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.” 1 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE 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. 2 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 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. 3 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 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: 4 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 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 [ - ] 5 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 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. 6 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 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. 7 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 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. 8 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 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) 9 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica - 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. 10 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 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 11