relación entre la rugosidad y las variables de mecanizado en

Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, 475-482
RELACIÓN ENTRE LA RUGOSIDAD Y LAS VARIABLES DE
MECANIZADO EN UNA OPERACIÓN DE TORNEADO CON
INSERTOS
N.E. Mazini, J.M. Blanco, L. Iurman y D. Ziegler
Laboratorio de Metalurgia, Departamento de Ingeniería, Universidad Nacional Del Sur. Avda.
Alem 1253. (8000) Bahía Blanca, Argentina
RESUMEN
En este trabajo se estudian las condiciones de mecanizado en una operación de acabado en
torno que permiten obtener estados superficiales finos, semifinos o medios, con una rugosidad
respecto de una línea media con un valor de CLA o Ra entre 1,6 y 6,3 µm.
Se analizan las variaciones de la rugosidad en función del avance, la velocidad y el espesor de
pasada, como así también la influencia del radio de punta y el montaje de la herramienta para
distintos ángulos de posición de filo y desahogo.
Se establecen también las condiciones que permiten maquinar con menor consumo de energía
específica y menor tiempo de máquina.
Palabras claves
Rugosidad, Torneado, Acabado, Herramientas, Insertos
INTRODUCCIÓN
La rugosidad superficial de una pieza consiste en las finas irregularidades de la textura
superficial originadas por la acción del proceso de fabricación.
En una operación de maquinado el radio de punta “Rp” y el ángulo de desahogo “K´r” junto
con el avance son en principios, los parámetros que más afectan el acabado superficial y la precisión
de la medida.
En la figura 1 se esquematiza el perfil teórico que deja una herramienta con punta curva y
montada en forma tal que el ángulo de posición de filo “Kr” sea igual al de desahogo “K´r”.
En la figura 2 se hizo lo mismo con herramienta sin radio de punta con un ángulo de posición
de filo “Kr” y otro de desahogo “K´r”.
ht
e
Fig. 1 – Herramienta con radio de punta y Kr = K´r
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Mazini, Blanco, Iurman y Ziegler
Fig. 2 – Herramienta sin radio de punta
La altura teórica del perfil estaría dado por las ecuaciones:
ht = Rp − 12 × 4Rp 2 − a 2
para el caso de la figura 1:
o con la ecuación aproximada:
a2
ht
(1)
(2)
8 Rp
siendo “a” el avance en mm / rev y el radio “Rp” en mm.
Tabla 1. Valores teóricos de la altura máxima ( ht ) – [2]
Rp mm
a mm
0,3
0,2
0,1
0,4
28
12,5
3
0,8
14
6
1,5
1,2
9
4
1
para el caso de la figura 2:
ht = a × sen Kr × sen K ´r
(3)
sen ( Kr + K´r )
La rugosidad cuadrática media “Rm” y la rugosidad respecto de la línea promedio “Ra” o
“CLA” esta dado por las ecuaciones (4) y (5).
l
Ra = 1l × ∫ y dx
0
(4)
Rm = ( 1l ×
l
∫0 y
2
dx )1 / 2
(5)
Si se calcula según los perfiles de las figuras 1 y 2, los valores de la rugosidad “Ra” o “Rm”
los valores que se obtienen son generalmente menores que los obtenidos de la superficie real por
medio de un rugosímetro.
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Fig.3 – Perfil de rugosidad
Los valores más bajos de “CLA” que se pueden lograr en operaciones de acabado en
torneado están entre 1, 6 y 3,2 µm [3]. En la tabla 2 se indican los valores de rugosidad que pueden
obtenerse en superficies torneadas.
Tabla 2 – Valores de CLA para superficies torneadas – [3]
CLA
Clase o usos
Aconsejable para tolerancias de
medida ±
1,60
Fino
0,075
3,20
Semifino
0,1
6,3
Medio
0,175
12,5
Semirugoso
0,33
Las especificaciones y manufactura de una superficie requieren una rigurosa interacción entre
las propiedades metalúrgicas de la superficie, las condiciones de maquinabilidad y el método de
ensayo de la medida de la rugosidad, como así también se necesita un estudio integral del
comportamiento de la superficie, como de la estructura metalúrgica de la misma, pues ambos
factores influyen en la calidad de la superficie maquinada.
Así por ejemplo en estructuras en que las fallas por fatiga pueden afectar su superficie, en
casos de corrosión bajo tensiones o en superficies con dureza crítica por desgaste, se hace
imprescindible junto con las condiciones metalúrgicas un estudio de la rugosidad más conveniente.
Debe tenerse en cuenta además que el costo de torneado entre una superficie con terminación
fina y una semirugosa aproximadamente se triplica [3].
DESARROLLO EXPERIMENTAL
El estudio se hizo maquinando un acero al carbono SAE 1010, usando herramientas con
insertos de metal duro recubiertos para trabajar sin fluido de corte, en un torno paralelo con una
potencia en el motor de 5 Kw.
Los parámetros que se variaron para estudiar su influencia sobre la rugosidad, además de los
ya indicados como principales, el avance y el radio de punta de la herramienta, fueron la velocidad,
la profundidad de la pasada y los ángulos de posición y desahogo.
Los portaherramientas utilizados tenían plaquitas triangulares con radios de punta de 0,4 y 0,8
mm fijadas por medio de bridas formando ángulos de posición de filo y desahogo de 60°.
Plaquitas cuadradas con radios de punta de 0,4; 0,8 y 1,2 mm fijas por medio de bridas
formando ángulos de posición de filo y desahogo de 45°.
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Mazini, Blanco, Iurman y Ziegler
Plaquitas triangulares con radio de 0,8 mm, fijas por medio de bridas formando un ángulo Kr
= 90° y K´r = 30°.
Todos los portaherramientas se fijaron en el torno en forma tal que durante el maquinado
mantuvieran los ángulos indicados.
Por medio de un rugosímetro Taylor Hobson, se midió el “CLA” ( Ra ) de las superficies
maquinados y se hizo un registro de las mismas.
Se trabajó usando una longitud de muestreo de 4,8 mm y un período ( cutt – off ) “λ” de 0,8
con amplitudes de x 1000 y x 500.
Los registros se hicieron con una velocidad de desplazamiento de papel x 20 y se usaron las
amplitudes ya indicadas.
Por medio de un cabezal dinamométrico [4] se determino las fuerzas de torneado
especialmente la de corte “Fc” en Newton para calcular la potencia y la energía específica
consumida y la fuerza de empuje “Fe” para evaluar sus efectos sobre el perfil de la rugosidad.
Las ecuaciones utilizadas fueron:
Potencia:
Pc = Fc × v 60
Newton
(6)
mm 3
(7)
siendo “v” la velocidad de corte usada en m / min.
El caudal de viruta:
Q = a × e × v × 1000
“a” es el avance en mm/rev y “e” la profundidad de pasada en mm.
GJ/m 3
Q
Se agregó también el tiempo para una longitud de torneado de 100 mm.
La energía específica :
Tiempo:
Ec = Pc
t = 100
a×v
min
(8)
(9)
RESULTADOS
Los valores de avances y espesores recomendados [1] son:
para acabado extremo: a = 0,05 – 0,15 mm /rev ; e = 0,25 – 2 mm
para acabado normal:
a = 0,10 – 0,30 mm/rev ; e = 0,50 – 3 mm
debiendo trabajarse con altas velocidades.
En las tablas 3 y 4 se analiza el efecto de la velocidad en operaciones de acabado extremo y
normal.
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Condiciones
a mm 0,1
e mm
2
Rp mm 0,8
Kr °
60
Condiciones
a mm 0,1
e mm 0,5
Rp mm 0,8
Kr °
60
Tabla 3. Influencia de la velocidad de corte con pasadas
de acabado normal
v m / min
95
190
250
H mm
4-6
4-6
4–6
CLA
4
2,5
2
3
Ec Gj / m
3,65
3,32
2,93
Pc Kw
1,15
2,10
2,41
T min
3,33
1,66
1,25
Tabla 4. Influencia de la velocidad de corte con pasadas
de acabado extremo
v m / min
190
250
375
500
H mm
2-4
2-4
2-4
2
CLA
1,5
1,5
1,5
1,5
3
Ec Gj / m
4,42
3,92
3,66
3,66
Pc Kw
0,70
0,82
1,16
1,52
t min
1,66
1,25
0,83
0,62
En la tabla 5 se analiza el efecto de la profundidad de pasada trabajando a velocidad y avance
constante para ángulos Kr = K´r = 60° y Rp = 0,8.
Condiciones
a mm
0,1
v m/min 190
Rp mm
0,8
Kr °
60
Tabla 5. Influencia de la profundidad de pasada
e mm
3
2
1
h mm
4–6
4–6
2-4
CLA
3
2,5
1,5
3
Ec Gj / m
2,97
3,32
3,67
Pc Kw
2,83
2,10
1,16
t min
1,66
1,66
1,66
0,5
2-4
1,5
4,42
0,70
1,66
En las tablas 6a y 6b se puede apreciar la influencia que tiene el radio de punta de la
herramienta en combinación con distintos avances.
Condiciones
e mm
0,5
V m/min 250
Kr °
60
Tabla 6a. Influencia del avance para Rp = 0,8
a mm
0,3
0,2
h mm
10 - 16
6 - 10
CLA
3
2
3
Ec Gj / m
2,3
2,5
Pc Kw
1,43
1,04
t min
0,42
0,63
479
0,1
2-4
1,5
3,92
0,82
1,25
Mazini, Blanco, Iurman y Ziegler
Condiciones
e mm
0,5
v m/min 250
Kr °
60
Tabla 6b. Influencia del avance para Rp = 0,4
a mm
0,3
0,2
h mm
20 - 28
12 - 14
CLA
6
3,5
3
Ec Gj / m
1,82
2,23
Pc Kw
1,14
0,93
t min
0,42
0,63
0,1
3–4
2
2,74
0,57
1,25
En la tabla 7 se indica la rugosidad obtenida cuando se trabajó con una herramienta de ángulo
de posición de filo 90° y uno de desahogo de 30°.
Condiciones
e mm 0,5
v m/min 250
Rp mm 0,8
Tabla 7. Influencia del avance para Kr = 90° y K´r = 30 °
a mm
0,3
0,2
0,1
h mm
4-3
2 – 1,5
2
CLA
3-5
2
2
En la tabla 8 se observa la influencia que tiene el radio de punta en una operación de acabado
normal con un montaje de herramienta Kr = K´r = 45°
Condiciones
A mm 0,3
E mm 0,5
v m/min 250
Kr °
45
Rp mm
ht
h mm
CLA
Tabla 8. Influencia del radio de punta
0,4
0,8
28
14
36
12 – 16
> 10
4
1,2
9
8 – 10
2,5
En las figuras 4, 5 y 6, se llevaron los perfiles obtenidos en el rugosímetro como indicativo
para algunos casos particulares que se indican en cada uno.
x 500
↑→ x 20
Fig. 4 – Perfil para tabla 6
a = 0,3
x 1000
↑→ x 20
x 1000
↑→ x 20
Fig. 5 – Perfil para tabla 8
Rp = 0,4
480
Fig. 6 – Perfil para tabla 8
Rp = 0,8
Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga
DISCUSIÓN
Según se aprecia en las tablas 3 y 4 en desbastes normales conviene trabajar con velocidades
altas para disminuir el valor del CLA, en cambio con condiciones de acabado extremo para
velocidades superiores a 200 m/min si bien no se aprecia variaciones en la rugosidad conviene
trabajar con la mayor velocidad posible, pues mejora el consumo de energía específica y disminuye
el tiempo de maquinado.
De la tabla 5 se observa que el espesor de pasada si bien no tiene tanta importancia como la
variación del avance, su disminución hace caer tanto la altura de picos a valles como el CLA.
De las tablas 6a, 6b y 7 se ve la importancia que tiene sobre la disminución de la rugosidad la
caída de los valores del avance.
Tanto la disminución del avance como de la profundidad consiguen una menor rugosidad a
expensas de un mayor consumo de potencia específica, en el caso particular del avance el tiempo de
maquinado aumenta, tablas 5, 6a y 6b.
De las tablas 6a, 6b y 8 se comprueba que para iguales condiciones de maquinado el mayor
radio de punta produce una disminución muy importante en el valor de la rugosidad, lo que se
aprecia también en las figuras 5 y 6.
De las tablas 6a y 7 se observa que maquinando con las mismas plaquitas triangulares pero
montadas con distintos ángulos de posición de filo y desahogo, si bien se obtienen valores similares
de CLA, los perfiles obtenidos tienen menores alturas de pico a valle, cuando el ángulo de desahogo
es menor.
En aquellas condiciones que se originan fuerzas de empuje radial “Fe” altas los diagramas
muestran perfiles irregulares tal es el caso de la figura 4 donde el valor de “Fe” fue de 893 N
produciendo inestabilidad en la operación. En cambio en las figuras 5 y 6 se ven dos perfiles en que
las cargas fueron 200 N dando cortes de perfiles limpios.
CONCLUSIONES
Las condiciones de maquinado que permiten un acabado fino con CLA < 1,60 son:
profundidad 0,5 mm, avance 0,1 mm, velocidades superiores a 200 m / min, herramientas con
Kr y K´r de 60° y Rp = 0,8 mm.
En estas condiciones cuanto mayor sea la velocidad usada menor es el consumo de potencia
específica y menor el tiempo de maquinado.
Las condiciones para un acabado semifino con CLA < 3,2 son:
profundidades menores de 3 mm con avance de 0,1 mm ó profundidades de 0,5 mm con
avances menores de 0,3 mm ambos casos con velocidades superiores a los 200 m / min y
herramientas con Kr = K´r = 60°; Rp = 0,8 mm.
Las demás condiciones de torneado estudiadas permiten obtener estados superficiales medios
con CLA < 6 excepto con herramientas de Kr = 45°´, Rp = 0,4 mm; con avance de 0,3 y
espesor de 0,5 y velocidad de 250 m / min que dan un estado semirugoso con CLA > 10.
Las herramientas con insertos triangulares permiten obtener rugosidades similares con menor
alturas de pico a valle si su montaje se hace con valores de K´r lo más chico posible.
481
Mazini, Blanco, Iurman y Ziegler
REFERENCIAS
1. S. Coromant. El mecanizado moderno, ISBN 91-97-22-99-2-X, VI 48, 1994.
2. M.S. Carrilero – M.M. Barceno. Relación paramétrica del mecanizado, ISBN 84-7786-1846, 53, 1994.
3. M. Field, J. Kahles, W.P. Koster, Metal Handbook, Vol. 16, 22, ASM, 1989.
4. N.E. Mazini – J.M. Blanco – L. Iurman – D. Ziegler, Cabezal Dinamométrico para Medir
Fuerzas de Torneado Usando Herramientas con Insertos de Metal Duro, Actas de las
Jornadas SAM 99, 1999.
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