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Teoría del corte de los metales
Geometría de formación de la virutaFuerzas actuantes sobre la herramientaCalidad superficial obtenidaVida de la herramienta o duración del filoVibraciones 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
bajas bueno
----
mala
mala
---
bajas
elevada fricción
bajo
elevado
bajo
elevado
quebradizo normal -- (-) bueno
dúctil baja -- -- pobre
normala alta
si (+) bueno
baja si
3 dúctil bajas bueno de alta VC pobre
2 dúctil
1
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 ΦLínea 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 ortogonal
Corte oblícuo
Deformación cizallante εc
Veloc. Flujo viruta Vf
Veloc. Cizallamiento Vs
Razón de corte rc= t1/t2
Endurecimiento
Vc
λ
Vc
Vf
Herramienta
Pieza
λyCorte oblícuo
Angulo de cizallamientoentre el plano de cizallamiento y la dirección del movimiento principal
Herra-mienta
Pieza
Camino de corte largoCamino 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 (Δx), mientras que se desliza una distancia Δs, resultando:
εc = Δs / Δx
Velocidad de flujo de viruta Vf
De las Figuras 2 y 3, se obtiene:
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
( )αφφ−
=cos
senVV Cf
Deformación cizallante εc
Velocidad de cizallamiento Vs
( )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)
rc = t1 / t2 = l2 / l1 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 severamente endurecidos en el proceso de mecanizado
Fuerzas actuantes sobre la herramientaCaso más general: Tridimensional
Vc
Y
Fuerzas actuantes sobre la herramientaCorte ortogonal
Ft
FnF
N
R´R´
R
FsFc
Viruta
Análisis de las fuerzas: 3 direccionesSegún el desplazamiento de la herramienta (de corte)Según el plano de cizallamiento (plano Φ) Según el desplazamiento de la viruta sobre la cara de ataque de la herramienta
F Fn
R´
t1
R´
R
Fuerzas actuantes sobre la herramientaCírculo de fuerzas: Corte ortogonal
F:: Fuerza de rozamientoN: Fuerza normal
Fs: Fuerza de cizallamientoFn: Fuerza de compresión
Fc: Fuerza de corteFt: Fuerza de empuje
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
Relaciones de fuerzas en el corte ortogonal
Parámetros conocidos o fácilmente medibles: 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−
⋅=cos
senAFW
of
00 AF
BCABCF
W ccn ==
Valores típicos de los parámetros calculadosInfluencia de t1 y α
Mecanizado ortogonal sobre Ac. SAE 4340, 200HB, Vc= 542pie/min, Herr. Metal duro, α=-10º (Δ), α= +10º (O),
Magnitudes básicas que controlan las fuerzas y la potencia
Geométricas: α y Ao Mecánicas: Ss, μ, y C
C: Constante de maquinado C [grados] = 2 φ + τ – α
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
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−−
−⋅=
sensenCS
W sn
cos000.198
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡min/lg3pu
CV
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
Constituyentes duros
Endurecimiento en el corte
Dureza inicial
Coef. de fricción Constante C
Cantidad de deformación
Endurecimiento p/deformación
Efectos sobre la Vida de la Herramienta
1010 Lam. Cal. 103 2,32 69,8 46 1,321019 Lam. Cal. 147 2,24 73,1 54 0,951019 Tref. Frío 169 2,16 73,7 52 0,981020 Lam. Cal. 109 2,33 69,6 50 0,941022 (al Pb) Lam. Cal. 121 2,29 71,8 52 0,41045 Lam. Cal. 190 2,35 78 63 0,961045 Tref. Frío 213 2,25 81,2 95 0,941070 Lam. Cal. 217 2,34 78,8 75 0,841095 Lam. Cal. 182 2,34 73 95 0,891113 (sulfurizado) Tref. Frío 170 2,24 71,1 49 0,531340 Lam. Cal. 192 2,25 74,8 63 1,12340 Lam. Cal. 197 2,31 76,2 62 0,993115 Lam. Cal. 131 2,23 78,4 47 1,143130 Lam. Cal. 169 2,32 72,4 56 0,943140 Lam. Cal. 185 2,24 70,6 56 1,123150 Lam. Cal. 197 2,35 75,7 60 1,134340 Lam. Cal. 210 2,25 74,5 63 1,0652100 Lam. Cal. 186 2,22 71,3 49,5 1,1152100 Tref. Frío 240 2,17 72,9 53 1,04
303 (sulfurizado) Lam. Cal. 162 2,37 92 72 0,8304 Lam. Cal. 139 2,9 82 80 1,18410 Lam. Cal. 217 2,2 79,3 60 0,87416 (sulfurizado) Lam. Cal. 215 2,2 82,7 56 0,82430 Lam. Cal. 156 2,33 73,1 55 0,92430F (sulfurizado) Lam. Cal. 181 2,26 74,6 57 0,8
Constante de maquinado C
(grados)
Resistencia cortante Ss
(kg/mm2)
Coeficiente de fricción,
m
Aceros inoxidables
Acero AISI Nª Condición Dureza Brinell
Endurecibilidad por deformación,
n
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 poco 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 y la velocidad de corte.
Ciertos aditivos químicos también reducen μ (Pb y S en los aceros)
C: tal como Ss, es levemente 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.
Valores de los parámetros en el corte ortogonal
Corte Ortog. Ac. SAE 4130. Herram.: Acero Rápido. Ancho de corte 12.1mm. Vc: 27m/min. S/fluído de Corte.
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 flancoHerramienta poco robustaPiezas de baja frecuencia naturalAltas velocidades de corteFilo desgastado
Juegos en la M-HFilo 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