04-33

JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
04-33
INFLUENCIA DEL AVANCE Y DE LA PROFUNDIDAD DE
PASADA EN UNA OPERACIÓN DE TORNEADO
Nelson E. Mazinia , José M. Blancob , Daniel O. Zieglerc , Lucio Iurmand
a
Dto. de Ingeniería, Universidad Nacional del Sur. Av. Alem 1253, 8000-Bahía Blanca.
[email protected] , b [email protected] , c [email protected] , d [email protected]
En una operación de maquinado la vida útil de la herramienta depende fundamentalmente de la velocidad de corte,
pero además no se puede dejar de considerar la influencia de la geometría de corte, la estructura y propiedades del
material que se maquina y las características de la herramienta usada.
Para determinar la influencia de los distintos parámetros se plantea una ecuación dimensional en la que la
geometría de corte está dada por el ancho y el espesor de la viruta (relacionados directamente con el avance y
profundidad de corte); el material a través de la resistencia al corte, de un factor térmico y de la temperatura que
alcanza el filo de la herramienta. Con las condiciones anteriores constantes se determina que la relación entre la
velocidad de corte y el tiempo de duración de filo responde a la ecuación: V· tn = cte.
Para un material y herramienta dada, alcanzado el equilibrio térmico, la ecuación planteada para una geometría de
corte fija, se reduce a:
av
1,5− M −Q
Q + 0.5
⋅ ev
M −1
Q+ 0.5
⋅V ⋅ t
Q
Q + 0.5
= C0
En la que V es la velocidad de corte, a v el ancho de viruta, ev su espesor, t el tiempo de duración del filo, Q , M y C0
resultan constantes.
Trabajando un acero 4140 templado y revenido, con dureza de 20 Rc, usando herramientas de metal duro
recubiertas con capas endurecedoras y lubricantes, se determina en forma experimental los valores de las
constantes Q y C0 . lo que permite junto con evaluaciones teóricas del valor que puede tomar M en relación con los
avances y profundidades de pasada , determinar la relación entre el tiempo de duración de filo y la velocidad de
corte para distintas condiciones de avance y profundidad de pasada.
Palabras claves: maquinado, acero, duración del filo.
1. INTRODUCCIÓN
La vida útil del filo de una herramienta depende
fundamentalmente de la velocidad de corte y del tipo
de herramienta usada, pero no se pueden despreciar
otras variables como ser el avance y la profundidad de
pasada, el material que se maquina y la temperatura
máxima de régimen alcanzada por el filo.
La correlación de todas esas variables se hace a través
de un análisis dimensional [1] de las cuatro
magnitudes fundamentales que intervienen en una
operación de maquinado con producción de viruta:
masa (m), longitud (l), tiempo (t) y temperatura (T) lo
que permite llegar a la ecuación
av
1 .5 ⋅(− M −Q )
Q + 05
⋅ ev
... ( KρC )
M −1
Q + 0. 5
1
2 Q + 05
⋅V ⋅t
⋅T
1
Q +0 .5
Q
Q + 0 .5
⋅ Ks´
= Co
1
Q +0 .5
⋅ ...
(1)
Siendo a v [mm] el ancho de viruta , ev [mm] el espesor
de la misma y relacionadas con el avance a [mm / rev]
y la profundidad de pasada e [mm] por las ecuaciones:
av = a ⋅ sen K r
ev = e ⋅ cos K r
(2)
(3)
siendo Kr el ángulo de posición del filo según el
gráfico de la Figura 1,. V es la velocidad de corte en
[m / min], . Ks ´ la energía específica consumida en
[GJ / m3 ] y (K· ρ· C) un factor térmico producto de la
conductividad calórica K por la densidad ρ y la
capacidad calorífica C.
Para un material con una estructura determinada y
teniendo en cuenta que el régimen de máxima
temperatura del filo se alcanza rápidamente, la
ecuación (1) se reduce a:
av
1 .5 − M −Q
Q + 05
⋅ev
M −1
Q + 0. 5
⋅V ⋅ t
Q
Q +0 .5
= Co
(4)
Siendo en estos casos M , Q y C0 las constantes que se
desean determinar para distintas condiciones de
avances y profundidad de pasada.
Se trabaja en una operación de torneado, en
condiciones de desbaste medio, un acero SAE 4140
templado y revenido con una dureza de 20 Rc.
La herramienta usada es de metal duro de base P25
(SNMG12–04–04PM)
recubierta
con
capas
endurecedoras de óxido de aluminio y lubricante de
nitruro de titanio, con una geometría especial en el
plano de ataque. Los ángulos efectivos se indican en la
Tabla I.
286
JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
04-33
Ángulo de ataque primario
Ángulo de ataque secundario
Ángulo de incidencia lateral
Ángulo de elevación del filo
Ángulo de posición del filo
Figura 1. Proyecciones de la viruta sobre el plano
medio horizontal de la pieza.
La duración del filo de la herramienta se evalúa por el
desgaste que se produce en el plano de incidencia
[2],[3] y teniendo en cuenta que si bien éste al
principio es rápido, luego varía lineálmente en función
del tiempo de maquinado [4].
La forma y el ancho del desgaste VB en el plano de
incidencia, se determina con un microscopio de
mediciones con 30 aumentos y mesas en coordenadas
con aproximación de 0.001 mm.
Para un desbaste semipesado en torneado, los
fabricantes de insertos recubiertos aconsejan trabajar
con avances entre 0.15 y 0.5 mm y pasadas entre 1 y 4
mm.
Se fija un avance constante de 0.2 mm y se varían los
valores de la profundidad de pasada con lo cuál la
ecuación (4) queda :
ev
M −1
Q +0 .5
⋅V ⋅ t
Q
Q + 0. 5
= C01
V ⋅t
Q
Q + 0 .5
= C02
(7)
(8)
Para cada profundidad de pasada esta ecuación en un
diagrama log–log es una recta en que n es la pendiente
y C02 la ordenada para t igual a 1 minuto, esto permite
determinar n y C02 como:
 V  
t 
n =  log 2  /  log 1 
t2 
 V1  
(9)
y
C0 = antilog (log Vi + n ⋅ log ti )
El valor del exponente Q viene dado por :
Q=
0 .5 ⋅ n
1 −n
(11)
Para fijar el valor de M se plantean dos hipótesis: una
que la profundidad de pasada no influye en el desgaste
de la herramienta con lo que M en la ecuación (4) debe
valer 1.
La otra que tanto la variación del avance como la de
espesor tienen igual importancia en el desgaste del
filo, con lo cual según la ecuación (4) es :
1 .5 − M − Q
M −1
=
Q + 0 .5
Q + 0.5
(12)
En forma similar se procedió dejando un espesor
constante de 2 mm y variando los avances entre 0.1 y
0.3 mm tomando la ecuación (4) la forma:
av
1 .5 − M − Q
Q +05
⋅V ⋅ t
Q
Q + 0. 5
= C01
(13)
2. DESARROLLO EXPERIMENTAL
la ecuación (6) queda
V ⋅ t n = C02
45 °
(6)
En todos los casos el desgaste en el plano de
incidencia presenta un perfil parejo y para cada
velocidad se toma el tiempo que produce un desgaste
de 0.1 mm de ancho.
Si se toma
Q
=n
Q + 0.5
9°
0°
Faja de ataque primario
En la punta
0.20 mm
En el centro
0.25 mm
Tabla I. Ángulos efectivos de trabajo y ancho de la
faja del filo.
(5)
para cada profundidad de pasada se varia la velocidad
de corte con lo cual la ecuación (5) pasa a ser:
–4 °
11 °
(10)
2.1 Medición del tiempo de duración de filo
Para 3 velocidades se determina el exponente n y C0 ,
con VB = 0.1 mm.
Con un avance de 0.2 [mm / rev], se varía la
profundidad de pasada, comenzando por e = 1 mm y
para tres valores de velocidad distinta se determina el
tiempo de duración de filo que produce en el plano de
incidencia un desgaste de 0.1 mm de ancho (Tabla II).
Los valores de C0 de la Tabla II se calculan aplicando
la ecuación (10). Con la ecuación (9) para distintas
combinaciones de V y t se obtienen valores de n de
0.548, 0.560 y 0.543, por lo que se toma un valor
promedio C0 = 516 y n = 0.55 .
2.2 Determinación de los valores de las constantes
Q y M.
Aplicando la ecuación (11) resulta Q = 0.61. Según
análisis anteriores el valor de M puede estar entre 1 y
el obtenido por la ecuación (12) que en este caso da
0.95 . Considerando que la influencia, sobre el tiempo
de duración de filo, producido por una variación en el
espesor de la viruta es mucho menor que el originado
por un variación en el ancho, se fija M = 0.98 .
287
JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
V [m / min]
120
t [min]
C0 ; V B = 0.1mm
14.2
516
165
7.9
514
200
5.6
516
Tabla II. Duración de filo para un VB = 0.1mm
V
t
C0
[m/min]
[min]
VB = 0.1 mm
125
12.8
163
192
7.8
5.8
495
Q
M
n1
0.54
Co
n2
VB = 0.3 mm
0.59
0.98
–0.06
–0.018
1630
Tabla III. Valores experimentales y calculados para:
a = 0.2 mm , e = 2 mm , a v = 0.14 mm , ev = 2.82 mm
V
t
C0
[min]
18.8
VB = 0.1 mm
130
160
7.6
5.2
390
0.54
Q
M
n1
n2
t
[min]
16.2
9.6
6.4
Q
M
C0
VB = 0.1 mm
n
555
0.54
n1
n2
Co
VB = 0.3 mm
V
[m/min]
121
158
185
t
[min]
9.5
5.6
4.3
Q
M
C0
VB = 0.1 mm
n
405
0.54
n1
n2
Co
VB = 0.3 mm
0.59
0.98
–0.06
–0.018
1310
Tabla VI. Valores experimentales y calculados para:
a = 0.3 mm , e = 2 mm , a v = 0.21 mm , ev = 2.82 mm
n
Avances
0.1
0.2
0.3
1
2120
1800
1450
2
1920
1630
1310
3
1500
1270
1020
Tabla
VII.
Valores
de
C0
determinados
experimentalmente y calculados por interpolación.
Espesor
Co
VB = 0.3 mm
0.59
0.98
–0.06
–0.018
1270
Tabla IV. Valores experimentales y calculados para:
a = 0.2 mm , e = 3 mm , a v = 0.14 mm , ev = 4.24 mm
2.3 Cálculo de los exponentes del ancho y del
espesor de viruta, n1 y n2 .
Los valores del ancho y espesor de viruta, según
ecuación (2) y (3), son a v = 0.14 y ev = 1.41 .
Y con los valores indicados de Q y M los exponentes
de a v y ev resultan n 1 = – 0.08 y n 2 = – 0.018 .
2.4 Cálculo de la constante C0 de la ecuación (4).
Como el desgaste observado en el plano de incidencia
es parejo y la Norma [2] indica que se puede tomar el
tiempo para el desgaste límite de 0.3 mm y como se
dijo pasado un corto tiempo inicial el desgaste varia
linealmente; para un avance de 0.1 [mm / rev] y una
profundidad de 1 mm, el coeficiente C0 pasa a tomar
un valor :
C0 = 516 ⋅
V
[m/min]
123
164
204
0.59
0.98
–0.06
–0.018
1920
Tabla V. Valores experimentales y calculados para:
a = 0.1 mm , e = 2 mm , a v = 0.07 mm , ev = 2.82 mm
n
[m/min]
80
04-33
0. 3
⋅ 0. 14 − 0.08 ⋅ 1. 41− 0.018 = 1793
0. 1
Resumiendo los exponentes y las constantes de la
ecuación (4) para una profundidad d pasada de 1 mm
y avance 0.1 [mm / rev] son:
Q = 0.61 , M = 0.8 , C0 = 1800 ,
n1 = – 0.08 y n2 = – 0.018 .
En las Tablas III y IV se indican los datos medidos
experimentalmente y los calculados, siguiendo el
mismo esquema anterior, para el mismo avance y
variando las profundidades de pasada a 2 y 3 mm.
En el Gráfico 1 en un diagrama log–log con los valores
de Q, M y C0 dados en el punto (2.4) y en las Tablas
III y IV, se representa la relación de la velocidad y el
tiempo de duración de filo.
En las Tablas V y VI se indican los valores
experimentales y los calculados para un espesor de 2
mm y un avance variable entre 0.1 [mm / rev] y
0.3 [mm / rev], respectivamente.
En el Gráfico 2 en un diagrama log–log con los valores
de Q, M y C0 dados en las Tablas II, V y VI, se
representa la relación entre la velocidad y el tiempo de
duración del filo.
Según los resultados obtenidos los valores para aplicar
la ecuación (4) son Q = 0.59 y M = 0.98 .
Con estos valores obtuvimos
n1 = – 0.06 , n2 = – 0.018 y n = 0.54
En la Tabla VII se dan los valores de C0 en función de
los avances y profundidades de pasada, indicando con
negritas los calculados y los restantes interpolando.
3. CONCLUSIONES
§ El cálculo del tiempo de duración de filo t de una
herramienta de metal duro recubierta, en función del
avance, la profundidad de pasada y su velocidad de
corte se puede hacer por medio de una ecuación como
la (4) deducida del análisis dimensional.
288
JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
04-33
10000
Velocidad de corte V [ m / min ]
e = 1 mm
e = 2 mm
e = 3mm
1000
100
1
10
100
Tiempo de duración de filo t [ min ]
Figura 2. Relaciones entre la velocidad y el tiempo de duración del filo para VB = 0.3 mm.
Avance constante proporcionalidad entre 1 y 3 mm.
Velocidad de corte V [ m / min ]
10000
e = 1 mm
e = 2 mm
e = 3mm
1000
100
1
10
100
Tiempo de duración de filo t [ min ]
Figura 3. Relaciones entre la velocidad y el tiempo de duración del filo para VB = 0.3 mm.
Profundidad constante 2 mm y avances entre 0.1 y 0.3 mm.
av
1 .5 − M − Q
Q +05
⋅ ev
M −1
Q +0 .5
⋅V ⋅ t
Q
Q + 0. 5
o construyendo un gráfico log–log llevando en
abscisas los tiempos y en ordenadas las
velocidades.
= Co
Siendo a v el ancho de la viruta, ev su epesor, V la
velocidad de corte, y t el tiempo para un desgaste
determinado en el plano de incidencia.
Q, M y C0 son constantes, que se determinan
midiendo el tiempo de duración de filo para un
desgaste VB de 0.1 mm; para 3 velocidades distintas
y valores de avance y profundidad de pasada que
están dentro del campo usual.
4. REFERENCIAS
[1] N.E. Mazini, J.M. Blanco, D. Ziegler, L.
Iurman, “Evaluación del comportamiento al
maquinado de un acero templado y revenido con
distintas durezas”, Actas del Congreso CoNaMet–
SAM / Simposio de Materiales 2003, 04–45,
Bariloche.
[2] N.E. Mazini, J.M. Blanco, L. Iurman, D.
Ziegler, “Duración del Filo en Plaquitas de Metal
Duro Recubiertas”, Actas del Congreso CoNaMet–
SAM / Simposio de Materiales 2002, Santiago de
Chile.
[3] Norma ISO, “Tool life testing with single point
turning tool”, ISO/T0/29WG22/91.
§ Para un acero SAE 4140 templado y revenido con
dureza Rc 20, el valor del exponente del tiempo
n = 0.54, el de Q = 0.59 y el de M = 0.98.
Con estos valores el exponente de a v resulta
n 1 = – 0.06 y el de ev resulta n 2 = – 0.018. Los
valores de la constante C0 , dependen del avance y la
profundidad de pasada, y para un VB de 0.3 mm se
indican en la tabla VI.
§ El cálculo de la velocidad de corte para una
duración de filo de t [min] se puede hacer aplicando
la ecuación:
V=
av
n1
[4] S. Climb, N. F. Asbby, “Overview Nº55 – Wear
Mechanism Map”, Acta Metallurgica, Vol 35, Nº1,
1987.
Co
⋅ ev n 2 ⋅ t n
289