Capitulo 20: Fundamentos del corte Introducción: los procesos de

Capitulo 20: Fundamentos del corte
Introducción: los procesos de corte quitan material de la superficie de una pieza y producen
virutas. Algunos operaciones de corte son: cilindrado, tronzado (cuando con una herramienta se
corta una pieza gracias al giro), el fresado de placa (cuando una herramienta quita material del
superficie de la pieza y el fresado de acabado (para producir cavidades con una herramienta).
Velocidad de avance: distancia que recorre la herramienta en cada revolución de la pieza (mm/rv).
Factores que influyen sobre el proceso de corte:
Parámetro
Velocidad de corte, profundidad
de corte, avance, fluido de corte
Angulos de la herramienta
Influencia e interrelaciones
Fuerzas, potencias, aumento de t°, vida de la herramienta,
tipo de viruta, acabado superficial
Igual que arriba; influencia sobre dirección de flujo de
viruta, resistencia de la herramienta al desportillamiento.
Viruta continua
Buen acabado superficial; fuerzas estables de corte;
indeseable en maquinado automatizado.
Viruta de borde acumulado
Mal acabado superficial; si el borde acumulado es delgado,
puede proteger las superficies de la herramienta.
Viruta discontinua
Preferible para la facilidad al desecho de viruta; fuerzas
fluctuantes de corte; puede afectar el acabado superficial y
causar vibración y traqueteo.
Aumento de la T°
Influye sobre la vida de la herramienta, en especial sobre el
desgaste de cráter, y la exactitud dimensional de la pieza;
puede causar daños térmicos a la superficie de la pieza.
Desgaste de la herramienta
Influye sobre el acabado superficial, la exactitud
dimensional, aumento de T°, fuerzas y potencia.
Maquinabilidad
Se relaciona con la vida de la herramienta, el acabado
superficial, las fuerzas y la potencia.
Las variables independientes son: material, recubrimientos y estados de la herramienta; forma,
acabado superficial y filo de la herramienta; material, estado y temperatura de la pieza;
parámetros de corte, como velocidad, avance y profundidad de corte; fluidos de corte;
características de la máquina herramienta (rigidez y amortiguamiento); sujeción y soporte de la
pieza.
Las variables dependientes (producidas por cambios en las variables independientes) son: tipo de
viruta producida, fuerza y energía disipadas en el proceso de corte; aumento de T° en la pieza, la
viruta y la herramienta; desgaste y falla de la herramienta; acabado superficial producida en la
pieza después de maquinarla.
Mecánica de la formación de virutas (fig 20.4 a)
Las virutas se producen por el proceso de cizallamiento, que se produce a lo largo de una zona de
cizallamiento, que normalmente se le llama plano de cortante. Este plano forma un ángulo φ con
la superficie de la pieza, y se llama ángulo del cortante.
Relación de corte: r=to/tc=sinφ/cos(φ-α),t c: espesor de la viruta, to: profundidad de corte, α:
ángulo de ataque.
El espesor de la viruta siempre es mayor que la profundidad de corte, entonces
de se llama relación de compresión de viruta.
, el reciproco
Deformación cortante: gamma=cot(φ)+tan(φ-α)
Ángulo del cortante: φ=45°+α/2-β/2, donde β es el ángulo de fricción y está relacionado con el
coeficiente de fricción µ=tan(β).
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Al disminuir el ángulo de ataque y/o aumentar la fricción en la cara de contacto entre
herramienta y viruta, el ángulo del plano cortante disminuye y la viruta se hace más
gruesa (indican más disipación de energía, porque la energía de deformación es mayor).
V/cos(φ-α)=Vs/cos(α)=Vc/sin(φ), Vc: velocidad de flujo de la viruta, V: velocidad de corte, Vs:
velocidad de cizallamiento en el plano cortante. r=to/tc=Vc/V
Tipos de viruta producida en el corte de metales
La viruta tiene dos superficies: una en contacto con la cara de la herramienta (cara de ataque) y la
otra de la superficie original de la pieza. La cara que va hacia la herramienta es brillante (debido al
frotamiento de la viruta al subir por la cara de la herramienta) y la otra tiene un aspecto rasgado y
áspero.
Virutas continuas: se suelen formar con materiales ductiles a grandes velocidades de corte y/o a
grandes ángulos de ataque. Estas producen un buen acabado superficial, pero no son siempre
deseables, en especial en maquinas controladas por computadoras; tienden a enredarse en el
portaherramientas, los soportes y la pieza, asi como en los sistemas de eliminación de viruta.
Virutas de borde acumulado o recrecido: consiste en capas de material de la pieza maquinada
que se deposita en forma gradual sobre la herramienta. Al agrandarse esta viruta se hace inestable
y finalmente se rompe. Es uno de los factores que afecta el acabado superficial en el corte (cambia
la geometría del filo de corte). La formación de este tipo de viruta se puede reducir: disminuyendo
la profundidad de corte, aumentando el ángulo de ataque, usando una herramienta aguda y
usando un buen fluido de corte. Mientras más afinidad exista en los materiales de la herramienta y
la pieza, este tipo de virutas es mayor.
Virutas escalonadas (segmentadas o no homogéneas): son semicontinuas, con zonas de baja y
alta deformación por cortante. Los metales con baja conductividad térmica y resistencia que
disminuye rápidamente con la T°, muestran este comportamiento. Las virutas tienen un aspecto
de diente de sierra.
Virutas discontinuas: son segmentos que pueden fijarse, firme o flojamente entre si. Se forman
bajo las siguientes condiciones:
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Materiales frágiles en la pieza, porque no tienen capacidad para absorber las grandes
deformaciones cortantes que se presentan en el corte.
Materiales de la pieza que contienen inclusiones e impurezas duras, o que tienen
estructuras como las láminas de gráfito en la fundición gris.
Velocidad de corte muy baja o muy alta.
Grandes profundidades en el corte
Ángulos de ataque bajos
Falta de un fluido de corte eficaz
Baja rigidez de la máquina herramienta.
Viruta en forma de rizos: se forma en todo tipo de materiales y se desconoce la razón, se piensa
que se debe a la distribución de esfuerzo en las zonas primaria y secundaria de corte, los efectos
térmicos, las características de endurecimiento por trabajo del material.
Rompevirutas: es una placa de metal fija generalmente a la cara de ataque de la herramienta.
Fuerzas y potencia de corte
Es importante conocer las fueras y la potencia en las operaciones de corte, por las siguientes
razones:
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Se deben conocer los requerimientos de potencias, para poder seleccionar una máquina
herramienta de potencia suficiente.
Se requieren datos sobre fuerzas de corte para: poder diseñar en forma correcta las
maquinas herramientas, y evitar distorsiones excesivas de sus elementos, manteniendo las
tolerancias dimensionales necesarias en la parte acabada, las herramientas y sus
sujetadores, así como los soportes de pieza; y poder determinar, antes de la producción
real, si la pieza es capaz de resistir las fuerzas de corte sin deformarse demasiado.
Fc: fuerza de corte, suministra la energía necesaria para cortar
V: velocidad de corte
Ft: fuerza de empuje, perpendicular a la velocidad de corte
R: fuerza resultante entre Fc y Ft, esta se puede descomponer en dos fuerzas sobre la cara de la
herramienta.
F: fuerza de fricción
N: fuerza normal de la herramienta sobre la viruta perpendicular a F
Fs: fuerza de cizallamiento
Fn: fuerza normal
µ: coeficiente de friccion
β: angulo de friccion
F=R sin(β)
N=R cos(β)
Fs=Fc cos(φ)-Ft sen(φ)
Fn=Fc sen(φ)+Ft cos(φ)
µ=F/N = (Ft+Fc tan(α))/ (Fc-Ft tan(α))
Fuerza de empuje: es importante conocer la fuerza de empuje en el corte, porque el
portaherramientas, los sujetadores de la pieza y la maquina herramienta deben ser
suficientemente rigidos para reducir al minimo las flexiones causadas por esta fuerza
Ft=R sin(β-α) ó Ft=Fc tan (β-α)
Potencia = Fc V
Potencia cortante= Fs Vs
Energía especifica cortante: u_s= (Fs Vs)/(w to V) , w es el ancho del corte.
Potencia disipada en la friccion = F Vc
Energía especifica para la friccion: u_f= (F Vc)/(w to V)= F r/ (w to)
Energía especifica total: u_t= u_s + u_f
Temperatura en el corte
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Una temperatura excesiva afecta negativamente la resitencia, dureza y desgaste de la
herramienta de corte.
Al aumentar el calor se provocan cambios dimensionales en la parte que se maquina, y se
dificulta controlar la exactitud dimensional.
El calor puede inducir daños térmicos en la superficie maquinada, que afectan
negativamente sus propiedades.
La misma maquina herramienta se puede exponer a T° elevadas y variables, causando
distorsion y, en consecuencia, mal control dimensional de la pieza.
Temperatura media α V^a * f^b
V: velocidad de corte
f: avance de la herramienta
Material de la herramienta
Carburo
Acero rápido
a
0.2
0.5
b
0.125
0.375
Vida de las herramientas: Desgaste y falla (fig 20.15)
Las herramientas de corte están sometidas a: grandes esfuerzos localizados, altas temperaturas,
deslizamiento de la viruta por la cara de ataque y deslizamiento de la herramienta por la cara
recién cortada; las condiciones anteriores inducen al desgaste de la herramienta, que afecta de
forma negativa a la vida de esta, la calidad de la superficie maquinada y su exactitud dimensional,
en consecuencia la economía de las operaciones de corte.
El desgaste es un proceso gradual y depende de los materiales de la herramienta y la pieza, la
forma de la herramienta, los fluidos de corte, los parámetros del proceso (velocidad de corte,
avance y profundidad). Existen dos tipos de desgaste: el de flanco y el de cráter.
Desgaste de flanco: se presenta en la superficie de incidencia de la herramienta y se atribuye a:
frotamiento de la herramienta sobre la superficie maquinada, que causa desgaste adhesivo y/o
abrasivo, y la alta T° que afecta las propiedades de la herramienta y superficie de la pieza. Para
mantener una vida de la herramienta constante: si se la rapidez de avance o profundidad de corte,
se debe disminuir la velocidad de corte, y viceversa; una reducción de la velocidad puede tener
como consecuencia un aumento de material removido, por la mayor rapidez de avance y/o
profundidad de corte.
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Las curvas de vida de herramienta son graficas de datos experimentales obtenidos en
pruebas de corte con varios materiales bajo distintas condiciones y variando los
parámetros de proceso, como velocidad de corte, avance, profundidad de corte, material
y geometría de la herramienta y fluidos de corte (vida herramienta vs velocidad de corte).
Pista de desgaste admisible: las herramientas de corte se afilan o se cambian cuando: el
acabado superficial de la pieza maquinada comienza a empeorar; las fuerzas de corte
aumentan en forma apreciable; y la T° aumenta de forma apreciable.
Velocidad optima de corte: al aumentar la velocidad de corte, la vida de la herramienta
disminuye; pero si las velocidades son bajas , la herramienta dura mucho, pero también es
baja la rapidez con que se elimina el material.
Desgaste de cráter: se presenta en la cara de ataque de la herramienta, ya que cambia la
geometría de la interfase entre viruta y herramienta, afecta el proceso de corte. Los factores que
influyen son: la T° en la interfase herramienta-viruta y la afinidad química entre los materiales de
herramienta y pieza. El desgaste de cráter corresponde a un mecanismo de difusión (movimiento
de atomos a través de la interfase entre la herramienta y la viruta).
Desportillamiento: es la rotura o expulsión de una pequeña parte del filo de la herramienta, esta
rotura puede ser pequeña (micro o macro desportillado) o grande (desportillado grueso o frctura).
A diferencia del desgaste que es gradual este es de forma repentina, tiene un efecto negativo
sobre el acabado superficial, la integridad superficial y la exactitud dimensional de la pieza.
Las causas principales son: choque mecanico (impacto por interrumpir el corte) y la fatiga térmica
(variaciones cíclicas de T° de la herramienta en el corte interrumpido). Se puede presentar donde
ya exista una grieta o un defecto pequeño. Los angulos positivos grandes también pueden
contribuir al desportillamiento. Avance del cráter hacia la punta.
Vigilancia del estado de la herramienta: existen dos métodos: directas e indirectas. El método
directo, implica la medición óptica del desgaste, se realiza con un microscopio y es la técnica más
común y confiable. El indirecto implica una correlación del estado de la herramienta con variables
de procesos, como fuerzas, potencia, aumento de T°, acabado superficial y vibraciones.
Acabado e integridad de la superficie
Los factores que influyen sobre la integridad de la superfice son: las T° generadas durante el
procesamiento, los esfuerzos residuales, las transformaciones de fase y la deformación plástica,
desgarramiento y agrietamiento superficiales. Cuando se produce viruta de borde acumulado
debido a un mal filo de la herramienta, no se obtiene un buen acabado.
Si una herramienta vibra o traquetea durante el corte afectara negativamente el acabado
superficial. Por ejemplo en el cilindrado la herramienta deja un perfil en espiral (marcas de avance)
en la superficie maquinada, pero esto solo importa en el maquinado de acabado, en donde no se
deben observar estas marcas.
Maquinabilidad
Se suele definir en función de 4 factores: Acabado e integridad superficial de la parte maquinada;
duración de la herramienta; requerimientos de fuerza y potencia; control de viruta. Entonces una
buena maquinabilidad se traduce en un buen acabado e integridad de la superficie, larga vida de la
herramienta y bajos requerimientos de fuerza y potencia. Respecto al control de virutas largas y
delgadas, si no se rompen, pueden interferir mucho con las operaciones de corte, al enredarse en
la zona de corte.
Maquinabilidad de los aceros:
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Aceros resulfurados y refosforados: el azufre en los aceros forma inclusiones de sulfuro
de manganeso que actua como elevadores de esfuerzos en la zona de corte primario.
Entonces las virutas producidas se rompen con facilidad y son pequeñas; esto mejora la
maquinabilidad. El fosforo fortalece la ferrita elevando la dureza (mejor formación de
viruta y mejor acabado superficial), también aumenta la dureza formando virutas cortas
en lugar de hilos continuos.
Aceros con plomo: un gran porcentaje de plomo en los aceros se solidifica en las puntas
de las inclusiones de sulfuro de magnesio. El plomo tiene una baja resistencia al corte,
funcionando así como lubricante solido. Cuando la T° es alta el plomo se funde frente a la
herramienta y funciona como lubricante liquido, reduciendo asi las fuerzas de corte y el
consumo de potencia.
Aceros desoxidados con calcio: se forman hojuelas de silicatos de calcio, estas hojuelas
reducen la resistencia de la zona secundaria de corte y disminuyen la fricción y el
desgaste. También se reduce la T°, entonces estos aceros producen menos desgaste de
cráter, en especial a grandes velocidades de corte.
Aceros inoxidables: los auteniticos son difícil de maquinar, sin embargo los aceros
inoxidables ferriticos tienen buena maquinabilidad. Los martensiticos son abrasivos,
tienden a formar bordes acumulados y requiren herramientas de materiales con gran
dureza en caliente y resistencia al desgaste al cráter.
Efectos de otros elementos sobre la maquinabilidad: la presencia de aluminio y silicio en
los aceros siempre es nociva, debido a que forman oxidos los cuales son muy duros y
abrasivos. Los aceros de bajo carbono pueden producir borde acumulado obteniéndose un
mal acabado. El niquel, cromo, molibdeno y vanadio mejoran las propiedades de los
aceros, pero reducen su maquinabilidad.
Maquinabilidad de otros metales diversos:
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Aluminio: es fácil de maquinar, tiende a formar bordes acumulados y un mal acabado. Se
recomiendan altos ángulos de ataque, grandes angulos de incidencia y una alta velocidad
de corte.
Berilio: requiere ser mquinado en un ambiente controlado por ser abrasivo y toxico.