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MECANIZADO POR ARRANQUE DE VIRUTAS

Para poder estructurar la información, dividiremos los procesos de mecanizado en tres grupos principales, aunque en esta sección se explican los principios básicos de mecanizado que comparten todos estos procesos:

TORNEADO

FRESADO

TALADRADO

Proceso que consiste en arrancar en forma de virutas o partículas el exceso de material de un semiproducto previamente concebido, utilizando para ello las máquinas y las herramientas cortantes adecuadas para conseguir la geometría de la pieza deseada y las especificaciones planteadas.

Los semiproductos se pueden obtener por fundición, forja, laminación, pulvimetalurgia, etc. Y en algunos casos se les han efectuado operaciones previas de doblado, soldadura, etc.

En ocasiones, debido a que el proceso de mecanizado resulta excesivamente caro, la fabricación total de piezas por fundición, deformación o por polvos se impone sobre este. No obstante, hay que tener en cuenta que el método de arranque de virutas es el único que permite fabricar piezas con una exactitud del orden de las micras.

Un factor que resulta muy importante en el mecanizado es la maquinabilidad del material. Esta se define como la capacidad del mismo para dejarse arrancar material con una herramienta de corte. También se puede decir que es la habilidad que tienen los materiales de ser mecanizados. La maquinabilidad de un material se ve afectada por los siguientes factores:

  • Composición química
  • Tipo de microestructura
  • Inclusiones o impurezas
  • Dureza y resistencia
  • Ductilidad y acritud
  • Tamaño del grano
  • Conductividad térmica
  • Presencia de aditivos libres (azufre, plomo, selenio, manganeso, fósforo, etc.)

Las máquinas herramienta para efectuar el mecanizado utilizan elementos como cuchillas, materiales abrasivos, chispas eléctricas, ultrasonidos, un chorro eléctrico capaz de volatilizar el material, electrólisis dirigida, etc.

Exceptuando el corte mediante cuchillas, en el que el material arrancado aparece en forma de tiras fragmentadas (si es frágil) o continuas (si es dúctil), en el resto de los casos se desprenden partículas pequeñísimas.

El arranque de viruta o partículas se realiza mediante la penetración de una herramienta en la pieza de trabajo, cuyo material es de mayor dureza que el de la pieza a cortar. Este enclavamiento ocurre mientras se efectúa el movimiento relativo entre la pieza a trabajar y la herramienta de corte. Existen tres movimientos fundamentales:

  • Movimiento principal o de corte: es el que permite qua la herramienta penetre en el material, produciendo viruta, y se identifica como Velocidad de Corte (Vc)
  • Movimiento de avance: es el desplazamiento del punto de aplicación del corte. Se identifica como Velocidad de Avance o Avance (S)
  • Movimiento de alimentación: es con el que se consigue cortar un determinado espesor de material. Se identifica como Profundidad de Corte o de Pasada (t)

Según el grado de acabado superficial que debe quedar en la pieza de trabajo, se distinguen tres tipos de operaciones:

  • Desbaste: el material eliminado es del orden de los milímetros o las décimas de milímetros y su finalidad es aproximar las dimensiones de la pieza a la medida final en el menor tiempo posible, desplazando para ello la cuchilla de corte con altas velocidades de avance y de corte.
  • Acabado: el material eliminado es del orden de las centésimas de milímetro y su finalidad es la de obtención de piezas con las medidas finales y con superficies poco rugosas. Para ello las velocidades de avance son bajas y las velocidades de corte son más altas que en desbaste.
  • Súper-acabado o rectificado: tiene como finalidad alcançar medidas muy precisas y muy buenos acabados superficiales. El orden del material rebajado es de las milésimas de milímetros. Las velocidades de corte y de avance son muy altas, desprendiéndose partículas de material producto de la abrasión.

De los elementos que se utilizan para arrancar material en los procesos de mecanizado por arranque de virutas, uno de los más utilizados es la cuchilla. El diseño y las formas de las cuchillas utilizadas en estos procesos se basan en el Buril, que fue la primera herramienta utilizada para este fin. El buril no es más que una barra rectangular de acero afilada en su extremo como un diedro que actúa como cuña.

brunil brunil

La herramienta se compone de dos partes, la activa (aquella que realiza el arranque de material) y la parte auxiliar (destinada a soportar y fijar la parte activa). Las características fundamentales de la parte activa de la herramienta vienen dadas por el material de que está compuesta y su geometría.

Las funciones que deben cumplir las herramientas de corte son las siguientes:

  • Garantizar la obtención de medidas precisas y superficies bien acabadas
  • Mecanizar cualquier tipo de material
  • Ofrecer un máximo rendimiento con un mínimo desgaste
  • Disponer de una larga duración del filo de corte, para ahorrar afilados y plaquitas de corte
  • Lograr que la viruta salga fácilmente
  • Capacidad para absorber elevadas temperaturas
  • Soportar grandes esfuerzos de corte sin deformarse
  • Tener alta resistencia al desgaste

Y para que todo funcione correctamente debemos seleccionar el material y la geometría de las herramientas basándonos en el tipo de operación a realizar, el material de la pieza de trabajo y la máquina-herramienta a utilizar.

Las propiedades que debe cumplir el material de la herramienta de corte son las siguientes:

  • Dureza a altas temperaturas
  • Características térmicas como una conductividad alta, un coeficiente de dilatación bajo y un calor específico alto
  • Coeficiente de rozamiento bajo
  • Alta tenacidad
  • Resistencia al impacto
  • Resistencia al desgaste
  • Químicamente inerte respecto a la pieza de trabajo
  • Químicamente estable frente a la oxidación y la disolución

En el siguiente grafico podemos ver la evolución de los materiales utilizados para este fin. en la actualidad el más utilizado es el metal duro:

evolución mecanizado

GEOMETRÍA DE LAS HERRAMIENTAS

Deberemos distinguir entre las herramientas enterizas (acero rápido, aunque se están quedando en desuso) y las plaquitas de corte (de metal duro).

  • En las herramientas enterizas tenemos lo siguiente:
partes de una herramienta enteriza
angulos de las herremientasangulos de las herremientasangulos de las herremientas

    α: ángulo de incidencia
    β: ángulo de filo (o arista)
    γ: ángulo de desprendimiento
    δ: ángulo de corte
    ϕ: ángulo de posición principal
    ϕ1: ángulo de posición secundario
    ψ: ángulo de la punta
    λ: ángulo de caída

  • Y en las herramientas con plaquitas:

.......

 

Un factor muy importante en la geometría de las herramientas es el ángulo de incidencia (clearance angle). Este depende principalmente de la resistencia del material de la herramienta y de la dureza del material de la pieza. Además este ángulo evita que la herramienta talone con la pieza que mecaniza.

Otro ángulo muy importante es el ángulo de desprendimiento (rake angle). Este se selecciona en función del material de la herramienta, la resistencia del material a mecanizar y el calor desarrollado durante la mecanización. Este ángulo ayuda al desprendimiento de la viruta. Muchas veces las herramientas (sobretodo las plaquitas de metal duro) tienen un rompevirutas que nos da este ángulo de desprendimiento.

Finalmente, otro ángulo muy importante es el ángulo de posición (lead angle). Este permite un incremento progresivo de las fuerzas de corte al principio y al final de la pasada, disminuye el espesor de la viruta y por lo tanto la presión sobre el filo, refuerza la punta de la herramienta, incrementa la longitud de contacto entre el filo de corte y la pieza, lo cual puede dar lugar a vibraciones y si este ángulo es de 90º, aparece una componente de fuerza en sentido radial que puede provocar flexiones en la pieza si esta es delgada.

En función del radio de la punta y del avance, la rugosidad teórica obtenida también varía:

acabado en función del avance y la punta

Otro aspecto importante de las herramientas es el número de filos de corte. En la herramientas de acero rápido, este número nos lo determina el fabricante ya que es el quien dice cuantos reafilados podemos hacer. En las herramientas de metal duro (plaquitas), estas no son reafilables, por lo que los filos de corte están determinados por la geometría (aristas de la plaquita). Las fresas y brocas de metal duro enterizas si que pueden ser reafiladas.

FORMACIÓN DE LA VIRUTA

El arranque de viruta ocurre cuando el filo de la herramienta de corte produce primeramente la deformación elástica de la parte del material que se convertirá en viruta, surgiendo grandes tensiones a medida que se acerca la herramienta. Cuando estas tensiones superan el límite elástico del material ocurre la separación de una capa del mismo en forma de viruta producto de la deformación plástica de éste.

Para entender esto debemos recordar la curva esfuerzo-deformación de un material metálico:

curva esfuerzo-deformacion

Las temperaturas que se alcanzan en cada momento en la zona de corte no deben ser muy altas, ya que esto puede influir negativamente en la estructura del material de la pieza de trabajo y consecuentemente en sus propiedades mecánicas. Además altas temperaturas pueden traer consigo un incremento en las fuerzas de corte, lo cual puede hacer que la potencia de la máquina herramienta sea insuficiente por momentos para ejecutar depende que operaciones.

El proceso de formación de la viruta se puede observar en esta imagen:

proceso de formación de la viruta

Los parámetros que influyen sobre la formación de la viruta son los siguientes:

  • Material de la pieza y de la herramienta
  • Diseño de la geometría de corte
  • Refrigeración y lubricación en el proceso de corte
  • Vida útil de la herramienta

Existen 3 tipos principales de viruta:

  • Viruta continua con bordes lisos: aparece en materiales dúctiles, aplicando avances y profundidades de corte muy pequeñas y velocidades de corte elevadas, superficies de ataque muy pulidas, bajo coeficiente de rozamiento, alta resistencia al desgaste y refrigeración considerable. Con este tipo de viruta se obtiene buen acabado.
  • Viruta continua de caras irregulares: aparece en materiales dúctiles, pero con grandes avances y velocidades de corte pequeñas y cuando la refrigeración es insuficiente o nula. El alto rozamiento entre viruta y herramienta desprende pequeñas partículas que se adhieren a la herramienta, originando un recrecimiento del filo que más tarde tiende a fracturarse en dos partes, una que se adhiere a la pieza y otra a la viruta, provocando que la superficie mecanizado quede rugosa.
  • Viruta discontinua: ocurre en materiales frágiles, con ángulos de afilados y velocidades de corte pequeñas, con avances y profundidades de corte grandes y elevada fricción entre herramienta y viruta.

CONDICIONES DE CORTE

Los parámetros principales de las condiciones de corte son la velocidad de corte (Vc, m/min), el avance (a, mm/vuelta), la velocidad de avance (Va, mm/min) y la profundidad de pasada (t, mm)

Además de estos parámetros de corte, durante el mecanizado aparecen dos fuerzas principales; la fuerza de corte (Fc), la cual es la fuerza que va en la dirección del corte y por lo tanto de la velocidad de corte y la fuerza de empuje (Ft), que es la fuerza que va en la dirección de la profundidad de corte (t). Esta ultima es perpendicular a la fuerza de corte.

Estas fuerzas dependen de la arista de corte y la geometría de la herramienta, el portaherramientas, la máquina herramienta, la operación que se realice y los parámetros de corte.

Lógicamente estas fuerzas implican una potencia y una energía que son proporcionadas por la máquina herramienta. En todas las operaciones de mecanizado necesitamos una máquina capaz de generar una potencia tal que supere las fuerzas que aparecen en el corte (Fc). Esta potencia de corte (P) se puede calcular como:

potencia de corte

Y la energía de corte (U):

energia de corte

La potencia de corte se expresa en vatios (W). Y conociendo su valor podemos seleccionar la máquina herramienta adecuada para realizar un proceso concreto.

TEMPERATURAS EN EL PROCESO DE CORTE

Casi toda la energía que se consume en el mecanizado (aproximadamente un 98%) se convierte en calor. Esto puede provocar temperaturas muy altas (alrededor de 540ºC) en la unión herramienta-pieza.

Existen varios métodos analíticos y numéricos para estimar los valores de la temperatura en la zona de corte. Uno de estos métodos es el método de Cook:

temperatura de la zona de corte

ρC: calor específico volumétrico del material de la pieza de trabajo
K: difusividad térmica del material de trabajo

El calor producido en el proceso de corte no puede ser prevenido, pero si controlado o disipado. La mayoría del calor es generado justamente en la zona de corte. Hasta este punto el metal solo cambia de forma. Seguidamente este se desliza a lo largo de la herramienta generando siempre calor por fricción.

La cantidad de calor generado durante el corte plástico (Q) se puede calcular a través de la siguiente expresión:

energia de corte

E: equivalente mecánico del calor (4.1868 J)

Y el balance de calor en el corte de metales puede expresarse a partir de la siguiente expresión:

energia de corte

Qv: calor que se escapa hacia la viruta
Qh: calor que se disipa hacia la herramienta de corte
Qp: calor que se disipa hacia la pieza que se elabora
Qa: calor que se escapa hacia el ambiente

Sobre la intensidad de los flujos caloríficos en la zona de corte influye significativamente el enfriamiento y lubricación de las superficies de contacto de la herramienta, que se realizan por medio del uso de sustancias refrigerantes y lubricantes especiales.

El efecto del enfriamiento consiste en la eliminación del calor en los lugares más calientes y eliminación del mismo desde la zona de corte por el método de convección. Así se produce el enfriamiento de la herramienta cortante, de la zona de deformación y de la superficie elaborada de la pieza.

El efecto de lubricación consiste en la reducción del coeficiente de fricción en las áreas de contacto de la herramienta con la pieza, lo que trae consigo la reducción del trabajo de las fuerzas de fricción, disminución de la generación de calor y disminución de las temperaturas, además de la disminución de la potencia necesaria para el maquinado.

Los objetivos del uso de fluidos de corte son los siguientes:

  • Refrigeración: el calor producido al cortar la viruta hace aumentar la temperatura del filo de la herramienta, la cual no puede pasar de un valor admisible. Al utilizar refrigerante se alarga la permanencia del filo o se puede aumentar la velocidad de corte
  • Engrase: durante el mecanizado, si además de refrigerante es lubricante, se reducirá el consumo de la fuerza, se desgastará menos el filo y la herramienta trabajará sin vibraciones. Además se protegen así mismo la pieza y la máquina contra la oxidación
  • Expulsión de la viruta: para evitar que esta arañe la superficie de trabajo
  • Refrigeración de la pieza: porque si la temperatura aumenta excesivamente por el trabajo, se pueden producir tensiones que deformen o debiliten la pieza
  • Mejorar el acabado superficial

Los fluidos de corte más utilizados son los refrigerantes (fluidos solubles en agua, aceites solubles, aceites semi-sintéticos y los fluidos sintéticos) y los lubricantes (aceites puros, aceites minerales, mezclas y compuestos, los cuales pueden ir con aditivos).

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