Diseño de una herramienta para cilindrado externo.

DISEÑO DE UNA HERRAMIENTA
PARA CILINDRADO EXTERNO
(DESBASTE)

Elkin Valbuena - Yuscy Pantoja
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE
SANTANDER FACULTAD DE
INGENIERÍAS FISICO-MECÁNICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA
MECÁNICA BUCARAMANGA,
2013

CONTENIDO
1. Objetivos.
2. Introducción.
3. Planteamiento del problema.
4. Características del material de trabajo.
5. Herramienta existente en el mercado.
6. Geometría del capto del fabricante.
7. Marco teórico.
8. Proceso de diseño de la herramienta.
9. Conclusiones
10. Anexos.

DISEÑO DE HERRAMIENTAS
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Elkin Valbuena - Yuscy Pantoja

OBJETIVOS
 Estudiar un caso real de diseño de herramientas
para un proceso específico.
 Realizar el diseño conceptual de la herramienta,
dimensionando el sistema, materiales,
propiedades y geometrías para mejorar el
desempeño de esta en la aplicación.
 Evaluar el desempeño del/de los sistema(s)
diseñados.
 Determinar posibles inconvenientes que puedan
estar involucrados para permitir un buen
desempeño.
DISEÑO DE HERRAMIENTAS Elkin Valbuena
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- Yuscy Pantoja

INTRODUCCIÓN
En la industria de la manufactura es cada vez más necesario tener al
alcance soluciones prácticas y eficaces para solucionar problemas que
a diario se presentan. En el maquinado de piezas cilíndricas, por
ejemplo, se requiere una herramienta cuya versatilidad sea admirable,
y cuya asequibilidad no sea una simple utopía. Por tal razones, las
investigaciones en el campo de diseño de herramientas ha avanzado
de manera colosal, alcanzando diseños que son cada vez más óptimos,
sin dejar atrás los fundamentos básicos de su funcionamiento.

En este documento se presenta el proceso de diseño para una
herramienta de corte utilizada en procesos de cilindrado externo para
condiciones específicas, planteadas más adelante, y se hace énfasis a
la importancia del uso de software de diseño de ingeniería para la
realización de este.

- Yuscy Pantoja 4

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

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- Yuscy Pantoja

CARACTERISTICAS DEL MATERIAL DE
TRABAJO.

Fuente: Aceros Otero (p59).

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- Yuscy Pantoja

HERRAMIENTA EXISTENTE EN EL
MERCADO (CATÁLOGO SANDVIK)
• El portaherramientas:
en el punto 6 se
estableció este. Y la
recomendación del
fabricante fue:
GC4225. (C4-DCRNR/L-
22050-12).
• La herramienta
seleccionada es: CNMG
12 04 08 –PM DISEÑO DE HERRAMIENTAS Elkin Valbuena
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- Yuscy Pantoja

GEOMETRÍA DEL CAPTO DEL
FABRICANTE

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- Yuscy Pantoja

MARCO TEÓRICO

Se presenta a continuación los fundamentos
básicos a tener en cuenta al momento de
diseñar y dimensionar una herramienta de
corte para cilindrado externo.
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- Yuscy Pantoja

MARCO TEÓRICO
I. Cilindrado externo.
II. Diagrama de velocidades en la zona de corte.
III. Diagrama de corte de e. Merchant.
IV. Diagrama de cuerpo libre.
V. Analisis de esfuerzo cortante.
VI. Analisis de esfuerzo cortante.
VII.Ángulo de corte.
VIII.Potencia.
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CILINDRADO EXTERNO:

Reducir el diámetro
de la barra de
material que se está
trabajando.

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Velocidad de corte

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DIAGRAMA DE CORTE DE E.
MERCHANT

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DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE

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ANALISIS DE ESFUERZO CORTANTE

• Un ángulo de corte bajo significa un alto esfuerzo
cortante.
• La suposición de Merchant: El ángulo de corte se debe
ajustar para minimizar la fuerza de corte. Se deriva
entonces de esto:
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- Yuscy Pantoja

ÁNGULO DE CORTE.

Maximizar el
esfuerzo
cortante.

Minimizar la
fuerza de corte.

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- Yuscy Pantoja

POTENCIA
Los datos provenientes de
tablas de la potencia
unitaria específica de
corte esencialmente
provienen de la energía
requerida para tal corte.
La mayoría de la energía
se consume en la
cizalladura y el
rozamiento en la
superficie de contacto
entre herramienta y
viruta.
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- Yuscy Pantoja

PROCESO DE DISEÑO DE LA
HERRAMIENTA

A partir del modelo del fabricante, se diseña el
inserto, con su respectivo porta-herramienta y
plaquita base.
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- Yuscy Pantoja

PROCESO DE DISEÑO DE LA
HERRAMIENTA
I. Cálculos de Fuerzas Sobre la Plaquita.
II. Alternativas del diseño del sistema (Diseño
CAD).
III. Materiales y características.
IV. Metal duro.
V. Estudio CAE de las alternativas.
VI. Resultados del estudio CAE.

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- Yuscy Pantoja

Cálculos de Fuerzas Sobre la Plaquita

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- Yuscy Pantoja

Condiciones de Corte
Propiedades de la Pieza de Trabajo
Pot
Vc (mm/min) fn (mm/rev) ap (mm) MRR (mm^3/min)
(Lbf*pulg/min)
Material Acero SAE 1045 400000 0,5 1,5 300000 4393709,575
Dureza BHN 180
Sy (MPa) 392,4
Tao (MPa) 196,2
U (in*Lbf/in^3) 240000

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- Yuscy Pantoja

Tablas de Resultados
Avance
r f (mm) alfa beta gamma phi Fs (Lbf) Fc (Lbf) Fa (Lbf) Fr (Lbf) F (Lbf)
(mm)
1 0,5 1,5 5 90 5 42,500 48,966 279,001 231,998 55,800 367,121
1 0,5 1,5 6 90 6 42,000 49,438 279,001 235,977 55,800 369,649
1 0,5 1,5 7 90 7 41,500 49,924 279,001 240,009 55,800 372,236
1 0,5 1,5 8 90 8 41,000 50,423 279,001 244,096 55,800 374,883
1 0,5 1,5 9 90 9 40,500 50,937 279,001 248,237 55,800 377,593
1 0,5 1,5 10 90 10 40,000 51,464 279,001 252,436 55,800 380,367
1 0,5 1,5 11 90 11 39,500 52,007 279,001 256,693 55,800 383,205
1 0,5 1,5 12 90 12 39,000 52,566 279,001 261,009 55,800 386,110
1 0,5 1,5 13 90 13 38,500 53,140 279,001 265,388 55,800 389,083
1 0,5 1,5 14 90 14 38,000 53,732 279,001 269,829 55,800 392,126
1 0,5 1,5 15 90 15 37,500 54,341 279,001 274,336 55,800 395,241

Avance
r f (mm) alfa beta gamma phi Fs (Lbf) Fc (Lbf) Fa (Lbf) Fr (Lbf) F (Lbf)
(mm)
1 0,5 1,5 7 90 7 41,500 49,924 279,001 240,009 55,800 372,236
0,9 0,5 1,5 7 90 7 38,529 53,107 279,001 265,135 55,800 388,911
0,8 0,5 1,5 7 90 7 35,290 57,261 279,001 295,075 55,800 409,908
0,7 0,5 1,5 7 90 7 31,770 62,829 279,001 331,173 55,800 436,613
0,6 0,5 1,5 7 90 7 27,961 70,554 279,001 375,111 55,800 470,811
0,5 0,5 1,5 7 90 7 23,863 81,772 279,001 428,574 55,800 514,423
0,4 0,5 1,5 7 90 7 19,488 99,158 279,001 491,160 55,800 567,620
0,3 0,5 1,5 7 90 7 14,865 128,952 279,001 548,510 55,800 617,914
0,2 0,5 1,5 7 90 7 10,034 189,858 279,001 487,116 55,800 564,125
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- Yuscy Pantoja

ALTERNATIVAS DE DISEÑO DE LA
HERAMIENTA
El sistema consta de tres partes esenciales: Portaherramientas,
plaquita base y plaquita cortante. Las geometrías generales se
muestran en los siguientes planos. Se trató de diseñar un
portaherramientas para torno CNC, a diferencia del portaherramientas
del fabricante, que corresponde a un capto para acoplar en un mango
universal. Mientras que en la plaquita cortante se variaban algunos
parámetros:
• El radio de punta.
• Forma de cara.
• Filos por cara.
• Material del inserto.
Para cada paquete de resultados se especificará al pie de la imagen
qué parámetros se variaron para una mejor interpretación.

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Modelo de inserto

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Porta-Herramienta

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- Yuscy Pantoja

DISEÑO CAD DE LAS PLAQUITAS

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- Yuscy Pantoja

Diseño N°1
• Plaquita sencilla,
únicamente con
redondeo en las
puntas.

Diseño N°2
• Plaquita con detalles
geométricos

Diseño N° 3
• Plaquita con detalles
geométricos mas
simples

Diseño N°4
• Plaquita con puntas
reforzadas.

MATERIALES
Antes de empezar a simular el desempeño
mecánico, se debe definir el material de los
componentes del sistema. Para esto, se consultó
en el catálogo de la Sandvik las calidades
comunes para distintos materiales:

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- Yuscy Pantoja

Algunas características

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- Yuscy Pantoja

METAL DURO CON RECUBRIMIENTO
Es la calidad de la plaquita cortante
fabricada por la Sandvik. Para
conocer las propiedades del metal
duro, se consultó el manual de este
mismo fabricante “Comprender el
metal duro”, donde se encontraron
las propiedades del metal duro sin
recubrimiento conociendo el
porcentaje de Co (10%) que poseía
el inserto (Calidad ISO P-25 <<Ver
página A20 del catálogo
MC_2009_Klick_SPA_A de la
Sandvik, adjunto en el CD>>).
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- Yuscy Pantoja

Características del metal duro.

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- Yuscy Pantoja

CAE DEL SISTEMA.
Una vez conocidas las propiedades del los
materiales del sistema y las fuerzas involucradas, se
procedió a realizar la simulación. La forma como se
hizo se resume en un informe entregado por
Solidworks, donde se muestra la distribución de las
fuerzas en los filos, la forma de sujeción de la
herramienta, el mallado y características de este,
propiedades de los materiales de las piezas y
algunos resultados de simulación mecánica como lo
son Analisis de esfuerzos, deformaciones, tensiones
por el criterio de Von Misses y factores de
seguridad.
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- Yuscy Pantoja

RESULTADOS CAE
Se muestra a continuación los resultados de las
simulaciones realizadas para cada sistema
diferente, donde permanecen constantes las
características del portaherramientas y la
plaquita base mientras se alteran algunos
parámetros de la plaquita cortante; enfocadas a
determinar el factor de seguridad
principalmente de la plaquita cortante.

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- Yuscy Pantoja

RESULTADOS CAE
I. Plaquita básica.
II. Plaquita con detalles geométricos en la cara, con
doble filo por cara y radio de punta 0,8[mm].
III. Plaquita detalles geométricos en la cara más suaves,
una cara cortante y radio de punta 0,8[mm].
IV. Plaquita con radio de punta 1[mm].
V. Plaquita con puntas reforzadas, radio de punta
1[mm].
VI. Plaquita con propiedades del material mejoradas al
10%, radio de punta 1[mm] y acabados geometricos
en las caras.

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- Yuscy Pantoja

Plaquita básica.

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- Yuscy Pantoja

Plaquita con detalles geométricos en la cara, con doble
filo y radio de punta 0,8[mm].

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- Yuscy Pantoja

Plaquita detalles geométricos en la cara más suaves,
una cara cortante y radio de punta 0,8[mm].

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- Yuscy Pantoja

Plaquita con radio de punta 1[mm].

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- Yuscy Pantoja

Plaquita con puntas reforzadas, radio
de punta 1[mm].

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- Yuscy Pantoja

Plaquita con propiedades del material mejoradas al
10%, radio de punta 1[mm] y acabados geometricos en
las caras.

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- Yuscy Pantoja

Plaquita con propiedades del material mejoradas al
10%, radio de punta 1[mm] SIN acabados geometricos
en las caras.

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- Yuscy Pantoja

CONCLUSIONES
 Durante el proceso de simulación es importante definir los
parámetros para realizar dicha operación, ya que como es
bien sabido, las herramientas de cálculo no son más que
simplemente eso, y los resultados que estos arrojan
depende siempre de las entradas que le de el usuario.

 Se observa a partir de los resultados la necesidad de poseer
información concreta de, principalmente, las propiedades,
más que todo, de acuerdo a los materiales que se trabajen.
Esta es la razón por la cuál, aunque se conozca una
aproximación del material de los insertos, no se obtienen
los mismos desempeños en las plaquitas diseñadas en
comparación con las existentes en el mercado.

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- Yuscy Pantoja

• Aunque la principal pieza crítica del sistema es
lógicamente la plaquita cortante, se debe prestar
atención también a los otros dos elementos, ya
que en ocasiones se observa como se ven
afectados en gran medida junto con la plaquita,
alcanzando factores de seguridad cercanos a los
que posee esta última en su parte crítica: el filo.
Por ejemplo el mango en la parte donde se sujeta
y la plaquita base, en la parte directamente
debajo de la cara inferior de la plaquita cortante.

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- Yuscy Pantoja

 Se encontraron inconvenientes en el
desempeño de las plaquitas que poseían
acabados geométricos en las caras dado que
estos disminuían la resistencia de la pieza y
con radios de punta bajos. En el proceso de
diseño se debe buscar un balance entre estas
características para optimizar el desempeño
de la plaquita y con ello del sistema mismo.

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ANEXOS
El CD contiene, además de la presentación “Diseño de
una herramienta para cilindrado externo”:
 MC_2009_Klick_SPA_A.pdf. sección de Catálogo de
torneado de la Sandvik.
 Metal duro.pdf. Tratado del Metal Duro de la Sandvik.
 Cálculo de fuerzas.xlsx. Contiene una hoja de cálculo
para determinar las fuerzas actuantes sobre la plaquita.
 Selección de herramienta Sandvik.docx. Proceso paso a
paso de la Selección de herramienta Sandvik.
 Sistema.zip. Contiene las piezas, ensamble e informes
que entrega Solidworks como resultado de la
simulación CAE.
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Diseño de una herramienta para cilindrado externo.

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