En esta vídeo clase continuaremos la 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 Padial y soy profesor del Departamento de
Ingeniería de Construcción y Fabricación de la Escuela Técnica
Superior de Ingenieros Industriales de UNED.
El índice global que seguiremos se resume en esta diapositiva.
En esta videoclase nos centraremos en la segunda parte,
definición y clasificación de las virutas.
Posteriormente analizaremos los fenómenos involucrados
en el desgaste de las herramientas para finalmente estudiar los modos
de fallo y las ecuaciones de vida que gobiernan las herramientas
que intervienen en el proceso de mecanizado.
Los primeros autores que estudiaron el fenómeno de corte
fueron los rusos Time en 1870 y Zvorikin en 1896,
aunque no fue hasta 1937 cuando P. Spanen realizó un análisis
pormenorizado del mecanismo de deformación de la viruta,
en el cual propuso que durante el proceso de corte
se produce por deformación plástica del material
en una zona en la que la viruta se deforma.
Por simplicidad, esta zona se asemeja a un plano de deslizamiento
inclinado a un ángulo fi respecto a la superficie mecanizada.
Como consecuencia de la deformación plástica sufrida por la viruta,
esta se caracteriza por El material deformado de la viruta
es siempre más duro que el material de la pieza mecanizada.
Esto se debe al mecanismo de endurecimiento.
El material.
Las dos caras visibles de la viruta tienen un aspecto distinto,
pulido y brillante,
de la cara en contacto con la cara de esplendimiento
de la herramienta frente a la cara opuesta de la viruta, que es rugosa.
Se produce un efecto de recalcado en la deformación plástica,
por el cual el espesor de la viruta
deformada H2 es mayor que el espesor de la viruta no deformada.
Por ende, se produce un acortamiento de la viruta L2 menos que L1
como consecuencia de la conservación del búho negro.
La clasificación de la viruta obedece a varios criterios.
Según su curvatura, esta puede ser Viruta recta.
Si observamos la herramienta mediante una sección normal
a la velocidad de corte, la viruta sigue una línea recta
con un ángulo de flujo de viruta, eta sub c,
como se muestra en la figura A. Viruta
curvada hacia el lateral.
Si observamos de nuevo la herramienta de frente,
la viruta es circular, con un radio de curvatura lateral,
r sub s, como se muestra en la figura
B. Viruta curvada hacia arriba.
Si observamos la herramienta según su sección normal,
la viruta es circular con un radio de curvatura ascendente, R sub U,
como se muestra en figura
C. Según un mecanismo de deformación y fractura de la pieza a mecanizar,
la viruta se puede clasificar en discontinua, figura A,
se producen fragmentos de corta de longitud en materiales frágiles
y en materiales dúctiles con velocidades de corte bajas
y avances altos.
Elemental, figura B,
donde se produce un cizallamiento que separa zonas no conformadas.
Segmentada, figura C,
donde se produce un cizallamiento intenso.
Continua, figura D, se producen virutas continuas
de diversas formas, cinta, tubular, espiral y helicoidal,
en materiales dúctiles con velocidad de corte elevada.
Según norma ISO 3685-1993, la viruta se clasifica en ocho categorías,
en función de su forma, en función de su tamaño, largas,
cortas, etc. De las condiciones físicas, rizada, plana, conectada,
suelta y cuenta la dirección en la cual fluye
o se rompe la viruta.
De los distintos tipos de virutas, la viruta continua demasiado larga
puede quedar enredada a la pieza,
la herramienta o alguna parte móvil de la máquina,
lo que puede derivar en problemas adicionales
al proceso de mecanizado.
En estos casos es conveniente seleccionar herramientas
con rompevirutas o arrolladores de viruta, que son canales o ranura
diseñadas idóneamente en función de la fragilidad de cada material.
De modo que se controla que las virutas
se fraccionen evitando longitudes de viruta excesivamente largas.
En la siguiente figura
puede observarse un proceso de mecanizado mediante torno,
donde se ha elegido una herramienta, que es una plaquita
dorada con seis filos de corte,
uno por esquina para reducción de costes,
con rompevirutas para controlar la viruta.
A continuación,
Pueden observar los distintos tipos de viruta obtenidas del mecanizado
según las condiciones de corte para un acero inoxidable 304
con velocidad de corte 80 metros minuto y distintos avances.
Durante la planificación de procesos de mecanizado,
uno de los factores más determinantes es la selección del material
de la herramienta.
No solo define la vida útil de la herramienta,
sino también el desgaste, la estabilidad del corte
y la calidad superficial obtenida.
Una herramienta trabaja bajo condiciones extremas
de temperatura, presión y fricción.
Por eso se requieren propiedades como dureza en caliente
para resistir el desgaste, resistencia mecánica
para evitar deformación del filo y tenacidad
para soportar microastillamientos, especialmente en cortes
interrumpidos.
La estabilidad química es clave para minimizar desgastes térmicos
como difusión u oxidación.
Mientras que un buen comportamiento térmico ayuda
a controlar la temperatura en el filo.
Además, un bajo rozamiento reduce la formación del filo recrecido
y la capa de herida,
muy perjudiciales para la calidad del mecanizado.
En cuanto a los materiales empleados, existe un extenso elenco,
desde aceros, aleaciones duras, no ferrosa y carburos metálicos
hasta cerámicos, nitruros de boro y diamantes,
cada uno optimizado para rangos muy concretos de velocidad,
material de la pieza a mecanizar y exigencia dimensional.
Finalmente, las herramientas se clasifican también
por su construcción, enterizas o plaquitas,
y por cómo actúan sus filos, ya sean en contacto continuo
o intermitente.
Como conclusión, cabe destacar que no existe un material
de herramienta que cumpla todas las propiedades.
La selección siempre requiere un compromiso técnico
entre condiciones de corte, material de la pieza a mecanizar,
desgaste de herramienta y sistema de lubricación y objetivos
del proceso.
Al analizar la física de proceso de corte,
debemos comprender que no estamos ante un simple rozamiento
superficial.
Primero, observen las condiciones tribológicas.
Con presiones que alcanzan los 3000 MPa,
el contacto real se limita a las asperezas,
generando micro soldaduras.
Esto hace que la clásica ley de Coulomb sea insuficiente.
En el mecanizado entramos a menudo en un régimen de rozamiento
por adherencia, donde no deslizamos superficies,
sino que estamos cizallando internamente el material
menos resistente de los dos en contacto.
Un comportamiento que modelamos mejor mediante la ley de rozamiento
de Tresca.
En segundo lugar, toda la energía mecánica
disipada por fricción y, sobre todo, por la deformación plástica severa,
se transforma en calor.
Como ven en el esquema, tenemos tres focos térmicos,
siendo críticos la zona de cizalladura primaria
y la interfaz viruta herramienta.
Entender cómo se evacúa este calor a través de la viruta es fundamental
para predecir el desgaste de nuestras herramientas.
El tercer y último fenómeno de desgaste
es una consecuencia directa de los fenómenos térmicos
y de fricción que acabamos de ver, la adhesión del material.
Debemos distinguir dos morfologías,
la capa adherida, bull, que se forma sobre la cara de desprendimiento,
y el filo recrecido, bue, que se acumula en la arista.
No es estático, es un ciclo altamente dinámico e inestable.
El material se adhiere, se endurece por deformación severa,
crece hasta un punto crítico y se fractura.
¿Por qué es crítico para el proceso de mecanizado?
Aunque teóricamente puede proteger el filo,
la realidad es que cuando ese material endurecido se desprende,
a menudo arrastra consigo partículas de la propia herramienta,
provocando un desgaste acelerado e incluso fracturas.
Fíjense especialmente en la gráfica de rugosidad
frente a la velocidad de corte.
Como ingenieros de proceso deben evitar a toda costa la zona B
en las inmediaciones del punto M mayúscula,
pico de rugosidad.
En este rango de velocidades medias
es donde la inestabilidad del búho es máxima,
degradando severamente el acabado superficial
y alterando la geometría del filo,
modificando artificialmente el ángulo de desprendimiento.
La presencia de filo recrecido y capa de herida
no es estrictamente negativa, sino que presenta dos facetas.
Como efecto positivo, puede actuar como un escudo protector
que absorbe el desgaste en lugar del sustrato.
Sin embargo,
en la mayoría de procesos avanzados es una fuente de inestabilidad.
El riesgo principal
no es la abrasión por partículas endurecidas que se desprenden,
sino el fallo catastrófico.
Debido a la inestabilidad mecánica del ciclo,
cuando la capa adherida se separa, suele arrancar fragmentos
de la herramienta a los que se había micro soldado.
Además, debemos considerar el estrés térmico residual.
Al enfriarse,
la diferencia de contracción entre material adherido
y la herramienta puede generar tensiones que fracturan el filo.
En resumen, lo que empieza como una protección suele terminar
en una degradación severa de la integridad de la herramienta.
Continuamos analizando cómo gestionar el calor que, como vimos,
es el principal enemigo de la dureza de nuestra herramienta.
Los fluidos de corte actúan en dos frentes.
La lubricación para reducir el calor generado por fricción
en la zona secundaria.
Y la refrigeración para extraer el calor ya generado.
En los procesos de alta velocidad,
priorizaremos emulsiones base agua por su alta capacidad calorífica.
Sin embargo, su eficacia cae con la velocidad
debido a efectos de centrifugación y menor tiempo de contacto.
Cuando el fluido no es suficiente,
la herramienta sufre una degradación inevitable.
Deben distinguir entre el desgaste por adhesión y abrasión.
El carácter macroscópico
y el de difusión, que es un fenómeno atómico
acelerado exponencialmente por la temperatura.
Para monitorizar esto en planta, nos basamos en parámetros
normalizados como el ancho medio de la zona de desgaste, Vb,
para el desgaste del flanco y la profundidad del cráter,
Kt.
El objetivo como ingenieros es retirar la herramienta
durante la zona B de desgaste lineal antes de entrar en la zona C,
donde el fallo es acelerado y compromete la integridad
de la pieza y la seguridad del proceso.
Para cerrar este bloque debemos cuantificar la durabilidad
de nuestras herramientas.
La vida de la herramienta no es un valor absoluto,
depende de cómo la miramos.
Buscamos optimizar el tiempo de máquina o el coste por pieza.
El pilar matemático es la ecuación de Taylor.
Lo más relevante aquí es el exponente n.
Observen cómo las cerámicas con un valor de n cercano
a 0,7 son mucho menos sensibles
a los incrementos de velocidad que el acero rápido.
Esto permite trabajar en rangos de productividad mucho más altos.
Sin embargo, un entorno de mecanizado avanzado,
Taylor se queda corto.
Por eso empleamos las generalizaciones que integran
el avance A y la profundidad
P. Y el modelo de Kronenberg,
el cual es especialmente útil en fase de diseño de proceso,
ya que mediante el concepto de V60,
la velocidad que garantiza 60 minutos de vida,
podemos consultar tablas de maquinabilidad
y ajustar nuestros parámetros según el área de sección
de la viruta.
Recuerden, una predicción precisa de la vida de la herramienta
es la diferencia entre un proceso rentable
y uno con paradas imprevistas.
Para que las ecuaciones que vimos anteriormente
sean útiles en producción,
debemos alimentar el modelo con datos experimentales rigurosos.
La norma UNE 16148
nos proporciona el marco para los ensayos convencionales.
No basta con mecanizar al azar,
debemos estandarizar la geometría de la herramienta y las propiedades
de la pieza para aislar la variable de desgaste.
El método requiere al menos cuatro velocidades distintas.
Como ven en la gráfica,
al monitorizar el progreso del VB hasta el límite de inutilidad,
obtenemos pares de valores que, en escala logarítmica,
definen la pendiente N. Sin embargo, los ensayos convencionales
son costosos en tiempo y material.
En la industria se recurren ensayos rápidos
como el refrentado.
Al trabajar con velocidad de lucillo constante
y hacia el exterior de la pieza, la velocidad de corte
aumenta linealmente hasta que el filo colapsa.
Esa velocidad crítica, Vz, permite correlacionar y estimar
la V60 con una precisión aceptable para la toma de decisiones rápida
en planta.
Y hasta aquí llegamos finalizando la segunda parte
de Fundamentos Científicos y Tecnológicos de Mecanizado.