PROCESOS DE MANUFACTURA II

CÁLCULO DE CORTE Y POTENCIA, MATERIALES DE BROCAS, TIPOS DE DESGASTE – ORÍGENES Y

CONSECUENCIAS.

GERMN ANDRÉS ALMEIDA MOLINA

UNIVERSIDAD INTERNACIONAL SEK

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

QUITO

2013-2014

Página 1

FUERZA Y POTENCIA DE CORTE EN ARRANQUE DE VIRUTA

FUERZAS DE CORTE

Las fuerzas de corte están compuestas principalmente por el esfuerzo del arranque de viruta y el esfuerzo para romper la viruta. La intensa presión y fricción en el proceso da lugar a fuerzas que actúan en varias direcciones. El esfuerzo aplicado sobre el filo es principalmente de compresión, pero también existen esfuerzos de cizalladura. El área de contacto entre la viruta y la cara de desprendimiento está relacionada con las fuerzas de corte, razón por la que habrá que optimizar su geometría. El material de la herramienta también afecta a las fuerzas de corte.

Fuerzas

Al cortar, en el proceso de torneado, la fuerza R, que se denomina fuerza resultante de corte y que es necesaria para separar la capa de material trabajado, es aplicado al filo a cierto ángulo, que depende, en lo esencial, de la calidad del material a trabajar, de los regímenes de corte y de la configuración geométrica de la cuchilla.

Al trabajar en los tornos con cuchillas para cilindrar, la resultante de corte R puede ser descompuesta en tres componentes: fuerza tangencial de corte Fz y dos horizontales, el de avance Fx, que es paralelo al avance y otro radial de corte Fy, que es perpendicular el avance de la cuchilla (figura 5).

Basándose en la fuerza tangencial de corte Fz, se calcula la resistencia de todos los elementos de la cuchilla y otras piezas de la máquina herramienta, se determina el momento de torsión y la potencia requerida para hacer girar la pieza y el eje del cabezal del torno.

A partir de la fuerza radial de corte Fy y de la fuerza tangencial Fz, se calcula la flexión de la pieza a trabajar, lo que condiciona la precisión en la elaboración de las piezas, así como la determinación de la solidez de las piezas de la máquina de la cuchilla.

A partir de la fuerza de avance Fx y de la fuerza de rozamiento, que son originados por las fuerzas Fz y Fy y por el perno del soporte, se calcula la solidez de las piezas del mecanismo de avance de la maquina y la de los elementos de la cuchilla, así como se determina la potencia necesaria para hacer avanzar la cuchilla.

Un parámetro que da una indicación de la eficiencia del proceso es la energía consumida por unidad de volumen de material removido, y se conoce como fuerza específica de corte (ks).

Página 2

Energía absorbida en el corte por unidad de volumen ks.

Ks = Fc · L = Fc ( HP ) (kg/mm2)

Ac · L Ac pulg3 / min

Generalmente ks se expresa como fuerza específica de corte, es decir:

Ks = Fc

Ac

Donde:

Fc = Fuerza de corte (kgf)

Ac = Sección de corte (mm2)

La fuerza específica de corte depende del material y puede variar considerablemente de uno a otro, siendo afectada por los cambios en la sección de corte, ángulos y velocidad. La influencia de estos factores se aprecia en los gráficos adjuntos.

Página 3

Página 4

Tendencias de la fuerza específica de corte ks con diferentes factores

Vc(m/min) Vc(m/min)

Tendencias de la fuerza específica de corte ks con diferentes factores, continuación

La potencia necesaria para el maquinado resulta del producto de cada componente de la fuerza del maquinado por la respectiva componente de la velocidad de corte.

Potencia de Corte Nc

Nc = Fc x Vc (CV)

60 x 75

Donde:

Vc : Velocidad de corte m

min

Fc : Fuerza de corte

Página 5

Fuerza de Corte

Es la fuerza de maquinado que actúa en la dirección del corte (Fc). La magnitud de esta fuerza puede estimarse aplicando fórmulas de presión específica de corte, considerando que:

Fc = ks x Ac (kgf)

Donde:

Ac es la sección de corte y es igual a:

Ac = a x p ó bien

Ac = b x h en mm2

Fórmulas de Potencia Específica de Corte

Uno de los primeros investigadores que procuró expresar analíticamente la dependencia de la presión específica con los factores vistos anteriormente fue Taylor (1908). Sus fórmulas son las siguientes:

Ks = 88 para fundición gris

a0,25 p0,07

ks = 200 para acero semidulce

a0,97

Después de Taylor, varios investigadores siguieron trabajando para expresar valores de fuerza específica de corte, en forma simple y suficientemente precisa para fines prácticos. Resultados de estos trabajos son la fórmula ASME y Nomograma de Kienzle que se da a continuación

Página 6

Potencia de Avance Na Na = Fa x Va (CV)

1000 x 60 x 75

Donde:

Va : Velocidad de Avance mm

min

Fa : Fuerza de avance (kgf)

Potencia Efectiva de Corte Ne

Ne = Nc + Na (CV)

La potencia de avance es pequeña en relación con la potencia de corte y se puede aproximar.

Ne = Nc (CV)

FORMULA ASME

Ks = Ca

an

Ca = Constante del material

n = 0,2 para aceros

n = 0,3 para fierro fundido

Página 7

Valores de Ca para herramientas de Acero Rápido

MATERIAL DUREZA BRINELL CA

SAE 1020 177 180 SAE 1045 187 215

SAE 4340 302 233

Fundición media 181 122

Fundición dura 241 142

Esta tabla tiene validez para la siguiente forma de la herramienta

λ α γ r

10º 6º 14º 1/4”

Materiales y recubrimiento de las brocas

Material BaseLos materiales principalmente utilizados en brocas son:

Acero al carbono. Aleación de acero con hierro, carbono, silicio y manganeso. Se utiliza en materiales blandos como el plástico y la madera. Si se utiliza sobre materiales de mayor dureza disminuye rápidamente la duración de la broca por no tener buena resistencia a temperaturas altas. Requieren de un afilado más frecuente.

Acero rápido, de alta velocidad o HSS (High Speed Steel). Permite taladrar en acero de poca dureza. Son mucho más duras y resistentes que las brocas de acero al carbono.Carburo de wolframio o Widia. Elaboradas con un compuesto de Wolframio y carbono. Tiene la ventaja de mantener su dureza con las altas temperaturas producidas al perforar metales duros. Ofrecen una mejor resistencia que las anteriores.

Página 8

Acero al cobalto. Se trata de variaciones del acero rápido con más cobalto en la aleación. Una de sus ventajas es que mantiene su dureza con temperaturas más altas por lo que se utiliza sobre materiales de gran dureza. Además de ser extremadamente resistentes disipan el calor con gran rapidez. Son las más utilizadas para hacer agujeros en acero inoxidable y otros metales. Acero pulverizado PM HSS-E. Permite taladrar aceros de alta aleación, bonificados y de cementación.

Recubrimiento

Las brocas pueden además llevar una capa de recubrimiento de níquel o titanio, cubriendo la broca total o parcialmente desde el punto de corte. En general el recubrimiento específico dependerá del material sobre el cual se vaya a utilizar la broca.

Óxido Negro. Es un recubrimiento bastante económico. El óxido negro proporciona resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión. También actúa como lubricante. De este modo las brocas con este tipo de recubrimiento duran más tiempo que las típicas brocas de acero rápido sin esta capa de revestimiento.

Nitruro de Titanio (TIN). Se trata de un material cerámico de alta dureza que al aplicarse sobre una broca de acero rápido permite prolongar su vida operativa hasta tres veces más. La broca de nitruro de titanio no debe afilarse porque perdería el revestimiento en la zona afilada.

Nitruro de Titanio Aluminio (TIAN). Es un recubrimiento de mayor calidad que el nitruro de titanio ya que puede prolongar la duración de una broca sin recubrimiento en más de cinco veces.

Carbonitruro de Titanio (TICN). Es otro tipo de recubrimiento todavía de mayor calidad que el anterior. Es un recubrimiento de alto rendimiento adecuado para condiciones de corte donde se produce un desgaste abrasivo severo.

Polvo de diamante. Se utiliza principalmente como abrasivo para cortar materiales muy duros como la piedra. Durante la operación de corte se producen temperaturas muy altas. Por este motivo las brocas con recubrimiento de polvo de diamante necesitan frecuente refrigeración.

DESGASTE DE MATERIALES

Página 9

El desgaste es conocido desde que el ser humano comenzó a utilizar elementos naturales que le servían como utensilios domésticos. Este fenómeno al igual que la corrosión y la fatiga, es una de las formas más importantes de degradación de piezas, elementos mecánicos y equipos industriales. El desgaste puede ser definido como el daño superficial sufrido por los materiales después de determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos. Este fenómeno se manifiesta por lo general en las superficies de los materiales, llegando a afectar la sub-superficie.

El resultado del desgaste, es la perdida de material y la subsiguiente disminución de las dimensiones y por tanto la perdida de tolerancias. Los mecanismos de daño en los materiales se deben principalmente a deformación plástica, formación y propagación de grietas, corrosión y/o desgaste desde que el desgaste comenzó a ser un típico importante y que necesitaba estudiado y entendido, comenzaron a aparecer en los libros de diseño y en la mente de los diseñadores, ideas sencillas de cómo prevenirlo o combatirlo, entre esas ideas se tienen:

1. Mantener baja la presión de contacto 2. Mantener baja la velocidad de deslizamiento 3. Mantener lisas las superficies de rodamientos 4. Usar materiales duros 5. Asegurar bajos coeficientes de fricción 6. Usar lubricantes

TIPOS DE DESGASTE.

Desgaste por fatiga de contacto. Este tipo de desgaste ocurre cuando piezas son sometidas a elevados esfuerzos, los cuales provocan la aparición y propagación de grietas bajo la acción repetitiva de estos. En el caso de piezas sometidas a deslizamiento, las capas superficiales sufren intensas deformaciones como resultado de la acción simultánea de las tensiones de contacto y de la fuerza de fricción. Los esfuerzos a los que están sometidos los materiales particularmente en las capas superficiales, promueven en la mayoría de los casos, alteraciones en la estructura cristalina y en el tamaño de grano. Con las nuevas tecnologías se ha necesitado de materiales, que a través de modernos procesos de producción o de tratamiento térmico, presenten una combinación especial de micro estructura y propiedades mecánicas, garantizando con esto, niveles de tolerancia, acabado superficial y desvíos de forma y posición cada vez mejores.

Por otra parte las leyes son cada vez más rigurosas, controlando los niveles de ruido y contaminantes perjudiciales para el hombre y el medio ambiente que provienen de selecciones equivocadas de materiales o procesos de producción empíricos. El picado originado a partir de grietas, es una de las fallas por fatiga de contacto superficial típica de elementos de máquinas, los cuales trabajan bajo régimen de lubricación elasto hidrodinámica y elevadas cargas superficiales. Este es el caso de cojinetes de rodamiento y ruedas dentadas en su punto de contacto.

Página 10

Aquí, el mecanismo principal de falla es la aparición y propagación de grietas después que las superficies han almacenado una determinada deformación plástica. Por esto, es importante el buen acabado superficial y la correcta selección y filtrado de los lubricantes.

Según Gras e Inglebert (1998), la fatiga de contacto se debe al aparecimiento de transformaciones micros estructurales o descohesiones localizadas que conducen al daño de las superficies.

DESGASTE ABRASIVO

La Norma ASTM G40-92 define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por deslizamiento es el grado de desgaste entre los cuerpos involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya sea por la naturaleza, tipo de material, composición química, o por la configuración geométrica. Como se muestra en la figura 7, existen básicamente de los tipos de desgaste abrasivo, estos son: desgaste abrasivo a de los cuerpos o a tres cuerpos. En abrasión a de los cuerpos, el desgaste es causado por rugosidades duras pertenecientes a una de las superficies en contacto, mientras que la abrasión a tres cuerpos, el desgaste es provocado por partículas duras sueltas entre las superficies que se encuentran en movimiento relativo. Como ejemplo de desgaste abrasivo a dos cuerpos, se tiene un taladro penetrando una roca, mientras que a tres cuerpos se puede citar el desgaste sufrido por las mandíbulas de una trituradora al quebrar la roca, o por la presencia de partículas contaminantes en un aceite que sirve para lubricar de los superficies en contacto deslizante.

Figura 7. Desgaste abrasivo a) a de los cuerpos y b) a tres cuerpos

La figura 8 muestra la influencia del tamaño de partícula generada durante el desgaste o inherente al sistema en la definición del mecanismo de desgaste operante. El mecanismo de adhesión es verificado para tamaños de partículas menores de 10 cm, que corresponden a tamaños característicos de micro-constituyentes en materiales ferrosos (por ejemplo carburos en el acero AISI 52100) o partículas de desgaste que permanecen en el ·rea de contacto, pero sin llegar a actuar como partículas abrasivas, pues el nivel de actuación de esas partículas para el sistema es aún bajo. Para tamaños mayores que 10 m, la variación de la tasa de desgaste sigue características frecuentemente vistas en sistemas abrasivos, como ser· visto posteriormente.

Página 11

MECANISMOS DE DESGASTE ABRASIVO

El mecanismo más efectivo de remoción de material en desgaste abrasivo para materiales dúctiles es el corte. Aunque en función de determinadas variables del sistema y propiedades de los materiales involucrados, la eficiencia en la remoción de material bajo este mecanismo puede ser atenuada. Cuando esto ocurre, se dice que está· presente el mecanismo de micro surcado, donde la remoción de material solamente se dar· por acciones repetidas de los abrasivos, llevando a un proceso de fatiga de bajos ciclos. La Figura 9 muestra diferentes apariencias de la superficie en función de la carga, aplicada provocadas por un penetrador esférico de diamante de un material dúctil, en las cuales se pasa de micro surcado para micro corte. Estas micrografías fueron obtenidas en microscopio electrónico de barrido.

Página 12

Figura 9. Micrografías en microscopia electrónica de barrido mostrando micro-mecanismos de abrasión controlados por deformación plástica: a1) micro surcado; b1) y c1) formación de proas y d1) micro corte.

La proporción de material del volumen del surco desplazado durante el proceso de abrasión de un material dúctil a los lados del surco, es decir la relación entre micro surcado y micro corte depende del ·ángulo de ataque de la partícula abrasiva. De acuerdo a los investigadores Mulheram, Samuels y Sedriks, el material es sacado de la superficie por micro corte cuando el 3·ngulo de ataque (·c) de la partícula erosiva es mayor que un valor crítico. Ese valor critico del ·ángulo de ataque es función del material que está· siendo desgastado y de las condiciones de ensayo. Teóricamente se describe una transición aguda entre micro surcado y micro corte. En la práctica, una transición más gradual de micro surcado o micro corte es observado con el incremento del ·ángulo de ataque Autores como Stroud y Willian (1974), Buttery y Archard (1970) y Moore y Swanson (1983), discutieron el hecho, que solo una parte del volumen del surco producido por partículas duras, es inmediatamente removido como partÌculas de desgaste fuera del material, es resto se localiza en el borde en forma de proa. En materiales con micro constituyentes de plasticidad limitada, el mecanismo de micro corte acaba por ser característico, o sea, para una severidad de desgaste baja, se evidencia el micro surcado y hay una transición para micro fractura cuando alguna variable del sistema promueve aumento de severidad. Este efecto puede ser visto en la figura 10.

Página 13

Figura 10. Relación entre tenacidad a la fractura y resistencia al desgaste abrasivo en diferentes materiales cerámicos y polímeros (Zum Gar).

BIBLIOGRAFIA

Elementos descargados el dia 08 de octubre del 2013 del sitio web:

http://html.rincondelvago.com/fuerzas-de-corte.html Elementos descargados el dia 08 de octubre del 2013 del sitio web:

http://www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/desgaste.pdf Elementos descargados el dia 08 de octubre del 2013 del sitio web:

http://taladrosybrocas.com/brocas-materiales/ Boothroyd Geofrey “Fundamentos del corte de Metales y de las máquinas

Herramientas”. Edit. Mc Graw-Hill. Micheletti Gian Federico “Mecanizado por arranque de viruta”. Edit. Blume.

Álvaro Pérez Rodríguez, Luis A. Mayor Moreno, David González López, Daniel González Abad, JoséL. del Nogal García, Luis Mediero Muñoyerro, Eduardo Medina Santos

Página 14