Teoría de Corte

CAPITULO I(CHAPTER ONE)

PARTE GENERAL(GENERAL PART [1])

1.0 - OBJETIVO.

El objetivo de este capítulo es la introducción a la Teoría de Corte de los Metales y su aplicación general al corte de metales. Como los diferentes tipos de maquinizado sólo tienen ciertos principios en común, la teoría que se verá, será limitada a factores que pueden ser individualmente discutidos en los cursos que seguirán a continuación sobre torneado, fresado y taladrado.

1.1.- GENERALIDADES.

En esta primera parte se tratará sobre los principios del corte de los metales y como ella se aplica generalmente al torneado, fresado y taladrado.

Todos estos serán tratados, considerando sus diferentes características individuales.

Los puntos principales que serán discutidos son; la Geometría de Corte, Potencia y Calor durante el maquinado y el Desgaste de la Herramienta.

1.2. - INTRODUCCIÓN.

Primero, es necesario conocer los prerrequisito para producir un componente por medio del corte de metales. Los prerrequisito son, figura 1.2:

a.- Un dibujo con sus dimensiones, tolerancias, terminación superficial y tipo de material.

b.- La cantidad de piezas que deberán ser producidas, en forma eficiente y lo más económicamente posible.

c.- Disponer una o varias máquinas herramientas. d.- Lo anterior implica limitaciones en las diferentes

maneras para llevar a cabo los distintos mecanizados, obligando a desarrollar un "Plan de Trabajo", que indique la mejor secuencia de operaciones en cada máquina y la mejor ruta que seguirá la pieza por las diferentes máquinas herramientas.

e.- Se necesitan también herramientas de corte, como es el caso de las de carburo cementado y su correcta selección.

Se tratará en este capítulo, en forma detallada, el punto "d", sobre la selección correcta de la herramienta y en particular las herramientas de carburo cementado.

Asumiendo que se cuenta con una máquina herramienta, se hace necesario entonces escoger en forma adecuada la herramienta, la calidad o grado del carburo cementado y los datos de corte, para obtener de ella la mayor productividad.

De hacer posible lo anterior se debe conocer la teoría básica de lo que sucede en el corte de metales. Los procesos de torneado, fresado y taladrado, tienen diferentes características entre si, que influyen en la selección de los tres factores antes mencionados (tipo de herramienta, calidad de ella y datos de corte). Sin embargo, los tres procesos mencionados tienen un factor común que es, que el material es transformado en virutas, sacadas por la herramienta de corte y en el tiempo necesario requerido para dar la forma a la pieza.

1.3.- GEOMETRÍA DEL FILO.

l "Angulo de Ataque", tiene una gran influencia en las fuerzas reales de corte, que produce la herramienta durante el mecanizado. La herramienta con dichas fuerzas avanza hacia el material, produciendo una viruta, el ángulo de ataque puede ser "agudo" o positivo (+) o embotado o negativo (-), como lo muestra la figura 1.4. Se le designa con la letra griega gamma (). Cuando el "Angulo del Filo", beta (), es menor de 90°, el ángulo de ataque es positivo y cuando es mayor de 90°, el ángulo de ataque es negativo.

Si el ángulo de ataque deberá ser positivo o negativo, dependerá en gran medida del tipo de material de la pieza y de la máquina herramienta.

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Cuando el ángulo de ataque es positivo, o agudo, facilita a las fuerzas de corte entrar en el material, pero, desgasta el filo de ella. Cuando el ángulo de ataque es negativo, o embotado, el filo es más resistente, pero se necesitan mayores fuerzas de corte y más potencia de la máquina herramienta.

En la actualidad las herramientas de corte son placas o insertos de carburo cementados reemplazables o insertos desechables. Mediante las técnicas modernas de prensado y sinterizado, es posible obtener placas con un ángulo de ataque negativo pero, con una ranura que le da la característica del ángulo de ataque positivo, a la acción del corte. Lo anterior hace que el filo de corte sea considerablemente más resistente, permitiendo así escoger, con más libertad los datos de corte y la potencia de la máquina será aprovechada mejor, figura 1.5.

Para que la herramienta pueda cortar, debe tener un espacio o vacío angular entre ella y la pieza. Este ángulo se llama, "Angulo de Incidencia" y se denomina con la letra griega alfa (), siendo el espacio entre la pieza y la cara del flanco de la herramienta.

Cuando el espacio es insuficiente, impedirá la acción de corte libre por el frente de la herramienta, produciendo una fricción con la pieza, causando aumento de temperatura y por lo tanto disminuyendo la vida de la herramienta.

En la figura 1.6, a su lado izquierdo, muestra el ángulo de incidencia, cuando el ángulo de ataque es positivo y la del lado derecho cuando el ángulo de ataque es negativo.

1.4.- POTENCIA -CALOR.

Es un punto interesante para analizar, de lo que sucede con la Potencia consumida por la máquina herramienta o potencia del motor principal.

Aparte de las diferentes pérdidas por fricción en la máquina herramienta, la Energía es necesaria para:

a.- La separación y deformación del material (viruta) de la pieza durante el maquinado.b.- El trabajo necesario para superar la fricción entre la pieza en mecanizado y la herramienta.c.- Ídem anterior, pero entre la viruta y la herramienta.

La figura 1.7, muestra como la energía es transformada en calor en tres áreas principales; el material desviado, el flanco (pieza) y la cara de la herramienta.

La parte principal del calor es transferido fuera de la zona de corte por la viruta. Sin embargo, esto no significa que la temperatura de la viruta sea más alta que la de la herramienta. En efecto, la temperatura de la viruta es considerablemente menor que la de la herramienta.

Las líneas del dibujo, figura 1.8, muestran que las temperaturas en la herramienta son mayores, especialmente en la zona de contacto entre ella y la viruta. La temperatura en la viruta es algo menor como la temperatura de la pieza, en la cual el calor es dispersado en forma relativa a lo largo de la masa de la pieza.

Al estudiar las temperaturas en la herramienta, viruta y pieza en función de la velocidad de corte (vc) se ve lo siguiente, figura 1.9:

a.- La temperatura en la herramienta es claramente la mayor, como se indicó anteriormente y aumenta a medida que aumenta la velocidad de corte.

b.- Es interesante observar que la temperatura en la pieza baja a medida que aumenta la velocidad de corte.

Se puede concluir entonces que es fácil mantener una estrecha tolerancia cuando se utilizan altas velocidades, lo que se explicará más adelante.

Si se estudia la cantidad de calor (energía), en cada uno de los tres componentes metálicos analizados, la situación es muy diferente. El calor absorbido por la viruta es sobre el 80% y es retirado de la zona de corte por ella.

Muchos factores influyen en la cantidad de calor, por ejemplo, un aumento del espesor de la viruta, aumentará la cantidad de calor generado, debido al aumento de fricción entre la herramienta y la viruta.

Como se puede ver en la figura 1.10, después de los valores iniciales, no hay cambios radicales en la distribución de la energía en forma de calor, cuando ocurren cambios de la velocidad de corte (vc).

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1.5.- CRECIMIENTO DEL FILO.

Con altas temperaturas en la cara de la herramienta y en combinación con las altas presiones involucradas, cuando la viruta es deformada contra la herramienta, se origina un fenómeno llamado "Crecimiento del Filo".

El alcance de este fenómeno depende del material que está siendo maquinando, la forma de la herramienta y de los datos de corte utilizados. Lo que sucede en realidad, es que partículas de la parte inferior de la viruta se sueldan en la cara de la herramienta y de este manera crece un labio en el filo de corte, figura 1.11.

El crecimiento del filo afecta la terminación superficial de la pieza y en la formación negativa de la viruta.

La principal desventaja del crecimiento del filo, es la manera como afecta la calidad superficial y la relación con el desgaste de la herramienta. Si se consideran dichos factores en función de la temperatura del filo de corte, será' posible ver como afecta el fenómeno del crecimiento del filo.

Al comienzo, figura 1.12, se muestra como en un bajo rango de velocidad de corte, aumenta la rugosidad superficial y el desgaste de la herramienta. Si dentro de este rango se aumenta la velocidad de corte, el resultado es peor con un incremento de la temperatura.

Sin embargo, si se aumentan los datos de corte, figura 1.13, y por tanto la temperatura del filo de corte, mejora la calidad superficial y se disminuye el desgaste de la herramienta. Este hecho se debe, a que la unión soldada entre el crecimiento del filo y la herramienta será débil, al aumentar la temperatura. La primera curva corresponde a una herramienta de acero rápido (HSS) y la segunda a una herramienta de carburo cementado.

Si se aumenta aún más la temperatura del filo, la terminación superficial mejorará, pero, el desgaste de la herramienta aumentará, por lo tanto, cualquier aumento más allá de la tercera línea de intersección, figura 1.14, conduce nuevamente a un deterioro de los resultados del maquinado.

Los prerrequisitos para el crecimiento del filo son las fuerzas atómicas, donde juegan un amplio rol, las superficies metálicas limpias, las altas presiones y las temperaturas.

Diferentes combinaciones de materiales para construcción de piezas y herramientas, son más o

menos apropiadas para formar el crecimiento del filo. En el caso de los materiales para piezas son: los aceros de bajo carbono y aceros inoxidables. Para el caso de las herramientas, se incluyen los aceros rápidos (HSS), Stellita y ciertos grados de carburos cementados.

1.6.- RUGOSIDAD SUPERFICIAL.

Cuando se considera la terminación superficial, desde un punto de vista geométrico, se deben considerar dos tipos de desviaciones: "forma" de la desviación y la desviación "superficial”.

Estas dos, caracterizan la forma de la superficie y su posición en relación a una superficie teórica ideal, absolutamente pulida. En muchos casos de maquinado, la exigencia por ciertas terminaciones superficiales, es de extrema importancia. En un corte horizontal, figura 1.15, en la dirección al corte, la terminación superficial ideal está compuesta de un perfil básico, al cual se superponen las irregularidades. El perfil básico, está determinado por la geometría de la herramienta y de la velocidad. La superposición de las irregularidades son las longitudes (crestas y valles), que dependen de la formación de la viruta y de las condiciones de corte.

Existen texturas superficiales normalizadas, basadas en dos sistemas fundamentalmente diferentes de medición; el sistema "M" (sistema de la Línea Media) y el sistema "E" (sistema del Perfil de la Evolvente). La diferencia yace en la selección de la línea de referencia; en el sistema "M" es una línea central y en el sistema "E" es un perfil envolvente.

El sistema "M", descrito en la figura 1.16, definen los diferentes criterios de la terminación superficial en una muestra de un largo (L) tomado a lo largo de la línea central (C). El término medio de la desviación es calculada, no haciendo caso si ésta es la forma o característica de la superficie, usualmente este criterio está definido por Ra, que es le término medio de los valores absolutos de la desviación dentro de la línea central de un largo (L).

En los últimos años se ha desarrollado un nuevo sistema, que es el sistema "E". Este sistema es geométricamente más simple que el sistema "M". Las líneas son dibujadas a través de las crestas de un perfil real, perpendicular a la dirección del perfil. El radio (r) determina entonces el perfil de la evolvente (E). El criterio de la terminación superficial aquí, es la media de la distancia Rp, entre el perfil de la evolvente y el perfil real dentro de un largo (L). Figura 1.17.

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Se han hecho indicaciones para definir la forma y la desviación superficial de acuerdo al sistema de la evolvente. Una pequeña aguja se desplaza sobre la superficie real y un inscriptor define las ondulaciones de la forma de desviación.

La terminación superficial será tratada más adelante para el torneado, fresado y taladrado.

1.7.- DESGASTE DE LA HERRAMIENTA.

El desgaste de la herramienta, en gran parte, es común en el torneado y en el fresado. El "desgaste del flanco", como se muestra en la figura 1.18, ocurre en y bajo el filo de corte, en el flanco de la herramienta. Mientras el desgaste se desarrolla, las fuerzas de corte y las vibraciones aumentan como lo hace la temperatura en la zona de corte, aumentando el riesgo de deformación. El desgaste del flanco es causado por la frotación entre la pieza y la herramienta. Un rápido desgaste del flanco indica que la velocidad de corte es muy alta o el material de la herramienta que se está1 usando, es errado.

La "craterización", figura 1.19, ocurre en la cara de la herramienta donde la viruta la frota. Obviamente, la viruta rebota haciendo algunas impresiones en la cara de la herramienta, pero si esta depresión se extiende rápidamente se tendrá un efecto negativo en la formación de la viruta y conduce al quiebre del filo. La craterización rápida puede ser causada por una velocidad de corte muy alta, un avance demasiado bajo o por una selección errada del material de la herramienta.

El "astillado o mellado" del filo de corte, puede ocurrir cuando el material de la herramienta es demasiado frágil. Puede ocurrir también cuando el filo de corte está sujeto a variaciones extremas de temperatura. La grieta aparece y en la exacta dirección en que las partículas son arrancadas del filo de corte. Figura 1.20.

Aparte de que el material de la herramienta es muy frágil, también existen otras razones como: el filo de corte muy débil y las vibraciones.

La "deformación plástica" del filo de corte puede ocurrir si el filo está expuesto a altas temperaturas y a esfuerzos mecánicos producidos por la viruta o el material de la herramienta es muy dúctil. La deformación plástica se debe a que el material de la herramienta alcanza un punto donde se produce un escurrimiento, figura 1.21. El material de la herramienta no adquirió obviamente, la resistencia requerida contra la deformación por temperatura en el maquinado.

La "grieta térmica", son grietas perpendiculares a través del filo de corte y que pueden dar como resultado, al quiebre completo del filo. Como su nombre lo indica, estas grietas se deben a choques térmicos, figura 1.22. Estas grietas son el principal problema en las operaciones de fresado, donde inevitablemente ocurren variaciones extremas de temperatura. Este efecto se conoce en Metalurgia Física como, Difusión.

1.8.- CONCLUSIONES.

Se puede resumir entonces, que las razones del desgaste del filo se deben a:

a.- Al material de la herramienta de corte, que esta sometido a esfuerzos excesivos, a altas temperaturas, a altas presiones o a combinaciones de ambas.

b.- Desgaste mecánico.c.- Crecimiento del filo.d.- Procesos de difusión y fundición.e.- Oxidación del material de la herramienta.

Todos estos factores, figura 1.23, componen el desgaste total, pero diferentes condiciones harán uno o varios de ellos más predominantes. En las partes de la teoría de torneado y fresado, se verá más claramente como el tipo de maquinado ocasiona aumentos de los tipos de desgaste. En la parte teórica de las calidades o grados de carburo, se discutirá la adaptación en forma conveniente de estas a los modelos de desgaste.

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CAPITULO II(CHAPTER TWO)

TORNEADO(TURNING [2])

2.0.- OBJETIVO.

El objetivo de este capítulo, es discutir los principios básicos de la teoría de corte aplicada al TORNEADO.

2.1.- INTRODUCCIÓN.

En este capítulo se tratará la teoría de corte de metales aplicada al torneado, el cual es el mecanizado por corte, a una pieza en rotación por medio de diferentes juegos de herramientas.

Los puntos principales serán: Definiciones de las Herramientas, Rompe Virutas, Fuerzas de Corte, Potencia, Terminación Superficial y las teorías desarrolladas por Kienzle y Bill Mundy.

2.2.- DEFINICIONES.

La VELOCIDAD DE CORTE (vc) es la velocidad con la cual el diámetro exterior de la pieza pasa por el filo de corte. Para obtenerla, se debe multiplicar la circunferencia de la barra ( * D; D = en milímetros) por el número de rotaciones (n) con la cual está girando. Entonces la ecuación 2.1 es la expresión de la velocidad de corte:

vD n

c 1000

m

min

{ec. 2.1}

Donde:

El AVANCE (f) es la distancia que la herramienta se mueve, axial o radialmente, por cada revolución de la pieza y se expresa en [mm/rev]. Figura 2.2.

La PROFUNDIDAD DE CORTE (a), es la alimentación de la herramienta, radial o axialmente, por cada corte y se expresa en [ mm ]. Es una medición directa de la reducción de la pieza que sufre en el diámetro, o en su cara, figura 2.3.

El ÁREA DE LA VIRUTA nominal (A), ecuación 2.2, es simplemente el producto de la profundidad de corte y el avance. El área residual es abandonada. Entonces:

A f a mm2 {ec. 2.2.}

El ángulo de posición capa () es el ángulo de la penetración o ángulo de posición del filo de corte y tiene influencia en el espesor de la viruta.

El ESPESOR NOMINAL DE LA VIRUTA (h1) es un valor teórico, ecuación 2.3, expresado como:

h f1 sen mm {ec. 2.3}

El ESPESOR REAL DE LA VIRUTA (h2), figura 2.4, o espesor de la viruta deformada, es mayor que h1, debido a la deformación de la viruta, como resultado de las fuerzas de compresión ejercidas por la herramienta contra la pieza, que deforma el material por corte sobre la cara de ella, h2 está expresada en [mm].

La FUERZA TOTAL DE CORTE (F), figura 2.5, es la fuerza que actúa en la herramienta durante el maquinado y está dirigida hacia el exterior y descendente en relación a la herramienta. La dirección de la fuerza de corte depende de la geometría de la herramienta, del material de la pieza y de las condiciones de mecanizado. Está expresada en kiloponds o en Newtons. La fuerza de corte (F) puede descomponerse en tres componentes.

La figura 2.6., muestra las fuerzas según la Norma ISO 3002:

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a.- La fuerza tangencial (Fy) o fuerza de corte principal (Fc), es la componente en la dirección

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tangencial a la pieza, figura 2.5. Se expresa en [ kp ] o en [ N ].

b.- La fuerza axial (Fz) o fuerza de avance (Ff), que es la componente en la dirección axial y a lo largo de la pieza, se expresa en [ kp ] o en [ N ].

c.- La fuerza radial (Fx) o fuerza pasiva (Fp), que es la componente radial y se expresa en [ kp ] o en [ N ]. Su valor depende en gran parte del ángulo de posición ().

La relación aproximada entre las componentes en desbastado es: Fc : Ff : Fp = 4 : 2 : 1 para un ángulo de posición de 90ª. Las componentes axiales y radiales dependen de la dirección del avance y de la dimensión del ángulo de posición. Con la ayuda de la fuerza de corte principal (Fc), se puede calcular la potencia necesaria y los esfuerzos de las diferentes herramientas.

2.3.- LOS ÁNGULOS DE LAS HERRAMIENTAS.

Se definirán los ángulos, su importancia en el funcionamiento de la herramienta y sus características. Una discusión más profunda de los efectos de estos ángulos en el funcionamiento de la herramienta, será tratado en el punto siguiente. En la figura 2.7, se muestran los siguientes ángulos:

1.- = ángulo de ataque, (gamma).2.- = ángulo de incidencia (alfa).3.- = ángulo del filo (beta).4.- = ángulo de inclinación (lambda).5.- = ángulo de posición (kappa).6.- N = ángulo libre (ypsilon ene).7.- = ángulo de la punta (ypsilon).

2.4.- GEOMETRÍA DE LA HERRAMIENTA.

En este punto se tratará en forma más profunda los ángulos de las herramientas.

El ANGULO DE ATAQUE (), determina si el ángulo de ataque es positivo o negativo, como fue' descrito en el capítulo anterior. Un ángulo de ataque positivo significa que el ángulo del filo () es más pequeño de 90° y un ángulo del filo mayor de 90°, significa que el ángulo de ataque es negativo. La figura 2.8, muestra el ángulo de ataque positivo.

Un ángulo de ataque positivo significa menores fuerzas de corte en la herramienta, un moderado aumento de él y la reducción de la tendencia a la vibración. Un ángulo de ataque demasiado agudo, puede sin embargo, provocar vibraciones a la pieza a

través de la incrustación en el material. La figura 2.9, muestra un ángulo de ataque () negativo. Este ángulo negativo produce el efecto de aumentar todas las fuerzas de corte, en comparación con el ángulo positivo, la viruta es deformada en una gran extensión y esto implica un gran aumento del consumo de potencia. Cuando se usan ángulos de ataque negativos se requieren máquinas herramientas más estables y potentes, pero se tiene una importante ventaja, un ángulo de filo reforzado, el cual permite que materiales para herramientas frágiles pero, resistentes (resistentes al desgaste), sean usados especialmente cuando se mecanizan cortes intermitentes. Ciertos materiales como el fierro fundido, exigen un ángulo de ataque negativo.

Bajo condiciones muy severas de mecanizado es posible aplicar un ángulo de ataque primario, figura 2.10, para darle mayor resistencia al filo. Esto significa que la herramienta de corte tiene un ángulo de ataque de tamaño convencional pero, a lo largo del filo de corte, existe una zona amolada. Se usa con placas soldadas.

Para aumentar la vida del filo de corte, el filo puede ser, ocasionalmente, embotado suavemente por amolado. Pueden ser usados con gran cuidado, diamante, piedra de amolar de desbaste o una piedra de amolar al aceite de carburo de silicio. Los insertos de carburo cementado, están afilados a través de ciertos procesos de embotado, el cual tiene el mismo efecto que se describió anteriormente. Los insertos entonces, están listos para usarse cuando se distribuyen. El proceso tiene un marcado efecto en el incremento de la vida del filo.

El ANGULO DE INCIDENCIA () simplemente le da a la herramienta un espacio con relación a la pieza. Obviamente es siempre positivo. Un espacio insuficiente impedirá la acción libre de corte a la herramienta y produce un desgaste rápido del flanco.

La manera usual para determinar el reemplazo de la herramienta, es medir el desgaste del flanco (VB) y cuando ha alcanzado una cierta dimensión,por ej. 0.5 mm, entonces, se reemplaza la herramienta o inserto.

La figura 2.11, muestra cuando el material de la herramienta ha sido afilado con un gran espacio o uno pequeño (un ángulo de incidencia grande o pequeño). Es importante hacer notar que al aumentar el ángulo de incidencia, usando el mismo ángulo de ataque, se debilita el filo de corte. Grandes ángulos de incidencia son usualmente usados en diámetros muy grandes o cuando se tornea interior (mandrinado). El ángulo de ataque (), el ángulo de incidencia () y el ángulo del filo (), se afectan

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unos a otros y juntos suman 90°, como se ven en la figura 2.12.

Normalmente, cuando una pieza está siendo torneada, el corte tiene lugar relativamente en una línea de simetría radial, trazada desde el centro de la pieza a la punta, como se ve en la figura 2.12. Si la punta de la herramienta está en el centro, dicha línea es horizontal, operando los ángulos de ataque y de incidencia correctamente, dentro de los valores angulares como se ha planificado.

Hay dos o más alternativas de como la punta de la herramienta puede ser posicionada; bajo o sobre la línea de simetría. El ángulo del filo () es, por supuesto constante, pero en ambos casos, el ángulo de ataque y de incidencia varían.

Si la herramienta es colocada sobre el centro, figura 2.13, el ángulo de ataque aumenta y el de incidencia disminuye, por el ángulo que se forma entre la línea de simetría, centro, a la punta de la herramienta.

Similarmente, si la herramienta es colocada bajo la línea de simetría, centro, figura 2.14, el ángulo de ataque disminuye y el de incidencia aumenta, al formarse el mismo ángulo anterior.

Se debe mencionar que la herramienta no necesita estar horizontal para que puedan cortar en forma normal los ángulos de ataque e incidencia. Puede oscilar alrededor de cualquier posición a lo largo de la base de la herramienta pero, paralela a la línea de simetría.

El ANGULO DE INCLINACIÓN (), es al ángulo entre la inclinación del filo principal y el eje de la pieza.

Como ejemplo ilustrativo, figura 2.14, la pieza ha sido suministrada con una canal. El extremo del filo de corte, punta, es un punto crítico y por lo tanto es preferible, que el impacto de choque al iniciar el corte no tenga lugar ahí, especialmente cuando se realizan mecanizados intermitentes. Si el ángulo de inclinación es negativo (significa que la punta del filo de corte es la parte más baja de la herramienta), el golpe inicial de entrada a la pieza será directamente atrás del filo de corte y la punta de la placa entrará al final, protegida de los choques violentos.

El flujo de la viruta esta también afectada de la siguiente manera:a.- Un ángulo de inclinación negativo guía a la viruta

hacia la pieza, pero es inapropiado cuando se cilindra interior.

b.- Un ángulo positivo alejará la viruta de la pieza.

Finalmente, si el ángulo de inclinación es positivo la totalidad del golpe inicial lo recibirá la punta de la herramienta.

El ANGULO DE POSICIÓN (), figura 2.16, es el ángulo en el cual el filo de corte con la superficie de la pieza forman una línea en la dirección del avance. El ángulo de posición decide el tipo de herramienta a usar. Este ángulo tiene un efecto directo en el espesor de la viruta y en el tamaño y dirección de las fuerzas de corte.

La figura 2.16, muestra una herramienta de cilindrado y a la derecha una de refrentado.

En la figura 2.17, se puede ver el efecto que el ángulo de posición tiene en el espesor nominal de la viruta (h1 ecuación 2.3) y en su ancho (b), que se calcula mediante la siguiente ecuación 2.4:

ba

sen mm {ec. 2.4}

En la figura 2.17 en su lado izquierdo, se puede ver el espesor teórico con un ángulo de 30°, donde la viruta es extremadamente delgada. Aquí la presión radial es considerable, lo que presenta una importante desventaja, por motivo de que la mayoría de los tornos no son construidos para fuerzas excesivas en esa dirección. La ventaja de un ángulo pequeño, es que las fuerzas de corte están distribuidas sobre gran parte del filo de corte.

El ángulo de 90° causa principalmente presiones axiales. Aquí los valores de las fuerzas de corte son mínimos. El espesor de la viruta es igual al valor del avance, de este modo se da una gran viruta delgada. Este ángulo causa una fricción menor y pareciera ser que el ángulo de posición de 90° es el ideal.

El ángulo intermedio de 45° es el más apropiado. Las presiones radiales han sido eliminadas en cierto grado y el espesor de la viruta ha aumentado, tanto como las fuerzas en la dirección axial.

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Teoría de Corte

¿ Cuales son entonces las desventajas, cuando se usa un ángulo de posición de 90° ?

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Al estudiar las figuras 2.18, 2.19 y 2.20 se podrá comparar las ventajas y desventajas de un gran o pequeño ángulo de posición.

En la figura 2.18, se observa un ángulo de posición de 90° y uno de 45°, en operación. En ella se puede ver como las componentes de las fuerzas de corte varían cuando el ángulo es grande o pequeño.

Esta muy claro que el ángulo de 90° es el más apropiado para adelgazar piezas y no se detiene ante ninguna fuerza radial.

En la figura 2.19, en la etapa inicial de la operación de corte, con el filo a 90° se hace contacto a lo largo del filo de una sola vez, lo que es inapropiado para la punta del filo. Cuando es usado un ángulo de 45°, el corte empieza gradualmente y entonces la punta del filo se economiza.

En la figura 2.20 a la izquierda, se muestra otra desventaja del ángulo de posición de 90°, el corte termina abruptamente formándose un anillo y rebaba. Con un gran avance, se produce el quiebre del filo.

En la figura 2.20 a la derecha, con un ángulo de 45°, el corte abandona la pieza gradualmente.

¿ Entonces que ángulo se debe usar ?

Como se ha visto, depende del tipo de operación y del tipo de pieza a ser mecanizada. Un gran ángulo de posición tiene desventajas y uno pequeño tiene algunas o más bien de distinta naturaleza.

En la figura 2.21, se puede ver como las componentes de las fuerzas de corte varían con el tamaño del ángulo de posición. Un ángulo de 30° involucra fuerzas extremadamente grandes en el sentido tangencial y radial, que con 90° no se tiene. De esto y de lo que antes se ha dicho, parece ser que para una operación normal, un ángulo de posición entre los 60° y 75° es el más apropiado. Ángulos más pequeños o más grandes son sólo apropiados para operaciones que involucran materiales duros, cortes intermitentes o piezas delgadas.

El ángulo de posición tiene en definitiva una gran influencia en el consumo de potencia.

2.5.- EL ROMPE VIRUTAS.

Una alta relación en la producción por corte de metal, significa una gran cantidad de viruta. Las altas velocidades de corte usadas en las modernas operaciones de corte, hace exigible un correcto

rompe virutas. El rompe virutas es importante por varias razones: las virutas largas son molestas, pueden causar detención de la máquina, heridas al operador y daños en la superficie de la pieza. Cuando la herramienta enfrenta grandes exigencias de corte, la habilidad del rompe virutas es producir virutas en formas y largos apropiados, figura 2.22.

La figura 2.23, muestra tres tipos diferentes de rompe virutas. En la figura de la izquierda, la viruta es quebrada a través del esfuerzo de doblado, en la del centro la viruta es quebrada contra la pieza y en la de la derecha la viruta es quebrada en la herramienta.

La viruta que se forma, depende de la forma del rompe virutas, de la forma de la herramienta, del tipo de material de la herramienta y de los datos de corte. Por ejemplo, un material quebradizo produce virutas cortas y desgarradas, mientras las virutas de materiales duros llegan a ser largas y rectas.

Es importante que la habilidad del rompe virutas de la herramienta sea diseñado y colocado correctamente, porque el rompe virutas requiere potencia extra de la máquina.

El rompe virutas en una herramienta, figura 2.24, en el caso de los insertos, puede moverse, ajustarse, afilarse o obtenerse por sinterizado. Con estos, las exigencias de la forma de la viruta, tamaño y posición del rompe viruta, pueden ser los apropiados.

En la figura 2.25, se ven tres posiciones diferentes de rompe virutas. Cada una ha sido colocada en un cierto ángulo en relación al filo de corte y como la viruta sale del filo del rompe virutas en un ángulo recto a éste, se puede de esta manera dirigir la viruta en varias direcciones.

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Se tienen las formas siguientes:

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a.- PARALELA al filo de corte y es la más usual. En muchos casos este tipo es preferible, porque, aparte de muchas otras cosas, el efecto de la profundidad de corte en el rompe virutas queda en la mayoría de los casos, completamente eliminado.

b.- POSITIVO al filo, usada cuando se conduce a la viruta hacia afuera de la superficie maquinada. La gran desventaja es su sensibilidad a la variación de la profundidad de corte.

c.- NEGATIVO al filo, lo que ayuda al rompe virutas a quebrar material duro, porque la viruta ha sido guiada contra la pieza y quebrada contra él. La desventaja de este diseño es que el rompe virutas depende de la profundidad de corte. A una gran profundidad de corte se produce la tendencia de atascamiento de la viruta, lo que provoca el deterioro del filo.

De las formas reales de la viruta se puede distinguir aproximadamente entre ellas cuatros grupos diferentes:

1.- Virutas quebradas.2.- Virutas espirales.3.- Virutas torcidas (atornilladas).4.- Virutas rectas.

En la mayoría de los casos el mecanizado es satisfactorio con virutas cortas torcidas y espirales, pero en algunos casos, si el espacio de salida de la viruta es pequeño o si el fluido de corte es utilizado para retirar la viruta de la zona de corte, entonces es preferible las virutas quebradas.

En la figura 2.26, se muestra como la forma de la viruta está relacionada con el avance (f) y la profundidad de corte (a). La velocidad de corte tiene un efecto también, pero la desviación es pequeña o no afecta el rompe virutas. Por supuesto, también, el proceso del rompe virutas depende del material y del diámetro de la pieza.El área amarilla de la figura 2.27, se muestra el rango en el cual la viruta puede considerarse como normal.

El diagrama puede ser obtenido a través de ensayos de varias combinaciones de herramientas y materiales. Es entonces fácil, cuando al usar una herramienta, ver qué datos de corte se usa para obtener cierta forma de viruta o qué herramienta se selecciona para ciertos datos de corte.

Los insertos modernos de carburos cementados se pueden tener rompe virutas multi etapas y así tener un rango mucho más grande de virutas, permitiendo a una herramienta ser usada para diferentes avances

y profundidades, es decir, realizar el desbastado y afinado con una sola herramienta. En las dos figuras, figura 2.28, se muestran rompe virutas de; etapa múltiple (figura al lado izquierdo) y del tipo simple (lado derecho) y donde los rangos de avance (f) útil, son muy diferentes.

Sin embargo hay ventajas al usar el rompe virutas de etapa simple, es decir, los tipos de simple etapa son manufacturados en insertos que se usan por ambas caras, que tiene el doble número de filos de corte, similar al del tipo de simple etapa, cuando entra en operaciones y no hay variaciones en el rango de avances.

2.6.- FUERZA ESPECIFICA DE CORTE (ks) Y POTENCIA.

La figura 2.29, muestra la relación entre la componente tangencial (Fy) o fuerza de corte principal (Fc) de las fuerzas de corte y el espesor nominal de la viruta (h1). Como se puede ver, por un ángulo de inclinación constante () la relación es linear, pero no pasa por el punto de origen. Esto se debe a que una cierta cantidad de fuerza (Fc0) es requerida inicialmente para comprimir el material, antes que sea formada cualquiera viruta, indiferente del espesor de ella. Entonces al aumentar el espesor de la viruta, aumenta la componente tangencial.

En la figura 2.30, se muestra la relación entre la fuerza específica de corte y el espesor nominal de la viruta. La fuerza con la que actúa por mm2 en la sección rectangular de la viruta, se llama FUERZA ESPECIFICA DE CORTE (ks), dimensionalmente en kp/mm2 o N/mm2.

Conociéndose el tamaño de ella se puede calcular el volumen de material que puede ser mecanizado, en forma de viruta por unidad de potencia.

Con la ks, se puede expresar la cantidad necesaria de energía para mecanizar una cantidad de volumen:

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Teoría de Corte

kp kp mm

mm mm

N N mm

mm mm

2 3 2 3

Esta es la expresión del trabajo por unidad de volumen.

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Teoría de Corte

La curva indica un enorme crecimiento para pequeños valores de h1. La razón de ello se desprende de la ecuación 2.5;

kF

Asc

kp

mm

N

mm2 2

; {ec. 2.5}

y de los valores constantes anteriormente mencionado. Este valor es constante para todos los espesores, entonces cuando un valor de h1

disminuye, la expresión ks no tiene valor límite.

Usualmente ks se expresa como un factor constante del material, válido para ciertas condiciones y que puede ser encontrado en tablas de recomendación de datos de corte.

¿ Por que es necesario conocer el valor de ks ?. Se debe analizar como se calcula la potencia necesaria para una cierta operación de torneado. Si se necesita el valor de la fuerza de corte principal (Fc) y la velocidad de corte (vc), se puede calcular la Potencia Neta de acuerdo a la expresión siguiente 2.6, figura 2.32.

NF v

nc c75 60

hp {ec. 2.6}

vc es fácilmente obtenible, pero obtener el valor de Fc

involucra un laboratorio de mecanizado muy bien equipado.

De la definición de que ks es igual a Fc/A, se tiene:

F k A k a fc s s kp N; {ec. 2.7}

Ahora, los valores son fácilmente obtenibles, para la fuerza de corte específica, la profundidad de corte y el avance. Entonces la expresión 2.8, es para obtener la Potencia Neta:

Nk a f v

ns c

75 60 hp {ec. 2.8}

La Potencia Neta es la potencia necesaria para cortar con la herramienta. La máquina sin embargo, necesita más que eso, para compensar las pérdidas, por fricción, etc.

Toda máquina tiene cierto rendimiento (), figura 2.32, la cual se expresa con valores entre 0 y 1. La expresión para puede ser, = Nn/ Nb, y el valor de la Potencia Real (Nb) se expresa con la ecuación 2.9:

Nk A v

bs c 75 60

hp k a f vs c

75 60 1 36 ,

kW {ec.2.9}

Cuando la fuerza específica de corte se expresa en kp/mm2, la constante para el cálculo de la potencia es 6120. Cuando la fuerza específica de corte está expresada en N/mm2, la constante es 60.000.

El valor efectivo del rendimiento () varía con la velocidad de la máquina (n) de acuerdo con la curva, figura 2.33. Un valor posible promedio para un cálculo grosero del rendimiento es, = 0.7%, en tornos convencionales. Para tornos CNC, esto llega a un 0,93 y hasta un 0,97%.

2.7.- TIEMPO PRINCIPAL.

El tiempo principal representa, el tiempo en que la herramienta está cortando el material y se expresa en minutos. Se incluye normalmente un largo inicial (li) de alrededor de 10 mm con el objeto de evitar que la herramienta choque con el material cuando se inicia el avance (f). En caso de que la herramienta salga, al final del corte, se deberá incluir un espacio posterior (lp) de alrededor de 5 a 10 mm.

La relación normal, para el cálculo del tiempo principal es:

tL

f np

min {ec.2.10}

donde

L = l + li + lp [mm]

L = largo total del desplazamiento de la herramienta en mm.

2.8.- TERMINACIÓN O RUGOSIDAD SUPERFICIAL EN EL TORNEADO.

En la figura 2.34, se muestra un perfil básico de un perfil torneado. Con él se puede determinar el perfil teórico de la profundidad total Rt mediante la ecuación:

Rf

rt

2

81000 m {ec. 2.11]

donde:Rt = profundidad total en micras.f = avance en mm/rpm.r = radio de la nariz en mm.

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Teoría de Corte

Este Rt depende del avance (f) y del radio de la nariz (r).

Cuando se "afina", la selección del avance depende del grado de la terminación superficial requerida. Si se desea una fina terminación superficial, se deberá seleccionar un gran radio de la nariz y un pequeño avance. Sin embargo radios demasiado grandes pueden provocar vibraciones.

Las vibraciones pueden causar obviamente superficies rugosas, ya que aparte de las vibraciones de la máquina herramienta, la herramienta también puede vibrar. Dichas vibraciones puede provocar ondulaciones en la pieza mecanizada, como se muestra en la figura 2.36.

Factores como, gran voladizo, velocidad de corte y desgaste del flanco, influyen en la acción de las fuerzas de corte, en la herramienta y producen cambios en la cantidad de vibraciones.

La manera más acostumbrada para disminuir las vibraciones cuando se tornea, es reducir el voladizo y usar una velocidad de corte correcta.

2.9.- CONCLUSIONES.

Se concluye entonces que se tienen cuatro factores importante, en el corte de metales en el torno, figura 2.36:

A.- La tendencia del material de la pieza a gastar la herramienta.(Capítulo I).

B.- Una terminación superficial realizable.C.- La dificultad de mantener una forma apropiada de la viruta.D.- La necesidad de Fuerzas de Corte y Potencia.

Esto puede ser realizado, dado a que la herramienta de corte es la que gobierna la producción de la máquina herramienta corte.

2.10.- ECUACIONES RECOMENDADAS POR SANDVIK COROMANT.[3]

La firma SANDVIK ha desarrollado una serie de ecuaciones empíricas en base a su trabajo experimental.

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Teoría de Corte

2.10.1.- Espesor nominal de la viruta.

El espesor de la viruta nominal hm se obtiene:

h fArm

2

mm {ec. 2.12}

donde:f = avance en mm/min.A = área nominal en mm2.r = radio de la nariz de la herramienta en mm.2.10.2.- Fuerza específica de corte corregida.

La fuerza de corte recomendada por SANDVIK corresponde a un área de 0.4 mm2, y es corregida por la ecuación 2.13, siguiente:

k khsm sm

0 40 29

,,

kp

mm

N

mm2 2

; {ec. 2.13}

donde:

ks = fuerza específica de corte recomendada para un área de viruta de 0.4 mm2 en kp/mm2 o en N/mm2.

hm = espesor nominal en mm.

2.11.- FUERZA ESPECIFICA DE CORTE SEGÚN KIENZLE.[4]

Kienzle desarrolló una relación, que permite determinar experimentalmente y gráficamente, figura 2.7, la fuerza específica de corte ks.1.1., o sea para un área o sección de viruta de 1 mm2.

La relación es la siguiente, ecuación 2.14:

F

bk hcs

mc . . .1 1

1 {ec. 2.14}

donde:

Fc = fuerza de corte en kp o N..b = largo de la viruta en mm.ks.1.1. =fuerza específica de corte obtenida

experimentalmente en un gráfico log-log.h = espesor nominal de la viruta en mm.mc = constante obtenida gráficamente.

La figura 2.37, muestra un gráfico log-log, donde en la absisa se muestra Fc / b y en la ordenada h. Cuando el valor de h es 1 mm, se proyecta verticalmente hasta cortar la línea de los puntos medios, obteniéndose un punto, trazándose desde ahí

una recta horizontal hasta cortar la absisa, determinándose de esa manera el valor de ks.1.1..

La constante mc, se obtiene trazando un triangulo equilátero de cateto de valor 1, sobre la línea de los puntos medios, quedando una parte superior que toma el valor mc y la parte inferior el valor (1-mc).

Se puede obtener la fuerza específica de avance kf.1.1.

utilizando el mismo criterio anterior.2.12.- DETERMINACIÓN DEL ANGULO DE

ATAQUE EFECTIVO, SEGÚN BILL MUNDY.[5]

El investigador e ingeniero mecánico norteamericano Bill Mundy, desarrolló una teoría en la década de los sesenta, a través de ensayos de tracción de probetas normalizadas y comprobó que el cuello producto de la estricción, tenía las mismas dimensiones para cada material y que era independiente de la velocidad de tracción usada. Comprobó entonces que existía una relación dimensional entre el largo inicial (li) y el largo final (lf) de la probeta y con el ángulo de la zona de estricción y dijo entonces, que cada material en particular a través del ensayo tracción indicaba el ángulo de ataque efectivo () para ser mecanizado. Mundy desarrolló la ecuación 2.15, siguiente:

cos cos l

lBi

f

{2.15}

donde: = ángulo de ataque efectivoli = largo inicial en mm.Lf = largo final en mm. B = ángulo en la zona de estricción.

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Teoría de Corte

Fig. 2.37

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Teoría de Corte

Fig.2.38.- Tabla para obtener datos de corte según el material y calidad de la herramienta. [6]

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Fig.2.38.- Tabla para obtener datos de corte según el material y calidad de la herramienta

CAPITULO III(CHAPTER THREE)

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Teoría de Corte

ECONOMÍA DE CORTE(CUTTING ECONOMY [7])

3.0.- GENERALIDADES.

Un taller de una unidad económica, comprende diferentes características (humanas, máquinas, herramientas, producción, administración, etc.), cada una de ellas tiene directa influencia sobre los costos, figura 3.1.

Determinar los costos actualizados es complicado. A menudo sólo se conoce que los costos son altos y por ello es de primerísima importancia hacer uso al máximo de la maquinaria.

Invariablemente, el capital necesario, es invertido en máquinas carísimas las cuales, debido al rápido desarrollo en este campo, deben ser frecuentemente reemplazadas por otras más modernas.

3.1.- LOS COSTOS.

Los costos de las herramientas son por otro lado, más moderados, cuando se los compara con los costos de las máquinas. Al considerar el ahorro de las herramientas que trabajan en máquinas que funcionan a más baja velocidad, es un mal negocio. Invariablemente el resultado es, de número pequeño de componentes, con un alto valor unitario, figura 3.2.

El problema debe ser considerado desde muchos puntos de vista. Sin embargo, este curso, se concentrará en los factores básicos, es decir, el OPERADOR produce COMPONENTES, lo que significa que necesita de HERRAMIENTAS y de una MAQUINA.

El operador, como la compañía, están interesados en que la máquina pueda producir una gran cantidad de componentes al más bajo precio posible, figura 3.2. Muchas veces se desea obtener una gran cantidad de componentes de una máquina, con altas velocidades de corte y avances.

La producción puede ser aumentada con una aplicación TÉCNICAMENTE correcta de los datos de corte en las herramientas y en las máquinas herramientas modernas, figura 3.4.

Los costos pueden ser reducidos al aplicar en forma ECONÓMICA y correcta los datos de corte.

Para ambas consideraciones, TÉCNICA y ECONÓMICA, el ingeniero de producción debe ser capaz de dar los datos de corte correctos en la forma en que se definen claramente en las tablas. El puede usar por ejemplo, el manual Coromant "Selección del carburo correcto", algunas otras tablas o nomogramas y condiciones de trabajo recomendadas, dentro de su empresa, figura 3.5.

Cualquiera desviación de los datos de corte correctos (recomendados en dichas tablas), puede dar solamente como resultado un aumento en los costos.

3.2.- DIAGRAMA COSTO VERSUS VELOCIDAD DE CORTE.

El dato más fácil de cambiar es la velocidad de corte y ésta afecta normalmente el grado de operación de la máquina herramienta. Este diagrama muestra el efecto del cambio de velocidad de corte sobre los costos de mecanizado de un componente. La velocidad de corte está' trazada horizontalmente y los costos, verticalmente, figura 3.6.

En la parte inferior del diagrama esta una componente de costo fijos "F", independiente de la velocidad de corte. Este valor constante (costos fijos) por componente, cubre varias operaciones manuales, reemplazo de piezas en la máquina, etc.

El costo por mecanizado por componente "M", decrece al aumentar la velocidad de corte. La ventaja al usar herramientas modernas, es que permiten altas velocidades de corte, lo que llega a ser obvio en el diagrama, figura 3.7.

Por supuesto que con el aumento de la velocidad de corte dará como resultado un aumento del desgaste de la herramienta. Esto da como resultado un aumento en los costos de herramienta "T" por componente, figura 3.8.

Al sumar los tres costos básicos indicados, se obtiene el costo total de mecanizado por componente en función de la velocidad de corte.

La suma de las tres curvas, los costos F, M y T, se obtiene la curva superior, mostrada en la figura 3.9.

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Teoría de Corte

El punto más bajo de ella, representa la VELOCIDAD DE CORTE ECONÓMICA.

La figura 3.10, muestra el efecto de la velocidad de corte en el costo de mecanizado por componente. Escogiendo una velocidad de corte que da un tiempo de vida del filo de 60 minutos, da como resultado un costo muy alto por componente.

Al aumentar la velocidad de corte a un valor de vida del filo de sólo 15 minutos, equivale a una reducción de los costos por componente. Conformando también, aproximadamente, el punto más bajo de la curva F.M.T..

Si la velocidad de corte es aumentada aún más y la vida del filo llega a sólo a 5 minutos, el costo por componente empieza a aumentar otra vez, debido a que el desgaste del filo de la herramienta es más rápido, aumentando el costo de la misma. La velocidad de corte ECONÓMICA es la que da el menor costo por componente. En este caso, cae en la columna de T = 15 minutos.

Como una regla económica, la velocidad de corte debería ser el único factor considerado como correcto.

En la figura 3.11, se ha agregado la curva "Q", que indica el número de componentes mecanizados por hora. Normalmente la cima está situada para una velocidad de corte mayor que la económica. Si la relación de producción no es suficientemente alta, para una la velocidad de corte dada, la velocidad de corte puede ser aumentada. Sin embargo en dicho caso, están involucrados costos adicionales.

Sin embargo, para estos costos adicionales se logra un porcentaje mayor de producción en la cima de la curva "Q", figura 3.12.

Este costo extra puede justificar, como una alternativa, para la compra de otra máquina.

Si la vida del filo es reducida aún más, hay un correspondiente aumento en el porcentaje de desgaste del filo. Al mismo tiempo hay un incremento proporcional de tiempo necesario de cambio de filos gastados, componentes dañados, etc., y de aquí, una simultanea disminución de la producción. La curva "T" muestra como el costo de la herramienta aumenta en tales condiciones. Se puede decir que el costo de la herramienta aumenta con la velocidad de corte.

3.3.- COMPARACIÓN DE COSTOS POR FILO.

Apropiadamente, el costo de la herramienta está expresado en costos por filo. Estos comprenden diferentes factores de características individuales; costos de adquisición, costos de reafilado y costos de reemplazos o cambio.

Se considerarán cada uno de estos tres factores en forma más detallada.

3.3.1.- Costos de adquisición.

El precio de una herramienta soldada es mostrada al lado izquierdo de la figura 3.13. y es de 13,30 Kr.Sw. (coronas suecas). La experiencia dice que una herramienta con placa soldada puede ser afilada como término medio, 10 veces. Al agregarse el filo original cuando fue comprada, puede estimarse entonces, que la herramienta tiene un total de vida de 11 filos de corte. Al dividirse el precio inicial de la herramienta por el total de filos de corte (11 filos), se obtiene un valor por filo de 1.21 Kr.Sw..

Un tipo de porta herramientas que corresponde a uno de placas desechables, al lado derecho de la figura 3.13., cuesta 45.60 Kr.Sw.. En la práctica, dicha suma es despreciada después de 400 filos de corte. De este modo el costo por filo de corte por soporte es de 0,11 Kr.Sw.. A dicha cifra, sin embargo, se le debe agregar el valor del inserto, ver en la figura 3.13.

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Teoría de Corte

Un inserto cuadrado negativo, tiene teóricamente 8 filos de corte. Pero en la práctica ésta es reducida a 7, por quiebre u otras pérdidas. Ya que el precio del inserto es de 436 Kr.Sw., el costo por filo del inserto es de 0,62 Kr.Sw..

De este ejemplo, el costo de adquisición del porta herramientas por filo de corte, será de 0,73 Kr.Sw., aproximadamente un 40% menos que el que corresponde a uno de herramienta soldada

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Teoría de Corte

3.3.2.- Costo de reafilado.

Suponiendo que el costo por hora de taller es de 15 Kr.Sw. y el tiempo e reafilado de la herramienta soldada es de sólo 6 [min], el costo de reafilado será entonces de 1,50 Kr.Sw. (En la práctica el costo por reafilado es mayor en 2 a 3 veces). Figura 3.14.

El soporte para placas desechables no necesita reafilado, por esto, dicho costo no está incluido. Sin embargo debería incluirse en esta parte, los costos de servicio de herramientas fuera de la máquina (por ej. el reemplazo de los insertos en una fresa frontal).

3.3.3.- Reemplazo del filo de corte en la máquina herramienta.

Cuando se reemplazan los filos de corte en la máquina herramienta, los costos deben ser calculados durante el período en que ella está detenida. 25 Kr.Sw. por hora, es un valor bajo, sin embargo es más alto que los 15 Kr.Sw. mencionados antes.

El costo del reemplazo de la herramienta soldada depende del grado de precisión requerido. Para el propósito de este ejercicio, figura 3.15, se supone un reemplazo relativamente fácil, con un tiempo de montaje de solo 2 min. En comparación con el tiempo de 1 min., concedido para la rotación del inserto, puede parecer excesivamente largo, pero concede tiempo para toda eventual complicación, chequeo, etc.

En estos ejercicios el costo de reemplazo del filo de corte soldado, será el doble del costo del inserto desechable.

3.3.4.- Conclusión.

Las tres características diferentes del costo de la herramienta, costo de adquisición, costos de reafilado y costo de cambio, han sido resumidos para ambos tipos de filos de corte, figura 3.16.

En el costo de reafilado, la concesión debe ser hecha al agregar un filo de corte extra, que es suministrado con la herramienta. De este modo el costo de reafilado por filo de corte es solo 10/11 del costo verdadero de reafilado por filo de corte.

CT, es el costo de la herramienta por filo de corte y es normalmente mucho mayor para una herramienta soldada. En este ejercicio es de 3 veces mayor que a uno de porta placas desechables.

3.3.5.- Costo por máquina.

El costo por máquina puede ser calculado de acuerdo a muchos factores. Se debe incluir, sin embargo, los factores más comunes como; arriendo, administración, transporte, etc, figura 3.17. Los factores, que involucran los costos de las herramientas de corte no son incluidos, ya que son calculados separadamente.

Para poder relacionar las condiciones económicas con las condiciones de mecanizado, es necesario definir el desgaste de la herramienta. Como se mencionó antes, el desgaste de la herramienta es un factor que contribuye a los costos, tanto como las altas velocidades de corte.

3.4.- EL TIEMPO DE VIDA DEL FILO.

Un filo de corte es considerado altamente gastado, cuando no cumple satisfactoriamente durante un tiempo, con la requerida seguridad y precisión. Esto generalmente se hace evidente, cuando la tolerancia está excedida o cuando hay un riesgo de quiebre del filo, etc.

3.4.1.- El desgaste del filo.

Es necesario definir y medir el desgaste del filo. Generalmente es suficiente observar sólo dos tipos principales de desgaste: el desgaste del flanco "Vb" y el desgaste de cráter "KT", figura 3.18. Sólo la experiencia puede establecer cuanto desgaste puede generarse antes que el filo llegue a ser inservible y por lo tanto, ser desechado o reafilado. En general, el desgaste del flanco es el factor crítico, aunque cuando se mecaniza fundición gris el factor límite es el desgaste de cráter.

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Teoría de Corte

¿ Cuanto tiempo debe el filo de corte estar en acción antes de que el desgaste se configure y por lo tanto la medida KT y VB lleguen a ser muy grandes para ser aceptados ?.

En la figura 3.19, el diagrama muestra el término medio del desgaste del filo como función del tiempo de corte transcurrido durante un desbastado en el torno.

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Teoría de Corte

En dicho diagrama los ingenieros tienen la oportunidad de comparar diferentes configuraciones de desgaste, expresados en formas reales.

Por medio del desbastado en el torno los valores límites del desgaste del flanco caen entre 0,5 a 1 [mm]. Sin embargo la experiencia ha mostrado que el desgaste se aproxima al valor superior, generalmente después de un largo período de corte, y el rango de desgaste aumenta rápidamente y a menos que ocurra un contratiempo y produzca un daño al filo, a la herramienta, a la máquina o a la pieza. Un desgaste económico aceptable como límite superior es 0,8 [mm].

Usándose este valor como un criterio y manteniendo todas las otras variables (excepto la velocidad de corte) constante, puede ser establecida una relación específica entre la velocidad de corte y la vida del filo e corte.

En la figura 3.20, la relación desgaste /tiempo de corte ha sido ploteada para diferentes velocidades de corte entre 100 y 140 m/min. El desgaste del flanco límite de 0,8 mm. es alcanzado después de un período de tiempo de 3,8 a 11,8 min., dependiendo de la velocidad de corte. De este modo al aumentar la velocidad de corte de 100 a 140 m/min., el tiempo de uso del filo de corte se reduce a 1/3.

3.4.2.- La fórmula de Taylor y la curva "vT".

¿ Cual es la velocidad correcta desde un punto de vista económico ?. Para establecer esto, de estas relaciones, se deben tomar uno o dos pasos adicionales.

Cuando los cinco tiempos de corte transcurridos son ploteados con sus correspondientes velocidades de corte en un .gráfico log-log, se obtiene una curva, como la que se muestra en la figura 3.21.

Esta curva es prácticamente una línea recta y normalmente se le conoce como la "Curva de Taylor", pero también a menudo se le menciona como la curva "vT". Esta indica claramente la relación entre la velocidad de corte y el tiempo de vida del filo para una operación de mecanizado específica y un tipo de material.

La representación de la curva se caracteriza por su posición e inclinación, ambas están representadas en la fórmula de Taylor.

En la figura 3.22, se muestra la fórmula de Taylor, en ella alfa () indica la inclinación o pendiente de la curva y donde "C" es la posición. El valor de alfa es

constante, la cual es necesaria para resolver la ecuación indicada y se puede obtener gráficamente.

Los principales elementos de la curva "vT" se muestran en la figura 3.23.

Para obtener alfa, la línea "y" debe ser trazada perpendicularmente al eje de las velocidades y debe tener una unidad dimensional que pueda ser utilizada como un divisor simple, por ej. 50 [mm]. La línea "x" es trazada en la parte inferior de "y", paralela al eje de las velocidades y medida en la misma escala y unidades de la línea "y". En este ejemplo particular la línea "x" es de 14,5 [mm] y alfa llega a ser 14,5/50 o 0.29. Alfa es el valor de la tangente; tg = x/y.

Este es un valor, el cual es normal para mecanizar un acero suave, de bajo porcentaje de carbono, con herramientas de carburo cementado.

De este modo se conocen todos los factores esenciales para operar una expresión matemática, para obtener el tiempo de vida del filo económico, Te.

En la figura 3.24, se indica la ecuación para obtener el tiempo de vida económico del filo, donde:

CT = es el costo de herramienta por filo.CM = es el costo por máquina herramienta por

minuto, = es la pendiente de la curva vT yTe = es el tiempo de vida económico del filo.

Para resolver este ejemplo, los tres primeros factores han sido establecidos como; 1,5 Kr.Sw., 0,33 Kr.Sw. y 0,20 respectivamente.

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Teoría de Corte

Usando este factor en la curva vT correspondiente, puede ser encontrada la relación con la velocidad de corte. En este ejemplo es una velocidad de corte de 120 [m/min], con un desgaste del filo de 0,8 mm después de 11,8 [min] (referida a las cinco curvas de velocidad).

El desgaste del filo es realmente el tiempo efectivo en que el filo de corte ha sido utilizado para cortar el metal. Tomando en consideración los tiempos manuales y otros tiempos no productivos (tiempos

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Teoría de Corte

suplementarios), este valor de 11,8 [min] corresponden a un trabajo efectivo de 30-40 [min].

Al resolver la ecuación, da un tiempo Te de 11 [min], figura 3.25.

3.4.3.- Aplicación de las curvas "vT".

A partir del rango de desgaste del filo de corte y su influencia en la inclinación y posición en la curva

"vT", este (el desgaste) por lo tanto, entrega una definición directa de el mecanizado del material a trabajar. Como tal, puede ser usado por los fabricantes de aceros como una característica a ser agregada a sus especificaciones.

En la figura 3.26, se muestran las curvas "vT" para el acero SANDVIK 4LM, una aleación de acero al manganeso que tiene una buen mecanizado y soldabilidad el cual es usado en tubos de máquina. El gráfico de la izquierda es para afinado y el de la derecha, para desbastado.

Cuando el mecanizado es de afinado, el desgaste de cráter es tan pequeño que no se puede tomar como un criterio de desgaste.

Las curvas "vT" para desbastado, han sido establecidas para dos criterios de desgaste del flanco de 0,6 y 0,33 [mm]. y dos criterios para desgaste de cráter de 100 y 200 [mm}.

En la figura 3.27, las curvas son para un acero SANDVIK 10RE21, acero inoxidable al molibdeno ferrítico - austenítico, de alta resistencia mecánica. Como la figura anterior, las tres curvas de la izquierda son para afinado y las de la derecha para desbastado.

Estableciendo el respectivo desgaste del flanco con un criterio de VB de 0,6 mm. y de KT de 100 [mm] respectivamente, las curvas "vT" para desbastado indican que el desgaste del flanco llega ser el factor límite para un tiempo de vida del filo de 20 [min]. El desgaste de cráter llega a ser el factor límite más corto de vida del filo.

Tales curvas detalladas pueden ser establecidas solamente para materiales definidos específicamente para un mismo fabricante. Materiales con los mismos análisis químicos y otros, de diferentes fabricantes, producen curvas "vT" diferentes.

Las curvas "vT" para los materiales SANDVIK son establecidos de acuerdo con especificaciones de ensayos de mecanizado normalizados los cuales están siendo preparados por ISO. Los datos de corte

usados para los demás están basados en valores promedio de materiales comerciales de similares características, por ej. esfuerzo de tracción, dureza, etc..

La figura 3.24, de la vida económica del filo de 11 [min] fue establecida para una velocidad de corte de 120 [m/min] y un avance de 0.4 [mm/rev].

Las cuatro curvas "vT" mostradas, figura 3.28, han sido establecidas con cuatro rangos diferentes de velocidades. Ellas también muestran un tiempo económico de vida del filo de 11 [min], obtenido con diferentes avances y velocidades.

¿ Cual de las cuatro velocidades es la más aconsejable ? Esta es una aplicación de desbastado en el torno y ello implica remover la mayor cantidad de viruta de material por minuto.

Si la cantidad de viruta removida, denominada capacidad (V), es calculada por primera vez para las cuatro combinaciones de velocidad y avance y luego trazadas en función del avance, se obtiene una curva, figura 3.29.

En esta curva se puede ver que la mayor capacidad es conseguida con la combinación de 0,8 [mm/rev] y con una velocidad de corte de 85 [m/min].

Se puede notar que para altas velocidades, el avance se reduce considerablemente para mantenerse dentro del tiempo de vida económico del filo. Como resultado de ello la capacidad es menor.

Con valores demasiado bajos de avance, se exige una anormal alta velocidad de corte, lo cual a la vez induce a elevadas temperaturas en el filo de corte con el consiguiente riesgo de la plasticidad.

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Teoría de Corte

Con avances muy elevados da como resultado altas fuerzas de corte las cuales pueden fácilmente conducir al quiebre del filo de corte.

Las tablas de datos de corte recomendados de SANDVIK, han sido desarrolladas en base a un tiempo de vida del filo de 15 [min], figura 3.30. Estas cantidades son un poco altas pero, desafortunadamente en muchos talleres, aún no se han preparado para operar sus máquinas con altas velocidades de corte, que son requeridas para alcanzar dicho tiempo de vida.

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Teoría de Corte

En estas tablas, cada grado o calidad Coromant incluye el avance recomendado para obtener la mayor capacidad con un desbastado medio como mecanizado.

3.5.- COMPARACIÓN DE COSTOS EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DE VIDA ECONÓMICA DEL FILO.

Un sólo factor que ejerce la mayor influencia en los datos de corte, es la situación económica de la herramienta y de la máquina. Costos bajos permiten acortar la vida económica del filo. Un porta herramientas por filo de corte barato, puede ser

rentable de operar en tales condiciones, que uno de placas soldadas que puede operar a sólo 1/3.

Bajos datos de corte llegan a ser válidos para porta herramientas de placas soldadas por razones puramente económicas. Se suma al peligro de carácter técnico inherente a los esfuerzos producto de la soldadura, etc., encontrados en la soldadura lo que significa que los datos de corte recomendados para los porta herramientas de placas desechables, no se pueden aplicar a los de placa soldada.

La relación entre los factores económicos y técnicos entre un porta herramientas de placas y uno soldado, revelan algunas situaciones interesantes.

En la figura 3.31, las dos columnas del lado izquierdo representan el análisis de costo de una herramienta soldada. Las otras tres columnas representan un porta herramientas para placas desechables.

El lado izquierdo de cada columna doble entrega el costo total de mecanizado con "T", siendo "M" el costo por máquina. El lado derecho (columna "Q") indica el porcentaje de producción.Con la herramienta soldada de grado S2 a la izquierda de la doble columna, el tiempo de desgaste económico del filo es de 45 [min] y fue establecido a una velocidad de 200 [m/min]. Como resultado a ello el costo "T" es más del 25% del costo total por máquina. Observándose una producción relativa.

Manteniéndose todas las variables iguales a excepción de un porta herramientas para insertos desechables, con un inserto S2, se nota como el costo por herramienta se ha reducido a 1/3 de los costos iniciales. Manteniendo todas las condiciones iguales, naturalmente el porcentaje de producción es el mismo.

Como se mencionó antes, la disminución del costo por filo permite una mayor velocidad de corte y provoca una disminución de la vida del filo de corte, menor que los 45 min.. La columna tres muestra el resultado. El costo por herramienta ha aumentado un poco, por que ha aumentado la velocidad, pero el porcentaje de producción "Q" ha aumentado también. Simultáneamente los costos por máquina han disminuido.

Finalmente entonces, como no hay esfuerzos producto de la soldadura en la placa y pérdida de dureza, el grado S2 es más resistente al desgaste, que el soldado usado. Usando un S1P con el mismo tiempo de vida del filo, la velocidad de corte es aumentada a 290 [m/min]. Ello se refleja en la columna cuatro y da un alto porcentaje de producción y un bajo costo por mecanizado por componente.

3.6.- EL PASO DE LA TEORÍA A LA REALIDAD.

Basta de teoría. Habiéndose establecido los datos de corte teóricos, conviene establecer los prácticos, para que estas recomendaciones sean las adecuadas. Figura 3.32.

El problema puede ser dividido en cuatro partes: desgaste de la herramienta, fuerzas de corte, terminación superficial y formación de la viruta. Figura 3.33.

a.- DESGASTE DEL FILO.- Al comienzo, se ha establecido como base para la estimación de los datos de corte, el tiempo de desgaste económico del filo. Un prerrequisito, es que se use el carburo más resistente al desgaste para la actividad a realizar.

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Teoría de Corte

b.- FUERZAS DE CORTE.- Influyen en la potencia requerida. Hay que asegurarse que la potencia del motor es suficiente. Los manuales de los fabricantes de herramientas contienen nomogramas para determinar la potencia requerida.

c.- TERMINACIÓN SUPERFICIAL.- Es la parte más importante, controlada por el avance y el radio de la nariz de la herramienta. Se discutirá la influencia del avance más adelante.

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Teoría de Corte

d.- FORMACIÓN DE LA VIRUTA.- No necesariamente es un factor límite cuando se selecciona económica y tecnológicamente los datos de corte correctos.

La influencia del avance en la terminación superficial puede ser resuelta con la ayuda de un diagrama, figura 3.34.

Usando el grado o calidad S1P con el avance de 0,7 [mm/rev] y un radio de nariz de 1,2 [mm], la terminación superficial obtenida de Ra = 20 [mm] y no es un factor límite.

Al contrario, si la terminación superficial es de 8 mm especificada como máximo, no es posible de obtener con un avance de 0,7 mm/rev y con un radio de nariz de 1,2 [mm]. A menos que se reduzca el avance a 0,5 [mm/rev]. Un gran esfuerzo para racionalizar los datos de corte, pueden rápidamente perder su efectividad, si el importante análisis del trabajo es perdido. Un método muy simple es hacer ensayos prácticos del tiempo de vida del filo en un pieza de muestra.

De obtener resultados muy alejados de lo que es económicamente deseable, deben ser lógicamente manipulados varios datos de corte, para establecer la mejor utilización del equipo, figura 3.35.

En la figura 3.36., se ve un resultado práctico de la mejor utilización de un equipo, con una vida del filo de solo 15 [min].

Datos de cortes efectivos y económicos, aseguran una mejor utilización de máquinas herramientas, tanto antiguas como nuevas, sin inversiones innecesarias y largas planificaciones.

El desarrollo en el campo de las herramientas es seguido simultáneamente con el nuevo desarrollo en maquinaria y equipos.El propósito es alcanzar rápidamente una alta tasa de producción con el personal y equipos disponibles corrientemente, figura 3.37.

Nuevas máquinas y herramientas pueden reducir los costos y aumentar la producción a la larga. PERO los datos de corte efectivos y económicos se necesitan AHORA.

Se debe comparar los resultados obtenidos con los datos de corte básicos. Si es necesario, se debe afinar ajustando los valores a aplicar.

Para ayudar, SANDVIK abastece de hojas impresas "Hojas de Estudio para Mecanizado", figura 3.38.

Con estos formularios, se puede analizar si los datos y costos son totalmente efectivos.

Los datos de corte pueden ser analizados más adelante en plena producción por estudios de Método y adaptarlos a las condiciones locales.

La tecnología de mecanizado "Coromant" está al servicio de las empresas con la información y con los ensayos necesarios de mecanizado.

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