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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCION PROCESOS DE MECANIZACIÓN – MECG1057

Práctica No.1 Modelo de Corte Ortogonal OBJETIVOS -

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Determinar las fuerzas cortantes experimentales involucradas en un proceso de mecanizado aplicando el Modelo de Corte Ortogonal, para identificar el material de la pieza trabajo. Establecer las diferencias entre un Torno CNC y un Torno convencional mediante las características principales de cada uno. Relacionar el tipo de viruta que se obtiene con las propiedades mecánicas del material.

MARCO TEORICO La forma de la mayoría de las operaciones de maquinado práctico son algo complejas. Por lo cual se dispone de un modelo simplificado del maquinado que desprecia muchas de las complejidades geométricas y describe la mecánica de los procesos con buena precisión; se llama Modelo de corte ortogonal, figura 1. Aun cuando un proceso real de maquinado es tridimensional, el modelo ortogonal es una buena aproximación en dos dimensiones. [1]

Figura 1. Corte ortogonal a) como un proceso tridimensional y b) vista lateral del proceso en dos dimensiones

Modelo de corte ortogonal. El modelo de corte ortogonal usa por definición una herramienta en forma de cuña, en la cual el borde cortante es perpendicular a la dirección de la velocidad de corte. Al presionar la herramienta contra el material se forma una viruta por deformación cortante a lo largo de un plano llamado plano de corte; éste forma un ángulo α con la superficie de trabajo. Solamente el borde afilado de la herramienta provoca la falla del material; como resultado, la viruta se separa del material, el cual se deforma plásticamente a lo largo del plano de corte, donde la mayor parte de la energía mecánica se consume en el maquinado. [1] La herramienta para el corte ortogonal tiene solamente dos elementos geométricos: 1) ángulo de inclinación α y 2) ángulo del claro o de incidencia, como se indica en la figura 2. Como se indicó previamente, el ángulo de inclinación α determina la dirección en la que fluye la viruta formada en la pieza de trabajo, y el ángulo del claro provee un claro pequeño entre el flanco de la herramienta y la superficie de trabajo recién generada. [1] 1|Página

Figura 2. Sección transversal de proceso de maquinado

El examen microscópico de las virutas obtenidas en las operaciones reales de maquinado ha demostrado que se producen por cizallamiento, de modo similar al movimiento de un paquete de naipes deslizándose uno sobre otro. El cizallamiento ocurre a lo largo de la zona de cizallamiento en un ángulo ∅ (llamado ángulo de cizallamiento). [2] Fuerzas de corte. Considere las fuerzas que actúan en la viruta durante el corte ortogonal que se muestra en la figura 3a. Las fuerzas que la herramienta aplica contra la viruta se pueden separar en dos componentes mutuamente perpendiculares: fuerza de fricción y fuerza normal a la fricción. La fuerza de fricción 𝐹 es la que resiste el flujo de la viruta a lo largo de la cara inclinada de la herramienta. La fuerza normal a la fricción, 𝑁, es perpendicular a la fuerza de fricción. [1]

Figura 3. Fuerzas de corte: a) fuerzas que actúan sobre la viruta y b) fuerzas que actúan sobre la herramienta y pueden medirse.

Además de las fuerzas de la herramienta que actúan sobre la viruta, el trabajo impone dos componentes de fuerza sobre la viruta: la fuerza cortante y la fuerza normal a la cortante. La fuerza cortante 𝐹𝑠 es la fuerza que causa la deformación de corte que ocurre en el plano de corte, y la fuerza normal a la cortante, 𝐹𝑛 es normal a la fuerza cortante. [1] En la figura 3b se muestran la fuerza de corte 𝐹𝑐 que actúa en la dirección de la velocidad de corte 𝑉 y aporta la energía requerida para el corte. [2] Aunque la magnitud de las fuerzas en las operaciones reales de corte suele ser de unos cuantos cientos de newtons, los esfuerzos locales en la zona de corte y las presiones en la herramienta son muy elevados porque las áreas de contacto son muy pequeñas. Por ejemplo, la longitud de contacto entre la herramienta y la viruta es comúnmente de 1 mm (0.04 pulgada). En consecuencia, la punta de la herramienta se somete a esfuerzos muy altos, lo que provoca desgaste y algunas veces astillado y fractura de la herramienta. [2] Las fuerzas de corte se pueden medir mediante un transductor de fuerzas (por lo común con sensores piezoeléctricos de cuarzo), un dinamómetro o una celda de, montados en el portaherramientas de la herramienta de corte. [2]

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Diferencia entre un Torno CNC y Convencional Un centro de maquinado es una máquina altamente automatizada capaz de realizar múltiples operaciones de maquinado en una instalación bajo CNC (control numérico computarizado) con la mínima intervención humana.

Figura 4. Torno Convencional.

El éxito de los centros de maquinado CNC ha conducido al desarrollo de centros de torneado CNC. Un centro de torneado CNC moderno, figura 5, es capaz de desempeñar varias operaciones de torneado y operaciones relacionadas, torneado de contorno y secuenciado automático de herramientas, todas bajo control computarizado. Además, los centros de torneado tienen las siguientes ventajas:  Calibrado de piezas de trabajo (verificación de las dimensiones clave después del maquinado).  Monitoreo de las herramientas (sensores que indican cuando las herramientas están desgastadas).  Cambio automático de herramientas cuando se desgastan.  Es posible una producción más rápida de prototipos.  No existe la necesidad de afilar la herramienta de corte, solo se intercambia las plaquitas.  No es necesaria la habilidad del operador (experiencia). Pero también se presentan ciertas limitaciones:  Alto costo de la máquina.  Los costos de mantenimiento aumentan, debido a que el sistema de control es más complicado y surge la necesidad de personal especializado.  Es necesario mantener un gran volumen de producción a fin de lograr una mayor eficiencia de la capacidad instalada.  Las operaciones con las herramientas de corte se limitan según su geometría.

Figura 5. Torno CNC.

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Formación real de la viruta La formación de la viruta depende del tipo de material que se máquina y de las condiciones de corte de la operación. Se pueden distinguir cuatro tipos básicos de viruta, los cuales se ilustran en la figura 6.

Figura 6. Cuatro tipos de formación de viruta en el corte de metales: a) discontinua, b) continua, c) continua con acumulación en el borde y d) dentada.



Viruta discontinua: Cuando se maquinan materiales relativamente frágiles (por ejemplo, hierro fundido) a bajas velocidades de corte, la viruta se forma frecuentemente en segmentos separados (a veces los segmentos están unidos sin cohesión). Esto tiende a impartir una textura irregular a la superficie maquinada.



Viruta continua: Cuando se cortan materiales de trabajo dúctiles a velocidades altas con avances y profundidades pequeños, se forman virutas largas y continuas. Cuando se forma este tipo de viruta se obtiene un buen acabado de la superficie. Virutas continuas y largas (como en el torneado) pueden generar problemas respecto al desecho de viruta o enredarse alrededor de la herramienta.



Viruta continúa con acumulación en el borde: Cuando se maquinan materiales dúctiles a velocidades bajas o medias de corte, la fricción entre la herramienta y la viruta tiende a causar la adhesión de porciones de material de trabajo en la cara inclinada de la herramienta cerca del filo cortante. Esta formación se llama acumulación en el borde (BUE). La formación de BUE es de naturaleza cíclica; se forma y crece, luego se vuelve inestable y se rompe.



Viruta dentada (el término corte localizado se utiliza también para este cuarto tipo de viruta): Estas virutas son semicontinuas en el sentido de que poseen una apariencia de diente de sierra que se produce por una formación cíclica. Este cuarto tipo de viruta está asociado más cercanamente con ciertos metales difíciles de maquinar, tales como las aleaciones de titanio, superaleaciones a base de níquel y aceros inoxidables austeníticos cuando se maquinan a velocidad de corte elevadas. Sin embargo, dicho fenómeno también sucede en metales de trabajo comunes (por ejemplo, aceros) cuando éstos se cortan a altas velocidades

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Simplificación del modelo de corte ortogonal (PRACTICA) En función de la teoría revisada en clase, se determinarán las fuerzas cortantes experimentales involucradas en el proceso de cilindrado de un eje a partir de los parámetros de corte y la geometría de la herramienta de corte. A su vez se identificará el acero con el cual se obtuvieron los datos experimentales de Fuerza de corte y Fuerza de avance. Para establecer la equivalencia entre el Modelo de Corte Ortogonal y un proceso real de torneado se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones:

Figura 7. Aproximación del torneado por el modelo ortogonal: a) torneado y b) el corte ortogonal correspondiente.

  



El avance 𝒇𝒏 (feed) en milímetros por revolución del proceso se asume que es igual al espesor inicial de viruta 𝒕𝟎 . La profundidad de corte 𝒂𝑷 se la toma como el espesor de viruta 𝒘. Esfuerzo cortante del material 𝝉 se considera como la resistencia al corte (S) del material de trabajo. El cual se puede estimar a partir de los datos de resistencia última a la tensión (TS), por medio de la aproximación: 𝑆 = 0,7𝑇𝑆 La fuerza de avance 𝑭𝒔 se considera igual a la fuerza de empuje 𝑭𝒕

Para determinar las fuerzas cortantes experimentales se seguirá el siguiente procedimiento analítico: Tabla1. Ecuaciones involucradas en el modelo de corte ortogonal

La fuerza de fricción 𝑭 y la fuerza normal 𝑵: El coeficiente de fricción 𝝁: El ángulo de fricción 𝜷: El ángulo de cizallamiento ∅ a partir de la Ecuación de Merchant: Determinar la relación de corte 𝒓: El espesor final experimental de la viruta 𝒕𝒄 : La fuerza cortante experimental 𝑭𝒔∗ : La resistencia cortante experimental del material de trabajo 𝝉:

𝐹 = 𝐹𝑐 sin(𝛼) + 𝐹𝑡 cos(𝛼), 𝑁 = 𝐹𝑐 cos(𝛼) + 𝐹𝑡 sen(𝛼),

(1) (2)

𝐹 , (3) 𝑁 𝜇 = tan(𝛽), (4) 𝛼 𝛽 ∅ = 45 + + , (5) 2 2 𝑠𝑒𝑛(∅) 𝑟= , (6) cos(∅ − 𝛼) 𝑡0 𝑓𝑛 𝑟 = = , (7) 𝑡𝑐 𝑡𝑐 𝜇=

𝐹𝑐 =

𝐹𝑠 cos(𝛽 − 𝛼) , cos(𝜙 + 𝛽 − 𝛼)

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𝐹𝑠∗ = 𝜏𝑎𝑃 (0.5352𝑓𝑛 + 0.8849𝑡𝑐 ),

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PROCEDIMIENTO 1. Seguir las instrucciones del instructor: utilizar mandil, gafas de seguridad y la vestimenta adecuada. 2. Tomar dimensiones de la pieza asignada a cada grupo (grupo de 3 personas), diámetros y longitudes. 3. Colocar la pieza de trabajo en las mordazas del torno CNC, con la ayuda de la llave del cabezal. Asegurarse que la pieza este correctamente ajustada. 4. Colocar la herramienta de corte en la torreta del torno CNC, con la ayuda de la llave. Asegurarse que la herramienta de corte este ajustada y alineada. 5. Con la ayuda del instructor realizar un cilindrado a la pieza de trabajo. Verificar que la compuerta del torno se encuentre cerrada antes de iniciar la operación. 6. Recolectar los datos arrojados por el equipo de adquisición de datos de fuerza de corte (Los datos de fuerza de corte y fuerza de avance experimental serán facilitadas por el instructor). 7. Desmontar la pieza de trabajo y la herramienta de corte del torno CNC. MATERIALES Y EQUIPOS -

Torno CNC DMTG CKE6136Z. Inserto TPGN160304-H13A Porta-insertos CTGPR 3225P 16-ID Llave para el portaherramientas Llave para el cabezal Material de trabajo Micrómetro Sistema de adquisición de datos.

BIBLIOGRAFÍA [1] M. P. Groover, «Fundamentos de manufactura moderna,» McGraw-Hill, 2007, pp. 486 - 498. [2] S. R. S. Serope Kalpakjian, Manufactura, ingeniería y tecnología, México: Pearson Education, 2008.

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REPORTE. Informe #1 En su reporte de laboratorio deberá incluir lo siguiente: Colocar un marco teórico que abarque los temas vistos durante la práctica. No se puede copiar los mismos de la guía, se permite parafrasear. Usted deberá soportar sus ensayos con referencias bibliográficas de relevancia. Los pasos explicados durante la sesión de clases para el montaje de la pieza y la herramienta de corte. El instructor les facilitara los datos experimentales, los mismas que deberán ser tabuladas y presentadas como datos experimentales en la sección de Anexos. Se presentará además 1 cálculo demostrativo del procedimiento para determinar la fuerza cortante experimental (anexos), de acuerdo con el procedimiento analítico mostrado. Los demás valores deberán estar tabulados de forma correcta en anexos. únicamente los resultados de las fuerzas cortantes y resistencia cortante del material deberán estar tabulados y presentados correctamente en la sección de resultados, así como el material de la pieza de trabajo. Además, en la sección de anexos, usted deberá presentar una ficha técnica del material usados para el proceso de cilindrado, evidenciando composición química, usos, elementos aleantes, etc. Recuerde que las conclusiones son referentes a los objetivos planteados (objetivos propios), y, finalmente, unas breves recomendaciones de cómo mejoraría usted dichos resultados y la práctica en general. El cálculo demostrativo será de acuerdo con el listado de alumnos: 1er valor experimental – 1ero de la lista 2do valor experimental – 2do de la lista ….

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…. …. LINKS https://www.youtube.com/watch?v=x_4Feo_ETWk&t=184s https://www.youtube.com/watch?v=I-iWd-UVUak&t=39s https://www.youtube.com/watch?v=CqePrbeAQoM

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