En esta video clase presentaremos una introducción
a los fundamentos del mecanizado desde un enfoque científico
e introduciremos las tecnologías involucradas en este proceso
de fabricación.
Mi nombre es Néstor Rodríguez Fabián y soy profesor del Departamento de
Ingeniería de Construcción y Fabricación de la Escuela Técnica
Superior de Ingenieros Industriales de la UNED.
El índice global que seguiremos se resume en esta diapositiva.
En esta diapositiva nos centraremos en la primera parte.
Desde la introducción y definición, clasificación de los procesos
de mecanizado, modelización del mecanizado,
miante geometría del corte, además de la cinemática,
dinámica y potencias que intervienen en el proceso de mecanizado.
Comenzamos con las generalidades y contexto.
La importancia de una selección de procesos de mecanizado
en la fabricación moderna,
dado que los ingenieros se enfrentan al reto de seleccionar el proceso
o combinación de procesos más adecuados, Persiguen el objetivo
de obtener un producto de calidad de la forma más económica posible,
manteniendo un precio lo más competitivo posible
en el mercado.
Los productos varían enormemente, desde componentes de alto coste
y baja producción, como motores, ya sea un transbordador espacial,
hasta piezas de bajo precio y fabricación en masa,
como simples casquillos.
Para definir el proceso de mecanizado o proceso de corte se define
como un proceso donde se elimina material de una preforma o pieza,
ya sea en forma de viruta o de partículas más pequeñas.
Entre las ventajas que proporcionan frente a otros procesos
se destaca que aportan mayor precisión dimensional,
recogen mayor número de detalles geométricos externos e internos,
permiten realizar operaciones de acabado a piezas
tratadas técnicamente, son capaces de proporcionar
características superficiales imposibles de obtener
con otros procesos y pueden resultar más económicos,
en particular si el número de piezas a mecanizar es pequeño.
Sin embargo, presentan algunos inconvenientes,
como que requieren energía, capital y mano de obra,
desperdicia material y pueden tener efectos adversos
sobre la calidad superficial y propiedades del producto.
Y por último, suelen requerir más tiempo que otros procesos.
Las clasificaciones de los procesos de mecanizado
actúan como lentes conceptuales.
Por un lado, en la clasificación tradicional
se enfoca en cómo se arranca el material,
con o sin minutas.
En la clasificación por energía se enfoca en qué fuente energética
impulsará la eliminación del material,
ya sea de tipo mecánica, térmica o química.
Por último, en la clasificación por precisión
se centra en el resultado final deseado, del acabado de la pieza,
es decir, el nivel de exactitud geométrica.
La cinemática del proceso de mecanizado
estudia su movimiento.
Para que se produzca el arranque de material de la pieza es necesario
que exista movimiento relativo entre la pieza y la herramienta.
El movimiento puede producirse tanto en pieza, herramienta o ambas.
El movimiento relativo se descompone en tres ejes,
tal como se observa en la figura.
Movimiento de corte o principal, que es el responsable
del arranque del material y es el que consume la mayor parte
de la potencia de la máquina herramienta.
El movimiento de avance posibilita nuevas partes de pieza
a mecanizar.
El movimiento de penetración o ajuste
asegura la interferencia entre pieza y herramienta
para que pueda existir eliminación del material.
Suele ser intermitente
y originándose cuando no tiene lugar a la eliminación del material.
La composición del movimiento global
en la herramienta recibe el nombre de movimiento resultante de corte,
como resultado de la combinación del movimiento principal
y el del avance,
caracterizado por la velocidad efectiva v sub
e, suma vectorial de las velocidades de corte v sub c
y la de avance v sub f.
El movimiento de avance es intermitente
y muy pequeño con respecto al del corte.
Prácticamente despreciable.
Vf y el ángulo eta se aproximan prácticamente a cero.
Se puede considerar que la velocidad efectiva Ve
coincide aproximadamente con la velocidad de corte Vc
o simplemente V. Al conjunto de parámetros avance,
corte y profundidad de corte o penetración
se denomina condiciones de corte.
En la siguiente tabla se caracterizan las operaciones de mecanizado
en función de los tres parámetros que caracterizan el movimiento.
Se emplea la norma ISO 3002-1982 para definir
y especificar la geometría de una herramienta de corte,
necesitándose tres sistemas de referencia.
La parte 1
de la norma ISO 3002-1-1982 considera dos sistemas de referencia.
1.
Sistema de referencia en mano para su fabricación y medición.
2.
Sistema de referencia en uso
para caracterizar la geometría durante la operación de corte.
La parte 2 de la norma, ISO 3002-2-1982,
establece un sistema de referencia de la máquina,
definiendo la orientación de la herramienta de corte
con respecto a la máquina de herramienta.
El modelo de corte representa el proceso de mecanizado
mediante una herramienta de corte elemental monofilo.
La geometría de la herramienta se puede observar
como un prisma de sección triangular,
donde presenta dos caras planas,
incidencia alfa y desprendimiento gamma.
Que intersecan en el filo de corte, respecto a la superficie mecanizada
y su plano normal, respectivamente.
En la sección normal de la herramienta se puede observar
el ángulo de filo o de corte beta y el ángulo de deslizamiento phi,
que identifica el plano sobre el que desliza la viruta
deformada respecto a la superficie mecanizada.
El ángulo de inclinación lambda
es el que forma el movimiento de corte respecto a su filo
y caracteriza los dos modelos de corte, ortogonal y oblicuo.
En la práctica el corte es oblicuo y además el filo de corte
no es paralelo al plano de mecanizado de la pieza,
sino que presenta un ángulo de posición chi sub r1 y chi sub r2,
contenidos en el plano normal al movimiento de corte.
Como puede observarse en la última figura de sección normal
al movimiento de corte.
Con estas dos secciones normales, al filo y a la velocidad de corte,
se definen y nos permiten comprender la importancia
de los parámetros geométricos que veremos en la siguiente diapositiva.
En la sección normal al filo de corte
se definen los siguientes parámetros geométricos del modelo de corte.
Ángulo de desprendimiento, gamma, influye sustancialmente
en la formación de la viruta.
En materiales dúctiles la viruta es continua,
la reducción del trabajo de deformación de la viruta
y por ende del calor generado.
Se consigue aumentando el ángulo de desprendimiento
de 10 a 40 grados, aunque debemos considerar
que si se aumenta el ángulo disminuye el de corte,
debilitando la herramienta.
En el caso de materiales frágiles la viruta es discontinua
y es más conveniente disminuirlo de 0 a 10 grados.
A veces,
para encontrar un buen acabado semejante a altas velocidades,
se pueden dar valores negativos,
produciendo una viruta más deformada y arrancada a modo de rasquete,
produciendo mayor calentamiento.
El ángulo de incidencia, alfa,
cuya función es evitar el razonamiento entre el dorso
de la herramienta y la parte mecanizada de la pieza,
por lo que el valor debe ser un compromiso entre alto,
para evitar calentamiento por fricción,
y no muy alto para no debilitar la herramienta por disminución
del ángulo beta.
El ángulo de filo o de corte, beta,
representa la sección de la herramienta.
Mayores valores se asocian a mayor sección.
Por último, el ángulo de deslizamiento, phi,
identifica el plano sobre el que desliza la viruta
deformada.
En la sección normal a la velocidad de corte
se definen los siguientes parámetros geométricos del módulo de corte.
Profundidad de pasada, D, que es la distancia de penetración
de la herramienta sobre la pieza.
El avance, F, desplazamiento de la herramienta
entre dos pasadas consecutivas.
El espesor de la viruta no deformada, H1,
es el espesor del material que va a ser eliminado
antes de sufrir deformación alguna.
El ancho de corte, B1,
es la longitud de la arista de corte de la herramienta,
que efectivamente elimina material.
Por último, el ángulo de posición, CHR,
es el ángulo formado por la arista de corte y la dirección
de la velocidad de avance.
Tomando el modelo de corte ortogonal,
se establece un análisis cinemático para estudiar las velocidades
que intervienen en el filo de corte de la herramienta.
v sub v es la velocidad relativa
de la herramienta con respecto a la viruta,
definida por la dirección del ángulo de desprendimiento gamma.
Vs es la velocidad relativa de la viruta respecto a la pieza,
definida por la dirección del ángulo de deslizamiento.
Ve es la velocidad efectiva de corte,
velocidad de la herramienta respecto a la pieza.
Se trata de una velocidad compuesta suma vectorial
de las dos anteriores.
Es la velocidad con la que un observador
colocado de forma solidaria en la pieza observa
cómo se mueve la herramienta.
Se supondrá que la pieza permanece inmóvil.
El caudal volumétrico eliminado, z punto,
es la velocidad de desprendimiento del material,
producto de la velocidad de corte, v sub c,
por la sección de la viruta no deformada, a sub 1.
Tomando el modelo de corte ortogonal,
se establece un análisis dinámico para estudiar las fuerzas
que intervienen en el corte.
Para ello se realiza un diagrama de cuerpo libre sobre la viruta.
R representa la resultante de las fuerzas
aplicadas en el filo de corte de la herramienta sobre la viruta
y R 'la reacción, que es igual en dirección y magnitud
pero contraria en el sentido.
El ángulo que forma con respecto a la normal
a la cara de desprendimiento se denomina ángulo de rozamiento
R. La fuerza resultante R
puede ser descompuesta en tres direcciones,
tal y como se aprecia en la figura.
Según dirección de corte, Fc y su normal Nc.
Según dirección de desprendimiento, F sub gamma y su normal N sub gamma.
Y según dirección de deslizamiento,
F sub S y su normal N sub S. Obteniéndose
las siguientes expresiones trigonométricas en función
de los ángulos de rozamiento rho, desprendimiento gamma y deslizamiento
phi.
La potencia es la resultante r de corte por la velocidad efectiva
v sub e, o bien la fuerza de corte f sub c
por la velocidad de corte v sub c.
Y sustituyendo en esta expresión la siguiente fórmula
deducida del análisis dinámico anterior,
se obtiene el cálculo de la potencia de corte en función
del caudal volumétrico de material eliminado, z punto,
los ángulos geométricos y la tensión de cortante
en el plano de deslizamiento tau sub s.
En el método de la presión de corte, ésta puede obtenerse conociendo
que la potencia de corte es la presión de corte
por el caudal volumétrico de eliminación de material.
Y teniendo en cuenta que la presión de corte está tabulada
en función del espesor medio de la viruta no deformada, H sub 1.
En el método de cálculo de la potencia
por medio de la presión específica de corte o método
de Cronenberg 1966 se basa en la ecuación
donde los valores m y p sub s
están tabulados en función del material
como puede verse para ceros y fundiciones.
Llegamos al final de esta videoclase.
En la próxima videoclase se tratarán las virutas
y los fundamentos de desgaste y vida de las herramientas.