Procesos de fabricación por arranque de virutas PDF

www.upc.edu Procesos de fabricación por arranque de virutas  Proceso de formación de la viruta en el proceso de corte de metales.  Parámetros que influyen sobre la formación de la viruta.  Tipos de virutas.  Fuerzas de cort...

www.upc.edu Procesos de fabricación por arranque de virutas  Proceso de formación de la viruta en el proceso de corte de metales.  Parámetros que influyen sobre la formación de la viruta.  Tipos de virutas.  Fuerzas de corte en el mecanizado.  Potencia y Energía de Corte.  Rugosidad en el mecanizado.  Temperaturas que se generan en el proceso de Corte.  Utilización de los fluidos lubricantes y refrigerantes en el proceso de corte.  Tiempo de vida útil de la herramienta  Formación de la viruta www.upc.edu El arranque de viruta ocurre cuando el filo de la herramienta de corte produce primeramente la deformación elástica de la parte del material que se convertirá en viruta, surgiendo grandes tensiones a medida que se acerca la herramienta. Cuando estas tensiones superan el límite elástico del material ocurre la separación de una capa del mismo en forma de viruta producto de la deformación plástica de éste. 2/44  Formación de la viruta www.upc.edu Las temperaturas que se alcanzan en cada momento en la zona de corte no deben ser muy altas, ya que esto puede influir negativamente en la estructura del material de la pieza de trabajo y consecuentemente en sus propiedades mecánicas. Además altas temperaturas pueden traer consigo un incremento en las fuerzas de corte, lo cual puede hacer que la potencia de la máquina herramienta sea insuficiente por momentos para ejecutar depende que operaciones. 3/44  Formación de la viruta www.upc.edu Curva (Esfuerzo- Deformación) del proceso de deformación de un material metálico 4/44  Formación de la viruta www.upc.edu Representación esquemática del proceso de formación de la viruta tc Fc t Vc Ft 5/44  Formación de la viruta www.upc.edu Parámetros que influyen sobre la formación de la viruta: Material de la pieza y de la herramienta Diseño de la geometría de corte Refrigeración y lubricación en el proceso de corte Vida útil de la herramienta 6/44  Formación de la viruta www.upc.edu Tipos de viruta Viruta continua de bordes lisos: Aparece en materiales dúctiles, aplicando avances y profundidades de corte muy pequeñas y velocidades de corte elevadas, superficies de ataque muy pulidas, bajo coeficiente de rozamiento, alta resistencia al desgaste y refrigeración considerable. Con este tipo de viruta se obtiene buen acabado. Viruta continua de caras irregulares: Aparece en materiales dúctiles, pero con grandes avances y velocidades de corte pequeñas y cuando la refrigeración es insuficiente o nula. El alto rozamiento entre viruta y herramienta desprende pequeñas partículas que se adhieren a la herramienta, originando un recrecimiento del filo que más tarde tiende a fracturarse en dos partes, una que se adhiere a la pieza y otra a la viruta, provocando que la superficie mecanizada quede rugosa. Viruta discontinua: Ocurre en materiales frágiles, con ángulos de afilados y velocidades de corte pequeñas, con avances y profundidades de corte grandes y elevada fricción entre herramienta y viruta. 7/44 www.upc.edu Condiciones de Corte Las condiciones de corte quedan definidas por: La arista de corte y la geometría de la herramienta El portaherramientas La máquina herramienta La operación que se realice Los parámetros del Régimen de corte 8/44 www.upc.edu Condiciones de corte superficie original nueva superficie v t a Df D0 viruta herramienta de punta sencilla L Vc: velocidad de corte. m/min (ej: 120 m/min) a: avance. mm/vuelta (ej: 0.2 mm/vuelta) Va: velocidad de avance mm/min (ej: 200 mm/min) t: profundidad de pasada. mm (ej: 2 mm) 9/44 www.upc.edu Condiciones de corte En la herramienta de corte es posible instrumentar un dinamómetro con el objetivo de medir las fuerzas que se generan en la misma durante el proceso. En este caso se pueden verificar dos componentes de fuerza: 1. Fuerza de corte (Fc): Es la fuerza que va en la dirección del corte, o sea de la velocidad de corte. 2. Fuerza de empuje (Ft): Es la fuerza que va en la dirección de la profundidad de corte (t). Es perpendicular a la fuerza de corte. 10/44  Potencia, Energía de Corte y tasa de material removido en el mecanizado www.upc.edu Una operación de mecanizado requiere de una máquina que sea capaz de generar una potencia tal que supere las fuerzas que aparecen durante el corte (Fc). Esta Potencia de corte (Nc), se puede calcular como: 𝐹𝐹𝑐𝑐 = 𝑘𝑘 σ𝑡𝑡 𝐴𝐴𝑐𝑐 Donde: 𝐴𝐴𝑐𝑐 - Área de corte; σ𝑡𝑡 - Tensión de rotura por tracción del material k- Coeficiente de fuerza específica de corte, referida a la unida de área de viruta cortada. Hay varias maneras de calcularlo, pero se aceptan como valores adecuados k 𝐴𝐴𝑐𝑐 𝑁𝑁𝑐𝑐 = 𝐹𝐹𝑐𝑐 𝑉𝑉𝑐𝑐 3 De 10 mm2 en adelante Donde: 4 Desde 1 a 10 mm2 Vc- Velocidad de corte 5 Hasta 1 mm2 La Potencia de corte se expresa en W. Conociendo su valor, se puede seleccionar la Máquina Herramienta adecuada para realizar un proceso en concreto. 11/44  Potencia, Energía de Corte y tasa de material removido en el mecanizado www.upc.edu La tasa de material removido 𝑄𝑄𝑐𝑐 , es el producto de la velocidad de corte 𝑉𝑉𝑐𝑐 y el área de la sección de salida de la viruta arrancada 𝐴𝐴𝑐𝑐 𝑄𝑄𝑐𝑐 = 𝑉𝑉𝑐𝑐 𝐴𝐴𝑐𝑐 Un parámetro que da una indicación de la eficiencia del proceso de corte, y que es independiente de la velocidad de corte 𝑉𝑉𝑐𝑐 , es la energía consumida por unidad de volumen de material removido o energía específica de corte 𝐸𝐸𝑠𝑠 𝑁𝑁𝑐𝑐 𝐹𝐹𝑐𝑐 𝐸𝐸𝑠𝑠 = = 𝑄𝑄𝑐𝑐 𝐴𝐴𝑐𝑐 12/44  Ejemplos de Potencia de corte para www.upc.edu trabajar con diferentes materiales Dureza Potencia de corte Material HB Nc (kW) 150-200 0,6 Acero al carbono 201-250 0,8 251-300 1,0 200-250 0,8 251-300 1,0 Aceros Aleados 301-350 1,3 351-400 1,6 Aluminio 50-100 0,3 Latón 100-150 0,8 13/44  Energía Específica de corte para www.upc.edu diferentes materiales 𝐸𝐸𝑠𝑠 Valores orientativos de Energía específica de corte para diferentes materiales, cuando son mecanizados en una máquina herramienta con un ƞ≈ 70÷90% Referencia: Kalpakjian, S., Schmid, S. (2002). Manufactura, ingeniería y tecnología México; Ed. Pearson Educación. Pág 621  Condición energética para que ocurra el www.upc.edu arranque de virutas La condición para que exista arranque de virutas desde un punto de vista energético es que la potencia de la máquina Nm, debe ser mayor o igual que el producto de la energía específica de corte Es por la tasa de material removido Qc www.upc.edu Profundidad de la pasada Para una operación de desbaste se intenta seleccionar la máxima profundidad de corte posible, pero esto depende de las características geométricas de la herramienta y de sus propiedades  Longitud efectiva de corte, profundidad www.upc.edu y avance Radio de punta (mm) 0.4 0.8 1,2 1,6 2,4 avance máx. (mm/rev.) 0,25-0,35 0,40-0,70 0,50-1,00 0,70-1,30 1,00-1,80  Velocidad de corte, avance y tiempo de www.upc.edu mecanizado = 𝑎𝑎 = 32𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑟𝑟 10−3 L tc= Va Va : Velocidad de avance en (mm/min)  Influencia de las condiciones de corte sobre las variables del proceso de mecanizado www.upc.edu  Influencia de las condiciones de corte sobre las variables del proceso de mecanizado www.upc.edu  Datos adicionales: 2 tornos con 5kW de potencia Motor eléctrico un tercero con 2,5 kW y los tres con un rendimiento mecánico del 80% Ejercicio de aplicación www.upc.edu Por lo tanto la producción depende de las propiedades del material a mecanizar (Es y ρ) y también de la potencia disponible Nm que está asociada a la potencia y al número de tornos de los que se dispone www.upc.edu Vida útil de la herramienta La vida de una herramienta T se define como un tiempo de mecanizado asociado al criterio de vida de la herramienta. Para determinar la vida útil se mide el desgaste gradual sufrido por la cara de la herramienta, el que está asociado a un tiempo o vida útil. El factor que más afecta la vida de la herramienta de corte, para una operación de mecanizado en particular, es la velocidad de corte Vc. El estudio de la optimización de un proceso de mecanizado, pasa por conocer la relación entre la vida útil T y la velocidad de corte Vc para las condiciones en estudio. El estudio de la relación T v/s Vc está asociada a los trabajos de Taylor , quien obtiene una ecuación empírica de la forma: Vc : velocidad de corte (m/s) T : vida útil (s) c y n : constantes www.upc.edu Vida útil de la herramienta 1 𝐶𝐶 𝑛𝑛 𝐾𝐾 = 𝑐𝑐 1/𝑛𝑛 𝑇𝑇 = 𝑉𝑉𝐶𝐶  Vida útil de la herramienta www.upc.edu  Vida útil de la herramienta www.upc.edu  Vida útil de la herramienta www.upc.edu  Vida útil de la herramienta www.upc.edu  Vida útil de la herramienta www.upc.edu  Vida útil de la herramienta www.upc.edu  Rugosidad de las superficies mecanizadas www.upc.edu  Determinación de la Rt en un cilindrado, con herramienta sin radio en la punta www.upc.edu  Determinación de la Ra en un cilindrado, con herramienta sin radio en la punta www.upc.edu  Determinación de la Ra en un cilindrado, con herramienta sin radio en la punta www.upc.edu  Determinación de la Rt en un cilindrado, con herramienta con radio en la punta www.upc.edu  Determinación de la Ra en un cilindrado, con herramienta con radio en la punta www.upc.edu 𝑎𝑎2 𝑅𝑅𝑎𝑎 = 32 𝑟𝑟10−3  Rugosidad superficial. Resumen www.upc.edu  Ejercicio de aplicación www.upc.edu 3.4) Determinar el avance a escoger para obtener un cilindro con una rugosidad media aritmética Ra= 3,2 µm. El mecanizado se realiza con una herramienta con radio de la punta de 0,6 mm 𝑎𝑎 = 32𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑟𝑟 10−3 = 0,2478 mm/rev  Temperaturas que se generan en el www.upc.edu proceso de Corte Casi toda la energía que se consume en el mecanizado (≈98%), es convertida en calor, el cual puede hacer que las temperaturas sean muy altas (≈540o) en la interface herramienta- pieza. Hay varios métodos analíticos y numéricos para estimar los valores de la temperatura en la zona de corte.  Temperaturas que se generan en el www.upc.edu proceso de Corte Método de Cook 0 , 333 U  Vc·t  T = 0,4   ρC  K  T-Temperatura en la zona de corte (oC) U- Energía específica de corte (Nm/mm3) ρC- Calor específico volumétrico del material de la pieza de trabajo (J/mm3oC) Vc- Velocidad de corte t- profundidad de corte K- Difusividad térmica del material de trabajo (m2/s) www.upc.edu Temperaturas que se generan en el proceso de Corte www.upc.edu Fenómeno de generación de calor El calor producido en el proceso de corte no puede ser prevenido, pero si controlado o disipado. La mayoría del calor es generado justamente en la zona de corte. Hasta este punto el metal solo cambia la forma. Seguidamente este se desliza a lo largo de la herramienta generando siempre calor por fricción. La cantidad de calor generado durante el corte plástico de metales se puede calcular a través de la siguiente expresión: Q = Fc ∗ Vc [kW], donde: E Q - Calor generado en el corte Fc - Fuerza de corte [N] Vc - Velocidad de corte [m/min] E - Equivalente mecánico del calor [4.1868 J] www.upc.edu Fenómeno de generación de calor El balance de calor en el corte de metales puede expresarse a partir de la siguiente expresión: Q = Qv +Qh +Qp + Qa donde: Qv - Calor que se escapa hacia la viruta Qh - Calor que se disipa hacia la herramienta de corte Qp - Calor que se disipa hacia la pieza que se elabora Qa - Calor que escapa hacia el ambiente www.upc.edu Fenómeno de generación de calor Sobre la intensidad de los flujos caloríficos en la zona de corte influye significativamente el enfriamiento y lubricación de las superficies de contacto de la herramienta, que se realizan por medio del uso de sustancias refrigerantes y lubricantes especiales. El efecto de enfriamiento consiste en la eliminación del calor en los lugares más calientes y eliminación del mismo desde la zona de corte por el método de convección. Así se produce el enfriamiento de la herramienta cortante, de la zona de deformación y de la superficie elaborada de la pieza. El efecto de lubricación consiste en la reducción del coeficiente de fricción en las áreas de contacto de la herramienta, con la pieza lo que trae consigo la reducción del trabajo de las fuerzas de fricción, disminución de la generación de calor y disminución de las temperaturas, además de la disminución de la potencia necesaria para el maquinado. www.upc.edu Utilización de los fluidos de corte Con el fin de eliminar o atenuar algunos de los problemas en el mecanizado, se han buscado diferentes soluciones como la utilización de fluidos de corte. Objetivo del uso de fluidos de corte: 1. Refrigeración: el calor producido al cortar la viruta hace aumentar la temperatura del filo de la herramienta la cual no puede pasar de un valor admisible. Al utilizar refrigerante se alarga la permanencia del filo o se puede aumentar la velocidad de corte. 2. Engrase durante el mecanizado, si además de refrigerante es lubricante, reducirá el consumo de fuerza, se desgastará menos el filo y la herramienta trabajará sin vibraciones. Además se protegen así mismo la pieza y la máquina contra la oxidación. 3. Expulsión de la viruta, con el fin de que esta no arañe la superficie de trabajo. 4. Refrigeración de la pieza, ya que si la temperatura aumentara excesivamente por el trabajo, podrían presentarse tensiones que deformaran la pieza. 5. Mejorar el acabado superficial.  Fluidos de corte más utilizados www.upc.edu Refrigerantes: fluidos solubles en agua aceites solubles aceites semi - sintéticos fluidos sintéticos Lubricantes: aceites puros aceites minerales mezclas compuestos (con aditivos)