estudio del comportamiento de brocas helicoidales …
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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE BROCAS HELICOIDALES POR MEDIO DE TÉCNICAS ADIMENSIONALES
LORENA MARIA GONZALEZ PARDO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
CURSO DE PREGRADO
BOGOTÁ 2006
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE BROCAS HELICOIDALES POR MEDIO DE TÉCNICAS ADIMENSIONALES
LORENA MARIA GONZALEZ PARDO
Proyecto de Grado presentado a la Universidad de los Andes como requisito
parcial de grado del programa de pregrado de Ingeniería Mecánica
Asesor
FABIO ARTURO ROJAS MORA
Dr. Ing. Mec.
Profesor- Investigador
Departamento de Ingeniería Mecánica
Universidad de los Andes
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
CURSO DE PREGRADO
BOGOTÁ 2006
AGRADECIMIENTOS
Por su aporte a la realización del proyecto de grado, expreso mis agradecimientos
a:
A Dios y a mi familia, por su valioso apoyo y por permitirme realizar el presente
proyecto.
Al profesor Fabio Arturo Rojas Moreno, por brindarme su guía, conocimiento y
apoyo a lo largo del trabajo.
A todos los operarios de máquinas de herramientas y técnicos mecánicos que
cooperaron en el proyecto de grado, por medio de su disposición y contribución.
SIMBOLOGÍA
Sy ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
2minmxkg
Resistencia a la fluencia
Du ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
2mkg
Dureza
ρ ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
3mkg Densidad
φ (radianes) Ángulo de hélice
ψ (radianes) Ángulo de filo transversal
ε (radianes) Ángulo de punta
d [ ]m Diámetro de la herramienta
d0 [ ]m Diámetro de cincel
l0 [ ]m Anchura de las guías
t [ ]min Tiempo de trabajo
Dg [ ]m Desgaste de las guías
L [ ]m Longitud del agujero
N ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
minradianes Velocidad angular
a ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡radianes
min Avance
Vc ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡minm
Velocidad de corte
LISTA DE FIGURAS
pág
Figura 3.1. Broca helicoidal, Vistas longitudinal y vertical. (Michletti, 1980). 6
Figura 3.2. Fuerzas aplicadas a la broca helicoidal. (Micheletti, 1980) 8
Figura 3.3. Diferentes tipos de Brocas: (a) Broca de acero rápido de 1/4 in, (b)
Broca de acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio de 1/8 in, (c) Broca de
tungsteno de1/4 in, (d) Broca para concreto de 1/4 in. 12
Figura 5.1. Algunos tipos de brocas: (a) Broca extensible para madera. (b) Broca
de avellanar. Figuras obtenidas de la página Web:
(http://www.envapack.com/envases_empaques22.html) 18
Figura 5.2. Movimiento de la broca helicoidal. (Groover, 1997). 23
Figura 5.3. Desgaste de las guías de la broca helicoidal: (a) Vista Frontal de la
Broca Helicoidal, (b) Punto de medición de Dg. 24
Figura 5.4. Gráfica de Mecanizado. 27
Figura 5.5. Desgaste en las guías. 32
Figura 6.1. Gráfica de Mecanizado para brocas helicoidales de acero rápido. 38
Figura 6.2. Gráfica de Mecanizado Logarítmica para brocas helicoidales de acero
rápido. 39
Figura 6.3. Gráfica de Mecanizado para Brocas helicoidales de acero rápido con
recubrimiento de óxido de titanio. 42
Figura. 6.4. Gráfica de Mecanizado Logarítmica para brocas de acero rápido con
recubrimiento de óxido de Titanio. 43
Figura 6.5. Gráfica de Mecanizado para brocas helicoidales de tungsteno. 46
Figura 6.6. Gráfica de Mecanizado Logarítmica para brocas helicoidales de
tungsteno. 46
Figura 6.7. Gráfica General de Mecanizado. 47
Figura 6.8. Gráfica General Logarítmica de Mecanizado. 48
Figura 7.1. Triángulo de la broca helicoidal de Acero rápido con recubrimiento de
óxido de titanio. 50
Figura 7.2. Gráfica de la broca helicoidal de Acero rápido con recubrimiento de
óxido de titanio. 51
Figura 7.3. Regiones de la broca helicoidal de acero rápido con recubrimiento de
titanio. 51
Figura 7.4. Gráfica de Mecanizado Logarítmica para Brocas de Acero Rápido. 56
Figura 8.1. Gráfica de los puntos óptimos, en escala logarítmica. 60
LISTA DE TABLAS
pág
Tabla 5.1. Ayuda de laboratorio. 33
Tabla 6.1. Datos para brocas helicoidales de acero rápido. 35
Tabla 6.2. Resultados para brocas helicoidales de acero rápido. 36
Tabla 6.3. Datos para brocas helicoidales de acero rápido con recubrimiento de
óxido de titanio. 39
Tabla 6.4. Resultados para brocas helicoidales de acero rápido con recubrimiento
de óxido de titanio. 41
Tabla 6.5. Datos para brocas helicoidales de tungsteno. 43
Tabla 6.6. Resultados para brocas helicoidales de Tungsteno. 44
Tabla 7.1. Área y centro de puntos para brocas de acero rápido. 51
Tabla 7.2. Área y centro de área ara broca de acero rápido con recubrimiento de
óxido de titanio. 52
Tabla 7.3. Área y centro de área para brocas de tungsteno. 53
Tabla 7.4. Promedios y desviaciones estándares. 53
Tabla 7.5. Comparación de herramientas entre acero rápido convencional y con
recubrimiento. 54
Tabla 7.6. Comparación de herramientas entre acero rápido y carburo. 55
Tabla 7.7. Comparación de herramientas entre acero rápido con recubrimiento y
de tungsteno. 55
CONTENIDO
SIMBOLOGÍA
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABLAS
pág
1. INTRODUCCIÓN 1
2. OBJETIVOS 3
3. GENERALIDADES DE LAS BROCAS HELICOIDALES 4
3.1. Descripción geométrica de la herramienta 4
3.2 . Operación de la herramienta 6
3.3. Condiciones de trabajo 8
3.4. Tipos de materiales para herramientas 9
3.5. Afilado de la herramienta 12
4. DESGASTE DE LA HERRAMIENTA 15
5. METODOLOGÍA DEL TRABAJO 17
5.1. Números Adimensionales 19
5.2. Procedimiento experimental 28
6. PRESENTACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS 34
6.1. Brocas de acero rápido 35
6.2. Brocas de Acero rápido con recubrimiento de óxido de Titanio 39
6.3. Brocas de Tungsteno 43
6.4. Comparación de los resultados 47
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS 49
8. CONCLUSIONES 58
9. SUGERENCIAS PARA FUTUROS TRABAJOS 61
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 62
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1. INTRODUCCIÓN
Para cualquier proceso industrial se busca la forma de optimizar, con el fin de
utilizar los recursos de la mejor manera, y así perfeccionar la calidad del producto
y disminuir los costos, lo cual se podría obtener una mayor rentabilidad. Por tanto,
se debe tener un conocimiento profundo del tema desarrollado en el
procedimiento, para seleccionar las mejores condiciones del sistema.
En el mecanizado influyen diversas variables que afectan los costos y el producto
desarrollado. Para este tipo de proceso, el modo de manipular de la herramienta
es un factor muy importante para tener en cuenta en la optimización. Un mal
empleo de la misma, puede aumentar el tiempo de trabajo y la energía empleada
para realizar el corte en el material de trabajo.
Los materiales desarrollados han incrementado las condiciones de esfuerzo,
temperatura y corrosión, por lo que las necesidades de utilización industrial
producen más dificultades en las condiciones de corte. Entonces, se deben
desarrollar nuevas estrategias, para disminuir los costos y aumentar la producción.
El desempeño del proceso se ve influenciado por la selección de herramienta y
las condiciones de corte. Por tanto, se debe realizar un análisis profundo para
elegir el escenario más conveniente.
Con esta motivación, la investigación pretende formular un modelo sencillo y
práctico para optimizar el proceso de taladrado, teniendo en cuenta las variables
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más relevantes que perjudican dicho proceso, lo cual facilita la selección de
herramienta y las condiciones de corte del proceso.
El trabajo, aplica y amplia un modelo1 propuesto anteriormente, para el proceso de
cilindrado. Se desarrolla la técnica de estudio de una manera global, con el fin de
analizar el comportamiento de la herramienta, y poder obtener conclusiones
coherentes de los resultados conseguidos en los experimentos realizados.
1 PEREZ GONZALEZ, Carolina. Implementación y Estudio del Desempeño de Pastil las Intercambiables de Acero Rápido Sinterizado en la Industria Metalmecánica Nacional. Proyecto de Grado. Bogotá: Universidad de los Andes, 2004.
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2. OBJETIVOS
El proyecto busca proponer un modelo para el proceso de taladrado, que permita
informar el mejor uso de brocas helicoidales, utilizando técnicas adimensionales.
El modelo pretende ser sencillo y útil, para la selección de herramienta y
condiciones de corte del proceso de taladrado, de acuerdo a las limitaciones del
ambiente.
Con el fin de desarrollar el modelo propuesto, se definen los siguientes objetivos:
1. Definir los parámetros más relevantes que se van a tener en cuenta en los
números adimensionales. Con el fin de diseñar los números adimensionales
para que sea aplicable y coherente al proceso de taladrado.
2. Obtener resultados estadísticamente confiables con diferentes pruebas. Las
brocas helicoidales fueron sometidas a trabajo con diversos materiales,
para lograr información sobre el comportamiento de la vida de la
herramienta y energía utilizada en el procedimiento. Con el fin de analizar
los resultados en el modelo propuesto en el proyecto.
3. Al obtener los resultados de los ensayos, se procura realizar un análisis con
las gráficas de los números adimensionales, con el fin de encontrar el punto
óptimo del proceso según el modelo propuesto, y hallar diferencias de
algunos tipos brocas helicoidales.
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3. GENERALIDADES DE LAS BROCAS HELICOIDALES
La broca helicoidal es la herramienta más usada, en la industria, para producir
agujeros. El taladrado es un proceso sencillo y fácil, pero al mismo tiempo es una
operación violenta. Por tanto, es importante que la herramienta tenga una larga
vida y una alta penetración. La broca helicoidal más común es la que posee dos
filos, hay otros tipos con uno, tres y hasta cuatro filos.
3.1. Descripción geométrica de la herramienta
Las brocas helicoidales son herramientas con geometría compleja, y las
analizadas en el proyecto, son las que poseen dos filos de corte, diseñadas para
obtener virutas similares en ambos filos. Micheletti2 presenta la broca helicoidal
con un cuerpo cortante y un mango de sujeción. El cuerpo cortante es la parte
más activa, lo comprende las acanaladuras helicoidales, los filos cortantes en los
extremos y una punta cónica. El mango de sujeción es de forma cónica y sirve
para la agarrar la herramienta en el husillo del taladro.
Stemmer3 indica que el núcleo de la broca helicoidal es resistente, y se encuentra
ubicado entre las acanaladuras, su tamaño crece 10% desde la punta hasta el
mango. Las guías son la parte sólida de la broca, lateralmente son inclinadas, que
2 MICHELETTI, Federico. Mecanizado por Arranque de Viruta. Barcelona: Editorial Blume, 1980; p. 134. 3 STEMMER, Caspar. Ferramentas de Corte II: Brocas, Alargadores, Ferramentas de roscar, Fresas, Brochas, Rebolos, Abrasivos. 2ed. Brasil: Editorial da UFSC, 1995.
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tiene la función de pulido en las paredes de agujero. La superficie esta rebajada
para impedir fricción y calentamiento nocivo.
Micheletti4 muestra diversos ángulos que describen la broca helicoidal, como el
ángulo de inclinación de las acanaladuras se llama ángulo de hélice (φ), y está
comprendido entre la tangente de la hélice y la generatriz vertical de la broca. El
ángulo formado entre los dos filos se llama ángulo de punta (ε), y la arista
comprendida entre los dos filos se denomina filo transversal. Este último se
encarga de penetrar en el material con velocidad de corte (vc) casi nula,
suscitando deslizamiento del material de trabajo del centro al exterior, para que
sea arrancado por los filos de corte. Lo cual, implica que este corte se da en
pésimas condiciones de taladrado y participa poco en el momento de torsión. El
filo transversal depende del núcleo de la broca, y visto de frente forma un ángulo
nombrado como ángulo de filo transversal (ψ), el cual depende del ángulo de
incidencia (α). El filo transversal aumenta de tamaño con el afilado, por eso se
recomienda adelgazarlo.
Stemmer5 dice que los ángulos de salida (γ) y de incidencia (α) son difíciles de
medir, y se observan en el plano lateral de la broca helicoidal. El ángulo de salida
(γ) varía a lo largo del filo de corte, el cual tiene un valor de 0° en la hélice y crece
hasta el núcleo. Esta situación da condiciones diferentes de corte a lo largo del
filo. El ángulo de incidencia (α) depende del avance, del ángulo de hélice (φ) de
cada punto.
4 MICHELETTI, Federico. Mecanizado por Arranque de Viruta. Barcelona: Editorial Blume, 1980; p. 134. 5 STEMMER, Caspar. Ferramentas de Corte II: Brocas, Alargadores, Ferramentas de roscar, Fresas, Brochas, Rebolos, Abrasivos. 2ed. Brasil: Editorial da UFSC, 1995.
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La siguiente figura muestra la geometría de la herramienta:
Figura 3.1. Broca helicoidal, Vistas longitudinal y vertical. Figura tomada del libro Mecanizado por
Arranque de Viruta, por Federico Michletti. Barcelona: Editorial Blume, 1980; página 135.
Donde d es el diámetro de la broca, d0 es la longitud del filo transversal, c es la
cuerda dorsal, l0 es la anchura de las franjas de las guías, ε es el ángulo de punta,
φ es el ángulo de hélice, ψ es el ángulo de filo transversal y λ es el ángulo de
incidencia de la franja de guía.
3.2. Operación de la herramienta
La rotación forma inicialmente un pequeño agujero, y el camino del cilindro es
desarrollado por el mandril. La viruta es formada por la rotación de los filos, y es
transportada fuera de la agujero por las acanaladuras helicoidales.
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Shaw6 comenta que la velocidad de corte (vc) esta referida al diámetro de la broca
de la siguiente manera:
1000
dNVc
π= (1)
Donde d es el diámetro exterior de la broca y N es la velocidad angular de la
herramienta.
Además, Stemmer7 explica que el movimiento de corte y avance son simultáneos,
por tanto la broca ejerce movimientos de rotación y traslación al mismo tiempo. Lo
cual implica, que el avance tenga unidades de distancia por rotación, es decir,
mm/rev. El avance posiblemente depende del material y el diámetro de la broca.
Según Micheletti8, la broca helicoidal aplica las siguientes acciones de fuerzas
durante el mecanizado:
1. Fuerza en el filo para el arranque de viruta.
2. Fuerza por el rozamiento dorsal.
3. Fuerza en el filo transversal.
La siguiente figura muestra un esquema de las fuerzas aplicada en la broca
helicoidal, sufrido en el proceso de corte:
6 SHAW, Milton. Metal Cutting Principles. 2ed. Estados Unidos: Oxford University Press, 2005. 7STEMMER, Caspar. Ferramentas de Corte II: Brocas, Alargadores, Ferramentas de roscar, Fresas, Brochas, Rebolos, Abrasivos. 2ed. Brasil: Editorial da UFSC, 1995. 8 MICHELETTI, Federico. Mecanizado por Arranque de Viruta. Barcelona: Editorial Blume, 1980; p. 138.
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Figura 3.2. Fuerzas aplicadas a la broca helicoidal. Figura obtenida del libro Mecanizado por Arranque de Viruta por Federico Micheletti. Barcelona: Editorial Blume, 1980; página 138.
Adicionalmente, Shaw9 las fuerzas de corte y el momento de la broca helicoidal
dependen de tres factores:
a. La fuerza de corte en los dos filos principales.
b. El corte de quebramiento en el filo transversal.
c. El desgaste de las guías de la broca en las paredes del filo y en el flanco.
3.3. Condiciones de trabajo
Para llevar a cabo un buen proceso de taladrado, es conveniente tener en cuenta
las siguientes recomendaciones:
9 SHAW, Milton. Metal Cutting Principles. 2ed. Estados Unidos: Oxford University Press, 2005.
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• Según Stemmer10, perforar un máximo de cinco diámetros de profundidad,
debido a que en condiciones más grandes de profundidad la operación de
refrigeración es más difícil. Es recomendable, en algunos instantes retirar la
broca para refrigerar la herramienta, esta operación puede ser hasta tres
veces el diámetro.
• Una entrada inclinada de la broca en el material de trabajo, hará que se
desvíe la herramienta del camino, produciendo agujeros descentrados, lo
que posiblemente producirá un quebramiento de la misma.
• Micheletti11 menciona que para condiciones extremas, se recomienda
utilizar las velocidades de corte (vc) aproximadas a las de torneado.
• Stemmer12 observa que si se encuentra con un desgaste prematuro en la
salida de la broca, implica que la velocidad (vc) es alta.
3.4. Tipos de materiales para herramientas
Las propiedades primordiales de la herramienta se definen por medio del material
en la que fue fabricada, porque es causa de la respuesta a la tenacidad,
resistencia al desgaste y a altas temperaturas. Las brocas se clasifican según el
método de fabricación y el material de que están hechas. Esto con el fin de cubrir
10 STEMMER, Caspar. Ferramentas de Corte II: Brocas, Alargadores, Ferramentas de roscar, Fresas, Brochas, Rebolos, Abrasivos. 2ed. Brasil: Editorial da UFSC, 1995. 11MICHELETTI, Federico. Mecanizado por Arranque de Viruta. Barcelona: Editorial Blume, 1980; p. 138. 12STEMMER, Caspar. Ferramentas de Corte II: Brocas, Alargadores, Ferramentas de roscar, Fresas, Brochas, Rebolos, Abrasivos. 2ed. Brasil: Editorial da UFSC, 1995.
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las necesidades de uso, calidad y precisión. Algunas de las herramientas más
usadas, y que se tienen en cuenta en el proyecto se explica a continuación:
*Herramientas de Acero rápido
Es el tipo de material más usado en las brocas al nivel industrial, debido al bajo
costo de la herramienta. Como el nombre lo indica es una herramienta de acero
con alto contenido de carbono para mejorar las propiedades mecánicas de la
misma, y poder satisfacer las exigencias de alta velocidad de corte, reducir
vibraciones, aumentar la potencia y mantener la dureza a altas temperaturas. Los
aleantes principales, según Micheletti13, son el carbono (0,7…0,9%), tungsteno
(12…21%), cromo (3…4,5%), vanadio (0,8...2,5%), molibdeno (0,5…1,10%), silicio
(0,1…0,3%), manganeso (0,15…0,35%), azufre y fósforo (0,03%), cobalto
(2,5…17%), cobalto (5…15%), níquel y boro. Es de uso general en metales y
plásticos. No es de gran duración.
*Herramientas de Acero rápido revestido
Son herramientas recubiertas de óxido de nitruro o de titanio, óxido de aluminio
cobalto y otros. La capa de revestimiento aumenta la resistencia al desgaste,
dando a la plaquita de mayor resistencia superficial. Resuelve el problema de la
diferencia de elasticidad y de dilataciones térmicas de la herramienta, debido a
que el revestimiento reduce el desgaste por difusión y adhesión, lo cual la
13MICHELETTI, Federico. Mecanizado por Arranque de Viruta. Barcelona: Editorial Blume, 1980; p . 223.
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duración de la herramienta resulta mayor a la de acero rápido normal. Micheletti14
indica que El espesor de la capa es del orden de 0.005mm. Esto permite trabajar
a velocidades superiores y con materiales especiales. Se puede aumentar la
velocidad de corte y son de extraordinaria duración.
*Herramientas de carburos metálicos o metal duro
Micheletti15 describe la herramienta tiene una matriz de cobalto o níquel, que une
gránulos de carburos de tungsteno o de tántalotungsteno, titanio y molibdeno. Los
carburos son utilizados para aplicaciones en donde se requiera una gran
resistencia a la abrasión, en materiales ferrosos y no ferrosos, y en mecanizados
de corte continuo como el interrumpido. Estas herramientas tienen una elevada
dureza, y se mantiene a altas temperaturas, por ejemplo a 900°C. Poseen alta
resistencia a la compresión, excelente resistencia al desgaste y a la corrosión.
Tienen escasa resistencia al choque y una conductibilidad térmica parecida a la
de los aceros.
*Herramientas para concreto
Son herramientas utilizadas para perforar ladrillo y concreto. Debido a que estos
materiales son duros y produce un gran desgaste en la herramienta, se crearon
este tipo de herramienta con el fin de disminuir los costos de la misma. Estas
brocas son especiales porque en la punta se encuentran soldadas con una placa
de tungsteno. La herramienta es diseñada para yeso, cemento, ladrillo, uralita,
piedra arenisca y piedra caliza.
14MICHELETTI, Federico. Mecanizado por Arranque de Viruta. Barcelona: Editorial Blume, 1980; p. 235. 15Ibid., p. 229.
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La siguiente figura muestra los diferentes tipos de herramientas, según su material
y su forma:
(a) (b) (c)
(d)
Figura 3.3. Diferentes tipos de Brocas: (a) Broca de acero rápido de 1/4 in, (b) Broca de acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio de 1/8 in, (c) Broca de tungsteno de1/4 in,
(d) Broca para concreto de 1/4 in.
3.5. Afilado de la herramienta
Es importante conocer el momento oportuno para afilar la broca helicoidal, debido
a que cuanto más se encuentre desgastada la herramienta, más material será
removido para restaurar las condiciones de corte, lo cual implica un mayor gasto
de material y mano de obra. En general, se afila la broca cuando esté totalmente
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ciega, pero a continuación se muestran los criterios, según Stemmer16, para
considerar cuando una broca está muy desgastada:
• Marca de desgaste en el flanco (incidencia).
• Marca de desgaste en las guías, o reducción del diámetro de la broca.
• Falla completa, o cuando la broca no perfora.
Se considera falla completa, cuando hay un quebramiento de la broca o un
desprendimiento de una parte. El desgaste es proporcional al número de agujeros
hechos, y crece exponencialmente con el punto de falla. Un punto de desgaste
económico es cuando se tiene que remover más de 0,5 mm de la longitud de la
broca.
Las siguientes características indican si el afilado de la broca es el adecuado:
• Los dos filos tienen la misma longitud.
• Los dos filos tienen los mismos ángulos.
• El ángulo de incidencia corresponde al material.
Es importante tener en cuentas estos factores, debido a que si los filos son
asimétricos el diámetro del agujero puede ser mayor al de la broca, el acabado
puede ser diferente y el agujero no es centrado. Adicionalmente, como menciona
Stemmer17, se desequilibran las fuerzas transversales, se aumenta la presión
entre las guías de las paredes del agujero, produciendo mayor desgaste y calor.
Lo cual, se puede presentar vibraciones o quebramiento de la broca. Finalmente,
16STEMMER, Caspar. Ferramentas de Corte II: Brocas, Alargadores, Ferramentas de roscar, Fresas, Brochas, Rebolos, Abrasivos. 2ed. Brasil: Editorial da UFSC, 1995. 17STEMMER, Caspar. Ferramentas de Corte II: Brocas, Alargadores, Ferramentas de roscar, Fresas, Brochas, Rebolos, Abrasivos. 2ed. Brasil: Editorial da UFSC, 1995.
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el desgaste no es uniforme, lo que se da dimensiones desiguales. Por tanto, se
recomienda el uso de máquinas especiales para el afilado.
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4. DESGASTE DE LA HERRAMIENTA
La duración de la herramienta se define a partir del desgaste sufrido por la misma.
Por tanto, es necesario tener un conocimiento profundo de los parámetros más
influyentes en el desgaste de la herramienta, para optimizar el proceso. Se conoce
que durante el trabajo, la herramienta está sujeta a acciones mecánicas, químicas
y térmicas que produce pérdida de material, debido al contacto entre viruta y
herramienta, y la acción que realiza la herramienta sobre la pieza.
Existen varias causas del desgaste de la herramienta, por la combinación entre la
velocidad de corte y la temperatura. Micheletti18 menciona las se muestran a
continuación:
• Abrasión. Se da por las partículas más duras, incluidas en el material de
trabajo. La gran dureza en la viruta, provoca rayado de la herramienta.
Esta acción es predominante sobre la cara de incidencia de la herramienta.
• Adhesión. Se crea una adherencia o una soldadura por presión cuando las
dos superficies metálicas se encuentran en contacto. Lo anterior ocurre
porque los átomos de un material tienen afinidad con los de otro. Al
separar las superficies se crean roturas y arranque en el interior de uno de
los dos materiales. La difusión sucede a una cierta temperatura que
provoca soldaduras transferencia del material.
18MICHELETTI, Federico. Mecanizado por Arranque de Viruta. Barcelona: Editorial Blume, 1980; p . 285.
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• Difusión. A diferencia del anterior es un fenómeno macroscópico. Consiste
en la transmisión de átomos perteneciente a la red cristalina de un metal a
la red del otro metal. Se produce por la temperatura, la duración del
contacto, la afinidad de ambos materiales y por la electronegatividad.
• Esfuerzos mecánicos y térmicos. Las fisuras ocurren por fuerzas de corte
excesivas o cuando la herramienta es muy frágil. El corte interrumpido
también produce roturas en la herramienta de corte.
Adicionalmente, para Stemmer19 presentan las siguientes causas de desgaste en
una broca helicoidal:
El avance (a) excesivo produce achatamiento de los filos transversales.
Velocidad de corte alta permite un cegamiento en las esquinas
Angulo de salida (γ) pequeño para el material de trabajo puede crear
adherencias de material.
Ángulo de salida (γ) pequeño desarrolla pegamiento de material en el final
de los canales de la broca.
19STEMMER, Caspar. Ferramentas de Corte II: Brocas, Alargadores, Ferramentas de roscar, Fresas, Brochas, Rebolos, Abrasivos. 2ed. Brasil: Editorial da UFSC, 1995.
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5. METODOLOGÍA DEL TRABAJO
La selección de la broca y las condiciones de corte a cada material es
imprescindible para que el trabajo pueda hacerse. Además, para que éste sea fácil
y de buenos resultados. Es conveniente utilizar la broca y las condiciones
apropiadas, debido a que influirá en el resultado, precisión del taladro y en la
duración de la herramienta. Por tanto, es aconsejable tener un conocimiento
previo del tema y utilizar un método, para tomar las decisiones adecuadas y
optimizar el proceso.
El trabajo busca crear un método que permita describir el comportamiento de una
broca helicoidal, de acuerdo a la forma y al material de la misma. Además, se
propone que sea una herramienta para tomar decisiones de las condiciones de
corte y selección de la herramienta. Con el fin de mejorar la calidad del proceso de
una manera sencilla y práctica para que cualquier personal, que desee utilizar este
medio de perforación.
El modelo procura comparar los diferentes tipos de herramientas, de acuerdo a su
material y su forma. En el mercado industrial se presenten diferentes tipos de
brocas, las cuales presentan un grado de calidad, según el uso a la que ha sido
diseñada. Se puede encontrar brocas para cristal, las de avellanar, para madera,
para concreto entre otras (figura 6.1). La investigación podría expandirse para
analizar todas las formas de brocas que han sido diseñadas, pero aquí cubriremos
las brocas helicoidales, las cuales son las más comunes en el proceso de
taladrado.
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(a) (b)
Figura 5.1. Algunos tipos de brocas: (a) Broca extensible para madera. (b)Broca de avellanar.
Figuras obtenidas de la página Web: http://www.envapack.com/envases_empaques22.html
Como se hizo mención anteriormente, las brocas helicoidales pueden fabricarse
de diferentes materiales que dan propiedades particulares a la herramienta, lo cual
le da un nivel de aplicabilidad a la misma. En la mayoría de los talleres de
mecanizado colombianos, utilizan brocas de acero rápido. Estas herramientas son
de bajo costo, lo cual las hace bastante llamativas. Además, las brocas son
herramientas que tienen larga vida en comparación con los buriles, lo que permite
perder el interés por la duración de la herramienta. Por tanto, no importa que tanto
se desgaste la broca, ni que se rompa.
En un taller convencional, las brocas son usadas hasta que ya no puedan cortar o
hasta que el filo esté bien desgastado. Debido a que no es relevante la rugosidad
del agujero, ni importa si la broca se pega o lo que le pueda pasar, solo interesa la
ubicación del agujero y que éste sea redondo.
No se presta mucha atención al afilado de la broca helicoidal, este se realiza
manualmente sin importar la simetría de los filos. Tampoco se tiene en cuenta los
ángulos de punta de los ángulos de punta de la broca, esto queda al gusto del
operario de la máquina. Lo importante en el proceso es que la broca perfore.
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Las velocidades angulares de la broca se eligen según la experiencia.
Generalmente se utiliza una velocidad media, la cual es de aproximadamente de
400 r.p.m., y si la herramienta se ve afectada se cambia la velocidad. El avance lo
da la fuerza del técnico, el material y el criterio del operario. Cada vez que lo vean
conveniente, utilizan refrigerante, de lo cual se realiza según el diámetro y el
material. Lo anterior manifiesta una falta de criterio en el momento de tomar
decisiones del proceso de taladrado.
Los Técnicos Mecánicos no poseen un conocimiento profundo del mecanizado, y
por ende toman decisiones según su propia experiencia. Existen modelos que
ayudan a optimizar el proceso, a pesar de que son aproximados. Estos describen
el comportamiento de la herramienta a lo largo del tiempo. Se podría obtener la
suficiente información para seleccionar las adecuadas condiciones. Estas teorías,
son complejas, lo cual no es atractivo utilizarlas para cualquier persona. El modelo
propuesto en este proyecto, muestra un método sencillo, útil y fácil de usar para
diseñar un proceso de taladrado.
5.1. Números Adimensionales
El análisis adimensional es una herramienta muy usada para relacionar
parámetros entre sí. Street20, indica que la ecuación expresa una relación física
entre cantidades que deben ser homogéneas dimensionalmente, es decir, cada
forma de la ecuación debe ser la misma. Adicionalmente, encierra la relación de
las leyes de la similitud. Por tanto, es una herramienta muy conveniente en la
20STREET, Robert; WATTERS, Gary; VENNARD, John. Elementary Fluid Mechanics.7ed. Estados Unidos: John Wiley & Sons, 1996.
IM-2005-II-17 20
formulación de problemas físicos, el cual define y soluciona analíticamente el
sistema para resolverlo experimentalmente fácilmente.
Hasta el momento no se ha aplicado esta técnica, en el estudio del
comportamiento de las brocas helicoidales, lo cual es conveniente investigar y
aplicar un modelo para el proceso de taladrado. Existen diferentes modelos que
dan información de la herramienta de corte, pero estos resultan ser complicados y
encierran variables difíciles de medir. Para que el análisis sea coherente, debe
contener la máxima información de la situación estudiada. Teniendo en cuenta la
información que deseamos obtener, las variables más influyentes en el proceso, y
las que son medibles de una forma fácil en un ambiente de fábrica, se plantean los
siguientes parámetros:
Sy: Esfuerzo de fluencia del material de trabajo [ML-1T-2]
Du: Dureza del material de trabajo [ML-2]
ρ: Densidad del material de trabajo [ML-3]
a: Avance de la broca helicoidal [L]
N: Velocidad angular de la broca helicoidal [T-1]
t: Tiempo de trabajo de la broca [T]
d: Diámetro de la broca [L]
d0: Diámetro del cincel de la broca [L]
l0: Espesor de las guías de la broca [L]
ϕ: Ángulo de hélice de la broca (radianes)
ψ: Ángulo del filo transversal de la broca (radianes)
ε: Ángulo de punta de la broca (radianes)
Dg: Desgaste en las guías de la broca [L]
Donde M representa la unidad de masa, L la distancia y T la unidad de tiempo.
IM-2005-II-17 21
Las condiciones de operación son muy variables, debido a la gran cantidad de
materiales en el mercado con particulares propiedades. Podemos encontrar
materiales blandos, frágiles, con bajo o alto contenido de fusión, entre otros. Por lo
que es necesario tener en cuenta las propiedades de material trabajo. Trent21
explica que en el proceso de corte se remueve una pequeña capa del material de
trabajo, la cual es definida por la profundidad. El material es removido,
deformándolo plásticamente. Por tanto, se requiere una gran cantidad de energía
para la formación de viruta y el movimiento de la herramienta. Adicionalmente,
Micheletti22 expone que en el corte se forman dos superficies nuevas, una en la
viruta y la otra en el material de trabajo. La mínima energía requerida para crear
ambas superficies es insignificante en comparación con la necesitada para
deformar plásticamente. Por tal razón, es importante tener en cuenta las
propiedades mecánicas del material de trabajo en el proceso de taladrado, las
cuales son el esfuerzo de fluencia (Sy) y la dureza (Du).
La geometría de la broca es muy compleja, debido a la gran cantidad de ángulos
que la definen. Esto con el fin de ejecutar la perforación en el material, prolongar la
vida de la herramienta y disminuir la cantidad de energía utilizada en el proceso.
Los ángulos principales de la broca helicoidal son el ángulo de hélice (φ), el
ángulo de punta (ε) y el ángulo de filo transversal (ψ). Los cambios de magnitud de
estos ángulos, produce los siguientes resultados:
Una disminución del ángulo de punta (ε) implica una mayor facilidad en la
penetración del material de trabajo, pero aumenta el desgaste en la punta de
la herramienta.
21TRENT, Edgard; WRIGHT, Paul. Metal Cutting. 4ed. Estados Unidos: Butterworth Heinemann, 2000. 22MICHELETTI, Federico. Mecanizado por Arranque de Viruta. Barcelona: Editorial Blume,1980.
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Según Shaw23, el ángulo de hélice (φ) tiene una gran influencia en la
temperatura de la herramienta. Un aumento de este produce una leve
reducción de la temperatura, debido a que disminuye el contacto entre la
viruta y la herramienta. Y un decrecimiento del ángulo produce mayor
resistencia en los filos.
Shaw24, también expone que para valores pequeños del ángulo del filo
transversal (ψ), contiene filos convexos, lo cual produce tendencias a
vibraciones. El valor de este ángulo tiene una gran influencia en las fuerzas
de corte.
Otros parámetros que describen la forma de la herramienta, son el diámetro de la
broca (d), el diámetro del cincel (d0) y la longitud de las guías (l0). Estas variables
influyen de la siguiente manera:
El diámetro externo (d) de la broca define el tamaño de la herramienta, y a
partir de éste valor se definen la mayoría de los parámetros. Por ejemplo, en
la longitud del filo transversal, en la profundad y en el ángulo de salida.
Adicionalmente, un aumento de este produce velocidades más grandes en la
periferia de la herramienta.
Micheletti25 presenta que el diámetro del cincel (d0) indica la robustez de la
herramienta, y ayuda a que la broca no se pandee por la fuerza vertical.
Las condiciones de corte del material se encuentran definidos por el avance (a) y
la velocidad de corte (vc). El avance (a) para el proceso de mecanizado estudiado
en este trabajo es la distancia recorrida por vuelta, la figura 5.2 visualiza el
23SHAW, Milton. Metal Cutting Principles. 2ed. Estados Unidos: Oxford University Press, 2005. 24 Ibid. 25 MICHELETTI, Federico. Mecanizado por Arranque de Viruta. Barcelona: Editorial Blume, 1980.
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significado de este parámetro. Para Micheletti la velocidad de corte (vc):
“corresponde al movimiento de la herramienta durante la carera de trabajo”26.
Entonces, con el fin de simplificar la medición se escogió el valor de la velocidad
angular (N) de la broca, debido al movimiento del husillo.
Figura 5.2. Mov imiento de la broca helicoidal. Gráfica obtenida del libro Fundamentos de
Manufactura Moderna de Mikell Groov er, 1997.
Como se busca maximizar la vida de la herramienta, para optimizar el proceso, es
importante tener en cuenta el tiempo de trabajo (t) de la broca helicoidal, y por
ende el desgaste en la periferia de las guías (Dg) sufrido en este tiempo. Se
consideró significativo este tipo de medida del desgaste de la broca helicoidal,
porque es donde más se ve afectada la broca helicoidal durante su trabajo. La
figura 5.3 muestra el lugar mencionado de deterioro.
26Ibid., p. 8.
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(a) (b)
Figura 5.3. Desgaste de las guías de la broca helicoidal: (a) Vista Frontal de la Broca Helicoidal, (b) Punto de medición de Dg.
Con las variables seleccionadas, las cuales fueron mencionadas anteriormente, y
al aplicar el Teorema de Buckingham, se pueden lograr 13 números
adimensionales. Los cuales, algunos se muestran a continuación:
332 aNDS uy
ρ (2)
, 00
32 lddNDS uy
ρ (3)
, tNa
Dg
(4)
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y a
Dg (6)
Fueron encontrados y elegidos los siguientes números adimensionales, debido a
la relevancia de su significado:
ψϕε
2001
tNadldD
B g= (7)
y ψρ
ϕε
00222
lddaNDS
B uy= (8)
Donde Dg es el desgaste en las guías, d0 el diámetro del cincel, d el diámetro de la
broca, l0 la anchura de los filos, φ el ángulo de hélice, ε el ángulo de punta, ψ el
ángulo de filo transversal, a el avance, N la velocidad angular de la broca, t
tiempo de trabajo de la broca, Sy esfuerzo de fluencia, Du dureza y ρ la densidad
del material de trabajo.
Al observar los números propuestos, podemos encontrar que B1 es un número
que relaciona la vida de la herramienta, y B2 relaciona la energía utilizada en el
proceso de taladrado. Lo anterior, implica que se logró hallar dos números
adimensionales que pueden describir el proceso. Ellos poseen las variables más
importantes, y cada uno brinda información de los factores que más afectan el
proceso de taladrado.
Al analizar el número adimensional B1, podemos decir que es conveniente que
sea lo más pequeño posible, dentro del proceso de taladrado. Es decir, es de
IM-2005-II-17 26
interés que el denominador sea mucho más grande que el numerador. Esto se
debe a que es conveniente que la herramienta sufra un pequeño desgaste a lo
largo del tiempo. Lo cual, indica una larga duración de la broca, para las
condiciones que se están empleando.
Por otro lado, en el número adimensional B2 es oportuno que el numerador sea
mayor que el denominador para que este tenga un valor grande. Lo anterior,
implica que la energía utilizada en el proceso es pequeña comparada con la
necesaria para deformar y cortar el material de trabajo. Entonces, implica que se
esta gastando la energía mínima en el mecanizado. Por tanto, podemos decir que
el número B2, es un indicador de energía en el proceso de taladrado.
Al graficar los dos números adimensionales, se logra concluir zonas adecuada de
mecanizado. La ubicación de los números graficados puede indicar el rendimiento
de la herramienta, y podría sugerir las mejores condiciones de corte, de acuerdo al
ambiente que se tenga o a las necesidades del operario. El lugar dentro de la
gráfica podrá ser definida como óptima o no, de acuerdo a la capacidad de la
broca, las condiciones de corte establecidas.
La siguiente figura, visualiza la ubicación de optimización, de acuerdo al método
planteado en el proyecto:
IM-2005-II-17 27
Figura 5.4. Gráfica de Mecanizado.
De acuerdo al análisis realizado del número adimensional B1, se espera que el
punto se encuentre ubicado en la parte inferior. Porque indicaría que la
herramienta tiene una larga vida dentro de sus capacidad y las condiciones
establecidas. Por otro lado, si el punto se sitúa en la parte superior de la gráfica de
mecanizado, se podría deducir que la broca presenta un desgaste excesivo en el
proceso, y por tanto, se esta haciendo un mal uso de la misma.
Si la ubicación del punto, dentro de la gráfica de mecanizado, es en el lado
derecho, indica que la resistencia de fluencia y la dureza del material de trabajo
son elevadas y las condiciones de corte son pequeñas. En cambio, si el punto se
encuentra en la parte derecha de la gráfica, implica que la broca esta operando en
condiciones agresivas.
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La gráfica de mecanizado puede ser comparativa entre herramientas. Esto es
posible comparando la ubicación de los puntos obtenidos para cada broca
helicoidal. Por tanto, se puede hacer una selección de la broca según sean las
exigencias del proceso.
El método funcionaría como criterio para establecer el rendimiento de la
herramienta, de acuerdo a una referencia fijada. Adicionalmente, teniendo la
capacidad de la broca helicoidal, se lograría definir un punto óptimo que serviría
de herramienta para diseñar el proceso, de acuerdo a las necesidades del
operario. Por ejemplo, teniendo los valores de las propiedades del material, la
geometría de la broca helicoidal, y estableciendo el tiempo y el desgaste deseado
de la herramienta, se podrían definir las condiciones de corte más adecuadas.
5.2. Procedimiento experimental.
Todo lo mostrado anteriormente no es suficiente para determinar el
comportamiento de las brocas helicoidales de acuerdo al modelo propuesto, se
necesita conocer la respuesta de la herramienta de corte según los parámetros de
los números adimensionales propuestos en el modelo. Además, para obtener
conclusiones coherentes y optimizar el proceso de una manera confiable, se
diseñó un experimento, el cual permite obtener datos para graficarlos
posteriormente. A continuación se muestra el procedimiento.
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*Equipo.
Para hallar experimentalmente los puntos correspondientes a los números
adimensionales, se requirieron los siguientes equipos:
1. Taladro de Prensa o Fresadora: Para tomar los datos es recomendable
utilizar un taladro de prensa, debido a que la máquina es muy estable y se
puede controlar mejor el proceso. Adicionalmente, se puede variar la
velocidad angular de la broca, de acuerdo a las propiedades del material de
trabajo. Se trabajó en taladros de columna, los cuales son los más
comunes. En la mayoría de los talleres de mecanizado, en el proceso de
taladrado, se suplanta el taladro de prensa por la fresadora, debido a que la
máquina puede cumplir el mismo tipo de trabajo. Esto se hace con el fin de
que el operario no cambie su sitio de trabajo, y se pierda menos tiempo.
Además, se puede realizar operaciones de gran exigencia, debido a la
robustez que presenta la máquina.
2. Cronómetro: El cual permite medir el tiempo de trabajo de la herramienta.
3. Microscopio: Para analizar el desgaste en la punta de las guías de la broca
helicoidal, es necesario ampliar la visibilidad para registrar el resultado y ver
con detalle el estado de la herramienta, debido al trabajo. Con el fin de
facilitar la medición en los diferentes lugares que se realizaron los
experimentos, también se utilizó una lupa
4. Micrómetro: El desgaste en las guías de la herramienta tiene mediciones
pequeñas, por lo que se necesita un instrumento que permita con exactitud
medir cantidades pequeñas de longitud. El cual tiene mediciones hasta
0.001mm.
IM-2005-II-17 30
5. Calibrador: Instrumento para medir el diámetro de la broca, el diámetro del
cincel y la anchura de las guías.
6. Transportador: para medir los diferentes ángulos de la herramienta.
7. Estroboscopio: Permite conocer con exactitud la velocidad angular de la
herramienta, debido a que las indicaciones de velocidad angular de la máquina
pueden ser no coherentes con las reales.
8. Durómetro: Cuando no se conoce el material y que tratamiento térmico ha
tenido el material que se esta mecanizando, se puede determinar las
propiedades mecánicas con este instrumento.
* Procedimiento.
Para hallar los puntos adimensionales de las diferentes brocas helicoidales, se
definieron los siguientes pasos:
1. Escoger el material que se va a mecanizar, y establecer sus propiedades
físicas y mecánicas.
2. Seleccionar el tipo de broca helicoidal, de acuerdo al material de trabajo que se
va a utilizar en el proceso.
IM-2005-II-17 31
3. Definir los parámetros posibles de la geometría de la herramienta y las
condiciones de corte, de acuerdo a los valores recomendados para cada
material.
4. Afilar la herramienta, si es necesario, según lo establecido anteriormente. Si la
herramienta ha sido utilizada, es conveniente afilarla para comenzar a medir
desde el cero el desgaste. En cambio, si se conoce el tiempo de mecanizado,
para el desgaste observado, se utiliza el tiempo y el desgaste incremental para
tomar los datos del experimento.
5. Medir aquellas características que definen la geometría de la broca helicoidal
con el transportador y el calibrador, las cuales se pueden encontrar en la
Tabla 6.1.
6. Realizar el respectivo montaje de la broca helicoidal y del material de trabajo
en un taladro de columna o en una fresadora.
7. Acondicionar la velocidad angular aproximadamente de la máquina a lo
definido anteriormente, y medirla con el estroboscopio.
8. Seleccionar la profundad del agujero de acuerdo a las condiciones de corte, es
decir, al material de trabajo, el tamaño de la herramienta y la geometría
deseada del agujero.
9. Bajar la broca helicoidal a una velocidad constante, para mantener un mismo
avance en todo el procedimiento. Esto se debe hacer con cuidado para que el
valor sea siempre constante, como esto no es posible se tomará en cuenta el
valor promedio del mismo. Durante el proceso, se recomienda subir la broca en
IM-2005-II-17 32
pequeños intervalos de tiempo, para cortar la viruta del material de trabajo, y
poder refrigerarla.
10. Medir el tiempo incremental para cada agujero y total de uso activo de la broca,
con el cronómetro.
11. Revisar el desgaste incremental de la broca helicoidal, y medirlo con
microscopio o con lupa y con el micrómetro. Si el desgaste de la broca no es
relevante, repetir el procedimiento sin cambiar ninguna de las condiciones. La
siguiente figura explica el procedimiento:
Figura 5.5. Desgaste en las guías.
12. Registrar los valores, los cuales se encuentran en la Tabla 5.1.
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Material de trabajo Longitud del agujero (L) [m] Velocidad Angular de la Broca (N) [r.p.m] Diámetro de la broca (d ) [m] Diámetro del Cincel (d0) [m] Angulo de Hélice (φ) [°] Angulo de Punta (ε) [°] Angulo de Filo Transversal (ψ) [°] Espesor de guías (l0) [m] Tiempo de Uso (t) [min.] Desgaste en las Guías (Dg) [m] Tabla 5.1. Ayuda de laboratorio.
13. Hallar el avance del proceso con la siguiente ecuación, debido a que no es
posible hacerlo directamente durante el experimento:
NtL
a = (9)
Donde a es el avance, L es la profundidad del agujero realizado, N es la velocidad
angular de la broca y t es el tiempo de mecanizado del agujero.
14. Realizar el respectivo análisis de los datos obtenidos en el experimento.
IM-2005-II-17 34
6. PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS
En el presente capítulo se muestran los resultados obtenidos, siguiendo el
procedimiento anteriormente mencionado, y tomando en cuenta las variables
desarrolladas en cada uno de los números adimensionales propuestos. Algunas
de las pruebas realizadas para obtener información del comportamiento de las
brocas helicoidales, se realizaron en talleres convencionales de Bogotá, para
obtener resultados reales y típicos a nivel industrial. Adicionalmente, para
complementar los resultados, se hicieron experimentos en el laboratorio de
ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes.
Se utilizaron tres tipos de brocas helicoidales, las cuales son de acero rápido,
acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio y finalmente de tungsteno.
Estas herramientas son las comunes en el mercado industrial, especialmente las
brocas de acero rápido. Adicionalmente, se empleó tamaños acostumbrados, los
cuales son desde 1/8 de pulgada hasta 3/8 pulg. Esto es muy conveniente, debido
al análisis real que se puede realizar en el modelo desarrollado en el trabajo.
Cada herramienta fue sometida a diferentes materiales, para conseguir una gran
variedad de puntos, y lograr una información amplia del tema estudiado en el
proyecto. En los talleres convencionales, se emplearon materiales según el pedido
del cliente, los cuales en su mayoría son aceros y otros metales como el aluminio,
el cobre, y el bronce. Con el fin de complementar la información y cubrir los
materiales trabajados por este tipo de herramienta, se realizaron experimentos, en
el laboratorio de la Universidad de los Andes, con acrílicos y maderas.
IM-2005-II-17 35
Las condiciones de corte establecidas para cada herramienta, en cada uno de los
experimentos realizados, se eligieron en algunos instantes de acuerdo a los
valores recomendados27 para casa material. En otros momentos, se escogió el
parámetro según la experiencia de cada operario, lo cual generalmente se
tomaban velocidades medias. Adicionalmente, la afilación de todas las
herramientas fue manual, lo cual permitió una asimetría en los filos transversales.
Para cada herramienta de corte se registraron 30 números adimensionales para
B1 y B2. Esto con el propósito de conseguir una nube considerable de puntos, y
hallar de una manera confiable las diferencias entre cada una, proponer un punto
óptimo para el proceso de taladrado.
6.1. Brocas de acero rápido
Las pruebas correspondientes a la herramienta de corte de acero rápido
convencional, son las siguientes:
N Material d (in) do (m) lo (m) φ (rad) ε (rad) ψ (rad) L (m) N (r.p.m.) a (m/rad)
1Acero 1020, cold rolled 0.625 0.0120.00075 0.559 2.094 2.147 0.0079 2.262E+03 4.545E-06
2Acero 1020, cold rolled 0.625 0.0120.00075 0.559 1.920 2.147 0.0079 2.262E+03 7.366E-06
3Acero 1020, cold rolled 0.625 0.0120.00075 0.559 1.920 2.147 0.0079 2.262E+03 8.669E-06
4Acero 1020, cold rolled 0.75 0.0145 0.0015 0.524 2.042 2.269 0.0159 2.262E+03 1.381E-05
5Cobre 0.125 0.0008 0.0005 0.244 1.990 1.920 0.0064 3.286E+03 8.696E-056Cobre 0.125 0.0008 0.0005 0.244 1.990 1.920 0.0064 3.286E+03 2.319E-047Cobre 0.313 0.0015 0.001 0.349 1.536 2.234 0.0064 7.728E+03 9.860E-05
27 MICHELETTI, Federico. Mecanizado por Arranque de Viruta. Barcelona: Editorial Blume. 1980.
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8Bronce 0.313 0.0015 0.001 0.349 1.536 2.234 0.0079 5.529E+03 6.380E-069Bronce 0.313 0.0015 0.001 0.349 1.536 2.234 0.0079 5.529E+03 6.380E-06
10Aluminio 0.125 0.0008 0.0005 0.244 1.990 1.920 0.0064 1.218E+04 4.691E-0611Aluminio 0.125 0.0008 0.0005 0.244 1.990 1.920 0.0064 1.218E+04 4.691E-0612Acríl ico 0.188 0.0020.00065 0.436 1.955 2.094 0.0080 5.196E+03 1.848E-0513Acríl ico 0.188 0.0020.00065 0.436 1.955 2.094 0.0080 5.196E+03 1.848E-05
14Fundición deAcero 0.5 0.0030.00075 0.401 2.356 1.920 0.0056 2.513E+03 5.348E-06
15Fundición deAcero 0.313 0.0010.00075 0.262 2.094 1.745 0.0056 2.513E+03 4.775E-06
16Fundición deAcero 0.484 0.002 0.0011 0.419 2.182 2.007 0.0070 2.513E+03 3.277E-06
17Fundición deAcero 0.5 0.0030.00145 0.419 2.094 2.094 0.0070 2.513E+03 5.762E-06
18Acero 1045 0.313 0.003 0.0012 0.628 1.955 2.094 0.0159 2.501E+03 2.081E-0619Acero 1045 0.313 0.003 0.0012 0.628 1.955 2.094 0.0159 2.501E+03 2.081E-0620Acero 4140 0.313 0.003 0.0012 0.628 1.955 2.094 0.0159 2.501E+03 2.037E-0621Acero 4140 0.313 0.003 0.0012 0.628 1.955 2.094 0.0159 2.501E+03 2.037E-0622Acero 5160 0.375 0.0010.00635 2.059 1.920 1.920 0.0064 3.362E+03 6.297E-0623Acero 5160 0.375 0.0010.00635 2.059 1.920 1.920 0.0064 3.362E+03 6.297E-06
24Madera Comprimida 0.188 0.001 0.0005 0.384 1.920 1.955 0.0153 9.739E+03 9.426E-05
25Madera Comprimida 0.188 0.001 0.0005 0.384 1.920 1.955 0.0153 9.739E+03 9.426E-05
26Madera Aglomerada 0.188 0.001 0.0005 0.384 1.920 1.955 0.0184 9.739E+03 1.134E-04
27Madera Aglomerada 0.188 0.001 0.0005 0.384 1.920 1.955 0.0184 9.739E+03 1.134E-04
28Acero inoxidable 0.188 0.001 0.0005 0.384 1.920 1.955 0.0159 2.501E+03 1.876E-06
29Acero inoxidable 0.188 0.001 0.0005 0.384 1.920 1.955 0.0159 2.501E+03 1.876E-06
30Acero inoxidable 0.188 0.001 0.0005 0.384 1.920 1.955 0.0159 2.501E+03 1.876E-06
Tabla 6.1. Datos para brocas helicoidales de acero rápido.
De acuerdo a lo anterior, se obtuvieron los siguientes resultados:
N Dg (cm) t (min) B1 B2 1 0.015 9.267 3.064E-05 3.681E+152 0.02 56.533 3.787E-06 2.082E+153 0.07 72.300 8.807E-06 1.769E+154 0.024 18.733 1.159E-05 4.396E+145 0.019 128.284 4.883E-08 5.067E+13
IM-2005-II-17 37
6 0.001 129.434 1.815E-08 1.900E+137 0.0015 5.017 4.248E-07 1.201E+128 0.001 13.350 3.686E-06 9.641E+139 0.001 21.683 2.635E-06 9.641E+13
10 0.0015 93.900 2.633E-07 4.796E+1311 0.001 114.184 2.743E-07 4.796E+1312 0.0005 19.833 4.597E-08 1.057E+1513 0.001 49.100 3.714E-08 1.057E+1514 0.0015 2.700 2.557E-06 9.311E+1415 0.001 2.833 1.430E-06 8.197E+1416 0.001 5.183 1.550E-06 7.558E+1417 0.0015 3.767 2.589E-06 3.519E+1418 0.001 15.250 3.659E-06 4.222E+1519 0.003 25.833 6.479E-06 4.222E+1520 0.003 48.750 3.509E-06 7.562E+1521 0.004 68.550 3.327E-06 7.562E+1522 0.001 0.467 1.737E-04 4.812E+1423 0.004 1.050 3.089E-04 4.812E+1424 1.000E-03 52.283 1.905E-09 4.419E+1225 1.000E-03 58.033 1.717E-09 4.419E+1226 1.000E-03 62.617 1.323E-09 3.062E+1127 1.000E-03 65.867 1.258E-09 3.062E+1128 1.000E-03 54.617 3.568E-07 1.519E+1329 1.500E-03 62.567 4.672E-07 1.519E+1330 1.500E-03 68.617 4.261E-07 1.519E+13
Tabla 6.2. Resultados para brocas helicoidales de acero rápido.
Al graficar los números adimensionales, se obtuvo lo siguiente:
IM-2005-II-17 38
Figura 6.1. Gráfica de Mecanizado para brocas helicoidales de acero rápido.
Debido a la gran escala de los diferentes puntos adimensionales, no se ve
claramente el comportamiento de la broca, por tanto se utilizó una gráfica
logarítmica de los números para analizar los resultados. De acuerdo a esto se
tiene lo siguiente:
IM-2005-II-17 39
Figura 6.2. Gráfica de Mecanizado Logarítmica para brocas helicoidales de acero rápido
6.2. Brocas de Acero rápido con recubrimiento de óxido de Titanio
Los resultados alcanzados para brocas helicoidales de acero rápido con
recubrimiento de óxido de titanio son los que se muestran a continuación:
N Material d (in) do (m) lo (m) φ (rad) ε (rad) ψ (rad) L (m) N (r.p.m.)a (m/rad) 1 Bronce 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.00635 400 1.083E-052 Bronce 0.25 0.00075 0.0005 0.401 1.850 1.920 0.00635 690 1.083E-053 Cobre 0.13 0.00075 0.0005 0.401 1.850 1.920 0.00635 1550 2.301E-06
4Fundiciónde acero 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.0056 400 4.178E-06
5Acero 1045 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920
0.015875 398 4.052E-06
6Acero 1045 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920
0.015875 398 4.052E-06
7Acero 4140 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920
0.015875 398 2.037E-06
IM-2005-II-17 40
8Acero 4140 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920
0.015875 398 2.037E-06
9Acero inoxidable 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920
0.015875 398 1.194E-06
10Acero inoxidable 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920
0.015875 398 1.194E-06
11Acero inoxidable 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920
0.015875 398 1.194E-06
12Acero 5160 0.13 0.00075 0.0005 0.401 1.850 1.920 0.00635 535 1.921E-06
13Acero 5160 0.13 0.00075 0.0005 0.401 1.850 1.920 0.00635 535 1.921E-06
14Acero plata 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920
0.015875 400 1.296E-06
15Acero plata 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920
0.015875 400 3.239E-06
16
Madera Aglomerada 0.13 0.00075 0.0005 0.401 1.850 1.920 0.0153 1550 4.890E-05
17
Madera Aglomerada 0.13 0.00075 0.0005 0.401 1.850 1.920 0.0153 1550 4.713E-05
18
Madera Comprimida 0.13 0.00075 0.0005 0.401 1.850 1.920 0.0184 1550 1.347E-05
19
Madera Comprimida 0.13 0.00075 0.0005 0.401 1.850 1.920 0.0184 1550 1.619E-05
20Acero 1020 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.0095 398 1.839E-05
21Acero 1020 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.0095 398 9.497E-06
22Acero 1020 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.0095 398 9.497E-06
23Acero 1020 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.0095 398 9.497E-06
24Acero 1020 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.0095 398 9.497E-06
25Acero 1020 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.0095 398 9.497E-06
26 Aluminio 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.00635 398 9.117E-0527 Aluminio 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.00635 1550 1.565E-0528 Aluminio 0.25 0.00145 0.00075 0.384 1.833 1.920 0.00635 1550 1.565E-0529 Acríl ico 0.13 0.00075 0.0005 0.401 1.850 1.920 0.008 398 2.498E-0630 Acríl ico 0.13 0.00075 0.0005 0.401 1.850 1.920 0.008 398 3.147E-06
Tabla 6.3. Datos para brocas helicoidales de acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio.
IM-2005-II-17 41
Los resultados correspondientes a este tipo de broca son los siguientes:
N t (min) Dg (m) B1 B2 1 32.883 0.00001 1.105E-07 8.629E+142 62.583 0.000017 2.082E-08 2.374E+143 58.483 0.00001 1.098E-07 3.330E+144 44.200 0.00001 2.130E-07 1.706E+155 58.083 0.000015 2.519E-07 1.890E+156 73.917 0.000015 1.980E-07 1.890E+157 84.600 0.000015 3.441E-07 6.589E+158 107.450 0.00002 3.612E-07 6.589E+159 122.983 0.00003 8.076E-07 2.293E+16
10 137.833 0.000033 7.926E-07 2.293E+1611 152.517 0.000033 7.163E-07 2.293E+1612 59.833 0.000015 5.586E-07 2.009E+1613 61.051 0.00002 7.300E-07 2.009E+1614 29.033 0.00001 1.046E-06 1.493E+1615 40.367 0.00001 3.008E-07 5.972E+1516 64.585 0.000015 7.018E-09 2.681E+1617 71.485 0.000015 6.579E-09 2.781E+1618 73.785 0.000015 2.231E-08 8.112E+1519 76.968 0.000015 1.778E-08 6.745E+1520 116.167 0.00002 3.700E-08 3.780E+1421 127.117 0.00002 6.549E-08 7.321E+1422 133.583 0.00002 6.232E-08 7.321E+1423 137.533 0.000023 6.960E-08 7.321E+1424 142.367 0.000025 7.309E-08 7.321E+1425 143.367 0.000025 7.258E-08 7.321E+1426 78.217 0.00001 5.543E-09 2.732E+1327 88.750 0.00001 7.308E-09 1.049E+1328 103.183 0.00001 6.286E-09 1.049E+1329 74.417 0.000015 4.644E-07 4.690E+1630 91.367 0.000015 3.002E-07 3.723E+16
Tabla 6.4. Resultados para brocas helicoidales de acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio.
IM-2005-II-17 42
Con lo anterior se pudo graficar lo siguiente:
Figura 6.3. Gráfica de Mecanizado para Brocas helicoidales de acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio.
De acuerdo a lo anterior la gráfica logarítmica se muestra a continuación:
IM-2005-II-17 43
Figura. 6.4. Gráfica de Mecanizado Logarítmica para brocas de acero rápido con recubrimiento de óxido de Titanio.
6.3. Brocas de Tungsteno
Las pruebas realizadas para brocas de carburo son las que se muestran a
continuación:
N Material d (in) do (m) lo (m) φ (rad) ε (rad) ψ (rad) L (m) N (r.p.m.)a (m/rad)
1Acero 1040,cold rolled 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.431 2.409 0.0186 880 0.00010065
2Acero 1040,cold rolled 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.431 2.409 0.0186 290 0.00030541
3Acero 1040,cold rolled 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.431 2.409 0.0186 290 0.00030541
4 Cobre 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.396 2.409 0.0125 1780 1.590E-065 Cobre 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.396 2.409 0.0064 1939 7.818E-066 Cobre 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.396 2.409 0.0064 1939 7.818E-06
IM-2005-II-17 44
7 Bronce 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.396 2.409 0.0067 1939 8.249E-068 Bronce 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.396 2.409 0.0067 1939 8.249E-069 Aluminio 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.396 2.409 0.0064 1939 3.475E-06
10 Aluminio 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.396 2.409 0.0064 1939 9.198E-0711 Acero 1045 0.1563 0.0012 0.0007 0.611 1.833 1.920 0.0159 398 3.847E-0614 Acero 4140 0.1563 0.0012 0.0007 0.611 1.833 1.920 0.0159 535 3.636E-06
15Acero inoxidable 0.1563 0.0012 0.0007 0.611 1.868 1.920 0.0159 398 1.411E-06
16Acero inoxidable 0.1563 0.0012 0.0007 0.611 1.868 1.920 0.0159 398 1.411E-06
17Acero inoxidable 0.1563 0.0012 0.0007 0.611 1.868 1.920 0.0159 398 1.411E-06
18 Acero plata 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.885 2.409 0.0159 400 2.445E-0619 Acero plata 0.25 0.0015 0.001 0.349 1.885 2.409 0.0159 400 2.445E-06
20Madera Aglomerada 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.0153 1550 9.426E-05
21Madera Aglomerada 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.0153 1550 9.426E-05
22Madera Comprimida 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.0184 1550 1.134E-04
23Madera Comprimida 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.0184 1550 1.134E-04
24 Acero 1020 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.0095 395 1.977E-0525 Acero 1020 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.0095 395 1.977E-0526 Acero 1020 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.0095 395 1.977E-0527 Acero 1020 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.0095 395 1.977E-0528 Acero 1020 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.0095 395 1.977E-0529 Acero 1020 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.0095 395 1.977E-0530 Acríl ico 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.008 1550 1.848E-0531 Acríl ico 0.1563 0.0011 0.0006 0.611 1.536 1.920 0.008 1550 1.848E-05
Tabla 6.5. Datos para brocas helicoidales de tungsteno.
Los resultados, según los experimentos para este tipo de broca, son los que se
muestran a continuación:
N Dg (cm) t (min) B1 B2 1 0.001 0.033 4.16E-061.371E+132 0.0036 13.033 3.83E-084.162E+133 0.0045 19.800 3.151E-084.162E+13
IM-2005-II-17 45
4 0.008 3.683 9.191E-06 4.778E+135 0.016 7.467 1.693E-06 8.19E+126 0.021 13.717 1.21E-06 8.19E+127 0.025 27.767 6.743E-07 2.064E+138 0.027 47.700 4.239E-07 2.064E+139 0.028 45.933 1.084E-06 1.293E+13
10 0.029 52.400 3.589E-05 4.886E+1311 0.02 35.500 1.821E-05 7.187E+1512 0.025 40.235 2.008E-05 7.187E+1513 0.02 6.983 9.794E-05 1.333E+1614 0.03 18.383 4.152E-05 7.377E+1515 0.015 11.667 0.0001155 7.143E+1616 0.02 23.883 7.522E-05 7.143E+1617 0.025 31.933 7.032E-05 7.143E+1618 0.003 20.950 2.368E-06 4.575E+1519 0.035 29.900 5.356E-08 8.246E+1220 0.003 78.500 5.211E-08 8.246E+1221 0.003 80.690 3.722E-08 5.714E+1122 0.003 93.930 3.628E-08 5.714E+1123 0.003 96.370 9.749E-07 6.935E+1124 0.0005 13.450 1.138E-06 6.935E+1125 0.001 23.050 1.452E-06 6.935E+1126 0.0015 27.100 1.29E-06 6.935E+1127 0.0015 30.500 1.536E-06 6.935E+1128 0.002 34.150 1.894E-06 6.935E+1129 0.003 41.550 4.11E-07 2.479E+1130 0.003 52.200 2.933E-07 2.479E+11
Tabla 6.6. Resultados para brocas helicoidales de Tungsteno.
Al graficar los anteriores números adimensionales, se obtiene lo que se muestra a
continuación:
IM-2005-II-17 46
Figura 6.5. Gráfica de Mecanizado para brocas helicoidales de tungsteno.
La gráfica logarítmica correspondiente es la siguiente:
Figura 6.6. Gráfica de Mecanizado Logarítmica para brocas helicoidales de tungsteno.
IM-2005-II-17 47
Las brocas helicoidales de tungsteno tienen una corta vida, en comparación con
las otras, cuando trabaja con materiales duros. Esto se debe a que la herramienta
es frágil.
6.4. Comparación de los resultados
Para comparar los resultados de cada herramienta, se graficaron los puntos de
cada una y se obtuvo lo siguiente:
Figura 6.7. Gráfica General de Mecanizado.
La gráfica anterior no presenta un comportamiento singular de los puntos, por tanto se
utilizó un gráfica log-log para analizar la información, la cual se muestra a continuación:
IM-2005-II-17 48
Figura 6.8. Gráfica General Logarítmica de Mecanizado.
IM-2005-II-17 49
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En el presente capítulo se presentará un análisis de los resultados mostrados
anteriormente, con el fin de estudiar el modelo propuesto y obtener las
conclusiones correspondientes. Las cuales, indicarán una aplicabilidad posible en
el proceso del taladrado.
Se observa en la figura 6.8 que los puntos ubicados en la parte superior derecha,
corresponden a los materiales de trabajo más duros, los cuales implica una vida
menor en la herramienta y condiciones de corte menores. Esto es coherente en el
procedimiento real de mecanizado.
Los puntos que se encuentran en la parte izquierda, son los que corresponden a
los materiales más blandos, lo cual indica que se necesita mayor energía para
desgastar la herramienta en estas condiciones.
En esta misma gráfica se nota, que los puntos que corresponden a cada
herramienta, se agrupan en la parte derecha superior, formando aproximadamente
un triángulo. Esto posiblemente se deba a que la broca posee un límite de
resistencia, es decir, al trabajar con materiales más duros que ella, tiene como
consecuencia un rompimiento de la herramienta en el mismo instante. Lo anterior
sugiere que pueden existir puntos críticos para cada zona.
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Adicionalmente, en la figura 6.8 se observa un agrupamiento de los números
adimensionales para cada herramienta. Es decir, se generan zonas de puntos en
la Gráfica Logarítmica de Mecanizado, los cuales son particulares para cada tipo
de broca helicoidal estudiada. Esto da la posibilidad de realizar una exploración
de los resultados a partir de lo anteriormente mencionado, lo cual se muestra a
continuación
Se tomaron las gráficas logarítmicas para cada herramienta de corte trabajada, y
se unieron los tres puntos más externos que forman un triángulo (figura 7.1).
Luego se halló el área del triángulo y los centros de área para esa zona
seleccionada, con la ayuda del software solid edge V17.
Figura 7.1. Triángulo de la broca helicoidal de Acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio
Posteriormente, se eligió otro punto exterior, el cual permitiera formar una nueva
región (figura 7.2), para repetir el procedimiento anterior de encontrar el área y el
centro de área.
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Figura 7.2. Gráfica de la broca helicoidal de Acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio
Seguidamente, se unieron más puntos ubicados en la parte externa de la zona, y
se hallaron sus respectivas áreas y puntos que corresponden al centro del área.
Las siguientes figuras muestran algunas de las regiones:
(a) (b) (c)
Figura 7.3. Regiones de la broca helicoidal de acero rápido con recubrimiento de titanio.
De acuerdo al anterior procedimiento, se obtuvo lo siguiente:
• Broca de Acero rápido
N Área Centro de área B1
Centro de área B2
1 6.38 1.096E-06 1.047E+14
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2 9.19 4.365E-07 1.122E+143 11.63 4.571E-07 6.026E+134 12.24 3.631E-07 5.495E+135 12.51 3.981E-07 6.026E+136 11.01 2.630E-07 6.310E+137 10.49 2.512E-07 6.918E+138 10.03 2.042E-07 6.457E+139 9.95 1.950E-07 6.310E+13
10 9.12 1.778E-07 4.571E+1311 8.33 2.239E-07 4.571E+1312 8.09 2.570E-07 4.677E+1313 8.08 2.512E-07 4.467E+1314 8.03 2.512E-07 4.467E+1315 7.96 2.399E-07 4.266E+13
Tabla 7.1. Área y centro de puntos para brocas de acero rápido
• Brocas de acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio.
N Área (m2) Centro de área B1
Centro de área B2
1 3.77 3.467E-08 1.622E+152 4.06 3.715E-08 1.479E+153 4.16 3.631E-08 1.413E+154 4.09 3.467E-08 1.380E+155 4.59 3.981E-08 1.905E+156 4.61 4.074E-08 1.905E+157 4.16 4.365E-08 2.630E+158 3.51 5.888E-08 3.236E+159 3.46 5.888E-08 3.388E+15
10 2.93 6.310E-08 2.399E+1511 3.33 3.802E-08 1.905E+1512 2.69 5.370E-08 1.950E+1513 2.71 5.495E-08 1.995E+1514 2.69 5.370E-08 1.995E+1515 2.68 5.370E-08 1.995E+15
Tabla 7.2. Área y centro de área ara broca de acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio.
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• Brocas de Tungsteno
N Área (m2) Centro de área B1
Centro de área B2
1 5.77 1.148E-06 9.120E+132 6.74 7.762E-07 5.129E+133 8 1.023E-06 1.148E+134 9.05 1.698E-06 5.370E+135 10.26 1.738E-06 6.761E+136 9.73 1.585E-06 7.762E+137 9.54 1.698E-06 7.943E+138 9.37 1.778E-06 8.128E+139 8.79 1.318E-06 6.310E+13
10 8.92 1.380E-06 6.761E+1311 8.96 1.380E-06 6.918E+1312 9.04 1.549E-06 6.607E+1313 8.87 1.479E-06 6.761E+1314 7.43 1.995E-06 5.754E+1315 7.19 2.089E-06 5.623E+13
Tabla 7.3. Área y centro de área para brocas de tungsteno.
De acuerdo a los datos anteriores se encontró lo que se muestra a continuación:
Tipo de Broca Característica Área Centro de área B1
Centro de área B2
Promedio 9.536 2.979E-07 5.879E+13Acero rápido Desviación estándar 44.710 3.667 1.71
Promedio 3.563 4.578E-08 1.995E+15Acero rápido con recubrimientoDesviación estándar 6.931 1.333 1.556
Promedio 8.511 1.466E-06 5.952E+13Carburo Desviación estándar 21.261 1.511 4.126
Tabla 7.4. Promedios y desviaciones estándares.
El análisis estadístico que se busca hacer, para comparar las tres medias y
determinar si hay diferencias entre las tres zonas halladas experimentalmente, es
con la prueba t student. Para realizar esta evaluación se tomó la población de
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datos, que corresponden a los centros de área para cada herramienta, lo cuales
fueron mostrados anteriormente.
La prueba de hipótesis para compara los tres grupos es la siguiente:
H0: El punto que indica el centro de área en ambos grupos es igual.
La prueba t student se basa en el siguiente estadístico:
mnmnSmSn
YXt
yx 112
)1()1( 22
+−+
−+−
−= (5)
Donde X y Y son los valore promedios de las poblaciones, n y m son las
cantidades de poblaciones correspondientes, y Sx y Sy son las cuasivarianzas
muestrales respectivas.
Teniendo en cuenta lo anterior se llegó a lo siguiente:
Brocas helicoidales de acero rápido convencional y acero rápido con
recubrimiento de óxido de titanio:
centro de área B1
centro de área B2
t 5.450 19.671
Tabla 7.5. Comparación de herramientas entre acero rápido convencional y con recubrimiento.
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Brocas de acero rápido y de Tungsteno:
centro de área B1
centro de área B2
t 4.526 0.031
Tabla 7.6. Comparación de herramientas entre acero rápido y carburo
Herramientas de acero rápido revestidas y de carburo:
centro de área B1
centro de área B2
t 26.689 9.177
Tabla 7.7. Comparación de herramientas entre acero rápido con recubrimiento y de tungsteno.
Con un 90% de confiabilidad, se concluye que existen diferencias entre los valores
de centro de áreas de cada herramienta, es decir se rechaza H0, con la excepción
de áreas de B2, de las herramientas de acero rápido convencional y de tungsteno.
Se puede observar, que existe poca diferencia entre los centros de área
correspondientes al número adimensional B2, el cual relaciona la energía del
proceso. Esto se debe a que se utilizaron condiciones de corte similares y los
mismos materiales de trabajo en cada herramienta. Lo anterior sugiere que los
operarios desconocen las mejores condiciones para utilizar las herramientas de
carburo. La herramienta esta diseñada para trabajar en otras condiciones de corte,
esto indica que posiblemente se verían mejores resultados de la vida de la
herramienta, si se aumentara la cantidad de energía utilizada en el proceso de
taladrado.
Adicionalmente, de los centros de área pertenecientes al número adimensional B1,
el cual relaciona vida de la herramienta, se puede percibir que la herramienta de
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mejor calidad es la de acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio, y la de
menor calidad es la de tungsteno. Pero, no existe grandes diferencias entre la
broca helicoidal de tungsteno y la de acero rápido convencional, esto se debe a
las mismas condiciones de trabajo utilizadas en el proceso. En cambio, la
herramienta de acero rápido revestida puede evitar el desgaste a la abrasión y a la
difusión, en el proceso de taladrado.
Del particular agrupamiento, observado en cada región, se puede percibir una
inclinación del área, como lo indica la siguiente figura:
Figura 7.4. Gráfica de Mecanizado Logarítmica para Brocas de Acero Rápido.
Lo anterior propone que el material se desgasta más, cuando el proceso es más
eficiente, es decir, le introducimos menos energía a la perforación. Como las
condiciones de velocidad angular (N) y avance (a) son pequeñas, y la energía
para deformar el material de trabajo es grande, la broca debe esforzarse más en el
procedimiento, lo cual implica una disminución de la vida de la herramienta. Lo
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anterior explica los resultados obtenidos con la broca de tungsteno, la cual fue
trabajada a baja condiciones de corte y su desgaste es similar a la herramienta de
acero rápido.
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8. CONCLUSIONES
La mayoría de las condiciones de uso de las herramientas son inadecuadas. El
operario desconoce formas para seleccionar el ambiente apropiado del proceso,
debido a la complejidad de los modelos propuestos. Ellos eligen, según su
experiencia o lo que han aprendido de sus compañeros, es decir, desconocen la
correcta aplicabilidad de las herramientas. El modelo presentado en el proyecto,
con números adimensionales permite diseñar el proceso de taladrado al usuario
de una manera fácil, en el cual con el punto más óptimo y algunas exigencias del
trabajo. Es posible conocer aproximadamente las mejores condiciones de corte
definiendo algunos parámetros, según las necesidades del trabajo.
El modelo permite conocer la calidad del trabajo seleccionado del proceso, es
decir al hallar los números adimensionales B1 y B2 de acuerdo al condiciones de
corte previamente elegidas. Eso se logró ver con los resultados de los
experimentos realizados de la herramienta de tungsteno
La broca helicoidal es una herramienta que trabaja en condiciones severas, debido
al proceso de perforación, el cual es el de deformar y arranca material en forma de
viruta. Lo cual, implica que las herramientas para seleccionar las condiciones de
corte adecuadas proporcionan una ayuda para la optimización del proceso de
mecanizado.
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Es recomendable escoger las brocas helicoidales, de acuerdo a su capacidad y
calidad en el trabajo, para obtener la mejor utilidad de la misma en el proceso de
taladrado. Entonces, es recomendable tener en cuenta varios factores para
disminuir los costos. Esto es posible con la grafica de Mecanizado, la cual permite
comparar herramientas de corte de acuerdo al rendimiento particular que posee
cada una, según sea el ambiente de trabajo.
La broca helicoidal de acero rápido con recubrimiento de óxido de titanio puede,
ser una mejor opción entre diversos tipos de herramientas como la de acero rápido
convencional y de tungsteno. Esta herramienta proporciona una larga vida en
comparación de las otras dos, lo cual permite disminuir costos de reafilación,
tiempo de producción y otros.
Se sugiere que el valor promedio de los centros de puntos de cada área sean los
números adimensionales, en los cuales se pueda realizar un diseño para el
procedimiento de taladrado. El teorema del límite central permite escoger el
promedio de los puntos que indican el centro de área de las diferentes regiones
para cada herramienta de corte. Adicionalmente, este valor indica la ubicación
intermedia entre los dos factores tenidos en cuenta, los cuales son de energía y
vida de la herramienta. De acuerdo a esto se tienen la siguiente gráfica, de los
valores de la Tabla 7.4:
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Gráfico de puntos óptimos
0,000E+002,000E-074,000E-076,000E-078,000E-071,000E-061,200E-061,400E-061,600E-06
0,000E+00
5,000E+14
1,000E+15
1,500E+15
2,000E+15
2,500E+15
B2
B1
Broca deAcerorápido
Broca deAcerorápidoconrecubrimientoBroca det t
Figura 8.1. Gráfica de los puntos óptimos, en escala logarítmica.
Haciendo un buen uso de los elementos presentados en este proyecto de grado,
se pueden alcanzar observaciones significativas del comportamiento de la broca
helicoidal, cuando es sometida a diferentes condiciones de corte. Finalmente, se
elaboran explicaciones físicas, accediendo comprobar algunos argumentos de la
vida de una herramienta.
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9. SUGERENCIAS PARA FUTUROS TRABAJOS
Se podría desarrollar y proponer otros métodos para encontrar el punto óptimo del
proceso, según el tipo de herramienta. El cual permitiría diseñar el proceso de una
manera más precisa y confiable
Establecer puntos críticos de las herramientas seleccionadas, para conocer la
magnitud de las zonas de las herramientas de corte. Lo cual, permitiría visualizar
el comportamiento del proceso, según los números adimensionales.
Diseñar un mejor método, para medir el desgaste en las guías, el cual sea más
preciso y exacto. Esto otorgaría un análisis más detallado de la vida de la
herramienta.
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10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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