TPN 2 Teoria de Arranque de Viruta

Universidad Tecnolgica Nacional Facultad Regional Crdoba

Departamento de Ingeniera Mecnica

Ctedra: Tecnologa de fabricacin

Trabajos Prcticos N 2:

Teora de arranque de viruta

JTP: Ing. Rodolfo Maier Profesor titular: Ing. Jorge Jaymes

2012

Profesor Titular: J.T.P.: Ao: 2012 Hoja 2 de 15 Ing. JORGE JAYMES Ing. RODOLFO MAIER


Departamento de Ingeniera Mecnica Facultad Regional Crdoba Universidad Tecnolgica Nacional

Trabajos Prcticos N 2

INDICE 2. Teora de arranque de viruta ........................................................................................................ 3

2.1. Introduccin ...................................................................................................................... 3 2.2. Geometra de la herramienta .............................................................................................. 3 2.3. Parmetros de corte y dimensin de viruta ......................................................................... 3 2.4. Fuerza de corte .................................................................................................................. 4

2.4.1. Descomposicin de la fuerza de corte ......................................................................... 5 2.4.2. Formacin de la fuerza de corte y geometra de la viruta ............................................ 5

2.5. Parmetros de duracin de la herramienta .......................................................................... 7 2.5.1. Tiempo de duracin .................................................................................................... 7

2.5.1.1. Influencia de la velocidad de corte....................................................................... 7 2.6. Smbolos ........................................................................................................................... 8 2.7. Eleccin de las formulas a emplear .................................................................................. 10 2.8. Ejercicios ........................................................................................................................ 12 Anexos ...................................................................................................................................... 15

Tabla de valores de fuerza especifica de corte ........................................................................ 15





2. Teora de arranque de viruta

2.1. Introduccin En el TPN1 se defini los movimientos relativos que debe proporcionar una mquina

herramienta para producir el arranque de viruta, estos eran: el movimiento principal o de corte ( cv ) y el movimiento de avance ( f ). Tambin quedo definida la profundidad de corte ( pa ) (ver TPN1).

En este trabajo prctico vamos tratar en forma detallada la teora de arranque de viruta, vamos a determinar: el ngulo de cizallamiento, la fuerza especifica de corte, duracin de la herramienta. Como as tambin la determinacin de la velocidad de corte econmica y de mxima produccin utilizando la ecuacin de Taylor.

2.2. Geometra de la herramienta La descripcin de la geometra de la herramienta se encuentra estandarizada. La identificacin

para las superficies, cantos y ngulos en el filo se encuentran definidas en la norma ISO 3002/2 (ver Fig. N1).

Fig. N1: geometra de la herramienta: Superficies, filos, planos, etc.

2.3. Parmetros de corte y dimensin de viruta La descripcin de las capas de material removido viene dada en funcin de los parmetros de

corte. Para el clculo de las dimensiones de la viruta se tiene en cuenta la geometra de la herramienta, los movimientos (corte y avance) y la profundidad (ver Fig. N2)





Fig. N2: Parmetros de corte y dimensin de la viruta

2.4. Fuerza de corte El correcto dimensionamiento de la maquina y de la herramienta presupone conocer en forma

segura la solicitaciones sobre la herramienta. El clculo terico de la fuerza de corte fue realizada por Kienzle y se baso en la siguiente observacin. Dada una potencia de corte, cuanto ms grande era esta mayor era el volumen de viruta removida por unidad de tiempo. De manera que se puede escribir la siguiente proporcionalidad:

cVPt

Si la definicin general de potencia c c cP F v y el volumen removido para una superficie para una longitud de corte cV A l . Siendo la velocidad de corte c cv l t .

c c cF v A v cF A

La constante de proporcionalidad se denomina fuerza especfica de corte ck

c cF k A Los ensayos muestran que la fuerza especfica de corte no es constante. Al modificar los parmetros de corte se observa una variacin de la fuerza especfica de corte. Los factores que influyen son:

x Material de la pieza. x Espesor de la viruta. x Geometra del filo (ngulo de desprendimiento, de incidencia, de inclinacin). x Microgeometra del filo (desgaste). x Material de la herramienta. x Velocidad de corte.





2.4.1. Descomposicin de la fuerza de corte

En la fig. N3 puede verse la posicin de la fuerza de corte resultante y las descomposicin en varias componentes, en dos planos perpendiculares entre s, el plano de trabajo y el plano de referencia.

Fig. N3: Descomposicin de la fuerza zF en las componentes cF , fF , pF y aF

zF Fuerza de corte resultante.

aF Fuerza activa. Es la proyeccin de la fuerza zF en el plano de trabajo.

cF Fuerza de corte. Proyeccin de la fuerza zF en la direccin de corte.

fF Fuerza de avance. Proyeccin de la fuerza zF en la direccin de avance.

pF Fuerza pasiva. Proyeccin de la fuerza zF en el plano de referencia (perpendicular al plano de trabajo).

2.4.2. Formacin de la fuerza de corte y geometra de la viruta

La formacin de la fuerza viene explicada por la teora de Merchant para un proceso de corte ortogonal. En la fig. N4 puede verse la descomposicin de fuerzas.

Para un proceso de corte ortogonal z aF F , esta fuerza tiene la siguientes tareas:

x Superar la resistencia al corte del material ( IW ) a lo largo del plano de cizallamiento, que viene dado por el ngulo I .

x Superar los rozamientos, que se forman en la deformacin propia del material de la pieza como entre el material de la pieza y la cara de desprendimiento.

El valor del angulo de cizallamiento I depende de la direccin de la fuerza zF respecto a la

direccin de corte. Esta direccin viene dada por el angulo U J . Para el calculo del angulo de cizallamiento I Merchant se baso en la hiptesis del plano de cizallamiento y encontr basndose en el principio de la energa mnima la siguiente relacin:





22SI U J

Fig. N4: descomposicin de fuerzas para un proceso de corte ortogonal segn Merchant.

Bajo la influencia de la fuerza de corte resultante el material removido por el filo, sera deformado y aplastado, de manera que la viruta que se desprende tendra otras dimensiones que el valor de esta considerada antes de la deformacin. Esta condicin viene dada por la relacin de espesores antes y despues de la deformacin (relacin de viruta), segn:

'

hrh

donde 1r La relacin entre I y r , J viene dada por:

costan1

rr sen

JI J

Resistencia al corte (tensin de cizallamiento)

FAI

II

W

Fuerza de cizallamiento

coscoscFFI I U JU J

rea de cizallamiento

b hAsenI I

Coeficiente de rozamiento

tan nF FJ JP U

Potencia de corte

cos

cosc

c

b h vP

senIW U J

I I U J





2.5. Parmetros de duracin de la herramienta El filo de la herramienta es desgastado por influencias mecnicas, trmicas y qumicas. Todas

estas causas de desgaste se presentan en forma simultnea y adems en funcin del material de la pieza, el material de la herramienta y los parmetros de corte se obtiene diferentes formas de desgaste. Debido a ello el filo pierde su forma, se desafila o se rompe. El tiempo utilizable del filo se conoce como tiempo de duracin. Este es determinado por criterios de desgaste, que vienen establecidos por los resultados obtenidos en la pieza mecanizada. Cumplido este tiempo la herramienta deber ser cambiada o reafilada.

2.5.1. Tiempo de duracin

El tiempo de duracin es el tiempo de proceso (principal de corte), en el cual la herramienta

puede permanecer trabajando, hasta que el filo deba ser reafilado o cambiado por uno nuevo. Depende de varios factores:

x Tipo y resistencia del material de la pieza. x Forma, sujecin y terminacin de la pieza. x Material de la herramienta. x Sujecin de la herramienta. x Comportamiento a las vibraciones de la maquina, herramienta y de la pieza. x Tamao y forma del rea de corte, en particular el espesor h de la viruta. x Velocidad de corte.

2.5.1.1. Influencia de la velocidad de corte

La influencia de la velocidad de corte en el tiempo de duracin es grande. La fig. N5 muestra, que para valores creciente de velocidades de corte el tiempo de duracin disminuye rpidamente. Si usamos coordenadas en escala logartmica la curva (T - cv ) se transforma con bastante exactitud en una recta (ver fig. N6), cuya pendiente es

'1 2 2tan tan a a cD D . Si son conocidos los valores

de 1cv y 1T , con ayuda de la pendiente 2c podemos obtener para cierto valor de cv , el valor de T , segn: Fig. N5: influencia de la velocidad de

corte (T - cv ) en escala aritmtica 2

2 211 1

1

cc cc

c cc

vT T T v vT v

?

Constante de Taylor 2

1 1 1c

cc T v > @1 1 minT > @1 1 mincv m

Ecuacin de Taylor

21

ccT c v

Fig. N6: influencia de la velocidad de corte (T - cv ) en escala logartmica.





2.6. Smbolos D > @ Angulo de incidencia. E > @ Angulo de corte. I > @ Angulo de cizallamiento. J > @ Angulo de desprendimiento.

mK > @% Rendimiento de la maquina. N > @ Angulo de posicin. O > @ Angulo de inclinacin. P Coeficiente de rozamiento entre la superficie de desprendimiento y la viruta U > @ Angulo de rozamiento. IW 2N mm Resistencia al corte (tensin de cizallamiento).

A 2mm rea de corte. AI 2mm rea del plano de cizallamiento.

pa > @mm Profundidad de corte. b > @mm Ancho de la viruta (longitud efectiva del filo de corte).

1c Constante de Taylor para el tiempo de duracin de la herramienta.

2c Pendiente de la recta de tiempo de duracin.

FC > @$ pza Costo de fabricacin por pieza. LC > @$ pza Costo de mano de obra por pieza. MC > @$ pza Costo de maquina por pieza. WC > @$ pza Costo de herramienta por pieza.

d > @mm Dimetro de la pieza. f > @mm Avance (por revolucin de la pieza > @mm rev o por carrea> @mm carrera ). fJ Factor de correccin para ngulo desprendimiento. FI > @N Fuerza de cizallamiento.

cF > @N Fuerza de corte. ff Factor de correccin para la forma de la herramienta. fF > @N Fuerza de avance. desgf Factor de correccin para el desgaste de la herramienta.

hf Factor de correccin para el espesor de viruta. mat filof Factor de correccin para material del filo.

cvf Factor de correccin para la velocidad de corte. h > @mm Espesor de viruta no deformada.

'chh h > @mm Espesor de viruta deformada.

i Cantidad de pasadas.





ck 2N mm Fuerza especifica de corte corregida.

1.1ck 2N mm Fuerza especifica de corte para > @1b mm y > @1h mm .

L > @mm Longitud de la pieza. L > @$ h Costo de mano de obra directa por hora. n > @minrev Numero de revoluciones de la pieza.

sn Numero de afilados.

Tn N de piezas por tiempo de duracin. r Relacin de viruta. r > @% Resto de costo de fabricacin indirectos.

aP > @kW Potencia de accionamiento de la maquina cP > @kW Potencia de corte.

Q 3 mincm Volumen de viruta desalojada por unidad de tiempo. T > @min Tiempo de duracin de la herramienta.

econT > @min Tiempo de duracin de la herramienta econmico (mnimo costo). ht > @min Tiempo de proceso (principal de corte). max prodT > @min Tiempo de duracin de la herramienta de mxima produccin. nt > @min Tiempo secundario (tiempo muerto, de aproximacin, etc.). wt > @min Tiempo de cambio de herramienta.

V 3mm Volumen de viruta desalojada.

cv > @minm Velocidad de corte. fv > @minmm Velocidad de avance. aW > @$ Costo de compra de la herramienta. sW > @$ Costo de afilado. TW > @$ Costo de la duracin de la herramienta. uW > @$ Costo residual de la herramienta (parte no utilizada).

z Exponente de espesor de viruta (p/ calculo factor de correccin de espesor).





2.7. Eleccin de las formulas a emplear Angulo de cizallamiento

costan1

rr sen

JI J

Relacin de viruta

'

hrh

Fuerza de corte

c cF A k

rea de corte

pA b h a f

Espesor de viruta h f senN

Ancho de viruta

pabsenN

Potencia de accionamiento

360 10c c

aM

F vP K

Velocidad de corte

1000cd nv S

Volumen de viruta desalojada por unidad de tiempo

1000p cQ a f v

Tiempo de proceso (tiempo principal)

hL itf n

Fuerza especifica de corte corregida

1.1 cc c h v f desg mat filok k f f f f f fJ

Factor de correccin para el espesor ( hf )

0z

hhfh

con > @0 1h mm 1h zf h

Factor de correccin para ngulo desprendimiento ( fJ )

01100

fJJ J 0

0

62

AceroFundicin

JJ

Factor de correccin para la velocidad de corte Para > @100 mincv m Para > @100 mincv m Para > @100 mincv m!

1cv

f 0,1532,023

cvc

fv

0,071,38

cvc

fv

Para > @100 mincv m!

0,1100

cvc

fv





Factor de correccin para la forma de la herramienta ( ff )

Proceso de mecanizado ff Torneado exterior 1 Cepillado/limado/brochado 1,05

Torneado interior/agujereado/fresado 11,05d

Factor de correccin para el desgaste ( desgf )

Herramienta afilada 1desgf ; Desgaste en % > @%1

100desgDesgate

f Factor de correccin para material del filo

Material del filo mat filof Acero rpido 1,2 Metal duro 1,0 Cermica 0,9

Tiempo de duracin de la herramienta

2

12 1

2

h T

c

c

c

T t n

vT Tv

Pendiente de la recta de tiempo de duracin

1 22

2 1

ln lnln lnc c

T Tcv v

Tiempo de duracin de mxima produccin

max 2 1prod wT c t

Tiempo de duracin econmico

2 1 1T

econ wWT c t

L r

Velocidad de corte de mxima produccin

2

1max

max

1

cc prod

prodc

vvT

T

Velocidad de corte econmica

2

1

1

ccecon

econc

vvTT

Costo de la duracin de la herramienta

1

a u s sT

s

W W n WW

n





Costo de fabricacin por pieza

F M W LC C C C Costo de herramienta por pieza

hW T

tC WT

Costo de mano de obra por pieza

(1 )L n h wC L t t t r

2.8. Ejercicios 1. En una operacin de mecanizado que se aproxima al corte ortogonal, la herramienta tiene un

ngulo de desprendimiento de 10J , el espesor de la viruta a remover es > @0,5h mm y el espesor de la viruta deformada es de > @' 1,12h mm . Calcular el ngulo que forma el plano de cizallamiento.

2. En una operacin de mecanizado de un acero, la herramienta tiene un ngulo de desprendimiento de 15J , el ngulo de posicin es de 45N y se mecaniza con un avance > @0,25f mm rev . Con la ayuda de un micrmetro se mide el espesor de viruta deformado que resulta

> @' 0,31h mm . Calcular el ngulo de cizallamiento.

3. Si para los datos del ejercicio N2 se modifica el valor del ngulo de desprendimiento de 15J a 20J y para ambos casos se trabaja con una profundidad de corte de > @3pa mm Determinar: a) El valor del nuevo ngulo de cizallamiento (I ). b) Como se modificara el valor del rea de cizallamiento ( AI ). Dibuje en forma esquemtica la

relacin entre AI y I para 15J y para 20J . c) En funcin de los valores de ngulo y rea de cizallamiento. En qu caso ser mayor el

consumo de potencia de corte. Fundamente su respuesta (ver pg. N6) 4. Determinar la resistencia al corte ( IW ) de un material, en el que al mecanizarlo en una operacin

de corte ortogonal de ancho > @3b mm , con un ngulo de desprendimiento 10J y con un espesor de viruta > @0,5h mm , se obtuvo una fuerza de corte > @1559cF N . El ngulo de cizallamiento es de 25,46I .

5. La fuerza de corte en una en una operacin de corte ortogonal es de > @1470cF N . El ngulo de

desprendimiento es de 5J , el ancho > @5b mm , el espesor de viruta > @0,6h mm , y la relacin de espesor de viruta es de 0,38r . Determinar: a) Coeficiente de friccin P en la superficie de desprendimiento del filo. b) La resistencia al corte ( IW ).





6. Se realiza un cilindrado de un acero E360GC en el torno con una herramienta de metal duro. Con los siguientes datos:

0J , 90N , > @140 mincv m , > @450 minn rev , > @100d mm > @3,5pa mm ,> @0,25f mm rev .

Determinar: a) Fuerza especifica de corte corregida ck . b) Fuerza de corte ( cF ). c) Potencia de accionamiento de la maquina, con 70%mK . d) Volumen de viruta desalojada por unidad de tiempo Q . e) Tiempo de proceso ( )ht , para > @50L mm .

7. Se mecaniza un acero 16MnCr5 con los siguientes datos:

10J , 35N , > @160 mincv m , > @2pa mm , > @0, 4f mm rev , desgaste 20%, herramienta de metal duro. Determinar: a) Fuerza especifica de corte corregida ck . b) Fuerza de corte ( cF ). c) Potencia de accionamiento de la maquina, con 75%mK .

8. En un proceso de mecanizado con una herramienta de metal duro son mecanizadas 18 piezas con

una > @120 mincv m hasta el que esta se desafila. El tiempo de proceso para cada pieza es de > @1 12 minht . Si incrementamos la velocidad de corte a > @180 mincv m se obtienen 10 piezas

hasta que se desafile la herramienta. Si ahora incrementamos la velocidad de corte a > @240 mincv m , obtenemos 6 piezas hasta el desafilado de la herramienta.

Determinar: a) La recta (T - cv ) del tiempo de duracin de la herramienta en papel de escala doble

logartmica. b) La pendiente de la recta 2( )c en forma grafica y analtica.

9. Si realizamos un torneado exterior de una gua cilndrica de un acero C45E (SAE 1045). Con los

siguientes datos: 10J , 80N , > @130 minn rev , > @70d mm > @2pa mm , > @0, 2f mm rev , 75%mK ,

> @100L mm y con una herramienta de acero rpido. Se mecanizan 20 piezas hasta que la herramienta quede desafilada. Determinar: a) La velocidad de corte. b) Fuerza de corte para una herramienta sin desgaste. c) Fuerza de corte para una herramienta con un 80% de desgaste. d) Potencia de accionamiento de la mquina para una herramienta sin desgaste. e) Potencia de accionamiento de la mquina para una herramienta con un 80% de desgaste. f) Volumen de viruta desalojada por unidad de tiempo. g) Como se modifica el tiempo de duracin de la herramienta si se incrementa la velocidad de

corte a > @60 mincv m y la pendiente de la recta de tiempo de duracin es 2 2,4c





h) Dibujar la recta de tiempo de duracin en un papel doble logartmico y determinar en forma grafica el valor del tiempo de duracin para una velocidad de corte de > @80 mincv m

10. Para un proceso de mecanizado la forma de la recta de tiempo de duracin es conocida a travs

de los siguientes datos: 2 2,1c > @1 216 minT , > @1 120 mincv m , > @1 12 minht

> @2 30 minT , > @2 290 mincv m , > @2 5 minht Costo de compra de la herramienta > @300 $aW Costo residual de la herramienta (parte no utilizada) > @150 $uW Numero de afilados 15sn Costo de afilado > @14,6 $sW Costo de mano de obra directa por hora > @17,8 $L h Resto de costo de fabricacin indirectos 2,5r Tiempo secundario > @3 minnt pza Tiempo de cambio de herramienta > @10 minwt Costo de maquina por pieza > @3,2 $MC pza Determinar: a) Tiempo de duracin econmica y de mxima produccin. b) Velocidad de corte econmica y de mxima produccin. c) Como se modifica el costo de fabricacin por pieza, cuando en lugar de velocidad de corte

econmica utilizamos la velocidad de corte de mxima produccin.





Anexos Tabla de valores de fuerza especifica de corte Material Numero Rm

N/mm2 HV10 1.1ck

N/mm2 z

C15+A 1.0401 373 108 1481 0,28 C22 1.0402 500 1800 0,16 C35 +N 1.0501 550 160 1516 0,27 C45E+N [Ck45 (N)] 1.1191 628 185 1573 0,19 C45E+QT [Ck45 (V)] 1.1191 765 225 1584 0,25 C60E+N [Ck60 (N)] 1.1221 775 21 1686 0,22 S295GC [ZSt50-2] 1.0533 557 168 1500 0,29 E335GC [ZSt60-2] 1.0543 620 2110 0,17 E360GC [ZSt70-2] 1.0633 824 239 1595 0,32 37 MnSi 5+A 1.5122 676 196 1581 0,25 37 MnSi 5+QT 1.5122 892 268 1656 0,21 42CrMo4+A 1.7225 568 170 1563 0,26 55 NiCrMoV 6 1.2713 1141 340 1595 0,21 100Cr6+A 1.3505 624 202 1726 0,28 18 CrNi 8+A 1.5920 578 181 1446 0,27 16MnCr5+N 1.7131 500 150 1411 0,30 X6 CrNiMoNb 17-12-2 1.4580 600 1270 0,27 X6 CrNiMoNb 17-12-2 1.4580 588 1397 0,24 EN-GJL-300 [GG-30] EN-JL1050 HB206 899 0,41 Meehanite WA 360 1270 0,26 EN-GJMW, EN-GJMB EN-JM1xxx > 400 1200 0,21 GE 240 [GS 45] 1.0446 ~ 400 1600 0,17 GE 260 [GS 52] 1.0551 ~ 600 1800 0,16 EN AW-Al Mg4 EN AW-5086 260 HB 90 487 0,20 EN AC-Al Si10Mg EN AC-43000 250 440 0,27 EN AC-Al Si6Cu4 EN AC-45000 170 460 0,27 EN-MCMgAl9Zn1 EN-MC21120 130 240 0,34 NiCr20Co18Ti 2.4969 1275 1900 0,26 NiCr20TiAl 2.4952 1217 368 2211 0,22 Latn DFB 430 0,38 CuZn39Pb3 CW614N 420 450 0,32 CuZn37 CW508L 360 1200 0,15 CuSn8 CW453K 410 1200 0,10 CuAl10Ni5Fe4 CW307G 650 1300 0,12 RgA 820 0,25 Poliamida 6-6 cont. humedad 0,1-0,5 %

160 0,15

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