14-MECANICA DE CORTE

Julio Alberto Aguilar Schafer

MECANICA DE CORTE

Julio Alberto Aguilar Schafer

MAQUINABILIDAD

La maquinabilidad de un material, se define en función de:

1. Acabado e integridad superficial de la parte maquinada

2. Duración de la herramiente

3. Requerimiento de fuerza y potencia

4. Control de viruta

EVOLUCIÓN EN LA PRODUCCIÓN DE VIRUTA A TRAVÉS DEL TIEMPO, CON EL USO DE NUEVOS MATERIALES DE CORTE

MECÁNICA DE CORTE

Julio Aguilar

FUNDAMENTOS DEL MECANIZADO

Objetivos

MECÁNICA DEL CORTE

Conocer los principios básicos de la formación de la viruta y su influencia en las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta

Introducir el mecanizado de alta velocidad

MECÁNICA DEL CORTE

Corte ortogonal vs corte oblicuo.

Mecánica de formación de viruta Tipos de viruta.

Cinemática y Dinámica del corte ortogonal.

Balance energético en el mecanizado.

Desgaste de herramienta.

Refrigeración y lubricación.

Mecanizado de alta velocidad (MAV o HSM).

Mecánica del corte

Corte ortogonal vs Corte oblicuo

El filo de la herramienta (OF) es perpendicular a velocidad de corte (v).

Corte ortogonal

El filo de la herramienta (OF) y la velocidad de corte (v) no forman un ángulo recto, sino l0 (inclinación del filo) y/o X 90 (posición).

Corte oblicuo

Y

Z

Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal

Modelos de formación de la viruta

MODELO DE PIJSPANEN Plano de cizallamiento X=90º; l=0º Mat. Pieza maleable Hta rígida Régimen estacionario Flujo continuo de viruta

Fotografia de formación de la revava

Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal

Ángulo de cizallamiento,

Formado por el plano de cizallamiento con la superficie a mecanizar.

Depende de: material de pieza y conds de corte.

Parámetros geométricos

Y

Z

Formación de viruta: proceso de deformación plástica.

Disminuye la longitud y aumenta el espesor de la viruta.

Causas para una mayor deformación: • menor , y • menor (mayor s).

Factores influyentes:

• tenacidad pieza

• calidad de hrrta

•

•

Efectos de ( e):

• velocidad salida de viruta.

• Pc y Tª.

Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal

Parámetros geométricos

sentg

.1

cos.

Relación entre factor de recalcado y ángulo de cizallamiento: (entre 10 y 60º)

Factor de recalcado, ( c)

es la relación entre la long de viruta formada y la del mat. equivalente (o espesor no deformado y espesor de viruta tras el corte): (entre 0.2 y 1)

1)cos(.

.

OA

senOA

e

h

l

l

m

v e deformación

Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal

Deformación,

Parámetros geométricos

sentg

x

s

x .

1cos.2)(cotlim

2

0

)cos(.

cos

sen

Para un dado, la deformación es mínima si:

= 1 e = h 24

La relación de estos parámetros es:

• Para un , si ( e) deformación ().

• Para un (e=cte), si deformación ().

Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal

Longitud de contacto de la viruta

Cuando dejen de actuar sobre la viruta esfuerzos de compresión normales a la cara de desprendimiento no habrá contacto con la herramienta.

Longitud de contacto de la viruta con la herramienta:

4

)(1)cos(.

.

tge

sen

senhBCOBl

Mecánica del corte

Viruta en el Corte Oblicuo

La viruta no fluye sobre la cara de desprendimiento de la hrrta en dirección perpendicular al filo forma un ángulo con la normal.

Aplicando principios de tª de plasticidad:

l

Se puede aplicar fórmulas de corte ortogonal, teniendo en cuenta que:

• e

ll 22 cos.sensensen e

Corte ortogonal y oblicuo

Sección de la viruta

sen

ha

senbp

hbapS

.

..

Corte ortogonal y oblicuo

Sección de la viruta

mat. no arrancado necesidad de filo secundario

Espesor de viruta equivalente:

he = área sección viruta / long filo cortante

p . a = l . he

Mecánica del corte

Tipos de Viruta

Continua:

Mats. tenaces y dúctiles (vc, a).

grandes ( ).

Parcialmente segmentada:

Compuesta de elementos parcialmente unidos

y ligados entre sí.

Totalmente discontinua:

Mats. frágiles (no soportan tensión de cizallamiento)

Mats. dúctiles (vc, avance); No metálicos.

Superf. de contacto muy reducida.

bajo o negativo ( ); mec. en seco; rigidez máquina

Si rigidez no adecuada, como Fc varía continuamente, aparecen vibraciones calidad superficial y precisión dimensional

Mecánica del corte

Tipos de Viruta

Ondulada:

Existencia de vibraciones.

Continua con filo de aportación (recrecido):

Se forman capas de viruta debido al rozamiento

en la superf de contacto viruta-herramienta, y se

quedan adheridas a hrrta.

Filo aportado crece hasta que rompe bruscamente.

Consecuencias: acabado superf. y vida hrta.

Mecánica del corte

Cinemática del corte ortogonal

v, veloc. de corte: relativa entre hrrta y pieza, debida al mov. de corte. vs, veloc. de deslizamiento de la viruta respecto pieza. vc, veloc. de deslizamiento de la viruta respecto hrrta. Velocidad de deformación muy elevada: = vs/y = 102 106 s-1 (ensayos de fluencia 10-2; choque 102) ? Usar características comunes de materiales ensayos propios (y cte separación de planos de deslizamiento 0.0180.18 mm)

)cos(cos

v

sen

vv cs

)cos(

cos

)cos(.

vv

senvv

e

hvv

s

c la max velocidad a la que puede fluir la viruta sobre la sup desprendimiento de hrrta es v (velocidad de corte).

Dinámica del corte

Análisis de las fuerzas de corte ortogonal

F se descompone según 3 sist. de fuerzas (círculo de Merchant):

Dirección del mov pral de corte y avance: Ft (Fc) y Fn (Fa).

Plano de cizalladura y normal: Fs y Fsn

Superf. de hrrta y normal: F y Fn

)(

)cos(

FsenFF

FFF

an

ct

)(

)cos(

FsenF

FF

sn

s

cosFF

FsenF

n

n

rozF

Ftg

siendo coef. fricción

En corte ortogonal, la fuerza total F está contenida en el plano normal al filo de la herramienta.

ó Fa/Fc = tg(-)

Dinámica del corte

Tensiones en el corte ortogonal

Tensiones actuantes en el plano de cizallamiento:

Tensión dinámica de cizallamiento:

)cos( senA

F

A

F

s

ss

Tensión normal al plano de cizallamiento:

)(. sensenA

F

A

F

s

sns

)cos(.

)(

)cos(.

)cos(

)cos(.

1

sen

senAFF

senAFF

senAF

san

sct

s

sen

AAs

)cos( FFs

Dinámica del corte

Modelos de mecanizado en corte ortogonal , , no se pueden relacionar geométricamente, pero sí con teorías de plasticidad y consideraciones energéticas Modelos de mecanizado.

-

Conclusiones: Relaciones lineales. Para un determinado, y As (As = A / sin )

Como resist. media de mat. en zona cizallado es cte, si As Fc

Para un determinado, Fc

Dinámica del corte

Corte oblicuo

222

cpa FFFF

3

5

cp

ca

FF

FF

vFvFvFvFP cppaac ....

Dinámica del corte

Presión específica de corte, ps

Estudio del arranque de viruta y cálculo de fuerzas de corte y potencia presión de corte, ps o ks.

A

Fkp c

ss Fuerza de corte

Sección de viruta

Cuando A = 1 mm2, se tiene la presión específica de corte, kso.

Potencia específica de corte, Psp: potencia necesaria para arrancar un volumen unitario de material en la unidad de tiempo.

A

F

vA

vFP

vAQ

vFP

c

c

ccsp

c

cc

.

.

.

.

Vol de material arrancado en 1 min

Dinámica del corte

Presión específica de corte, ks

Factores de los que depende ks:

Características del material a mecanizar: dureza pz ks

Mat. y geometría de hrrta: HTA/PZA ks

ks

kr, X ks

En fresado:

ps = ps TABLA . k

1º ks 1%

Dinámica del corte

Presión específica de corte, ks

Sección y espesor de viruta. h, A ks

V ks Velocidad de corte.

Presión específica de corte, ks

Lubricación y refrigeración: modifican rozamiento pieza-hrrta.

Desgaste de la herramienta: modifica la hrrta ks.

Dinámica del corte

Cálculo de ks:

mm

ccss

bh

F

A

Fkp

.

x

m

y

msoc hbkF

xz

y

1

1

z

msx

m

sso hk

h

kk

.

)1(

kso y z dependen del mat de pieza y mat. y geometría de hrrta.

En catálogos de fresado: ps hm, = ps TABLA . k . khm

Presión específica de corte, ks

Dinámica del corte

Mecánica del corte

Fuentes de calor en el mecanizado

Energía absorbida en el proceso de corte se utiliza en:

Deformación elástica: se devuelve sin producir calor.

Deformación plástica: no se devuelve (romper enlaces atómicos con desprendimiento de calor).

Pérdidas por rozamiento.

Def. plástica Def. plástica y

rozamiento

Rozamiento

P = Ps + Pr + Parr = Fc.vc

Arrollamiento viruta

Rozamiento

Cizallamiento

Mecánica del corte

Temperatura en el corte

La energía disipada se convierte en calor incremento de Tª en zona de corte.

Las mayores Tªs se alcanzan con: mat pieza muy duro, alta vc y ap. Si el mat pieza tiene alto calor específico y conductividad térmica, la Tª no es tan alta.

vc vc

Mecánica del corte

Filo recrecido

Debido a la existencia de rozamiento entre viruta y hrrta alcanzar límite de cizalladura en el interior de viruta antes que deslice sobre hrrta zona de cizalladura secundaria.

Variación de geometría de viruta y conds de corte, ya que hay un añadido al filo cortante y un aumento de e (provoca Fc).

Filo adherido es inestable desgaste de la cara de desprendimiento y perjudica el acabado.

Menor incidencia de filo recrecido si vc, ya que al Tª, el mat se ablanda e inhibe su formación.

Mecánica del corte

Desgaste de la herramienta

En el corte, la hrrta está sometida a: grandes tensiones mecánicas, alta Tª y efectos corrosivos del refrigerante desgaste progresivo o fallo prematuro.

Fallo prematuro provocado por: deformación plástica del filo, fatiga y rotura frágil (tensiones y baja tenacidad).

Desgaste progresivo no puede ser evitado, pero sí controlado.

Tipos de desgaste

Mecanismos de desgaste progresivo

Tipos de desgaste

Desgaste de la Herramienta

Remedios al desgaste

Desgaste de la Herramienta

Mecánica del corte

Refrigerantes/Lubricantes

Aceites de corte: minerales + aditivos; vegetales (capa lubricante); mixtos.

Fluidos base agua: emulsiones (aceite mineral + agua (directas (90%) / indirectas) + emulsionante = taladrina); soluciones (sintéticas y semisintéticas).

Tipos

Refrigeración (enfriar eficazmente hrrta): viscosidad, capacidad de mojar bien el mat (contacto), calor específico y conductividad térmica.

Lubricación: facilita flujo viruta y .

Prevenir filo recrecido

Proteger de corrosión

Lubricar M-H

Evacuar viruta

Funciones

Mecánica del corte

Refrigerantes/Lubricantes

Tipo y mat de hrrta: acero al C (emulsiones), HSS (sg pieza), metal duro (emulsiones o en seco)

Mat de pieza: aleac. no férreas ligeras y pesadas (en seco o aceites); aleac. Ni ( emulsiones); fundición

(en seco); aceros (aceites)

Conds. de mecanizado: cond extremas y delicadas ( aceites); cond ligeras (emulsiones)

Tipo de mecanizado: rectificado (emulsiones); taladrado (aceites puros de baja viscosidad)

Reciclaje y mantenimiento

Selección

Fluido: riego a 10225 l/min. Localización próxima a la zona de corte.

Neblina: para acceder a zonas difíciles y mejorar visibilidad pieza. En rectificado, a 1080 psi de presión, con emulsiones.

Alta presión: 800 5000 psi. Actúa como rompevirutas. Mayor evacuación de calor en procesos de elevada velocidad y potencia de corte.

Forma de aplicación

Mecánica del corte

Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM)

Causas de su aparición: desarrollo de mat de hrrta, desarrollo de M-H (componentes y sistemas de control) y conocimientos del mecanismo de formación de viruta y desgaste de hrrta. optimización y proceso diferenciado.

Definición: optimización del mecanizado con las limitaciones existentes pieza/material/máquina-herramienta. Puede suponer mecanizar a velocidades de corte entre 5 y 10 veces superiores a las que se utilizan de manera convencional “para cada material”. (no implica necesariamente

rpm)

Mecánica del corte

Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM) HSM como proceso diferenciado: Fenómenos físicos asociados al corte: mats responden a la hipótesis de Salomon

Fenómenos difusión asociados al desgaste de hrrta: capas de recubrimiento contra el desgaste por difusión.

Mecánica del corte

Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM)

Efectos del incremento de vc:

Mat. dúctil: zona de deformación primaria tiende al plano de cizallamiento, de forma que deformación Fc

entre viruta y hrrta

Desaparece filo recrecido calidad superficial

Casi la totalidad del calor se evacua por la viruta

Frecuencia de excitación dinámica alejada de frecuencia crítica de M-H.

Consecuencias:

Mayores gastos de inversión (25 veces): formación, infraestructuras, herramientas, controles, CAD/CAM; cambio de mentalidad y distribución del tiempo.

Mayores beneficios: calidad superficial, tp mecanizado (30% en fresado), operaciones acabado (pulido), dinero en consumo de htas y seguridad.

Mecánica del corte

Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM) Campos de aplicación (Solución no general)

Cilindrado con diferente tipo de inserto

Los tres componentes principales en un ingerto son:

Los insertos pueden ser de diferentes formas y tamaños

Diferentes filos producen diferentes acabados

Acabado burdo Acabado fino

PORTA PASTILLAS

Fijación de insertos en una torre

Propiedades importantes en los ingertos

Las herramientas de corte de carburos tienen clasificación ISO

La configuración de los ingertos determinan la forma de la viruta

Ejemplos de la forma como la revarva se pude quebrar

Sumario:

Tipos de fracturas en los ingertos

Algunas consideraciones sobre las herramientas de corte