La Maquinabilidad de los Metales

Maquinabilidad: facilidad con la que un material dado puede trabajarse con una herramienta de corte

VARIABLES QUE AFECTAN LA MAQUINABILIDAD

Del material a mecanizar

Dureza Resistencia a la tracción Composición química Microestructura Grado de trabajado en frío Endurecibilidad por deformación

De máquina

Velocidad de corte Avance y profundidad Geometría de la herramienta Material de la herramienta Fluido de corte Forma y dimensiones de la pieza Rigidez e inmunidad al vibrado Naturaleza del contacto herramienta-pieza

Criterios comunes para juzgar la facilidad de corte

CRITERIOS ESPECÍFICOS (usados en ensayos rápidos para juzgar la facilidad de maquinado) Momento o presión de corte en taladrado. Tiempo de taladrado. Temperatura de la herramienta y de la viruta. Valor de endurecimiento de la viruta durante su remoción. Razón de corte de la viruta. Valores combinados de las variables mecánicas que controlan las fuerzas y la geometría de la

viruta.

CRITERIOS DE

EVALUACION

DURACION FILO HERRAMIENTA

FUERZAS Y POTENCIA CONSUMIDAS

ACABADO SUPERFICAL

COSTO

DISEÑO/ COSTO

COSTO

FACILIDAD PARA ELIMINAR LAS VIRUTAS

(generales)

Métodos comunes p/especificar la Vida de la Herramienta.

1) Tiempo de máquina (incluye corte intermitente)

2) Tiempo de corte real (definición común de vida de la herramienta).

3) Volumen de metal removido

4) Número de piezas maquinadas

5) Velocidad de corte equivalente (para un determinado tiempo de vida)

6) Velocidad de corte relativa: velocidad de corte que permite obtener un tiempo de corte real para el material de ensayo, del mismo valor que el de un material standard, cuando se mecaniza con la misma herramienta bajo ciertas condiciones. También llamada “maquinabilidad relativa” o “maquinabilidad porcentual”. En este último caso, al material standard se le asigna un valor de 100.

Modos de falla de la herramienta

1) POR DESGASTE DEL FLANCO2) POR SOCAVADO (cratering)3) POR DESMENUZADO4) Por combinación de los modos básicos (1,2,3)

ZONAS DE

DESGASTE

Parámetros geométricos de las zonas de desgaste

(ISO/TC 29/WG 22.2)

Desgastes en la herramienta

Progresión del desgaste en función del tiempo

(Metal duro, Vc = 1m/s)

Zona no sensible a la temperatura

Zona sensible a la temperatura

Criterios comunes para juzgar el fallo de la herramienta

1) Deterioro completo

1) Fallo preliminar: banda bruñida s/ la sup. Transitoria (Herr. de Ac. Rápido)

1) Fallo en el flanco: pérdida de material en el flanco (marca de 1/32”)

1) Fallo de la terminación

1) Cambio en las medidas de la pieza

1) Incremento de la fuerza de corte (o potencia)

1) Incremento de la fuerza de empuje

Medición de la vida de la herramienta

• Se han realizado Ensayos de la vida de la herramienta sobre diferentes materiales (con fines de clasificar maquinabilidad), sobre muchos tipos de operaciones de maquinado.

• El método mas común y efectivo es el de tornear con herramientas monocortantes. La información mas segura, se obtiene mediante ensayos normalizados:

ISO 3685-E (1993) “Tool-life testing with single-point turning tools”, sobre la cual se rigen normalmente todos

los ensayos de maquinabilidad

Relación Vida de la Herramienta-Variables de máquina

Velocidad de corte: es la variable que mas influye sobre la duración del filo (T)

tn

c CTV =RELACIÓN EMPÍRICA DE TAYLOR (no se cumple para Vc muy bajas)

Ct y n : constante y exponente, función de otras variables de máquina y del material

Material herramienta nAcero rápido 0,10 a 0,17Metal duro sin recub. 0,18 a 0,30Metal duro recubierto 0,30 a 0,40Cermets y cerámicos 0,40 a 0,60

> Vc ⇒ <T

n : pendiente θ del gráfico Vc-T

Relación Vida de la Herramienta-Variables de máquina (cont.)

Dimensiones del corte: profundidad de pasada (p) y avance (a)

yxA

t apCV =

Vt : velocidad de corte equivalente (para una duración T del filo)CA : constante, función de otras variables de máquina y del materialx, y : exponentes, valores promedio 0,37 y 0,77

77,037,0 apCV A

t =

Dimensiones del corte

zoVt ACV −= )1000(

a/p ≈ 1/5 a 1/10

Ao = a (mm/v).p (mm) mm2 /vuelta

Si Ao2 = 2. Ao1, Vt2 = 0,75 . Vt1 La velocidad Vt se redujo en una proporción menor, respecto de Ao

Relación Vida de la Herramienta-Variables de máquina (cont.)

Forma y ángulos de la herramienta

α es el de mayor influencia sobre T. Efecto leve para valores normales de α Angulo de

ataque α [º]Angulo de cuña β [º]

Angulo de incidencia γ [º]

Material a mecanizar

0 84 6 Fundición de hierro chilled. Latón y bronce duro.8 74 8 Acero y acero colado ; Fundición de hierro. Latón. Bronce.

14 68 8 Acero y acero colado. Fund. de hierro (< 200 Bhn). Latón liviano

20 62 8 Acero y acero colado (Resist: 50-70000 psi)27 55 8 Bronce medio y liviano y acero (Resist<50000 psi)40 40 10 Aleaciones livianas

Radio de la punta Forma del filo de corte Naturaleza operativa (tornear, cepillar, taladrar, etc.)

HerramientasHSS

Aumento de: Vida de la herramienta TAngulo de ataque (α) Crece – Luego decrece (*)Angulo de Incidencia (γ) Crece – Luego decrece (*)

Angulo de Posición (κr) DecreceRadio de la Punta Crece

(*) T decrece cuando α y γ aumentan demasiado, porque

el filo se debilita

Relación Vida de la Herramienta-Variables de máquina (cont.)

Material de la herramienta: Ejerce gran influencia sobre T.

> 5….…….……Carburo sinterizado1.411.0180.8-0.85242020-4-2+18 % Co1.360.75100.8-0.85241818-4-2+10% Co1.180.550.7-0.75142818-4-1+ 5% Co1.15....0.85-1.1341818-4-31.060.75..0.8-0.85241818-4-21.00....0.7-0.75141818-4-10.88.....0.7-0.8141414-4-1

MoCoCVCrWMultiplicar

CV porComposición química [%]Material

Herramienta

Factor de Corrección de Cv para distintos materiales de herramientas

Fluido de corte♣ Reduce la fricción (acción abrasiva sobre la herramienta)♣ Disipa rápidamente el calor generado♣ Evita calentamiento excesivo de la herramienta

Relación Vida de la Herramienta-Variables de máquina (cont.)

Rigidez e inmunidad al vibrado, Forma y dimensiones de la pieza

Naturaleza del contacto de la herramienta con la pieza

Factores favorables

Rigidez de la máquinaRigidez de la herramienta y sujeciónRigidez del montaje de la piezaAusencia de vibradoPieza robusta

Condiciones favorables

Angulo c: operaciones de planeado con fresa frontal

AcD/2

Avance

Punto de contacto

Plano lateral de la pieza

Contacto continuoPrimer contacto en cara de ataque

Relación Vida Herramienta-Variables material de la piezaLa “Maquinabilidad Relativa o Porcentual” del material a mecanizar se expresa en

unidades de velocidad de corte relativa.

Indice de maquinabilidad de metales ferrosos

Ejemplo: Un acero AISI 1040 trabajado a 140 m/min permite una duración del filo T=30 min. Si acero AISI 1020, la Vc para la misma duración (Vt= V30).

V30 (p/acero AISI 1020) = 140 . 65 = 182 m/min 50

Relación Vida Herramienta-Variables material de la pieza (cont.)

Velocidad de corte relativa - Dureza Brinell“Resulta útil estimar velocidades de corte de prueba, y luego ajustar valores a

cada caso particular”

10

100

1000

10000

10 100 1000Dureza Brinell

Vel

ocid

ad d

e C

orte

(fpm

)

20,000 50,000 100,000 Resistencia a la Tracción

Acero al C

Stellite

Acero rápido-CoAcero rápido 18-4-1

Mg y aleac.

Latón y aleacAl. y aleac y Plast

Acero al CFund.Fe

Acero aleado

Acero Inox

Metal Duro (Fundición de Fe)

Metal Duro (Acero)

Es conveniente relacionar T con propiedades del material fácilmente medibles

Relación Vida Herramienta-Variables material de la pieza (cont.)

Velocidad de corte - Propiedades de tracción: Janitzky, encontró una relación mas precisa para los aceros, en base a la “razón

del límite elástico a su resistencia a la tracción” (Y/S):

)(1052,1

8

60 SY

SV ×= Para Y/S < 0,5

Para Y/S > 0,522,1

8

60 )5,0(25,0[105.2 −−×=SY

SV

siendo:S: Resistencia a la tracción [psi]Y: Límite elástico del acero [psi]Y/S: Razón del límite elástico

Herram: Acero rápido 18-4-1, α=19º, γ=6º, κr= 45º Cond. de corte: p= 0,233”, a=0,039”/rev

Relación Vida Herramienta-Variables material de la pieza (cont.)

Composición Química: no hay una relación precisa entre la CQ y la Vc

Efectos de la Composición química en Aceros sobre la Velocidad de Corte Composición química

C%0.1- 0.3

C%> 0.31

Mn%0.25-2

P%0.0-0.15

S%0.0-0.3

Si%0.0-2.0

Cr%0.0-1.1

Ni%0.0-5.0

Mo%0.0-0.75

V%0.0-0.25

Cu%0.0-1.1

R, F ó A + 2P - 2P - 6P + 6P + 10P - 2P - 2P - 10P - 5P 0 X

A + 2P + 3N - 2L + 6P + 10P - 2L - 2P - 10P - 4P - 1L X

TT -300Bhn 0 0 - 2L + 4P + 8P - 2P 0 - 10P - 4P 0 X

TT- 400Bhn 0 0 - 4L + 2P + 3P - 2P 0 - 10P - 4P ? X

R: Laminado. F:Forjado, A:Recocido (máximo % de Perlita), TT:tratamiento TérmicoP = Efecto proporcional al % de aleante; L = Gran cantidad, mas efectivo; N = Cantidad intermedia, más efectivo; +10 = Efecto muy favorable; 0 = Efecto pequeño o sin efecto; -10 = Efecto muy desfavorable; X = Efecto probablemente desfavorable

Relación Vida Herramienta-Variables material de la pieza (cont.)

Microestructura: Constituyentes duros y tamaño de grano fino acortan la duración T.

Inclusiones duras acortan T: Al2O3 y silicatos en el acero, o Si libre en el aluminioPartículas blandas a la temp. de mecanizado aumentan T: SMn y Pb en aceros y latones reducen µ

Relación generalizada de la vida de la herramienta con las variables de máquina y del material

.Las variables de efecto mas directo y cuantificable se resumen en el nomograma de Gilbert y Truckenmiller. Altas “Vc” y bajos “a” y “p” reducen considerablemente la producción (caudal de viruta removida).

Fuerzas (F) y Consumo de potencia (CP) - variables de máquina

Salvo excepciones, la F y el CP tienen leve influencia s/ el costo del mecanizado (para pequeñas variaciones)

PERO F y CP afectan el tamaño de la máquina a emplear

F y CP afectan a la precisión de las piezas (flexiones en la máquina, pieza, y dispositivos porta-pieza y herramienta).

Especificación y medida de las Fuerzas y la Potencia POTENCIA

Potencia Bruta o total (Pg): entregada p/ el motor, medida s/ la línea de suministro, c/ wattim.

Potencia Neta (Pn): consumida al remover el metal durante el corte,

Pn = Pg . E Pn = Pg - Pt E = Pg – Pt . 100 100 PgE: rendimiento aparente de la M-HPt: potencia perdida p/movtos. en vacíoº Potencia específica (Wn): Pn requerida para remover un volumen unitario en la unidad de

tiempo Wn = Pn C.V U cm3/min

FUERZAS: la fuerza de corte Fc es la componente que mayor influencia tiene en el cálculo de la potencia neta. Medición mediante dispositivo dinamométrico

Pn = Fc . Vc Operando resulta también: Kn = 1 = 396000 Ao 33000 Wn Fc

Relación Fuerzas y Potencia, con las Variables de máquina

Velocidad de corte: Pn ∝ Vc Wn, Kc, y Fc varían con la Vc: Para Vc ≥ 10 m/min (Ac. Rápido) y α>0

Máxima variación de Wn y Kn: hasta 15% ( dentro del rango usual de Vc)

8.09.0 apCFc F=

Dimensiones del corte: de mayor influencia s/ las fuerzas y el consumo de potencia.

yxF apCFc =

yxF

o

apCA

WnKn

3960001 ==

CF = constante, función del material que se corta y del ángulo α x, y : exponentes, valores promedio x = 0,9; y = 0,8

FCap

WnKn

2.01.03960001 ==

Ecuaciones de Kronenberg: roACpFc )1000(=

CpA

WnKn

qo10003961 ==

Relación Fuerzas y Potencia, con las Variables de máquina (cont.)

Forma y ángulos de la herramienta

Valores de Wn en el mecanizado de acero de diferente dureza con herramientas de distinto ángulo α

Relación Fuerzas y Potencia, con las Variables de máquina (cont.)

Material de la herramienta: influye cuando el coeficiente µ entre los materiales de herramienta y pieza asume valores particulares, caso diamante-cobre, herramientas cerámicas, CBN, recubrimientos duros, etc.

Fluido de corte: reduce fuerzas y potencia al disminuir la fricción, (Vc bajas y normales). A Vc altas solo tiene acción refrigerante, debido al obstáculo que oponen las virutas para que el fluido actúe a tiempo y en cantidad suficiente.

Efecto del material de herramienta sobre la Fc en el mecanizado de Cu.

0

20

40

60

80

0 100 200 300 400 500 600

Velocidad de Corte [pie/min]

Fuer

za d

e C

orte

[lb] x

xxHerr:Acero Rápido (18-4-1)Ang.Ataque:4º30´Ang.Incidencia:3ºRa: 1.5 µpulg

Material: Tubo de Cu: Esp: 1/16"Avance: 0.0011pulg./min

Herr: DiamanteAng.Ataque:4º50´Ang.Incidencia:3ºRa: µ.pulg

Relación Fuerzas y Potencia, con las Variables del material de la pieza

Para distintos tipos de mecanizado y materiales Fuerzas-Dureza- alfa

Microestructura: escasa influencia, salvo cuando afecta a la dureza o a la resistencia

Inclusiones insolubles duras (p.ej. Al2O3) no influyen sobre Pn Inclusiones blandas (SMn o Pb en aceros, o Pb en latones) pueden reducir Pn y reducen la

fricción sobre la cara de ataque

Trabajo en frío y endurecibilidad por deformación: Entre metales de igual dureza, requerirá menos Pn el de menor endurecibilidad por deformación

Relación generalizada de Pn y las fuerzas con las variables de máquina y del material

Nomograma de Gilbert y Truckenmiller: resume los efectos de las variables mas importantes, en el caso de los aceros (diferencia con datos experimentales ∼ 35%)

Acabado Superficial y su relación con las Variables prácticas

El acabado no forma parte de los cálculos de mecanizado para obtener la máxima producción o vida útil del filo.

Para obtener un buen acabado se tendrán en cuenta las características del material y las condiciones de corte VC, a y p.

Hay 2 causas principales de rugosidad superficial:• Marcas de avance dejadas por la herramienta• Fragmentos de filo recrecido esparcidos sobre la superficie

Relación Acabado Superficial - Variables de máquina

Velocidad de corte: el acabado mejora al aumentar Vc, hasta una Vc crítica en la que el filo recrecido desaparece (90 a 150m/min)

Factores que influyen sobre la Vc crítica

Material de la pieza Material de la herramienta Geometría de la herramienta Fluido de corte

Variación típica de la rugosidad con la Vc

Relación Acabado Superficial-Variables de máquina (cont.)

Dimensiones del corte: Ao tiene gran influencia sobre la terminación. Ao grande → acabado superficial pobre Ao pequeña → buen acabado un “a” grande perjudica mas al acabado que una gran “p” Fundición Rq = 16000 a + 14 V= 300pie/min Rq = 760 p + 60

Forma y Ángulos de la herramienta:

los diseños de insertos, con conformadores de viruta y manejo del flujo pueden mejorar el acabado

Ang y forma de la herram Efecto s/ el acabado CausaAngulo de ataque ( α) Sensible mejora < fricción , < t2

< filo recrecidoAngulo de incidencia (γ ) Leve deterioro < filo recrecidoAngulo de posición (κr) Leve a sensible mejora < t2 < filo recrecido

Angulo frontal filo sec. (κc) Sensible deterioro > altura de huellas

Radio de punta Sensible mejora < altura huellas

Relación Acabado Superficial-Variables de máquina (cont.)

Material de la herramienta Escaso efecto con herram. de metal duro e inferiores (p/ una dada Vc), pero

mejora al aumentar la Vc c/ herr. de metal duro El diamante, a igual Vc, produce mejor acabado, por < µ Cerámicas, CBN, diamante policristalino y recubr. duros, por igual causa,

permiten terminaciones de altísima calidad

Fluido de Corte: Normalmente mejora la terminación porque disminuye la fricción

reduciendo el filo recrecido El efecto desaparece a muy altas Vc

Relación Acabado Superficial - Variables Material de la pieza

Dureza y resistencia elevadas, junto a baja ductilidad y endurecibilidad por deformación (por trabajado en frío) , conducen a un buen acabado.

Microestructura: Ver tablas

Composición química: El agregado de S o Pb al acero o latón mejora el acabado