resultante ve , que es la velocidad instantnea relativa entre el filode la herramienta y la pieza, est dada por:ve = v cos() (2.1)Pero como para la mayora de los procesos de mecanizado es muy pequeo,generalmente se considerav ve = (2.2)Fig. 2.3Finalmente, otro de los ngulos importantes cuando se considera la geometra de unaoperacin de mecanizado es el llamado ngulo del filo principal de la herramienta, kr. Elespesor de la capa de material que est siendo removido por un filo en un puntoseleccionado, conocido como espesor de la viruta no deformada ac, afectasignificativamente la potencia requerida para realizar la operacin. Esta dimensin debe sermedida en un plano normal a la direccin de corte resultante pasando por el filo.Adicionalmente, como es pequeo, ac puede medirse normal a la direccin delmovimiento principal. Analizando la figura 2.3 se tiene:a a kc f r= sen( ) (2.3)donde af es el encaje de avance, es decir, el encaje instantneo de la herramienta en la pieza.Los datos anteriormente explicados, si bien se remiten al caso particular de lasherramientas monofilo, se amplan a los otros casos, como se detallar ms adelante enotros captulos. 44. 2-442.3.2 Fluidos de corte y formacin de la viruta2.3.2.1 Consideraciones sobre los ejes coordenadosPara efectos de mantener un ordenado uso de los ejes coordenados en lo que sigue,se observar una serie de convenciones, las cuales se detallan a continuacin: Se definen como ejes para la mquina y sus rotaciones X, Y y Z, A, B y C. Para lasrotaciones en particular se observar la regla de la mano derecha para el sentido positivode stas. Se definen como ejes para la herramienta y sus rotaciones X, Y y Z, A, B y C. En cualquier mquina se definir primero el eje Z, y ste ir paralelo al eje derotacin del husillo. Si la mquina no tiene husillo, el eje Z se define perpendicular a la superficie enque se trabaja. El sentido del eje Z es positivo cuando la herramienta se aleja de la pieza. El eje X se define horizontal (cuando se pueda), por ejemplo, en el torno es radial. En las mquinas sin husillo el eje X es paralelo a la direccin principal demovimiento. Si gira la herramienta, y el eje Z es horizontal, el eje X es horizontal tambin. El sentido del eje X se define positivo cuando la herramienta se aleja del eje derotacin. Finalmente, el eje Y se impone manteniendo el orden conocido de los tres primerosdedos de la mano derecha.2.3.2.2 Fluidos de corteLos fluidos de corte son lquidos que se utilizan durante el mecanizado, aplicndose enla zona de formacin de viruta, para mejorar las condiciones de corte en comparacin conun corte en seco. Estas mejoras van en pos de enfriar la herramienta, la pieza y la viruta,lubricar y reducir la friccin, minimizar la posibilidad de crear cantos indeseables en laherramienta, arrasar con la viruta y proteger la pieza de la corrosin. Los hay de tres tipos: Enfriadores y lubricantes, sobre una base de petrleo mineral Aceite y agua, que enfran por tener una gran capacidad de transferir calor Aceites puros, que lubrican solamente, para mecanizados de baja velocidadVentajas de los enfriadores1. Aumentan la vida de la herramienta bajando la temperatura en la regin del filoprincipal2. Facilitan el manejo de la pieza terminada3. Disminuyen la distorsin trmica causada por los gradientes de temperaturaproducidos durante el mecanizado4. Realizan una labor de limpieza por arrastre, al ayudar a remover las virutas de laregin de corte. 45. 2-45Las ventajas 2 y 3 se manifiestan ms claramente al realizar operaciones con muelasabrasivas.Ventajas de los lubricantesDisminuyen la resistencia friccional al movimiento, aminorando el consumo depotencia, alargando la vida de la herramienta y mejorando la calidad superficial del acabado1. Tienen un ingrediente reactivo que forma un compuesto de baja resistencia alcorte, el cual acta como un lubricante en los bordes2. Son suficientemente estables como para mantener sus propiedades bajo lascondiciones de temperatura y presin existentes en la interfase viruta-herramientaSin embargo, la efectividad de todos los lubricantes para corte disminuye a medidaque aumenta la velocidad de corte.2.3.2.2.1 Aplicacin de fluidos de corteLa forma en que se aplique un fluido de corte tiene una influencia considerable en lavida de la herramienta, as como en la operacin de mecanizado en general. A pesar de queexisten equipos muy complejos y efectivos para dosificar los fluidos en la zona del corte,estos no son necesarios para lograr buenos resultados.Incluso el mejor fluido de corte puede no cumplir su funcin con xito si no esdistribuido correctamente en la zona del corte. La idea es que el fluido forme una pelculasobre las superficies en roce, dganse la pieza y la herramienta (figura 2.4). Es preferibleque el fluido llegue en forma continua a la pieza antes de que llegue de maneraintermitente, pues de esta ltima manera pueden producirse ciclos de temperatura letalespara la microestructura tanto de la pieza como de la herramienta.Fig. 2.4 46. 2-46Una buena aplicacin de fluido de corte permite adems una adecuada remocin deviruta, lo cual ayuda a alargar la vida de la herramienta.Existen diversas maneras de aplicar el fluido de corte (figura 2.5), sin embargo sedestacarn tres: Manual: Se aplica el fluido con una brocha, lo que produce una aplicacinintermitente, con una baja remocin de viruta y un limitado acceso a la zona de corte. Automtica de chorro continuo (o por goteo): Se trata de una boquilla apuntada ala herramienta que chorrea constantemente a baja presin el fluido. Logra una buenapenetracin a nivel de herramienta y pieza. Niebla (pulverizador): Se aplica un roco constante con aire comprimido sobre elrea de corte. Presenta un riesgo a la salud si no se toman las medidas de seguridadcorrespondientes, ante la eventual inhalacin de gotitas aceitosas.Fig. 2.5 47. 2-472.3.2.3 Formacin de la virutaEl tipo de viruta producida durante el corte de metales depende del material que se estmecanizando y de las condiciones de corte utilizadas. Sin embargo, existen tres tiposbsicos de formacin de virutas que se encuentran en la prctica: la viruta continua, laviruta continua con recrecimiento del filo y la viruta discontinua.La figura 2.6 muestra la formacin de viruta continua. Este tipo de viruta es comncuando se mecanizan la mayora de los materiales dctiles, tales como hierro forjado, acerosuave, cobre y aluminio. Puede decirse que el corte bajo estas condiciones es un procesoestable, pues es bsicamente un cizallamiento del material de trabajo con el consecuentedeslizamiento de la viruta sobre la cara de la herramienta de corte. La formacin de laviruta tiene lugar en la zona que se extiende desde el filo de la herramienta hasta la uninentre las superficies de la pieza; esta zona se conoce como la zona de deformacin primaria.Para deformar el material de esta manera, las fuerzas que se transmiten a la viruta en lainterfase existente entre ella y la cara de la herramienta son suficientes para deformar lascapas inferiores de la viruta a medida que ella se desliza sobre la cara de la herramienta(zona de deformacin secundaria). A pesar de que generalmente con esta viruta se logra unbuen acabado superficial, especialmente en mquinas automticas, existe un grave peligro,cual es la posibilidad de que la viruta se enganche ya sea con el portaherramientas, la ropadel operador o incluso con la misma pieza. Esto se puede remediar usando quebradores deviruta en conjunto con las herramientas.Fig. 2.6 Fig. 2.7La figura 2.7 muestra la formacin de viruta continua con recrecimiento del filo. Bajociertas condiciones, la friccin entre la viruta y la herramienta es suficientemente grandepara que la viruta se suelde a la cara de la herramienta. La presencia de este materialsoldado aumenta an ms la friccin, y este aumento induce el autosoldado de una mayorcantidad de material de la viruta. El material apilado restante es conocido como filorecrecido. A menudo el filo recrecido contina aumentando hasta que se aparta a causa de 48. 2-48su inestabilidad. Los pedazos son entonces arrastrados por la viruta y por la superficiegenerada en la pieza. La figura muestra una superficie rugosa obtenida en estascondiciones. El recrecimiento del filo es uno de los principales factores que afectan elacabado superficial y puede tener una influencia considerable en el desgaste de lasherramientas. Sin embargo, a pesar de ser generalmente indeseable, una capa delgada yestable de filo recrecido puede llegar a proteger y alargar la vida de una herramienta.Fig. 2.8La figura 2.8 muestra la formacin de viruta discontinua. Durante la formacin de laviruta, el material es sometido a grandes deformaciones, y si es frgil, se fracturar en lazona de deformacin primaria cuando la formacin de viruta es incipiente, segmentndose.Esta segmentacin puede presentarse como serrucho o definitivamente discontinua. Seproducen virutas discontinuas siempre que se mecanicen materiales tales como hierrofundido o bronce fundido, pero tambin pueden producirse cuando se mecanizan materialesdctiles a muy baja velocidad y avances grandes. Debido a la naturaleza discontinua de estaviruta, las fuerzas varan contnuamente durante el corte. Consecuentemente, la rigidez delportaherramienta y otros elementos debe ser suficiente, de lo contrario la mquinaherramienta comenzar a vibrar, lo cual afecta adversamente la terminacin superficial y laexactitud dimensional de la pieza. Adems pueden existir daos o acortarse la vida til delas herramientas.Gran parte de lo anteriormente discutido para metales se aplica tambin a materiales nometlicos. Se pueden obtener diversas virutas al cortar termoplsticos, dependiendo del tipode polmero y los parmetros del proceso, dgase profundidad de corte, geometra de laherramienta y velocidad de corte. Debido a su naturaleza, los plsticos y cermicas en sumayora producirn viruta discontinua. 49. 2-492.4 Operaciones de mecanizadoLas operaciones de mecanizado se pueden subdividir en dos grandes grupos:1. Mecanizado sin arranque de viruta.2. Mecanizado con arranque de viruta.Algunos ejemplos de estas operaciones se enuncian a continuacin:Mecanizado sin arranque de viruta: Sinterizacin. Laminacin. Estampado. Trefilado. Fundicin. Extrusin. Forja. Doblado. Embutido.Mecanizado con arranque de viruta: Torneado. Taladrado. Escariado. Mandrinado. Limado. Cepillado. Fresado. Aserrado. Rectificado. Bruido. Electroerosin.Existen tres factores primarios que deben ser definidos en cualquier operacin bsica demecanizado, stos son: velocidad, avance y profundidad de corte. Otros factores como eltipo de material y el tipo de herramienta tienen bastante importancia, pero los tres primerosson los que el operador puede ajustar independientemente de los dems.Velocidad: se refiere a la velocidad de rotacin del husillo de la mquina para elmecanizado. Est expresada en revoluciones por unidad de tiempo (RPM). Cada dimetrode trabajo nos entregar una velocidad de corte distinta, aunque la velocidad de rotacinpermanezca constante, y es por esto que debe tenerse especial precaucin al decidirla.Avance: se refiere a la herramienta de corte, y se expresa como la razn de ladistancia longitudinal recorrida por la herramienta por revolucin del husillo (mm/rev). 50. 2-50Profundidad de Corte: llamado tambin encaje axial, se refiere al espesor,dimetro o radio (segn est convenido) que es removido en la operacin demecanizado. Esta es una magnitud transversal, por lo que se expresar en milmetros o enotra unidad de longitud.2.4.1 Operaciones con herramientas monofiloA continuacin se enuncian una serie de procesos de mecanizado con herramientasmonofilo, stos se desarrollan bsicamente en un Torno. En cada caso se har un anlisis delos tiempos de mecanizado necesarios, potencia necesaria para cada proceso, entre otros.Operaciones en el TornoLa figura 2.9 muestra un torno horizontal convencional.Fig. 2.9Las operaciones de mecanizado en un torno se realizan principalmente con lasherramientas enumeradas a continuacin.En la siguiente figura se muestran distintas herramientas monofilo, siendo todas del tipopastilla. 51. 2-51Fig. 2.10Para fijar la herramienta al torno se utiliza un porta-herramientas, ste vara segn laoperacin a realizar, pero es comn ver porta-herramientas que con pequeas varianteslogren distintas operaciones. Distintos porta-herramientas se muestran en la figura 2.11.Fig. 2.11 52. 2-522.4.1.1 CilindradoTal como su nombre lo indica, sta es una operacin de mecanizado que produce partescilndricas. Tiene por objeto lograr una superficie cilndrica de menor dimetro que laoriginal. En forma bsica, esta operacin puede ser definida como el mecanizado de unasuperficie externa, que es realizada:- con la pieza rotando- con una herramienta de corte monofilo, y- con la herramienta de corte paralela al eje de la pieza y a una distancia que removerla superficie externa de la pieza.Todo lo anterior se ilustra en la figura 2.12.Fig. 2.12Como se muestra en la figura 2.12, en todo proceso de mecanizado podemos identificartres superficies:Superficie de trabajo: superficie que va a ser removida en el mecanizado.Superficie mecanizada: superficie producida por la herramienta.Superficie de transicin: la parte de la superficie formada en la pieza por el filo y queser removida en la siguiente carrera o revolucin.Para el cilindrado exterior, los clculos tericos del mecanizado son los siguientes:El encaje axial se define como:[ ]mm2d-d=a mwp (2.4)donde dw es el dimetro de trabajo y dm es el dimetro de mecanizado. 53. 2-53La velocidad de corte de la punta de la herramienta est dada por:=min2d+d mw mmnV wavm (2.5)donde nw es la velocidad de rotacin del husillo.El material removido por unidad de tiempo es el producto de la velocidad de corte y laseccin (rea) de la viruta sin cortar,=min3mmVAZ avmcw (2.6)Ac es el rea de la superficie sacada, y se calcula como la multiplicacin del avance f,medido en milmetros por revolucin, y el encaje axial: Ac = f * apPor lo tanto,( ) +=min3mmadnafZ pmwpw (2.7)este clculo se puede visualizar en la siguiente figura:Fig. 2.13 CilindradoEl tiempo de mecanizado es:[ ]minnfLww=mt (2.8)donde Lw es el largo de mecanizado.Conociendo esto podemos conocer la cantidad de material total removida en laoperacin de mecanizado, la cual es:[ ]3mmtZZ mwtotal = (2.9) 54. 2-54Reemplazando (2.7) y (2.8),[ ]32m2wwmm4)d-d(L =totalZ (2.10)El espesor de viruta no deformada est definido por la multiplicacin del encaje deavance y el seno del ngulo formado por el filo principal y la pieza. En el caso deherramientas monofilo, el encaje de avance es igual al avance, f:( )rc ksenfa = (2.11)Para las condiciones anteriormente descritas debemos calcular la potencia necesariapara realizar la operacin de mecanizado, cuyo valor est dado por la siguiente ecuacin:[ ]WZpP wsw60= (2.12)donde ps es la energa requerida para remover un volumen unitario de material, sta esobtenida del grfico 2.1 que se adjunta, considerando el espesor medio de la viruta nodeformada, ac , y el material que est siendo maquinado.Grfico 2.1 55. 2-55Todo lo anteriormente descrito corresponde a un cilindrado exterior, pero se puedeextender en forma anloga a cilindrados interiores (figura 2.14). stos consisten enmecanizar el agujero interior de una pieza cilndrica mediante procesos similares a losdescritos en el cilindrado exterior. Se utiliza, sin embargo, una herramienta y un porta-herramientas distinto.Fig. 2.14 Cilindrado InteriorPara el cilindrado interior las frmulas son bsicamente las mismas, cambiandosolamente la del material removido por unidad de tiempo, la cual queda como sigue:( ) =min3mmadnafZ pmwpw (2.13)2.4.1.2 RefrentadoEste proceso consiste en mecanizar una de las caras de la pieza cilndrica para dejarlaperfectamente plana. Esto se realiza moviendo la herramienta en direccin normal al eje derotacin de la pieza.Con respecto a la herramienta de corte, cabe hacer mencin que en este proceso secoloca con un cierto ngulo con respecto al eje de la pieza, ocupndose la mismaherramienta usada para el cilindrado. Debe tenerse precaucin para evitar romper laherramienta en caso de pasarse del centro del dimetro del cilindro, puesto que en esa mitadel cilindro gira en sentido contrario y puede agarrar la herramienta por detrs, causndoleun dao irreparable.Para el proceso de refrentado, la velocidad de corte con que se realizan los clculosnumricos se determina respecto al dimetro inicial de la pieza a mecanizar, ya que eldimetro de trabajo vara en cada instante (figura 2.10). 56. 2-56El tiempo de mecanizado en el refrentado es:[ ]minnf2dwm=mt (2.14)La velocidad mxima de corte y la cantidad mxima de material removido por unidadde tiempo son:=minmaxmmdnV mw (2.15)==min3maxmaxmmdnafVAZ mwpc (2.16)La cantidad total de material removido es:[ ]32mp4dammZtotal=(2.17)Finalmente, la potencia mxima necesaria para el refrentado se expresa como:[ ]WZpP s60maxmax= (2.18)En la figura 2.15 se muestra una operacin de refrentado.Fig. 2.15 Refrentado 57. 2-572.4.1.3 TronzadoEste proceso consiste en hacer un canal en un cilindro, el cual puede llegar a cortar lapieza de trabajo en dos partes (figura 2.16). Este proceso se realiza con una herramientams delgada y dbil que la que se usa para el cilindrado, por lo que su manipulacinrequiere de especial cuidado. En los tornos convencionales este proceso se realizamanualmente, por lo que variables como el tiempo de mecanizado no son calculables enforma directaFig. 2.16 Tronzado2.4.1.4 RoscadoEste es un proceso en el cual se le da forma de rosca a una pieza cilndrica. Existenmuchos mtodos para producir roscas, pero el torno fue el primero en implementarlo, ysigue siendo el ms verstil y simple (figura 2.17).Fig. 2.17 58. 2-582.4.2 Operaciones con herramientas multifilo2.4.2.1 Taladrado:Este proceso consiste en generar una superficie cilndrica interior (agujero), por mediodel uso de brocas en espiral. La herramienta acostumbra tener dos filos y cada uno de elloscorta la mitad del material al dar un giro. La velocidad de corte es mxima en el bordeexterior del filo principal y cero en la punta de la broca, la cual tiene forma de un filo decincel corto. Este ltimo, al taladrar, fuerza al material hacia los lados para ser removidopor los filos. La calidad del orificio producido es principalmente determinada por lascondiciones de los filos secundarios, siendo poco afectada por el estado de la punta. Hayque mencionar que la viruta formada por los filos toma una forma helicoidal y sale a travsde las ranuras de la broca.En la figura 2.18 se muestra la punta de una broca.Fig. 2.18De acuerdo a la figura 2.18, y existiendo dos filos, se tiene que:( ) [ ]mmksena rc =2f(2.19)El tiempo de mecanizado ser:[ ]minnfLww=mt (2.20)El material removido por unidad de tiempo es:=minnf4d 3w2mmZw(2.21)al hacer un agujero de dimetro d. 59. 2-59Finalmente, tenemos=minnf4)d-d( 3w2i2e mmZw(2.22)para agrandar un agujero de dimetro original di a un dimetro final de.2.4.2.2 FresadoEste proceso consiste en arrancar material de una pieza hacindola pasar por unaherramienta multifilo (varios dientes). A diferencia del mecanizado en un torno, en la fresase mueve la pieza a mecanizar (en el torno la herramienta) y la herramienta permanece fijarotando.Toda herramienta para fresado queda definida por tres parmetros, segn lanomenclatura A * B * C, donde A es el dimetro, B es el ancho y C es el nmero dedientes.En la figura 2.19 se muestran algunas herramientas para el mecanizado en una fresa:Fig. 2.19 60. 2-60El fresado se puede clasificar segn la posicin de la herramienta respecto del materialde trabajo en:a.- Fresado horizontal: la superficie fresada es generada por los dientes localizados en laperiferia del cuerpo cortante (herramienta). El eje de rotacin de la herramienta est en unplano paralelo al de la superficie de la pieza de trabajo.b.- Fresado vertical: la herramienta es montada en un husillo, cuyo eje es perpendiculara la superficie de la pieza de trabajo. Aqu la herramienta corta solo con una parte de susdientes.c.- Fresado superficial: es confundible con el fresado vertical, pero se diferencia en quela superficie de la herramienta en contacto con el material no es plana (fresado vertical),sino que tiene filo con formas diversas.Todos estos procesos se muestran en la figura 2.20.Fig. 2.202.4.2.2.1 Fresado HorizontalEste proceso ser en el que ms profundizaremos en fresado, considerando que los otrostipos de fresado se analizan en forma anloga. As, los resultados obtenidos en el fresadohorizontal sern ilustrativos del fresado vertical y superficial.Todo proceso de fresado puede clasificarse segn el sentido de rotacin de laherramienta respecto del avance de la pieza a mecanizar (figuras 2.21 y 2.22). 61. 2-61Rotacin a favor del avanceFig. 2.21Rotacin en contra del avanceFig. 2.22En el caso de rotacin a favor del avance se obtiene una mejor calidad superficial, perola herramienta suele montarse sobre la pieza, con lo que se rompe. Adems, se requieremenor potencia y existe mayor rigidez. En la rotacin en contra se obtiene una superficie demenor calidad, pero la herramienta asegura una mayor duracin.El sentido de rotacin depender de las caractersticas del material a mecanizar. En elcaso de un material blando, a favor del avance, y si es un material duro, en contra delavance. En la prctica se usa principalmente el sentido de rotacin en contra del avance.Algunas operaciones de fresado horizontal se muestran a continuacin en la figura 2.23. 62. 2-62Fig. 2.23Para el fresado horizontal, el avance est dado por:=revmmnVwff (2.23)donde Vf es la velocidad de avance de la pieza.El encaje de avance se define como el avance por diente de la fresa:=dienterevmmafNf(2.24)con N igual al nmero de dientes de la herramienta.Para el fresado horizontal tenemos la situacin que se ve en la siguiente figura.Fig. 2.24El espesor mximo de viruta no deformada est dado por:)(senNf=nN)(senVwfmax =ca (2.25)y2maxccavaa = (2.26) 63. 2-63De la figura 2.24,( )cos = 1-2 * adet (2.27)donde ae es el encaje axial y dt el dimetro exterior de la fresa.Entonces,( )2tetedada2=sen (2.28)Y reemplazando (2.28) en (2.25),2tetewfmaxcdadanNV2=a (2.29)Reordenando (2.29),tetewfmaxcda-1danNV2=aY, si a de t ,tewfmaxcdanNV2=a (2.30)El tiempo de mecanizado est dado por:[ ]minVL+L+Lf1ow=mt (2.31)donde( )eteo a-da=L y L1 d2tEsta ltima es la distancia que debe ser retirada la herramienta para poder sacar la pieza.Estas dos dimensiones representan el punto en que comienza y termina el contacto entrela herramienta y la pieza, tal como se ilustra en la figura 2.25. 64. 2-64Fig. 2.25El material removido por unidad de tiempo es:=min3mmVbaZ fwew (2.32)siendo bw el ancho de mecanizado, el cual es el mnimo entre el ancho de la herramienta yel ancho de la pieza.Para las condiciones anteriormente descritas podemos calcular la potencia necesariapara realizar la operacin de mecanizado, cuyo valor est dado por la siguiente ecuacin:[ ]WZpP wsw60= (2.33)2.4.2.2.2 Fresado VerticalEn este caso, el espesor mximo de viruta no deformada ser:wfmaxnNV=ca (2.34)El tiempo de mecanizado est dado por[ ]minVd+Lftw=mt (2.35)o por( ) [ ]minVa-da2+Lfetew =mt (2.36)dependiendo de si el eje de rotacin de la herramienta pasa (1) o no pasa (2) por sobre lapieza. Esto se ilustra en la figura 2.26, mirado desde arriba. 65. 2-65Fig. 2.262.4.2.3 Muelas AbrasivasLas muelas abrasivas se usan en mquinas llamadas rectificadoras, las cualesgeneralmente son usadas para terminacin, en rectificados planos o cilndricos. Un ejemploconocido es el llamado esmeril. Todas las muelas abrasivas poseen un husillo, que gira agran velocidad, en donde se monta la muela. Esta muela abrasiva generalmente tiene formacilndrica, y est compuesta por material cortante (granos) y un aglutinante. El material decorte puede ser xido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), carburo de titanio onitrato cbico de boro, y como aglutinantes se pueden usar resinas sintticas, gomas oaglutinantes vitrificados. El tamao de los granos vara entre los 0,00025 y 0,025 mm, espor esto que el encaje axial es muy difcil de calcular, pues se saca muy poco material.Las muelas se van desgastando con el tiempo, ya que el aglutinante deja que los granosse desprendan y as la muela no se alise, entregando una pieza bien mecanizada (acabadasuperficialmente). La superficie de la pieza se considera terminada cuando no salen maschispas del contacto muela-pieza, lo cual demora.En una rectificadora la pieza tiene dos movimientos, uno de avance longitudinal y otrolateral intermitente. Esto se observa en la figura 2.27.Fig. 2.27 66. 2-66El tiempo de mecanizado est dado por:[ ]minnf2b=wwsm tt +(2.37)donde ts es el tiempo que transcurre hasta que deja de chisporrotear, nw es la frecuencia dealternacin y f es el avance lateral por carrera.Finalmente, el material removido por unidad de tiempo es:minvaf=3transvpmmZw (2.38)Siendo vtransv la velocidad transversal, ap el encaje axial y f el avance lateral por carrera decorte.2.5 Duracin y desgaste de la herramientaEn todo proceso de manufactura tiene que haber un equilibrio entre el volumen deproduccin y los costos de produccin Es por esto que un tema de mucha importancia es eldesgaste y duracin de la herramienta bajo las distintas condiciones de trabajo.2.5.1 Desgaste de la herramientaLa vida de la herramienta de corte puede terminar por varias causas, pero staspueden separarse en dos grupos principales:1. El desgaste progresivo de la herramienta.2. Fallas mecnicas que lleven a la herramienta a un final prematuro.El desgaste progresivo de la herramienta se puede producir de tres manerasdistintas: Desgaste por abrasin: ocurre cuando materiales ms duros que la herramienta tomancontacto con sta rayndola y desgastndola. Desgaste por adhesin: como en la zona de corte existe una alta temperatura, el materialde corte y la herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende. Desgaste por difusin: se produce a partir del aumento de temperatura de la herramienta,con lo que se produce una difusin entre las redes cristalinas de la pieza y laherramienta, debilitando la superficie de la herramienta. 67. 2-67El desgaste se puede observar en dos regiones de la herramienta, la cara y el flanco.El desgaste en la cara se presenta como un crter, lo que es un resultado del paso deviruta caliente al fluir a lo largo de la cara.Por otro lado, el desgaste del flanco es plano y es causado por el roce entre la piezay la herramienta; en este caso se pueden distinguir tres perodos de desgaste en la vida deuna herramienta: Fractura inicial, el filo agudo se desportilla rpidamente. Desgaste progresivo uniforme. Fractura rpida, el desgaste progresa a una tasa creciente.Estos tres perodos se muestran en la figura 2.28.Fig. 2.28La figura 2.29 ilustra el desgaste en la cara y el flanco de una herramienta en unaoperacin de mecanizado.Fig. 2.29 68. 2-68Las fallas mecnicas se pueden producir en cualquier momento, debe existir por lotanto precaucin ante el hecho de usar inadecuadamente un avance o encaje demasiadogrande, pues al ocurrir una falla de este tipo, la herramienta ser intil inmediatamente, y sucosto no es nada de despreciable.2.5.2 Criterios de duracin de una herramientaEl criterio de duracin de una herramienta permite obtener un valor mnimo detiempo de vida para la herramienta antes de que se desgaste. Como en las operaciones demecanizado el desgaste del crter y del flanco no son uniformes a lo largo del filo principal,se debe especificar la locacin y el grado de desgaste permisible para cada caso.En la figura 2.30 se muestra una herramienta ya desgastada. La profundidad delcrter (KT) es medida desde el punto ms profundo de ste. Tambin puede apreciarse queel desgaste del flanco es mayor en los extremos del filo principal.Como el desgaste no es uniforme en las zonas C, B y N, se considera un anchopromedio para la zona central, cuyo valor se estima igual al ancho que existe en la partems uniforme del desgaste y se denomina VB.Fig. 2.30 69. 2-692.5.3 Criterios para reemplazar una herramientaLos criterios recomendados por la ISO para definir la duracin efectiva de unaherramienta son:Para herramientas de acero rpido o cermica:- Por rotura- Cuando VB promedio = 0,3 mm- Cuando VBmx = 0,6 mmPara herramientas de carburo cementado:- Por rotura- Cuando VB promedio = 0,3 mm- Cuando VBmx = 0,6 mm- Cuando KT = 0,06 + 0,3 * f, donde f es el avance2.5.4 Duracin de la herramientaLa duracin de la herramienta se define como el tiempo de corte requerido paraalcanzar un criterio de duracin de la herramienta. La velocidad de corte es el factor mssignificativo que afecta la duracin de una herramienta. sta, junto con el material detrabajo, el material y la forma de la herramienta son claves en la estimacin de la vida deesta ltima.La relacin entre el tiempo de vida y la velocidad de corte de una herramienta estdada por la siguiente ecuacin, llamada, en honor a su creador, ecuacin de Taylor.VVrn=ttr (2.39)en donde:n = constante que depende del material de la herramientaV = velocidad de corteVr = velocidad de corte de referenciatr = duracin de referencia de la herramienta a velocidad de corte Vrt = vida (duracin) de la herramienta a velocidad de corte VEn el grfico 2.2 se muestran los valores de Vr, segn el material de la herramienta yla dureza del material de la pieza a mecanizar, para el uso de la ecuacin de Taylor. Parautilizar esta tabla debe usarse ya sea la dureza Brinnel o la resistencia a la traccin delmaterial a mecanizar, as como el material de la herramienta. Con estos datos se puede verun pequeo rango de valores para Vr, teniendo en cuenta que en este caso tr es de 60segundos. 70. 2-70Grfico 2.2Por otro lado, y como ya se dijo, n es una constante que depende del material de laherramienta. El rango de valores recomendados para n se muestra en el cuadro 2.4.Material de la herramienta Valor de nHSS ( acero rpido ) 0,08 - 0,2Carburo cementado 0,2 - 0,49Cermica 0,48 - 0,7Cuadro 2.4Finalmente, en la figura 2.31 se muestra como vara la vida de la herramienta para distintasvelocidades de corte. Podemos ver que a medida que aumentamos la velocidad disminuyela vida de la herramienta, y vice versa. Esto debe tomarse en cuenta a la hora de laseleccin de la velocidad de corte, ya que con una mayor velocidad aumentaramos laproductividad, pero al mismo tiempo consumiramos ms herramientas, incrementandolos costos. 71. 2-71Fig. 2.312.5.5 Operaciones con corte intermitenteEn la operacin de fresado, el filo est en contacto con la pieza slo una porcin deltiempo total de mecanizado. Los tiempos de vida de la herramienta calculadosanteriormente son vlidos para este proceso. Sin embargo, la ecuacin de Taylor debe sercorregida por un factor Q. As, la velocidad de corte est dada por:Vc p efn, , = V *tQ * trrc,p,ef (2.76)segn cada criterio se usa la velocidad y el tiempo correspondiente.El coeficiente Q vara segn el proceso, a continuacin se muestran los coeficientespara el fresado tangencial, fresado frontal y fresado frontal-tangencial. Los tres casos seilustran en la figura 2.35.Fig. 2.35 72. 2-72(a) Fresado tangencialQ = 2 *=14+12**arcsen2* ad- 1et (2.77)(b) Fresado frontalQ = 2 *=14+12**arcsen2* ad- 1et (2.78)(c ) Fresado frontal-tangencialQ = =1* arcsenadet(2.79)2.6 Clculo de Costos de MecanizadoTodo proceso productivo debe tener presente el volumen de produccin y los costosde producir este volumen. Cada uno debe decidir si est enfocado a maximizar la cantidadproducida , a minimizar costos o a optimizar todo el proceso.Para poder estudiar este problema debemos tener presentes todos los costos y tiempoincurridos en la manufactura de una pieza. Por ejemplo se puede suponer el uso de ms deuna mquina-herramienta, conocer tiempos de preparacin y desgaste de herramientas,considerar o no el almacenaje de productos intermedios (piezas no terminadas), manejar unstock de materias primas, ver el problema de la mano de obra, entre otros.Para efectos de clculos se supondr que las nicas variables manejables pornosotros son la velocidad de corte y el avance. Se puede asumir que el desgaste de laherramienta, el nmero de herramientas, etc. son directamente dependientes de estasvariables.Como anteriormente describimos, el avance se calcula de acuerdo a criterios decalidad superficial y de potencia mxima (en el desbaste), por lo que la velocidad de cortela calcularemos de acuerdo a criterios econmicos. 73. 2-73Las distintas variables de inters para los clculos se enuncian a continuacin:tL = tiempo ociosotm = tiempo de mecanizadotct = tiempo de cambio de la herramientaNb = nmero de piezas mecanizadasNt = nmero de herramientas usadasCt = costo de la herramientaM = costo general por unidad de tiempo, incluyendo mano de obraEl costo total de produccin viene dado entonces por:Costo de prod. total = ( )M * N * t + N * t + N * t + N * Cb L b m t ct t t (2.46)Si dividimos por el nmero de unidades producidas, entonces:Costo por unidad = M * t + M * t +NNM * t +NN* CL mtbcttbt* (2.47)Recordando la frmula de Taylor para la vida de la herramientaVV=ttrrn, se puede determinar la siguiente relacin,NN=tt=tt*VVtbm mr r1n (2.48), la relacin anterior indica que el tiempo total de mecanizado, Nb * tm, debe ser igual altiempo de vida de una herramienta por el nmero de herramientas usadas, Nt * t.Para todo proceso de mecanizado el tiempo de mecanizado puede escribirse como:t =kVm (2.49)La variable k se debe determinar para cada proceso. 74. 2-742.6.1 Operaciones con velocidad de corte constanteLa operacin clsica con velocidad de corte constante es el cilindrado. Siguiendonuestro anlisis, en el cilindrado el tiempo de mecanizado est dado por 2.8 y reemplazandonw de la ecuacin 2.42,tm =Lf * nww= * D * Lf * Vw(2.50)De aqu deducimos que el valor de k, en este caso, es:k = * D * Lfw(2.51)ReemplazandoNNtben 2.47 usando la expresin para tm obtenida de 2.49 y 2.51, llegamos ala siguiente expresin para el costo de produccin en funcin de la velocidad de corte V,( )C = M * t + M *kV+kt * V*VV* M * t + Cpr Lr r1nct t (2.52)Ahora queremos encontrar la velocidad de corte ptima para minimizar el costo deproduccin, para esto hacemosCV= 0pr despejando se obtiene la velocidad de corte ptima para costomnimo de produccin,V = Vn1- n*M * tM * t + Cc rrct t*n(2.53)El tiempo total de produccin est dado por:t = t + t +NN* tpr L mtbct (2.54), y reemplazando todo en funcin de la velocidad de corte:t = t +kV+kV * tV tpr Lr1nr1 - nnct* * (2.55) 75. 2-75Ahora queremos encontrar la velocidad de corte ptima para minimizar el tiempo deproduccin, para esto hacemostV= 0pr despejando se obtiene la velocidad de corte ptima para tiempomnimo de produccinVpn= V *n1- n*ttrrct (2.56)En la figura 2.33 se muestra como vara el costo de produccin para diferentesvelocidades de corte.Fig. 2.33De las dos minimizaciones anteriores obtenemos las velocidades de corte ptimas,segn dos criterios. Para obtener los tiempos de vida de la herramienta para cada uno deestos criterios, usamos la ecuacin de Taylor.Vc * t = V tcnr rn* (2.57)Vp * t = V tpnr rn* (2.58) 76. 2-76De
Related Documents
