C473 Medición de Fuerzas de Corte en Mecanizado

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
INGENIERÍA CIVIL EN MECÁNICA
GUÍA DE LABORATORIO
ASIGNATURA ”TEORÍA DEL MECANIZADO”
CÓDIGO 15147
NIVEL 05
EXPERIENCIA 473
“MEDICIÓN DE LAS FUERZAS DE CORTE EN
MECANIZADO.”
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FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
1. OBJETIVO GENERAL
Determinar las influencias de los parámetros de mecanizado sobre las fuerzas
de mecanizado y sobre la potencia de corte, como también verificar la validez de
los modelos de determinación de las fuerzas de corte al tornear una pieza de
acero dulce (SAE 1020).
2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
2.1. Analizar y evaluar los resultados experimentales de las fuerzas que se
generan en torneado de cilindrado de una pieza de acero dulce (SAE
1020), con una herramienta monofilo de carburos metálicos con
recubrimiento, para diferentes condiciones de avance, de profundidad de
corte, de velocidad de corte y de ángulo de ataque.
2.2. Determinar experimentalmente las fuerzas de corte, de avance y de
rechazo que se producen en el proceso de torneado.
2.3. Determinar las constantes ks11 y z establecidos en el Modelo de Kienzle,
para el material de la pieza.
2.4. Verificar experimentalmente los efectos de la variación del avance, de la
profundidad de corte, de la velocidad de corte y del ángulo de ataque sobre
los resultados de las fuerzas de corte, de avance, y de rechazo.
2.5. Conocer el dispositivo de medición de fuerzas (piezoeléctrico), además de
su instalación y equipos necesarios para la medición.
2.6. Analizar los resultados obtenidos para verificar la validez de los modelos de
fuerza de corte y de determinación de la potencia de corte.
2.7. Verificar, a través de los resultados experimentales, la jerarquía de la
importancia de los parámetros de mecanizado sobre las fuerzas que se
originan en el mecanizado usando una herramienta monofilo.
3. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
En los procesos de mecanizado se generan fuerzas que permiten que se
extraiga las virutas necesarias del proceso. La determinación de estas fuerzas
son fundamentales para la planificación de dichos procesos, asimismo que para
el diseño de los elementos de la máquina herramienta participantes del proceso.
A continuación se muestran los componentes principales de la generación de las
fuerzas que participan en el proceso de mecanizado con herramienta monofilo y
su dependencia con los parámetros principales del proceso, elementos que
serán contrastados en las experiencias de este laboratorio.
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3.1 Las fuerzas de mecanizado.
Elementos participantes principales del proceso de generación de viruta en los
procesos de mecanizado, es la fuerza que ejerce la herramienta respecto de la
pieza. En la Figura 3.1 se muestra la fuerza de mecanizado Fz y sus
respectivas componentes, que se generan, al realizar un mecanizado con un
avance "f" y una profundidad de corte "ap". La magnitud de Fz es función,
principalmente, del material a mecanizar, de las condiciones de corte y de la
geometría de la herramienta.
Figura 3.1. Fuerzas en procesos de mecanizado.
Las tres componentes de la Fuerza de Mecanizado FZ en la que puede
descomponer son:
 La fuerza de corte FC, en dirección de la velocidad de corte.
 La fuerza de avance FA, en dirección de la velocidad de avance.
 La fuerza de rechazo FR, perpendicular a la superficie de la pieza que
se está mecanizando.
La componente más importante de la fuerza de mecanizado Fz es la fuerza de
corte Fc, ya que se encuentra en dirección de la velocidad de corte y como tal
determina en forma principal la potencia de corte; por otro lado, esa
componente es generalmente la de mayor valor.
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Considerando la geometría de la sección de la viruta, mostrada en la
parte derecha de la Figura 3.1, se puede establecer las siguientes
relaciones:
∙ ∙
∙
Con las siguientes definiciones:
Av = sección de viruta [mm2]
aP = Profundidad de corte [mm]
f = Avance [mm]
h = espesor de viruta [mm]
b = ancho de viruta [mm]
κR = ángulo de ataque de la herramienta
Donde los parámetros aP y f corresponden a los se emplean en de
instalación del proceso de fabricación; en este caso específico de
torneado.
Tomando en consideración estos elementos geométricos de la formación
de viruta, se han desarrollado los siguientes modelos principales de
fuerzas de corte:
 Modelo de Kronenberg (1927).
Este investigador desarrolló un modelo que determina la fuerza de
corte FC mediante la siguiente relación:
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Donde:
ks = fuerza específica de corte, dependiente del material a
mecanizar
 Modelo de Kienzle (1952).
Para determinar la fuerza de corte FC en el caso de torneado,
Kienzle obtuvo un modelo matemático, descrito por la relación
empírica mostrada en la Figura 3.1:
.
∙
∙ ∙
Donde:
ks1.1 = Fuerza especifica de corte, dependiente del material a
mecanizar.
h = espesor de viruta [mm]
b = ancho de viruta [mm]
z= exponente de fuerza de corte, dependiente del material a
mecanizar
La constante ks1.1 corresponde a la fuerza de corte que se produce
cuando el espesor de viruta h = 1 y el ancho de viruta b = 1 [mm]
Reemplazando las relaciones para el espesor de viruta y el ancho
de viruta en el modelo básico de Kienzle, se obtiene la siguiente
relación para la fuerza de corte FC en función de los parámetros del
proceso:
FC
k S1.1  a P  f 1- z

(sen  R ) z
Con:
FC = Fuerza de corte en [N]
aP = profundidad de corte en [mm]
f = avance en [mm]
κR = ángulo de ataque de la herramienta [°]
ks1.1 = Fuerza específica de corte del material en [N/mm2]
z = exponente de fuerza de corte del material [ - ]
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En la Tabla 3.1 se muestra los valores de ks1.1 y z para diferentes
materiales, según Normas DIN, a ser mecanizados. También se
muestran los valores de la fuerza específica de corte ks del Modelo
de Kronenberg, en función del espesor de viruta h.
Tabla 3.1 Constantes de materiales del Modelo de Kienzle.
Material
de
trabajo
0,1
0,16
ks en [N/mm2]
Para h en [mm]
0,25
0,4
0,63
kS1-1
z
2
[N/mm ]
1,0
1,6
St37, St42
1780
0.17
2630
2430
2250
2080
1930
1780
1640
St50
1990
0.26
3620
3210
2850
2530
2250
1990
1760
St60
2110
0.17
3120
2880
2670
2470
2280
2110
1950
St70
2260
0.30
4510
3920
3430
2980
2600
2260
1960
C15
1820
0.22
3020
2720
2470
2230
2020
1820
1640
C35
1860
0.20
2950
2680
2450
2230
2040
1860
1690
C45,Ck45
2220
0.14
3070
2870
2700
2520
2370
2220
2080
Ck60
2130
0.18
3220
2960
2730
2510
2320
2130
1960
16MnCr5
2100
0.26
3820
3380
3010
2660
2370
2100
1860
18CrNi6
2260
0.30
4510
3920
3430
2980
2600
2260
1960
34CrMo4
2240
0.21
3630
3290
3000
2720
2470
2240
2030
GG20
1020
0.25
1810
1610
1440
1280
1150
1020
910
GG25
1160
0.26
2110
1870
1660
1470
1310
1160
1030
GS52
1780
0.17
2630
2430
2250
2080
1930
1780
1640
Latón
780
0.18
1180
1090
1000
920
850
780
720
Se puede apreciar que la constante ks es dependiente del espesor
de viruta h, por lo cual no es validada como constante. Sobre esta
base se considera que el modelo de Kienzle posee una mayor
validez.
Los fabricantes más importantes de herramientas de corte utilizan
este modelo de Kienzle, incorporando otras variables asociadas a la
geometría de la herramienta y la agrupación de materiales. La firma
SANDVIK, por ejemplo, entrega en sus catálogos valores
compatibles con este modelo. Por ello, en este laboratorio se usará
este modelo para poder ser contrastado experimentalmente.
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A partir de la obtención de la fuerza de corte, puede determinarse la
potencia de corte que está siendo consumida en el proceso de
mecanizado. Esta potencia de corte puede ser obtenida mediante la
relación siguiente:
Con:
.
PC = Potencia de corte consumida en le mecanizado en [kW]
FC = Fuerza de corte en [N]
vc = Velocidad de corte en [m/min]
Por su parte la velocidad de corte de la pieza al cilindrar en torneado
se determina mediante la relación:
.
Con:
vc = velocidad de corte de la pieza en cilindrado en [m/min]
d = diámetro medio de la pieza que se está cilindrando en [mm]
n = velocidad de giro de la pieza en [rpm]
3.2 Dinamómetro piezoeléctrico.
Elemento importante para las mediciones experimentales a realizar en el
presente ensayo, es el uso del dinamómetro piezoeléctrico, el cual permite
medir las tres componentes de la fuerza de mecanizado.
El dinamómetro que se empleará en estos ensayos es uno piezoeléctrico
marca Kistler, modelo 5233A-1, que será utilizado para medir las fuerzas del
mecanizado (de corte, de avance y rechazo) por medio de tres sensores o
discos piezoeléctricos, de los cuales cada uno mide la fuerza de la
respectiva componente (Fz, Fx, Fy) al recibir cargas eléctricas y luego
transmitirlas a un amplificador con diferentes escalas. El amplificador a su
vez las transmite a un computador conectado, obteniendo así los resultados
de las fuerzas antes mencionadas: Fuerza de Corte, Fuerza de Avance y
Fuerza de Rechazo.
En las Figura 3.2 se muestra el dinamómetro y el amplificador, como
también los discos piezoeléctricos.
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Disposición de discos piezeléctricos.
Dinamómetro piezoeléctrico
y amplificador
Figura 3.2. Dinamómetro piezoeléctrico.
Con este dinamómetro, amplificador y uso del computador se obtendrán las
señales analógicas graficadas para determinar los valores de cada una de
las fuerzas antes señaladas.
3.3 Metodología determinación de constantes de Modelo de Kienzle.
En la Figura 3.3 se muestra el procedimiento para determinar las constantes
del Modelo de Kienzle para el material que se mecaniza.
Figura 3.3 Procedimiento determinación constantes del Modelo de Kienzle.
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Para determinar las constantes ks1.1 y z del material que se ha ensayado, se
sigue el siguiente procedimiento:
 Para los pares de medición de avance – profundidad de corte se
calculan los logaritmos mostrados en la Figura 3.3.
 Con los valores calculados de avance – profundidad de corte y todos
los otros parámetros de corte constantes, se determina la mejor recta
(Método de los Cuadrados Mínimos). Esta condición permite
determinar la pendiente y el intercepto de esta curva.
 En intercepto de la recta antes determinado corresponde la logaritmo
de ks1.1, a su vez z corresponde a 1,0 menos la pendiente de la recta
antes determinada.
4. MÉTODO A SEGUIR
La metodología a seguir en este laboratorio es la siguiente:
-
En primer término, el profesor explica al alumno los equipos empleados
en el laboratorio, con especial detenimiento en los instrumentos a usar en
la medición de la fuerza de mecanizado.
- Disponer de un torno convencional y dos portaherramientas de corte, con
ángulos de ataque diferentes (90° y 75°), para el uso de una herramienta
de carburos metálicos con recubrimientos del mismo tamaño e igual radio
de esquina.
- Disponer de un trozo de acero dulce (SAE 1020), para realizar
operaciones de cilindrado en torneado.
- Iniciar actividades en el torno identificado, indicando las medidas de
seguridad a tomar en consideración.
- Montar la herramienta con ángulo de ataque 75° en dinamómetro
piezoeléctrico.
- Realizar una operación de cilindrado con una velocidad de corte (n =
1.000 rpm), con una profundidad de corte de 2,0 mm y medir las
componentes de fuerzas de corte para tres avances: 0,1, 0,2 y 0,3 mm.
Estas mediciones permitirán determinar los valores de ks1.1 y z del
material, según la metodología antes descrita.
- Repetir las mediciones para una velocidad de corte mayor (n=1.200 rpm)
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- Repetir las mediciones anteriores para una profundidad de corte de 1,0
[mm]. Acá también se pueden calcular los valores de ks1.1 y z del material
- Repetir las operaciones de cilindrado del material cambiando solamente la
herramienta con ángulos de ataque de 90°. El resto de las condiciones se
mantiene, midiéndose las respectivas componentes de fuerzas.
- Finalizar las acciones con el torno mencionado.
- Entregar indicaciones respecto de los objetivos a obtener con el informe.
- En laboratorio se realizará solo un par de las mediciones indicadas en el
procedimiento. Los resultados para todos los ensayos indicados se
entregarán para el análisis de los estudiantes.
5.- VARIABLES A CONSIDERAR
Las variables más importantes a considerar en el ensayo son los siguientes:
ap = profundidad de corte 1, 0 y 2,0 [mm]
f = avance 0,1, 0,2 y 0,3 mm [mm]
n= velocidad de giro 1.000 y 1.200 rpm para determinar vc con el diámetro
de la pieza.
6.- TEMAS DE INTERROGACIÓN
Los temas más importantes de interrogación son los siguientes:
 Importancia de los valores de Fuerza de Corte, Fuerza de Avance y Fuerza
de Rechazo, asimismo que sus valores relativos.
 Validez del Modelo de Kronenberg y de Kienzle para la determinación de la
fuerza de corte.
 Las potencias de corte que se obtiene en el procesos de torneado.
 La variación de las fuerzas de corte, de avance y de rechazo en función de
los parámetros de instalación del proceso: profundidad de corte, avance,
velocidad de corte y ángulo de ataque.
 Metodología para determinar las constantes del Modelo de Kienzle para el
material a mecanizar.
 Validez de los modelos de Kronenberg y Kienzle.
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7.- EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR
Los instrumentos a usar en esta experiencia son los siguientes:
 Dinamómetro tridimensional para determinar las fuerzas de corte, de avance
y de rechazo.
 Tacómetro para medir la velocidad de giro de la pieza.
 Pié de metro para medir el diámetro de la pieza.
8.- LO QUE SE PIDE EN EL INFORME
Informe con los resultados obtenidos en el laboratorio para las fuerzas de corte, de
avance y de rechazo en función de los parámetros del proceso.
Contrastación de los resultados experimentales de fuerzas con los definidos
teóricamente.
Determinación de las constantes ks1.1 y z del material mecanizado y contrastación
con los valores de tablas.
Contrastación de los aspectos teóricos de la fuerza de mecanizado con los
resultados obtenidos en laboratorio.
Opinión sobre el ensayo realizado.
9.- BIBLIOGRAFÍA
 Sepúlveda, E. Unidad Temática 2, Teoría del Mecanizado USACH, 2015.
 http://www.sandvik.coromant.com/eses/knowledge/materials/workpiece_materials/the_specific_cutting_force/p
ages/default.aspx
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