Teoría del corte de los metales

Geometría de formación de la viruta Fuerzas actuantes sobre la herramienta Calidad superficial obtenida Vida de la herramienta o duración del filo Vibraciones durante el mecanizado

Los problemas del maquinado son de resolución factible sobre una base de ingeniería

Hechos empíricos relativos a la maquinabilidad

Fundamentos de la mecánica del corte

Factores básicos que gobiernan la geometría de formación de la viruta

Naturaleza del materialVc, Ancho/espesor viruta

Fluido de corte

Angulos hta.

TIPO DE VIRUTA

1 2 3

Tipo 1: Segmentos individuales levemente adheridos o desconectados p/ fractura delante del filo

Tipo 2: Viruta larga y continua. Deformación continua, delante del filo (sin fractura) y flujo uniforme s/ la herr.

Tipo 3: Similar al tipo 2, con bordes irregulares. La elevada fricción entre viruta y herramienta, causa fragmentos de la viruta que continuamente recrecen y se eliminan quedando adheridos a la viruta y a la pieza.

Tipo de viruta: Características

Tipo de viruta

Material Vc Fluido corte

Herram Acabado Desgaste filo

Fzas/fricción

Evac.viruta

1 quebradizo normal (-) bueno bajo bajas bueno

dúctil baja (-) pobre elevado --- ---

2 dúctil normala alta

(+) bueno bajo bajas mala

baja si

3 dúctil bajas de alta VC

pobre elevado elevada fricción

mala--- --- --- ---

Virutat2

t1

φ

(φ−α)

α

Herramienta

Pieza

Mecánica de la formación de virutaNo cambia con el tipo de viruta

Modelo del plano de cizallamiento Viruta tipo 2 - Corte ortogonal (λ=0)

Angulo de cizallamiento Φ Traza del plano que delimita al material de la pieza no deformado de la viruta deformada

ELEMENTOS CARACTERISTICOS

Angulo de cizallam. Φ

Angulo de ataque α

Inclinación del filo λ

Corte ortogonalλ=0

Deformación cizallante εc

Veloc. Flujo viruta Vf

Veloc. Cizallamiento Vs

Razón de corte rc= t1/t2

Endurecimiento

Vc

λ

VcVf

Herramienta

Pieza

λ

y

Corte oblícuo

Angulo de cizallamientoentre el plano de cizallamiento y la dirección del movimiento principal

Herra-mienta

Pieza

Camino de corte largo Camino de corte reducido

Virutadelgada

Virutagruesa

t1

Angulo φ grande

Ángulo φ pequeño

Depende del material a mecanizar y las condiciones de corte

Al aumentar el ángulo α (+), aumenta Φ y disminuye la fuerza.

Influye s/ las Fzas. (camino corto y largo)

Deformación cizallante εc

εc = ctg φ + tg (φ - α)

Modelo de formación de viruta: la deformación del material se produce por el desplazamiento de lámina paralelas (∆x), mientras que se desliza una distancia ∆s, resultando:

εc = ∆s / ∆x

Velocidad de flujo de viruta V

fDe las Figuras 2 y 3, se obtiene:

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

( )αφφ−

=cossenVV Cf

Deformación cizallante ε

c

Velocidad de cizallamiento V

s

( )αφα−

=cos

cosCs VVDe las Figura 3, se obtiene:

Razón de corte rc

αα

φsenr

rtg

c

c

⋅−⋅

=1

cos

El análisis del proceso de corte requiere conocer Φ

Método de la razón de corte para obtener Φ

1. Medir los espesores de viruta antes y después del arranque (t1 y t2) o

2. Medir el recorrido de la herramienta y la longitud de la viruta (l1 y l2)

r

c

= t

1

/ t

2

=

l

2

/ l

1

t2

t1

φ

(φ−α)

α

Herram

Pieza

Endurecimiento producido al mecanizar

Fragmento de material recrecido

Tipo 2

Tipo 1

Tipo 3

El material de la viruta y de la superficie de la pieza resultan endurecidos en el proceso de mecanizado

Fuerzas actuantes sobre la herramientaCaso más general: Tridimensional

Vc

Y

Fuerzas actuantes sobre la herramientaCírculo de fuerzas: Corte ortogonal

Círculo de Fuerzas

El trabajo total se obtiene de la Fc

Dos fuentes: el trabajo p/ vencer la fricción y el de cizallamiento

Componentes de la Fza. resultante R

Sistema pieza - herramienta-viruta en equilibrio

F: Fuerza de rozamientoN: Fuerza normal

Fs: Fuerza de cizallamiento Fn: Fuerza de compresión

Fc: Fuerza de corteFt: Fuerza de empuje

Viruta

Pieza

Herram.

Relaciones de fuerzas en el corte ortogonal

Parámetros conocidos o fácilmente medibles son: Φ, α, Fc, Ft, Ao, Vc

Parámetros que pueden calcularse: µ, F, Ss, Ws, Wf y Wn

Coeficiente de rozamiento µ (= tg τ):

Fuerza de rozamiento F:

Resistencia al cizallamiento Ss:

Trabajo de cizallamiento Ws:

Trabajo p/ vencer la fricción Wf:

Trabajo total consumido en el corte Wn:

αα

µtgFFtgFF

tc

ct

−+

=

o

tcs A

senFsenFS

φφφ 2cos ⋅−⋅⋅=

F = Ft cos α + Fc sen α

Ws = Ss [ ctg φ + tg (φ - α )]

( )αφφ−

⋅=cossen

AFWo

f

00 AF

BCABCFW cc

n ==

Valores típicos de los parámetros calculadosInfluencia de t1 (Ao) y α

Mecanizado ortogonal sobre Ac. SAE 4340, 200HB, Vc= 542pie/min, Herr. Metal duro, α=-10º (∆), α= +10º (O),

Magnitudes básicas que controlan las fuerzas y la potencia

Geométricas: α y Ao Mecánicas: Ss, μ, y C

C: Constante de maquinadoC [grados] = 2 φ + τ – α

Con α y Ao fijos: Ss, µ y C controlan totalmente las fzas. y la geom. de la formación de viruta

Wn: Potencia de corte específica

Efectos sobre las Fuerzas y el acabado superficial

( )( )ατατ

−−−⋅=

sensenCSW s

ncos

000.198

min/lg3pu

CV

Fuerzas y consumo de

potencia

Acabado superficial

Vida de la herramienta

MALO ? MALOBUENO NINGUNO BUENOBUENO BUENO BUENO

* MALO BUENO

* BUENO BUENO

Efecto al reducir el valor de la propiedadPropiedad del material

Dureza Brinell, HBCoeficiente de fricción, m Resistencia al cizallamento, SsConstante de maquinado, C

NINGUNO BUENO*

Endurecibilidad por deformación, nInclusiones duras y abrasivas en la microestructura

Efectos sobre la Vida de la Herramienta

Ss, µ, y C influyen s/ la energía necesaria p/ cizallar el metal y vencer la fricción e/ viruta y herr.

Esa energía determina la VIDA DE LA HERRAMIENTA, pues influye s/ la Temperatura del corte y la Acción abrasiva del material de la pieza

Temperatura del corte

b . Tz = B

b [ºC]: Temp. de la cara de ataque

T[min]: tiempo real de corte hasta desgastar el filo

B: constante ∼ 800

z: 1/10 a 1/25

Al aumentar b, disminuyen la dureza del material y la resistencia al desgaste de la herram.

Aplicando fluido de corte se reduce b y aumenta T .

Disminuyendo Ss y µ o aumentando C, disminuye la cantidad de energía y aumenta T

Acero I II IIIW% 16,5-18,5 18 18-19Cr% 4,0-4,5 4 4,0-4,5V% ,,,,,,,,,,,,, 1,2 1,5-1,8Co% ,,,,,,,,,,,,, 10 2,2-2,6Mo% 0,8-,0 0,8C% 0,65-0,75 0,6 0,65-0,7

Acción abrasiva del material pieza

Efectos sobre la Vida de la Herramienta

Acero Condición Dureza Brinell

Endurec p/ deformación

C (grados)

Ss (kg/mm2)

m

1010 Lam. Cal. 103 2.32 69.8 46 1.32

1019 Lam. Cal. 147 2.24 73.1 54 0.951019 Tref. Frío 169 2.16 73.7 52 0.98

1020 Lam. Cal. 109 2.33 69.6 50 0.94

1022 (al Pb) Lam. Cal. 121 2.29 71.8 52 0.41045 Lam. Cal. 190 2.35 78 63 0.96

Constituyentes duros

Endurecimiento en el corte

Dureza inicial

Cantidad de deformación

Endurecimiento p/deformación

Coef. de fricción Constante C

Control de las magnitudes mecánicas básicas Ss, μ, C

Ss: alta p/materiales duros y resistentes. Aumenta con el endurecimiento por tratamiento térmico. Pequeño aumento c/ procesos de deformación en frío. Es “afectada” por las condiciones de corte.

µ: es la variable de mas simple control en el corte. Puede reducirse empleando fluido de corte, y aumentando el avance (t1) y la velocidad de corte.

Ciertos aditivos químicos también reducen μ (Pb y S en los aceros)

C: Ss, es “afectada” por las condiciones de corte. La microestructura y tamaño de grano del material ejercen apreciable influencia. El trabajo en frío generalmente favorece su aumento

Cálculo de las fuerzas a partir del ángulo Φ

µ = tg ( C - 2 φ + α)

( )( )φφ

αφ−⋅

+−⋅⋅=Csen

CsenSAF so cos2

Wn = Ss [ tg (C - φ) + ctg φ ]

Fc = Ao Ss [ tg (C - φ) + ctg φ ]

Ft = Ao Ss [ ctg φ tg (C - φ) - 1 ]

t1 α rc φ εc Fc Ft µ Ss σ Wt Wn Wn/Wt3

t1 Vc α rc φ εc Fc Ft µ Ss σ Wt Wn Wn/Wt

Corte ortog. Acero (HB=187). Herramienta: Metal Duro. Ancho de corte 6.35 mm. S/ fluído de Corte.

Corte Ortog. Ac. SAE 4130. Herram.: Acero Rápido. Ancho de corte 12.1mm. Vc: 27m/min. S/fluído de Corte.

Valores de los parámetros en el corte ortogonal

Vibraciones

Frecuencia alejada de la natural

AutoinducidasForzadas

Equilibrio inestable del elemento vibrante

Variación rítmica de las fuerzas por causas mecánicas

Su severidad (vibrado)

Frecuencia cercana a la natural

Una vez iniciadas se automantienenSer las menos

severas

Proporcionalidad inversa entre Fc y Vc

producidas por

caracterizadas porcaracterizadas por

debido a

Vibraciones

Causas de las vibraciones

Interferencia por desgaste en el flanco Herramienta poco robusta Piezas de baja frecuencia natural Altas velocidades de corte Filo desgastado

Juegos en la M-H Filo recrecido (viruta tipo 3) Fracturas (viruta tipo 1) Marcas de “vibrado previo”

Forzadas

Autoinducidas

La Fza de corte varía con la Vc

Factores principales que generan vibraciones autoinducidas

Variación de la fuerza con la velocidad de corte: al disminuir Fc con el aumento de Vc. La herramienta flexiona y oscila, generando inestabilidad que se autoperpetúa.

Interferencia entre el flanco de la herramienta y la superficie que se mecaniza

Vc-frecuencia del elemento vibrante potencial