Tema 4.1. Teoría del mecanizado PDF

1. Introducción al Mecanizado Concepto de mecanizado Proceso de fabricación  conformado Arrancar el exceso de material en forma de virutas o partículas Piezas procedentes de fundición, forja, laminación o pulvimetalurgia Utilizando máquinas y herramientas cortantes adecuadas...

1. Introducción al Mecanizado Concepto de mecanizado Proceso de fabricación  conformado Arrancar el exceso de material en forma de virutas o partículas Piezas procedentes de fundición, forja, laminación o pulvimetalurgia Utilizando máquinas y herramientas cortantes adecuadas Para obtener piezas con las especificaciones geométricas deseadas 4 1. Introducción al Mecanizado Ventajas e Inconvenientes Ventajas Inconvenientes Amplia gama de materiales de trabajo Desperdicio de material Aplicados Industrialmente a Coste elevado (máquinas-herramienta materiales de alta resistencia y herramientas de corte) (metales) Variedad de formas y geometrías Consumo elevado de energía Elevada precisión dimensional y Peores propiedades mecánicas que en tolerancias estrechas (≈ ±0,025 mm) Deformación Plástica Excelentes acabados superficiales (≤ 0,4 μm en rectificado y lapeado) Laminado Mecanizado 5 1. Introducción al Mecanizado Herramienta Elementos básicos para el mecanizado Geometría Material Máquina-herramienta Utillaje Operario/Sistema de Control (CNC) Pieza Material (propiedades físico químicas) Forma de partida Especificaciones pieza acabada 6 1. Introducción al Mecanizado Movimiento relativo pieza-herramienta Ve Vc Movimiento de corte (responsable separación material) Movimiento de avance Va (permite que siempre haya material para cortar) Movimiento de penetración (asegura que haya intersección material- herramienta. Profundidad de pasada) Velocidades de los movimientos relativos pieza-herramienta Tres velocidades: Ve (velocidad efectiva de corte) Vc (velocidad de corte) Vf o Va (velocidad de avance) 7 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Convencionales Tradicionalmente utilizados. Procedimiento de arranque de material por medios mecánicos. Torneado, fresado, taladrado, rectificado, limado, etc. No Convencionales Mecanizar materiales de reciente creación (metales o no metales). Industrias aeroespacial y electrónica. Obtención de geometrías de piezas inusuales. Evitar daños externos en una pieza, frecuente en el mecanizado convencional debido a los altos esfuerzos desarrollados. El exceso de material se elimina mediante diversas técnicas que incluyen la energía mecánica, térmica, eléctrica o química. 8 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Número de filos de la herramienta Convencionales Movimiento de corte (herramienta o pieza) Movimiento de corte lineal o giratorio Hta. de un filo Hta. de varios filos Mov. herramienta Mov. pieza Mov. herramienta Vertical Horizontal Lineal Giro Lineal Giro Mortajado Limado Cepillado Torneado Brochado Taladrado Fresado Mandrinado 9 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Torneado Torno paralelo Cilindrado Refrentado corte Penetración Avance Tronzado Roscado 10 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Fresado Fresadora horizontal Fresado cilíndrico corte Penetración Avance 11 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Fresado Fresadora vertical Fresado frontal corte Penetración Avance 12 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Limado Limadora corte Penetración Avance 13 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Cepillado Cepilladora corte Penetración Avance 14 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Taladrado Taladradora Taladrado corte Penetración Avance 15 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Brochado Brochadora Brochado corte Penetración Avance 16 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Rectificado Rectificadora vertical plana corte Penetración Avance 17 2. Clasificación de los procesos de mecanizado Rectificado Rectificadora horizontal plana corte Penetración Avance 18 3. Proceso de corte Variables del proceso de corte Variables de entrada Variables de salida Desgaste de la herramienta Material de trabajo Temperatura de corte Material herramienta de corte Fricción Geometría herramienta de corte Fuerzas de corte Máquina herramienta MECANIZADO Potencia de corte Parámetros de corte (v, a, p) Acabado superficial Lubricación Precisión dimensional Tipo de mecanizado Vibraciones Maquinabilidad: aptitud de un material para ser mecanizado  Complejidad de estudio debido al elevado número de variables que intervienen en el proceso 19 3. Proceso de corte Proceso de corte ortogonal v Modelo de Pijspanen f Deformación por compresión 20 3. Proceso de corte Modelo de planos de deslizamiento f 21 3. Proceso de corte Morfología de la viruta Fragmentada Continua Aserrada Materiales frágiles (Fundición gris, …) Materiales dúctiles (Al, …) Materiales con baja Materiales dúctiles a bajas Necesidad de rompevirutas conductividad térmica velocidades y grandes avances Resistencia disminuye Proceso discontinuo (herramienta rápidamente con la tenaz) temperatura Ej: aleaciones de Ti 22 4. Herramientas de corte Mecanizado  Herramienta y material se someten a elevados esfuerzos y temperaturas (condiciones agresivas) Fundamental  Buena elección de la herramienta  Decisión delicada MATERIAL + GEOMETRÍA Acorde MATERIAL MECANIZADO + PROCESO Decisión no solo técnica, sino también económica. Mayor velocidad de corte  Tiempo de corte corto  Mayor productividad  Mayor desgaste  Materiales más resistentes  más caros / mayor cambio de herramientas Optimizar vida de herramienta y tiempo de producción 23 4. Herramientas de corte Propiedades de los materiales para herramientas de corte  Dureza ↑Tª Dureza y fragilidad, van unidas. En metales y aleaciones se reduce la dureza y resistencia si ↑ Tª Más que materiales más resistentes a altas temperaturas, interesa mantener dureza en amplios intervalos de Tª.  Resistencia al desgaste Duración de la herramienta ligada a la marcha del desgaste  Se modifican la geometría de la herramienta y las prestaciones Velocidad de desgaste ligada  Tª que alcanza la herramienta (adhesión y difusión) + características estructurales del material a mecanizar y a sus inclusiones.  Resiliencia Relación resistencia y ductilidad Impedir rotura por fragilidad (corte intermitente)  µ Herramienta-pieza ↓  Propiedades térmicas conductibilidad, calor específico y coeficiente de dilatación  Coste de herramienta y afilado  Economía 24 4. Herramientas de corte Materiales para herramientas de corte  Acero rápido (HSS)  Cermets  Aleaciones duras no Fe (estelitas)  Cerámicas  Carburos metálicos (WC) – con/sin Nitruro de boro cúbico (CBN) recubrimiento  Diamante policristalino (PCD) Existe también una relación entre la dureza de los A medida que se utilizan materiales de mayor materiales con la temperatura. A medida que se dureza, se pierde tenacidad, por lo que se aumenta la temperatura se pierde dureza reduce la resistencia a los impactos 25 4. Herramientas de corte Materiales para herramientas de corte Heath, P.J. (2001). Developments in applications of PCD tooling. Journal of Materials Processing Technology, 116(1), 31-38. 26 4. Herramientas de corte Materiales para herramientas de corte K. Wegener et al. “Success Story Cutting” Procedia CIRP, Volume 46, 2016, Pages 512-524 27 4. Herramientas de corte Carburos Carburos metálicos con Diamante HSS Estelitas metálicos sin Cerámicos CBN recubrimiento PCD recubrimiento Dureza en caliente Tenacidad Resistencia al impacto Resistencia al desgaste Resistencia al desmoronamiento Velocidad de corte Resistencia al choque térmico Coste 4. Herramientas de corte Materiales para herramientas de corte Material base  Aporta tenacidad Recubrimiento:  Aumenta la dureza superficial  Reduce el rozamiento  Aumenta la resistencia a alta Tª 29 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta Cuchilla elemental Cara Aγ : cara de desprendimiento Cara Aα : cara de incidencia 30 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta Ángulo de desprendimiento γ Comprendido entre la cara de γ desprendimiento y la normal a la superficie de la pieza Determina la deformación plástica del material provocando la separación de la viruta La viruta resbala sobre la cara de desprendimiento a consecuencia de un cizallamiento del material Influye  sobre F, P de corte y tipo de viruta Al aumentar disminuyen los esfuerzos de corte y viceversa Debe aumentar al aumentar la tenacidad de la herramienta y disminuir la resistencia de la pieza.  Materiales dúctiles (aluminio): virutas continuas. Calor rozamiento:. Ángulo grande  Materiales duros: viruta fragmentada. Ángulos de 0 a 10º 31 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta Ángulo de incidencia α Comprendido entre la cara de incidencia y la superficie de la pieza Evitar roce entre el talón de la herramienta y la superficie α mecanizada Siempre positivo (lo más pequeño posible para no debilitar el filo de la herramienta) Valores habituales:  Acero rápido: 6 – 14º  Metal duro: 5 – 12º 32 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta β Ángulo (de filo) de hta β β = 90º - (α + γ) No debe elegirse un ángulo pequeño peligro de rotura 33 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta Material a Ángulo de Ángulo de Ángulo de mecanizar incidencia filo desprendimiento (α) (β) (γ) Acero 8 62 - 68 14 - 20 Acero aleado 8 68 - 74 8 - 14 Aceros rápidos 8 72 10 Fundición gris 8 80 2 Cobre 10 55 25 Bronce 8 74 8 Aluminio 10 60 20 34 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta λ Corte ortogonal Corte oblicuo Filo de la herramienta Filo de la herramienta forma perpendicular a la dirección un ángulo λ (ángulo de del movimiento principal inclinación del filo) con respecto a la dirección del movimiento principal 35 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta Corte oblicuo con filo contenido en el plano relativo a la superficie en curso de mecanización λ Hta. Filo principal κ κ κ’ Filo secundario ε κ’ κ  ángulo de posición de filo principal Pieza κ’  ángulo de posición de filo secundario Ángulo Posición filo principal Vida de la herramienta. ε  ángulo de la punta de la herramienta Formación de la viruta. Longitud del filo que actúa sobre el corte. Normalmente [45, 90]º 36 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta Enlace del filo principal y el filo secundario  Radio de punta o de redondeo (rε) 37 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta Desbaste Acabado 38 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta Enterizas Insertos o plaquitas 39 4. Herramientas de corte Geometría de la herramienta Nidos de viruta Rompevirutas: Es una geometría vaciada en la cara de desprendimiento, que fuerza a la viruta a fragmentarse 40 5. Fenómenos térmicos en el corte Temperatura de corte Factor fundamental en los procesos de mecanizado Concierne, de manera negativa, a la pieza y a la herramienta Pieza: modificaciones superficiales, dilataciones, etc. Herramienta: disminución de la vida útil, etc. Productividad Desgaste de la herramienta Temperatura en el Calidad mecanizado Dilataciones, daños superficiales, … Incremento del coste 41 5. Fenómenos térmicos en el corte Zonas de generación de calor Energía mecánica en procesos de corte: Energía de deformación elástica  Almacenada en el material  No genera calentamiento Energía de deformación plástica Generan calor  Energía de rozamiento Disipativos Desgaste herramienta Zona de deformación primaria (1) Zona de deformación secundaria (2) Zona de rozamiento en incidencia (3) 42 5. Fenómenos térmicos en el corte Zonas de disipación del calor generado φv  Calor transportado por la viruta φp  Calor conducido hacia la pieza φH  Calor conducido hacia la herramienta 43 5. Fenómenos térmicos en el corte Lubricación y refrigeración Proceso de corte  Generación de gran cantidad de calor producido fundamentalmente en: Zona de deformación primaria  Calor producido por fenómenos metalúrgicos  Deformación de la red cristalina  Reducción solo mejorando maquinabilidad Zona de deformación secundaria  Calor generado por rozamiento entre viruta y cara de desprendimiento de la herramienta  Lubricación  Reducción de la fricción FLUIDOS DE CORTE Refrigeración  Evacuación rápida del calor  Prevención de la formación de filo recrecido.  Ayuda a la separación y evacuación de la viruta.  Protección contra la corrosión.  Lubricación de elementos de la máquina-herramienta. 44 5. Fenómenos térmicos en el corte Lubricación y Refrigeración Minerales, Aceites de Naturales, Generalmente, para operaciones de baja Compuestos, velocidad. Incremento de temperatura reducido corte puros Sintéticos Buenos lubricantes Más caros Fluidos de corte Emulsiones Mezcla de aceite, agua y aditivos (aceites solubles) Generalmente, se usan para aplicaciones a alta velocidad (temperatura elevada) Buenos refrigerantes Más baratos Aceites de corte con Fluidos Son emulsiones químicas que contienen poco aceite mineral diluido en agua y con aditivos que base agua semisintéticos reducen el tamaño de las partículas de aceite, (taladrinas) esto las hace más efectivas Son químicos con aditivos diluidos en agua Fluidos sintéticos y que no contienen aceite 45 5. Fenómenos térmicos en el corte Lubricación y refrigeración Lubricantes  Altamente contaminantes, costosos y peligrosos para los operarios. Normativa en materia medioambiental  Obliga al reciclaje Alternativas: MQL (Minimum Quantity of Lubricant) Lubricantes de tipo sólido Refrigeración gaseosa WET MACHINING Refrigeración criogénica Dry Machining MQL MACHINING 46 6. Desgaste y vida de la herramienta Concepto de desgaste DURACIÓN OPTIMIZADA DE LA HTA VIDA DE LA HERRAMIENTA CONSERVAR LA CONSERVAR LAS GEOMETRÍA PROPIEDADES MECÁNICAS DESGASTE DE LA HTA Alteración de la geometría y propiedades mecánicas de la herramienta tras realizar un proceso de mecanizado por arranque de material durante un periodo de tiempo determinado. Puede conducir a un FALLO CATASTRÓFICO 47 del filo de la HTA 6. Desgaste y vida de la herramienta Factores de influencia sobre el desgaste  MECÁNICOS  MATERIAL MECANIZADO  Magnitud de las cargas  Composición  Transmisión de las cargas  Microestructura  Tipo de movimiento  Dureza  ENTORNO  PROCESO  Temperatura  Geometría (HTA y Pieza)  Contaminantes  Zona de contacto  Lubricantes  Presión de contacto  Refrigerantes 48 6. Desgaste y vida de la herramienta Localización del desgaste Desgaste en Desprendimiento Cara Desprendimiento Cara Incidencia Desgaste en Incidencia 49 6. Desgaste y vida de la herramienta Medida del desgaste 50 6. Desgaste y vida de la herramienta Mecanismos de desgaste 51 6. Desgaste y vida de la herramienta  Desgaste por Adhesión Primaria o Directa  material de la herramienta se desprende y se incorpora a la pieza mecanizada  Desgaste por Adhesión Secundaria o Indirecta  material de la pieza se adhiere a la herramienta (built-up-layer, BUL + built- up-edge, BUE  Posteriormente se fractura la herramienta 52 6. Desgaste y vida de la herramienta Desgaste por ABRASIÓN  Ocurre cuando partículas de la viruta, endurecidas por deformación, deslizan por la cara de desprendimiento de la herramienta eliminando pequeñas cantidades del material de la herramienta.  Liberación de partículas de la viruta  Impactan a gran velocidad sobre la cara de desprendimiento de la herramienta.  Desprendimiento de partículas de la herramienta en zonas cercanas al filo  Se arrastran sobre la cara de desprendimiento provocando el desgaste. 53 6. Desgaste y vida de la herramienta Desgaste por DIFUSIÓN  Mecanismo de difusión en el estado sólido  Átomos de una red cristalina de una región de alta concentración, se desplazan, con alta Tª, a otra región de concentración atómica menor  Fenómeno a nivel atómico  su intensidad aumenta exponencialmente con Tª  Debilitamiento de la estructura superficial del material de la herramienta −𝑄 𝐷= 𝐷0 𝑒 𝐾𝑇 D0; cte. que depende del material y de las condiciones de difusión, Q; energía de activación de la difusión, K; constante de Boltzmann, y T; temperatura absoluta. 54 6. Desgaste y vida de la herramienta Ejemplo  Carbono de herramianta WC con afinidad elevada por fase γ del Fe, se establece un intercambio atómico al elevar la Tª. Herramienta se empobrece en carburos, debilitándose, y la viruta incrementa dureza y poder de desgaste al aumentar la concentración de C. 55 6. Desgaste y vida de la herramienta Desgaste por FATIGA  Fractura del material debido a cargas cíclicas dinámicas Desgaste por CORROSIÓN  Oxidación a alta Tª  Corrosión intergranular 56 6. Desgaste y vida de la herramienta Factor económico que supone el deterioro de la calidad del mecanizado debido a la pérdida gradual de material. (con variación de la geometría de la herramienta y pérdida de la capacidad de corte)  Compromiso: velocidad de desgaste baja / tiempo producción económicamente aceptable. DEFINICIONES UNE 16-148-85  ISO 3685-1977 Ensayos de duración de htas. de torno de corte único, definiciones y convenios Desgaste de la herramienta: modificación de la geometría de corte de la herramienta, con relación a su geometría original, que tiene lugar durante el corte y que es debida a la pérdida progresiva del material de la herramienta. Medida del desgaste de la herramienta: dimensión medible que permite cuantificar el valor del desgaste. Criterio de duración de la herramienta: valor límite preestablecido en la medida del desgaste de la herramienta, o la aparición de un determinado fenómeno o circunstancia. Suele también denominarse criterio de desgaste. Duración o vida de la herramienta: tiempo de corte, para unas condiciones de mecanizado dadas, necesario para alcanzar un criterio de duración de la herramienta. 57 6. Desgaste y vida de la herramienta Ecuación de vida de la herramienta F. W. Taylor (1906) efectuó largas series de ensayos sistemáticos, variando la velocidad de corte y manteniendo constantes los restantes parámetros del proceso, considerando como criterio de duración el desmoronamiento del filo de la herramienta y llegó a una ecuación de vida de la herramienta de empleo aún en la actualidad V Tn = C logV + nlogT = logC log v2  log v1 n n = tgα log T1  log T2 V  velocidad de corte [m/min] T  duración de la herramienta [min] n  factor función del material de la herramienta C  constante = velocidad de corte para T = 1 min 58