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Fundamentos del Mecanizado

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Fundamentos del Mecanizado

  1. 1. FUNDAMENTOS DEL MECANIZADO MECÁNICA DEL CORTEObjetivos Conocer los principios básicos de la formación de la viruta y su influencia en las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta Introducir el mecanizado de alta velocidad
  2. 2. MECÁNICA DEL CORTE Corte ortogonal vs corte oblicuo. Mecánica de formación de viruta  Tipos de viruta. Cinemática y Dinámica del corte ortogonal. Balance energético en el mecanizado. Desgaste de herramienta. Refrigeración y lubricación. Mecanizado de alta velocidad (MAV o HSM).
  3. 3. Mecánica del corte Corte ortogonal vs Corte oblicuoCorte ortogonal  El filo de la herramienta (OF) es perpendicular a velocidad de corte (v).Corte oblicuo  El filo de la herramienta (OF) y la velocidad de corte (v) no forman un ángulo recto, sino λ≠0 (inclinación del filo) y/o X ≠90 (posición).
  4. 4. Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal Modelos de formación de la viruta ZMODELO DEPIJSPANENPlano de cizallamientoX=90º; λ=0ºMat. Pieza maleableHta rígidaRégimen estacionarioFlujo continuo Y de viruta
  5. 5. Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal Parámetros geométricosÁngulo de cizallamiento, φ Formado por el plano de cizallamiento con la superficie a mecanizar. Depende de: material de pieza y conds de corte. Formación de viruta: proceso dedeformación plástica. Disminuye la longitud y aumenta elespesor de la viruta. Causas para una mayor deformación: Z • menor γ, y • menor φ (mayor ∆s). Y
  6. 6. Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal Parámetros geométricos Factor de recalcado, ζ (≡ c)  ζ es la relación entre la long de viruta formada y la del mat. equivalente (o espesor no deformado y espesor de viruta tras el corte): (entre 0.2 y 1) lv h OA.senφ ↑ e  ↓ζ  ↑ deformación ζ = = = ≤1 lm e OA. cos(φ − γ )  Relación entre factor de recalcado y ángulo de cizallamiento: (entre 10 y 60º) ζ . cos γ tgφ = 1 − ζ .senγ  Factores influyentes: • ↑ tenacidad pieza  ↑ ζ • ↑ calidad de hrrta  ↓ ζ •↑γ↓ζ •↓φ↓ζ  Efectos de ↓ ζ (↑ e): • ↓ velocidad salida de viruta. • ↑ Pc y Tª.
  7. 7. Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal Parámetros geométricos Deformación, ε γ ∆s ζ 2 − 2ζ . cos γ + 1 ε γ = lim = cot φ + tg (φ − γ ) = ∆x →0 ∆x ζ .senγ cos γ εγ = senφ . cos(φ − γ )  Para un γ dado, la deformación es mínima si: π γ φ= + ⇒ ζ=1⇒ e=h 4 2  La relación de estos parámetros es: • Para un γ, si ↑ζ (↓ e) ⇒ ↓ deformación (ε). • Para un ζ (e=cte), si ↑ γ ⇒ ↓ deformación (ε).
  8. 8. Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal Longitud de contacto de la viruta  Cuando dejen de actuar sobre la viruta esfuerzos de compresión normales a la cara de desprendimiento ⇒ no habrá contacto con la herramienta.  Longitud de contacto de la viruta con la herramienta: senθl = OB + BC = h. = e[1 + tg (φ − γ )] senφ . cos(θ + γ − φ ) π θ = +φ −γ 4 θ
  9. 9. Mecánica del corte Viruta en el Corte Oblicuo La viruta no fluye sobre la cara de desprendimiento de la hrrta en direcciónperpendicular al filo ⇒ forma un ángulo η con la normal.  Aplicando principios de tª de plasticidad: η≈λ  Se puede aplicar fórmulas de corte ortogonal, teniendo en cuenta que: • γ → γe senγ e = sen 2 λ + senγ . cos 2 λ
  10. 10. Corte ortogonal y oblicuo Sección de la viruta S = p.a = b.h p = b.senχ h a= senχ
  11. 11. Corte ortogonal y oblicuo Sección de la viruta mat. no arrancado → necesidad de filo secundario  Espesor de viruta equivalente: he = área sección viruta / long filo cortante p . a = l . he
  12. 12. Mecánica del corte Tipos de Viruta  Totalmente discontinua:  Mats. frágiles (no soportan tensión de cizallamiento)  Mats. dúctiles (↓↓vc, ↑avance); No metálicos.  Superf. de contacto muy reducida.  γ bajo o negativo (↓↓ γ); mec. en seco; ↓ rigidez máquina  Parcialmente segmentada:  Compuesta de elementos parcialmente unidos y ligados entre sí.Si rigidez no adecuada, como Fc varía continuamente,aparecen vibraciones  calidad superficial y precisión dimensional  Continua:  Mats. tenaces y dúctiles (↑vc, ↓a).  γ grandes (↑↑ γ).
  13. 13. Mecánica del corte Tipos de Viruta Ondulada:  Existencia de vibraciones. Continua con filo de aportación (recrecido):  Se forman capas de viruta debido al rozamiento en la superf de contacto viruta-herramienta, y se quedan adheridas a hrrta.  Filo aportado crece hasta que rompe bruscamente.  Consecuencias: ↓ acabado superf. y ↓ vida hrta.
  14. 14. Mecánica del corte Cinemática del corte ortogonal  v, veloc. de corte: relativa entre hrrta y pieza, debida al mov. de corte.  vs, veloc. de deslizamiento de la viruta respecto pieza.  vc, veloc. de deslizamiento de la viruta respecto hrrta.  Velocidad de deformación muy elevada: εγ = vs/∆y = 102 ÷106 s-1 (ensayos de fluencia 10-2; choque 102)  ? Usar características comunes de materiales  ensayos propios (∆y cte separación de planos de deslizamiento 0.018÷0.18 mm) vs v v = c = cos γ senφ cos(φ − γ ) h senφ vc = v = ζ .v = v → la max velocidad a la que e cos(φ − γ ) puede fluir la viruta sobre la cos γ sup desprendimiento de hrrta vs = v cos(φ − γ ) es v (velocidad de corte).
  15. 15. Dinámica del corte Análisis de las fuerzas de corte ortogonalEn corte ortogonal, la fuerza total F está contenida en el planonormal al filo de la herramienta.F se descompone según 3 sist. de fuerzas (círculo de Merchant): Dirección del mov pral de corte y avance: Ft (Fc) y Fn (Fa). Ft = Fc = F cos(τ − γ ) ↑γ ó ↓τ ⇒ ↓ Fa/Fc = tg(τ-γ) Fn = Fa = Fsen(τ − γ ) Plano de cizalladura y normal: Fs y Fsn Fs = F cos(φ + τ − γ ) Fsn = Fsen(φ + τ − γ )  Superf. de hrrta y normal: Fγ y Fγn Fγ = Fsenτ Fγn = F cosτ Fγsiendo coef. fricción µ roz = tgτ = Fγn
  16. 16. Dinámica del corte Tensiones en el corte ortogonalTensiones actuantes en el plano de cizallamiento:  Tensión dinámica de cizallamiento: A Fs F As = τs = = senφ cos(φ + τ − γ ) senφ As A Fs = F cos(φ + τ − γ ) 1 F = Aτ s senφ . cos(φ + τ − γ ) cos(τ − γ ) Ft = Fc = Aτ s senφ . cos(φ + τ − γ ) sen(τ − γ ) Fn = Fa = Aτ s senφ . cos(φ + τ − γ )  Tensión normal al plano de cizallamiento: Fsn F σs = = senφ .sen(φ + τ − γ ) As A
  17. 17. Dinámica del corte Modelos de mecanizado en corte ortogonal φ, γ, τ no se pueden relacionar geométricamente, pero sí con teorías deplasticidad y consideraciones energéticas ⇒ Modelos de mecanizado. φ τ- γ Conclusiones:  Relaciones lineales.  Para un γ determinado, ↓τ ⇒ ↑φ y ↓ As (As = A / sin φ )  Como resist. media de mat. en zona cizallado es cte, si ↓ As ⇒ ↓ Fc  Para un τ determinado, ↑γ ⇒ ↑φ ⇒ ↓ F
  18. 18. Dinámica del corte Corte oblicuo Fc Fa = F = F +F +F a 2 2 p c 2 5 Fc Fp = 3 P = Fc .v + Fa .va + Fp .v p ≈ Fc .v
  19. 19. Dinámica del corte Presión específica de corte, ps Estudio del arranque de viruta y cálculo de fuerzas de corte y potencia ⇒presión de corte, ps o ks. F Fuerza de corte ps = k s = c A Sección de virutaCuando A = 1 mm2, se tiene la presión específica de corte, k so. Potencia específica de corte, Psp: potencia necesaria para arrancar unvolumen unitario de material en la unidad de tiempo. P = Fc .vc Q = A.vc Vol de material arrancado en 1 min Fc .vc Fc Psp = = A.vc A
  20. 20. Dinámica del corte Presión específica de corte, ksFactores de los que depende ks: Características del material a mecanizar: ↑ dureza pz ⇒ ↑ ks Mat. y geometría de hrrta: ↑ µHTA/PZA ⇒ ↑ ks ↑ γ ⇒ ↓ ks ↑ k r, X ⇒ ↓ k s En fresado: psγ = ps TABLA . kγ ↑ 1º γ ⇒ ↓ ks 1%
  21. 21. Dinámica del corte Presión específica de corte, ks Sección y espesor de viruta. ↓ h, A ⇒ ↑ ks Velocidad de corte. ↓ V ⇒ ↑ ks
  22. 22. Dinámica del corte Presión específica de corte, ks Lubricación y refrigeración: modifican rozamiento pieza-hrrta. Desgaste de la herramienta: modifica la hrrta ⇒ ↑ ks.Cálculo de ks: Fc F ps = k s = = c A hm .bm ks − Fc = k b hy x k so = = k s .hm z so m m hm1− x ) ( y =1 kso y z dependen del mat de pieza y mat. y z = 1− x geometría de hrrta. En catálogos de fresado: ps hm,γ = ps TABLA . kγ . khm
  23. 23. Dinámica del corte Presión específica de corte, ks
  24. 24. Mecánica del corte Fuentes de calor en el mecanizado  Energía absorbida en el proceso de corte se utiliza en:  Deformación elástica: se devuelve sin producir calor.  Deformación plástica: no se devuelve (romper enlaces atómicos con desprendimiento de calor).  Pérdidas por rozamiento.P = Ps + Pr + Parr = Fc.vc Def. plástica y Def. plástica rozamiento Arrollamiento viruta Rozamiento Cizallamiento Rozamiento
  25. 25. Mecánica del corte Temperatura en el corte La energía disipada se convierte en calor ⇒ incremento de Tª en zona de corte. Las mayores Tªs se alcanzan con: mat pieza muy duro, alta vc y ap. Si el matpieza tiene alto calor específico y conductividad térmica, la Tª no es tan alta. ↑vc ↑vc
  26. 26. Mecánica del corte Filo recrecido Debido a la existencia de rozamiento entre viruta y hrrta ⇒ alcanzar límitede cizalladura en el interior de viruta antes que deslice sobre hrrta ⇒ zona decizalladura secundaria. Variación de geometría de viruta y conds de corte, ya que hay un añadidoal filo cortante y un aumento de γe (provoca ↓ Fc). Filo adherido es inestable ⇒ desgaste de la cara de desprendimiento yperjudica el acabado. Menor incidencia de filo recrecido si ↑vc, ya que al ↑Tª, el mat se ablandae inhibe su formación.
  27. 27. Mecánica del corte Desgaste de la herramienta Tipos de desgaste  En el corte, la hrrta está sometida a: grandes tensiones mecánicas, alta Tª y efectos corrosivos del refrigerante ⇒ desgaste progresivo o fallo prematuro.  Fallo prematuro provocado por: deformación plástica del filo, fatiga y rotura frágil (tensiones y baja tenacidad).  Desgaste progresivo no puede ser evitado, pero sí controlado. Mecanismos de desgaste progresivo
  28. 28. Desgaste de la Herramienta Tipos de desgaste
  29. 29. Desgaste de la Herramienta Remedios al desgaste
  30. 30. Mecánica del corte Refrigerantes/Lubricantes Tipos  Aceites de corte: minerales + aditivos; vegetales (capa lubricante); mixtos.  Fluidos base agua: emulsiones (aceite mineral + agua (directas (90%) / indirectas) + emulsionante = taladrina); soluciones (sintéticas y semisintéticas). Funciones  Refrigeración (enfriar eficazmente hrrta): ↓ viscosidad, capacidad de mojar bien el mat (contacto), ↑ calor específico y ↑ conductividad térmica.  Lubricación: ↓µ ⇒ facilita flujo viruta ⇒ ↓τ ⇒ ↑φ y ↑ζ.  Prevenir filo recrecido  Proteger de corrosión  Lubricar M-H  Evacuar viruta
  31. 31. Mecánica del corte Refrigerantes/Lubricantes Selección  Tipo y mat de hrrta: acero al C (emulsiones), HSS (sg pieza), metal duro (emulsiones o en seco)  Mat de pieza: aleac. no férreas ligeras y pesadas (en seco o aceites); aleac. Ni ( emulsiones); fundición (en seco); aceros (aceites)  Conds. de mecanizado: cond extremas y delicadas ( aceites); cond ligeras (emulsiones)  Tipo de mecanizado: rectificado (emulsiones); taladrado (aceites puros de baja viscosidad)  Reciclaje y mantenimiento Forma de aplicación  Fluido: riego a 10÷225 l/min. Localización próxima a la zona de corte.  Neblina: para acceder a zonas difíciles y mejorar visibilidad pieza. En rectificado, a 10÷80 psi de presión, con emulsiones.  Alta presión: 800 ÷5000 psi. Actúa como rompevirutas. Mayor evacuación de calor en procesos de elevada velocidad y potencia de corte.
  32. 32. Mecánica del corte Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM) Definición: optimización del mecanizado con las limitaciones existentespieza/material/máquina-herramienta. Puede suponer mecanizar a velocidadesde corte entre 5 y 10 veces superiores a las que se utilizan de maneraconvencional “para cada material”. (no implica necesariamente ↑↑ rpm) Causas de su aparición: desarrollo de mat de hrrta, desarrollo de M-H(componentes y sistemas de control) y conocimientos del mecanismo deformación de viruta y desgaste de hrrta.  optimización y proceso diferenciado.
  33. 33. Mecánica del corte Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM) HSM como proceso diferenciado:  Fenómenos físicos asociados al corte: mats responden a la hipótesis de Salomon  Fenómenos difusión asociados al desgaste de hrrta: capas de recubrimiento contra el desgaste por difusión.
  34. 34. Mecánica del corte Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM) Efectos del incremento de vc:  Mat. dúctil: zona de deformación primaria tiende al plano de cizallamiento, de forma que ↑ φ ⇒ ↑ ζ ⇒ ↓ deformación ⇒ ↓ Fc  ↓ µ entre viruta y hrrta  Desaparece filo recrecido ⇒ ↑ calidad superficial  Casi la totalidad del calor se evacua por la viruta  ↑ Frecuencia de excitación dinámica ⇒ alejada de frecuencia crítica de M-H. Consecuencias:  Mayores gastos de inversión (2÷5 veces): formación, infraestructuras, herramientas, controles, CAD/CAM; cambio de mentalidad y distribución del tiempo.  Mayores beneficios: ↑ calidad superficial, ↓ tp mecanizado (30% en fresado), ↓ operaciones acabado (pulido), ↓ dinero en consumo de htas y ↑ seguridad.
  35. 35. Mecánica del corte Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM) Campos de aplicación (Solución no general)
  36. 36. Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM) Análisis DAFO

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