Tema 16. Fundamentos del mecanizado I PDF

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Resúmenes de cada tema de Ingeniería de Fabricación...

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Tema 16. Fundamentos del mecanizado I 1) Introducción El mecanizado o conformado de material por arranque de viruta es un procedimiento apto para modificar formas, dimensiones y grado de acabado superficial de las piezas, arrancando a éstas una capa (sobremetal o creces de mecanizado) que es transformada en viruta. Si se pretende fabricar una pieza compleja, lo ideal es utilizar alguna técnica complementaria para obtener, como aproximación a la pieza neta, una preforma (o pieza bruta). Solo supone ventaja económica en producciones en grandes series. Aporta peores propiedades mecánicas en relación a las que se consiguen a través de la deformación plástica.

2) Clasificación de los procesos de mecanizado Podemos clasificar los procesos de mecanizado en función de los procesos básicos y de los métodos fundamentales de eliminación de material empleados:  Procesos mecánicos:  Corte: torneado, fresado, taladrado, esmerilado.  Corte con chorro de agua, mecanizado por chorro abrasivo, abrasivo con chorro de arena.  Mecanizado ultrasónico.  Troquelado, punzonado, cizallado.  Procesos térmicos:  Corte térmico (fusión), mecanizado por haz de electrones, mecanizado con láser.  Mecanizado por electroerosión.  Procesos químicos:  Erosión selectiva: ataque químico, grabado ácido, corte térmico (combustión).  Mecanizado electroquímico.

3) Elementos básicos para el mecanizado  La pieza puede provenir de fundición, estampación, de mecanizados previos, o se puede partir directamente del tocho.  Las herramientas se pueden caracterizar a través de las siguientes clasificaciones:  Por el material de que están hechas sus partes activas de corte (acero aleado, diamante, …).  Por su construcción (enterizas, con plaquitas soldadas, con plaquitas de fijación mecánica).  Por el número y manera de operar sus filos de corte:  Filos de corte en contacto continuo: herramientas de un solo filo (torneado, limado, cepillado) o de dos filos (broca helicoidal).  Filos de corte en contacto intermitente: herramientas de varios filos (fresas, brocas) o con número de filos indefinido (muelas de rectificado).

 Máquinas-herramientas:  Universales (torno horizontal o paralelo, fresadora universal, taladradora, rectificadora, limadora, mandrinadora).  De producción en serie.  Utillaje: todo conjunto mecánico que cumple misiones de posicionamiento, fijación o cualquier función auxiliar, en relación con la pieza o la herramienta, en los procesos de mecanizado.

4) Movimientos de corte, avance y penetración En todo proceso de mecanizado se pueden distinguir tres movimientos:  Movimiento de corte: es el responsable del proceso de eliminación de material. Lo puede materializar la pieza o la herramienta.  Movimiento de avance: es el que permite que en la zona de corte se tengan nuevas partes de pieza a mecanizar. Lo puede materializar la pieza o la herramienta.  Movimiento de penetración: es el que asegura una interferencia entre la pieza y la herramienta. Suele ser un movimiento de carácter intermitente, que se efectúa mientras no tiene lugar la eliminación del material (antes de iniciarse cada operación elemental). Distinguimos entre:  Velocidad efectiva de corte (o movimiento resultante de corte), ve: movimiento global relativo entre pieza y herramienta.  Velocidad de corte, v (o v c): velocidad atribuible al movimiento de corte dentro del movimiento resultante de corte.  Velocidad de avance, va, vf o a: velocidad atribuible al movimiento de avance. Se suelen medir en m/s (o en m/min para ve y v y mm/s para va).

5) Maquinabilidad La maquinabilidad es la aptitud de los materiales para ser conformados por mecanización en máquinas-herramienta, es decir, por arranque de material. Se mide por medio de ensayos, en los que se valora alguna de las siguientes características, en condiciones normalizadas:    

La duración del afilado de la herramienta. La velocidad de corte que debe aplicarse. La fuerza, el trabajo y la temperatura de corte en la herramienta. La producción de viruta.

Experimentalmente, se ha comprobado que la maquinabilidad depende de la composición química del material, de su constitución, de sus inclusiones, de su dureza (los materiales blandos se mecanizan con mayores velocidades), la acritud (los materiales se mecanizan mejor

cuanto más elevada sea la relación límite de elasticidad- resistencia mecánica) y el tamaño del grano (el aumento del tamaño del grano facilita la mecanización). Los aceros presentan una amplia gama en la maquinabilidad, disminuyendo esta a medida que aumenta el contenido en carbono. Las fundiciones, a causa de su mayor contenido en carbono y acritud, dan virutas cortas, que dificultan el enfriamiento en la zona de corte y obligan a trabajar con menor velocidad. Las aleaciones no férreas presentan mejor maquinabilidad: las de aluminio y magnesio se mecanizan muy bien, las aleaciones de magnesio se trabajan extraordinariamente bien a cualquier velocidad, pero sus virutas presentan el peligro de inflamarse. Como normal general, en metales ligeros deben usarse siempre grandes velocidades de corte, proyectar las herramientas de corte de modo que las virutas largas tengan hueco suficiente para alojarse y cuidar de una buena lubricación. Se conocen como aceros de alta maquinabilidad (o aceros automáticos) aquellos que son de fácil mecanización.

6) Geometría de la herramienta 6.1) La cuchilla elemental La herramienta de corte más sencilla es la cuchilla recta, formada por una barra de sección cuadrada, donde un extremo está afilado en forma de cuña. Es utilizada en varias máquinasherramienta: tornos, limadoras, cepilladoras, etc. La variación de los ángulos que forman entre sí los planos principales del extremo afilado de una cuchilla elemental influye mucho en el desarrollo de su trabajo. Esta cuchilla realiza trabajo en tres direcciones:  De corte o ataque (tangente a la superficie de la pieza).  De penetración (perpendicular a la superficie de la pieza).  De avance (paralelamente a la superficie de la pieza). Está constituida por dos caras planas, que se cortan según una arista o filo de corte.

El ángulo de desprendimiento, γ, es el comprendido entre la cara de desprendimiento y la normal a la superficie de la pieza. Influye notablemente en la formación de la viruta, pues el

arranque de viruta está provocado por la acción combinada de la arista o filo cortante y la cara de desprendimiento. Para reducir el trabajo de deformación de la viruta, y el consiguiente calentamiento en los casos de viruta fluyente (materiales tenaces), es necesario asegurar al ángulo de desprendimiento un valor bastante grande (10-40º). Como, por otra parte, el aumento del ángulo de desprendimiento lleva consigo la disminución del ángulo sólido de corte, y por tanto una debilitación de la herramienta, ello será admisible solamente si el material que se trabaja es blando; en el caso de los materiales duros se hace necesario disminuir el valor del ángulo de desprendimiento (0-10º). El ángulo de incidencia, α, es el ángulo comprendido entre el dorso de la herramienta y la superficie trabajada de la pieza. Tiene la misión de evitar el roce entre el talón de la herramienta y la parte de la pieza ya mecanizada. Para evitar el desgaste y calentamiento, todos los tipos de herramienta deben presentar un ángulo de incidencia real positivo. Los valores de α son siempre los menores posibles (6-14º para acero rápido, 5-12º para metal duro). El ángulo de la herramienta, β, depende de α y γ (β = 90º-(α+γ)). Este ángulo no debe elegirse demasiado pequeño, pues se corre el peligro de romper la herramienta.

6.1.1) La herramienta real monofilo Hasta ahora se ha considerado la situación denominada de corte ortogonal o corte plano , en el que el filo de la herramienta es perpendicular a la dirección del movimiento principal. Sin embargo, la mayoría de los procesos reales se realizan en la situación de corte oblicuo o tridimensional, en la que el filo tiene un ángulo λ de inclinación con respecto a la situación anterior, por ser más efectivo. Además, esta última situación tampoco es la más utilizada, ya que el filo no suele estar contenido en el plano correspondiente a la superficie mecanizada sino en el relativo a la superficie en curso de mecanización; λ está en el plano que contiene a la superficie mecanizada y κr y κr’ están en un plano perpendicular al movimiento de corte. Se definen así los ángulos de ataque o de posición del filo principal κr y secundario κr’ de la herramienta como los formados entre los planos generados por los filos principal y secundario con el plano de referencia de la pieza. El ángulo de la punta de la herramienta ε es el formado entre los filos principal y secundario. Para valores grandes del ángulo de posición κr, la anchura de la viruta resulta

pequeña y el esfuerzo de corte está muy concentrado, por lo cual la herramienta trabaja en condiciones muy duras y se desgasta rápidamente. Por el contrario, si κr es pequeño, la herramienta trabaja en mejores condiciones, pero pueden originarse deformaciones si la pieza es larga y delgada. Por ello, y para contrarrestar estos efectos, generalmente se sitúa la herramienta de modo que el ángulo de posición sea de 45°.

6.2) Enlace del filo principal y el filo secundario Distinguimos:  Enlace con un arco de círculo: el arco de círculo puede ser tangente a los dos filos con su centro en bisectriz del ángulo de enlace o bien con el centro desplazado en sentido al filo, para disminuir la presión sobre la superficie trabajada. El radio del arco de enlace depende del material que forma la cuchilla, del avance por vuelta y de la profundidad del corte. Inconvenientes: se produce viruta cuyo espesor no es uniforme, sino que adelgaza hacia la punta; esto se traduce en vibraciones si el radio de la curva es muy grande.  Enlace con chaflán: un sistema más adecuado consiste en achaflanar la punta con un ángulo de unos 5º, para trabajar metales blandos, y 10º, para metales duros. El filo principal realiza el desbasta y el chaflán realiza un trabajo que puede considerarse como de acabado. Ventajas:  La fuerza de corte resulta inferior, ya que la viruta en el chaflán es mucho más delgada.  No se producen vibraciones.  La potencia consumida es inferior a la que se consumiría con la unión en curva.

7) Formación y tipos de viruta Se entiende por viruta la forma en que el exceso de material es eliminado en los procesos de mecanizado. La zona en donde se realiza el corte sufre una plastificación y un cizallamiento, originándose el efecto de recalcado. La viruta presenta las siguientes propiedades:  Es siempre de un material más duro y frágil que el de la pieza.  Puede distinguirse la zona de la viruta que ha estado en contacto con la cara de desprendimiento (brillante y pulida) de la zona opuesta (rugosa).  El espesor de la viruta, h2, es siempre mayor que el espesor teórico de viruta, h1, fenómeno debido a la existencia de un proceso de deformación plástica de tipo recalcado (acortamiento de la longitud dela viruta, l2...