Tema 9: Fundamentos del Mecanizado PDF

FUNDAMENTOS DEL MECANIZADO FUNDAMENTOS DEL MECANIZADO MECÁNICA DEL CORTE FUNDAMENTOS DEL MECANIZADO Tema 9 Mecánica del Corte MECÁNICA DEL CORTE...

FUNDAMENTOS DEL MECANIZADO FUNDAMENTOS DEL MECANIZADO MECÁNICA DEL CORTE FUNDAMENTOS DEL MECANIZADO Tema 9 Mecánica del Corte MECÁNICA DEL CORTE Interface Objetivos Material ObjetivosObjetivos Conocer los principios básicos Conocer los de la formación deprincipios la virutabásicos y Ø Conocer los principios Microestructura 9597 Proceso Mecánicos Propiedades del material su de la formación influencia en las de la viruta fuerzas de y Esfuerzos residuales básicos de sulainfluencia formació n de en las fuerzas de Tratamiento térmico corte y el la viruta ycortedesgaste su influencia de laenla Fricción Interacción con material y el desgaste de Refrigerante/lubricante herramienta las fuerzas de corte y el herramienta Condiciones de corte desgaste de la herramienta Herramienta de corte Introducir el mecanizado Introducir el mecanizadode de Máquina Herramienta alta velocidad alta velocidad Ø Introducir el mecanizado de Torneado/Fresado/taladrado alta velocidad Dinámica de la máquina Diseño de la instalación Material de la herramienta Geometría de la herramienta Dispositivo de sujeción Preparación de los bordes Revestimiento 1 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  Mecánica del Corte Tema 9 Ø Corte ortogonal vs corte oblicuo. Ø Mecánica de formación de viruta ⟶ Tipos de viruta. 9597 Proceso Mecánicos Ø Cinemática y Dinámica del corte ortogonal. Ø Balance energético en el mecanizado. Ø Desgaste de herramienta. Ø Refrigeración y lubricación. Ø Mecanizado de alta velocidad. 2 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 TIPOS DE VIRUTAS La observación de las virutas producidas en un torno, pueden presentar aspectos distintos, dependiendo de; el avance, la profundidad de corte, velocidad, geometría de la herramienta, 9597 Proceso Mecánicos material de la pieza, fluido de corte, etc. Las virutas de materiales dúctiles pueden ser: 1) En cintas rectas, de manipulación peligrosa, ya que además de caliente, presentan una astilla peligrosa en el borde. 2) En cintas retorcidas, que forman un enmarañado y se enroscan en la pieza y la herramienta. 3) En cintas helicoidales, con aspecto de resortes 4) En cintas en espiral 5) En cintas helicoidales 6) En cintas espirales cónicas 7) En coma, al ser pedazos cortos que se desprenden de la pieza y pueden volar a altas velocidades por el taller, constituyendo un peligro para el operador. 3 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 a b 9597 Proceso Mecánicos c Comparación del volumen ocupado por un mismo peso de virutas; a) En forma de coma; b) En hélice de diámetro pequeño; c) Cinta retorcidas 4 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  DEFORMACIÓN Y DESPAZAMIENTO DE LOS CRISTALES Tema 9 9597 Proceso Mecánicos Modelo demostrativo de las direcciones de flujo Esquema que muestra los planos de de cizallamiento de los cristales de la viruta. cizallamiento y de deformación de la viruta. 5 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  MICROGRAFÍA DEL DESPRENDIMIENTO DE VIRUTA Tema 9 - EFECTO DEL ANGULO DE DESPRENDIMIENTO 9597 Proceso Mecánicos Influencia del ángulo de salida γ en la forma de la viruta en el mecanizado de acero a) γ = +20° ; γ = 0° ; γ = - 20° 6 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  Mecánica del corte Corte ortogonal vs Corte oblicuo Corte ortogonal CORTE ORTOGONAL Y OBLICUO Tema 9 El filo de la herramienta (OF) es perpendicular a velocidad de corte (v). Mecánica del corte Corte ortogonal Corte ortogonal § El vs Corte filo de la herramienta oblicuo (OF) es perpendicular a velocidad de corte (v). 9597 Proceso Mecánicos Corte ortogonal 𝜆 = 90º El filo de la herramienta (OF) es perpendicular a velocidad de corte (v). Corte oblicuo El filo de la herramienta (OF) y la velocidad de corte (v) no forman un ángulo recto, sino l 0 (inclinación del filo) y/o X 90 (posición). Corte oblicuo § El filo de la herramienta (OF) y la velocidad de corte (v) no forman un ángulo recto, sino 𝜆 ≠ 0 (inclinación del filo) y/o 𝜒 ≠ 90 (posición). 𝜆 ≠ 90º Corte oblicuo 7 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 El filo de la herramienta (OF) y la velocidad de corte (v) no forman un ángulo recto, sino l 0 (inclinación del filo) y/o X 90 (posición).  Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal Modelos de MODELOS DE FORMACIÓN DE formación LA VIRUTA de la viruta Tema 9 9597 Proceso Mecánicos Z MODELO DE PIJSPANEN MODELO DE Plano de cizallamiento PIJSPANEN X=90º; l=0º Plano de cizallamiento Mat. Pieza maleable 𝝌 = 𝟗𝟎º ; 𝝀Hta = 𝟎º rígida Mat. PiezaRégimen maleableestacionario Herramienta rígida Flujo continuo Régimen estacionario Y de viruta Flujo continuo de viruta 8 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  FORMACIÓN DE LA VIRUTA Tema 9 Fotografia de formación de la revava 9597 Proceso Mecánicos Segmentos de Rebaba Herramienta de Corte Plano de Corte Movimiento de la pieza 9 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal Parámetros geométricos PARÁMÁngulo de cizallamiento, ETROS GEOMÉTRICOS Tema 9 Formado por el plano de cizallamiento con la superficie a mecanizar. Ø Ángulo de cizallamiento, 𝜙 Depende de: material de pieza y conds de corte. § Formado por el plano de cizallamiento con la Formación superficie a mecanizar. de viruta: proceso de deformación plástica. § Depende de: material de pieza y condiciones de corte. Disminuye la longitud y aumenta 9597 Proceso Mecánicos el h hc § espesor Formació de la proceso n de viruta: viruta. de deformación plástica. Causas para una mayor deformación: Z § Disminuye la longitud y aumenta el espesor de la viruta. menor , y menor (mayor s). hD § Causas para una mayor deformación: ü Menor 𝛾, y Y ü menor 𝜙 (mayor ∆𝑠). 10 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  Corte ortogonal y oblicuo Sección de la viruta Sección de la viruta Tema 9 Corte oblicuo y ortogonal 𝑺=𝒑.𝒂=𝒃.𝒉 S p.a b.h 𝒑 = 𝒃. 𝒔𝒆𝒏𝝌 9597 Proceso Mecánicos p b.𝒉sen 𝒂= h 𝒔𝒆𝒏𝝌 a sen 11 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  Sección de la Corte ortogonal y oblicuo Sección de la viruta mat. no arrancado necesida Tema 9 Corte oblicuo y ortogonal Sección de la viruta Materialmat. no cortado → no arrancadonecesidad de filo necesidad de secundario filo secundario 9597 Proceso Mecánicos Espesor de viruta equivalente: Espes Espesor de viruta equivalente: he = área sección viruta / long filo he = áre cortante he = área sección viruta / long filo cortante cortante 𝑝. 𝑎 = 𝑙. ℎ& p. a = l. he 12 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  TRIANGULO DE VELOCIDADES Tema 9 Determinación del Ángulo de Cizallamiento 9597 Proceso Mecánicos Determinación del ángulo de cizallamiento Donde: hD = Espesor de viruta teórica hch= Espesor de viruta real 13 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  Mecánica del corte Mecánica del corte Cinemática del corte ortogonal Cinemática Cinemá'ca del corte ortogonal v, veloc. de corte: relativa entre hrrta y pieza, debida Tema 9 al mov. de corte. v, ve 𝑣, velocidad de corte: relativa entre herramienta y vs, veloc. de deslizamiento de la viruta respecto pieza. al mov pieza, debida al movimiento de corte. vc,laveloc. derespecto deslizamiento de la viruta respecto hrrta. vs, v 𝑣𝑠 , veloc. de deslizamiento de viruta pieza. Velocidad de deformación muy elevada: = vs/ y = 102 vc, v 𝑣𝑐, velocidad de deslizamiento106 s-1 (ensayos de fluencia 10-2; choque 102) de la viruta respecto ? Usar Veloc de la herramienta. 106 s- 9597 Proceso Mecánicos características comunes de materiales ensayos propios Velocidad de deformación muy elevada: ( y cte separación de planos de deslizamiento 0.018 0.18 mm) caracte 𝜀! = 𝑣" ⁄∆𝑦 = 10# ÷ 10$ 𝑠 %& (ensayos de fluencia 10%# ; ( y cte sep choque 10# ) ⟶ ? Usar características comunes de materiales ⟶ ensayos propios (∆𝑦 cte separación de planos de deslizamiento 0.018÷0.18 mm) vs vc v 𝑣) 𝑣* 𝑣 = cos𝑐𝑜𝑠𝛾 sen = 𝑠𝑒𝑛𝜙 cos( cos(𝜙 − 𝛾)) La máxima velocidad a la que puede fluir la viruta c h ℎ+ sen 𝑠𝑒𝑛𝜙 sobre la superficie de vc v 𝑣* = 𝑣.vℎ = v 𝜁. 𝑣 = 𝑣 cos(𝜙 − 𝛾) la ⟶ velocidad a la que max desprendimiento de e *, cos( ) 𝑣vc puede fluir herramienta la viruta sobre laes 𝑐𝑜𝑠𝛾 (velocidad de corte). 𝑣) =cos 𝑣 sup desprendimiento de hrrta vs v cos(𝜙 − 𝛾) cos( ) es v (velocidad de corte). vs 14 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  Mecánica del proceso de corte Tema 9 En el caso general, la fuerza total F que actúa entre la herramienta y la pieza de trabajo durante el proceso de mecanizado y una fuerza espacial que puede ser considerado como formado por componentes: a.- Geométrica, que surge de la descomposición vectorial de la fuerza total en ejes secundarios. 9597 Proceso Mecánicos b.- Física, debido a las acciones físicas específicas en ciertas direcciones (fricción, empuje, cizallamiento, etc.), cuya acción simultánea produce toda su fuerza. Para el análisis se considera un caso particular de mecanizado ortogonal, suponiendo: 15 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  Dinámica del corte Análisis de las fuerzas de corte ortogonal En corte ortogonal, la fuerza total F está contenida en el plano Tema 9 normal al filo de la herramienta. F se descompone según 3 sist. deSDVfuerzas (círculo de Merchant): Dirección del mov pral de corte y avance: Ft (Fc) y Fn (Fa). Ft Fc F cos( ) ó Fa/Fc = tg( - ) Fn Fa Fsen( ) SI 9597 Proceso Mecánicos Plano de cizalladura FS y normal: Fs y Fsn F F cos( ) PC FCs Fsn FsenX ( ) Fnsde hrrta Superf. °y y normal: F y F n Fa ° ‫ﻻ‬ F FM=FFsen ‫ح‬F r F‫ﻻ‬ F cos ° n F siendo coef. fricción P roz tg R Fn 16 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2  Dinámica del corte Análisis de las fuerzas de corte ortogonal En corte ortogonal, la fuerzag total = 0 F está contenida en el plano Tema 9 Por ser un corte ortogonal c = 90 normal al filo de la herramienta. Donde: F se descompone según 3 sist. de fuerzas (círculo de Merchant): Fuerza de fricción F ‫ ﻻ‬: Esla fuerza de fricción Dirección delentre movlapral herramienta de cortey ylaavance: Ft (Fc) y Fn (Fa). viruta que resiste el flujo de la viruta a lo largo de la cara de inclinada de la herramienta. Ft Fc F cos( ) ó Fa/Fc = tg( - ) Fuerza normal a la fricción Fn‫ ﻻ‬:FEs n la F fuerza a Fsen ( ) a la fuerza perpendicular de fricción. 9597 Proceso Mecánicos Plano de cizalladura y normal: F Los dos componentes se pueden utilizar para definir el coeficiente de s y Fsn Fs F cos( fricción µ entre la herramienta y la viruta: ) Fg Fsn Fsen( ) µ= Fng Þ µ = tan t Superf. de hrrta y normal: F y F n F Fsen Fuerza de cizallamiento o cortante FS : Esla fuerza que causa la F n el plano deformación del corte que ocurre en F cosde cizallamiento o de corte. F siendo Fuerza normal de cizallamiento Fnscoef. : Es lafricción fuerza normal tgfuerza roz a la de cizallamiento o cortante. Fn y° + t ° = 90° Þ y° = 90° - t ° x ° + y° + g = 90° ® x° = 90° - y° - g Þ x° = t ° - g 17 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 Fuerza de corte FC : Esla fuerza que va en la dirección del corte, la misma dirección de la velocidad de corte. Fuerza de avance (empuje) Fa : Es la fuerza normal a la fuerza de corte. Fuerza de Mecanizado o resultante FM - Fr : Es la fuerza resultante o de mecanizado. El área de corte no deformada es A=axp=S a p Luego el área en la superficie de cizalle es: 9597 Proceso Mecánicos As = S s = A senf Según Eugene Merchant el esfuerzo cortante se mantiene constante, ts luego, en base a la fuerza de corte podemos definir el esl esfuerzo de corte que actúa a lo largo del plano de corte entre el trabajo y la viruta como; Fs a× p ts = Þ Fs = t s As = t s As senf El esfuerzo cortante determinado anteriormente representa el nivel de esfuerzo requerido para realizar la operación del maquinado. En principio, este esfuerzo es igual al esfuerzo cortante del material de trabajo bajo las consideraciones que ocurre el corte. 18 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 La suma vectorial de las componentes de las fuerzas FS y Fns, da como resultado la fuerza resultante FM. Ninguna de las cuatro fuerzas componentes F‫ﻻ‬, Fn‫ﻻ‬, FS, y Fns pueden medirse directamente en una operación de maquinado. Sin embargo, es posible, instrumentar en la herramienta de corte un dispositivo medidor de fuerza, como, un dinamómetro, de manera que pueda medirse directamente las dos fuerzas en componentes adicionales, es decir, FC y Fa. 9597 Proceso Mecánicos Tomando como base las fuerzas que pueden calcularse se tiene: FC = FM × cos(t ° - g ) FS = cos(f + t ° - g ) FM FS FM = cos(f + t ° - g ) ts × A FM = senf × cos(f + t ° - g ) t s × A × cos(t ° - g ) FC = senf × cos(f + t ° - g ) 19 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 La potencia mecánica se puede determinar por: Pot mec = Fc × vc +Fa × va +Fp × v p La Potencia de avance tiende a cero ya que vc >>>>> va y la potencia de penetración 0 ya que vp = 0, luego; Pot mec = Fc × vc 9597 Proceso Mecánicos Derivando la fuerza de corte respecto al ángulo de cizallamiento e igualando a cero, se determina la ecuación de Merchant: ¶Fc = 0 Þ 2f + t ° - g = 90 ¶f Una de las suposiciones que se basa la ecuación de Merchat, es que la resistencia al corte del material de trabajo es una constante a la que no le afecta la velocidad de deformación, la temperatura y otros factores. Dado que estas suposiciones no corresponden a las operaciones prácticas de maquinado, debe considerarse más como una relación aproximada entre sus términos que un enunciado matemático preciso. 20 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 Factor de recalcado, FR Espesor viruta real FR = Espesor viruta teórica h ch cos(f -γ) 9597 Proceso Mecánicos FR = = Ah = hD senf Esbeltez de la viruta, G G = b; b = p/senc y h = a × senc h p G= b = h a × sen 2χ Donde G varia de 5 ÷ 15 21 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 La formación de viruta depende del tipo de material que se maquina y de las condiciones de corte de la operación. Se pueden distinguir tres tipos básicos de viruta. a) Viruta discontinua. Cuando se maquinan materiales relativamente frágiles (por ejemplo, hierro fundido) a bajas velocidades de corte, la viruta se forma frecuentemente en segmentos separados. Estos tiende a impartir una textura irregular a la superficie maquinada. Una alta fricción herramienta viruta y los avances y profundidades grandes de corte promueven la formación de este tipo de viruta. 9597 Proceso Mecánicos b) Viruta continúa. Cuando se cortan materiales de trabajo dúctiles a velocidades altas con avances y profundidades pequeños se forman virutas largas y continuas. Cuando se forma este tipo de viruta se obtiene un buen acabado de la superficie. Un borde cortante bien afilado en la herramienta y una baja fricción herramienta viruta propician la formación de virutas continuas. c) Viruta continúa con acumulación en el borde. Cuando se maquinan materiales dúctiles a velocidades bajas o medidas, la fricción entre la herramienta y la viruta tiende a causar la adhesión de porciones de material de trabajo en la cara inclinada de la herramienta. Esta formación se llama filo postizo. La formación de esta acumulación es de naturaleza cíclica; se forma y crece, luego se vuelve inestable y se rompe. Gran parte de la acumulación de desecho se la lleva la viruta. Sin embargo, algunas porciones pueden incorporarse a la superficie de trabajo recién formada, ocasionando que la superficie se vuelva rugosa. 22 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 La fuerza de mecanizado es función de; FM =f((vc ,a,p); Mat. a mec; Mat. hta.; Geo. hta; Tipo proc.; Fluido corte, etc.) ts µ 9597 Proceso Mecánicos Las fuerzas de mecanizado para la mayoría de los materiales, disminuye con un aumento de la velocidad de corte, debido a un aumento de temperatura en la zona de influencia en un área más reducida de contacto. 23 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 9597 Proceso Mecánicos Existe una relación directa entre el espesor de viruta no deformada (hD) y la fuerza de corte, donde en la figura Fini es la fuerza necesaria para deformar el material antes de que se forme alguna viruta. La magnitud de esta fuerza varía con el tipo y condición del material de la pieza. La tendencia a las vibraciones es una consecuencia de la s fuerzas de corte. Al igual que la flexión de la herramienta o pieza, éstas pueden verse afectadas por variaciones en el proceso de corte, como por ejemplo, aumento de variables en la pieza o condiciones del material, así como la formación de filos postizos. 24 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 Al igual que es importante el diseño de la geometría de corte para proporcionar una rotura de viruta suave, la utilización de un ángulo de desprendimiento positivo, y las velocidades de corte más altas tienen generalmente una influencia favorable en las vibraciones producidas por las fuerzas de corte. 9597 Proceso Mecánicos Es importante alcanzar la estabilidad del sistema, que se obtiene por los distintos factores en el proceso de mecanizado. La calidad del portaplaquitas y su capacidad para fijar con seguridad las plaquitas intercambiables es uno de los factores más importantes. Fuerza específica de corte Ks Ks = Potencia de mecanizado Flujo volumetríco de la viruta 25 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2 Tema 9 ! K s = Pmec = W ! V mm3 /mit Fc × vc F N \ Ks = = c a × p × vc a × p mm 2 9597 Proceso Mecánicos El diagrama comparativo para fuerza específica de corte KS muestra que ésta disminuye conforme aumenta el espesor de viruta sin deformar, dependiendo del tipo de material, como puede verse para: (A) acero inoxidable, (B) acero aleado y (C) fundición gris. 26 Francisco Valenzuela Gálvez. 2024 rev. 2