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2-1
2.1 Procesos de Manufactura sin Arranque de Virutas
Introducción
Un lingote de acero tiene un uso muy reducido hasta que le es dada una forma tal que pueda
usarse en un proceso de manufactura. Si el lingote es admitido en frío, se vuelve bastante
difícil, si no imposible, convertir el material por medios mecánicos en una forma
estructural, acero en barra o lámina. Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puede
martillarse, prensarse, rolarse o extruirse en otras formas. Debido a la desoxidación y otras
desventajas del trabajo en caliente a temperaturas elevadas, la mayoría de los metales
ferrosos se trabajan en frío o se terminan en frío después del trabajo en caliente para
obtener un buen acabado superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedades
mecánicas.
La forja fue el primer método de trabajo en caliente como se muestra en la histórica
fotografía de la Fig.1. Una prensa movida por una fuente de potencia general y una banda
desde los árboles, tiene un brazo descendente y golpea un pedazo caliente de metal
colocado en un dado. Los procesos, mientras la tecnología se ha mejorado, hoy permanecen
semejantes.
Deformación plástica
Los dos tipos principales de trabajo mecánico en los cuales el material puede sufrir una
deformación plástica y cambiarse de forma son trabajos en caliente y trabajos en frío
Como muchos conceptos metalúrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en frío
no es fácil de definir. Cuando al metal se le trabaja en caliente, las fuerzas requeridas para
deformarlo son menores y las propiedades mecánicas se cambian moderadamente. Cuando
a un metal se le trabaja en frío, se requieren grandes fuerzas, pero el esfuerzo propio del
metal se incrementa permanentemente.
2-2
La temperatura de recristalización de un metal determina si el trabajo en caliente o en
frío está siendo cumplido o no. El trabajo en caliente de los metales toma lugar por encima
de la recristalización o rango de endurecimiento por trabajo. El trabajo en frío debe hacerse
a temperaturas abajo del rango de recristalización y frecuentemente es realizado a
temperatura ambiente. Para el acero, la recristalización permanece alrededor de 500ºC a
700°C, aunque la mayoría de los trabajos en caliente del acero se hacen a temperaturas
considerablemente arriba de este rango. No existe tendencia al endurecimiento por trabajo
mecánico hasta que el límite inferior del rango recristalino se alcanza. Algunos metales,
tales como el plomo y el estaño, tienen un bajo rango recristalino y pueden trabajarse en
caliente a temperatura ambiente, pero la mayoría de los metales comerciales requieren de
algún calentamiento. Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre todo en el
rango de trabajo conveniente, siendo el resultado acostumbrado aumentar la temperatura
del rango recristalino. Este rango también puede incrementarse por un trabajo anterior en
frío.
Durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal está en estado plástico y
es formado rápidamente por presión. Adicionalmente, el trabajo en caliente tiene las
ventajas siguientes:
1. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de los
lingotes fundidos contienen muchas pequeñas sopladuras. Estas son prensadas y a la
vez eliminadas por la alta presión de trabajo.
2. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a
través del metal.
3. Los granos gruesos o prismáticos son refinados. Dado que este trabajo está
en el rango recristalino, seria mantenido hasta que el límite inferior es alcanzado
para que proporcione una estructura de grano fino.
4. Las propiedades físicas generalmente se mejoran, principalmente debido al
refinamiento del grano. La ductilidad y la resistencia al impacto se perfeccionan, su
resistencia se incrementa y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. La
mayor resistencia del acero laminado existe en la dirección del flujo del metal.
5. La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma del acero en estado
plástico es mucho menor que la requerida cuando el acero está frío.
Todos los procesos de trabajo en caliente presentan unas cuantas desventajas que no
pueden ignorarse. Debido a la alta temperatura del metal existe una rápida oxidación o
escamado de la superficie con acompañamiento de un pobre acabado superficial. Como
resultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajo
en caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el proceso es económico
comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.
El término acabado en caliente, se refiere a barras de acero, placas o formas
estructurales que se usan en estado "laminado" en el que se obtienen de las operaciones de
trabajo en caliente. Se hacen algunos desescamados pero por lo demás el acero está listo
para usarse en puentes, barcos, carros de ferrocarril, y otras aplicaciones en donde no se
2-3
requieren tolerancias cerradas. El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dado
que el contenido de carbono es menor del 0.25%.
Los principales métodos de trabajo en caliente de los metales son:
A. Laminado C. Extrusión
B. Forjado D. Manufactura de tubos
1.Forja de herrero o con martillo E. Embutido
2.Forja con martinete F. Rechazado en caliente
3.Forja horizontal G. Métodos especiales
4.Forja con prensa
5.Forja de laminado
6.Estampado
2.1.1 Laminado
Los lingotes de acero que no son refusionados y fundidos en moldes se convierten en
productos utilizables en dos pasos:
1. Laminando el acero en formas intermedias-lupias, tochos y planchas.
2. Procesando lupias, tochos y planchas en placas, láminas, barras, formas
estructurales u hojalata.
El acero permanece en las lingoteras hasta que su solidificación es casi completa, que es
cuando los moldes son removidos. Mientras permanece caliente, los lingotes se colocan en
hornos de gas llamados fosos de recalentamiento, en donde permanecen hasta alcanzar una
temperatura de trabajo uniforme de alrededor de 1200 °C en todos ellos. Los lingotes
entonces se llevan al tren de laminación en donde debido a la gran variedad de formas
terminadas por hacer, son primero laminadas en formas intermedias como lupias, tochos o
planchas. Una lupia tiene una sección transversal con un tamaño mínimo de 150 x 150mm.
Un tocho es más pequeño que una lupia y puede tener cualquier sección desde 40mm hasta
el tamaño de una lupia. Las planchas pueden laminarse ya sea de un lingote o de una lupia.
Tienen un área de sección transversal rectangular con un ancho mínimo de 250mm y un
espesor mínimo de 40mm. El ancho siempre es 3 o más veces el espesor y puede ser
cuando mucho de 1500mm. Placas, plancha para tubos y fleje se laminan a partir de
planchas.
Un efecto del trabajo en caliente con la operación de laminado, es el refinamiento del
grano causado por recristalización. Esto se muestra gráficamente en la Fig.2. La estructura
gruesa es definitivamente despedazada y alargada por la acción de laminado. Debido a la
alta temperatura, la recristalización aparece inmediatamente y comienzan a formarse
pequeños granos. Estos granos crecen rápidamente hasta que la recristalización es
2-4
completa. El crecimiento continúa a altas temperaturas, si además la elaboración no es
mantenida, hasta que la temperatura baja del rango recristalino es alcanzada.
Los arcos AB y A'B' son arcos constantes sobre los rodillos. La acción de acuñadura en
la elaboración es superada por las fuerzas de rozamiento que actúan en estos arcos y
arrastran al metal a través de los rodillos. El metal emerge de los rodillos viajando a mayor
velocidad de la que entra. En un punto medio entre A y B la velocidad del metal es la
misma que la velocidad periférica del rodillo. La mayoría de la deformación toma lugar en
el espesor aunque hay algún incremento en el ancho. La uniformidad de la temperatura es
importante en todas las operaciones de laminado, puesto que controla el flujo del metal y la
plasticidad.
La mayoría de los laminados primarios se hacen ya sea en un laminador reversible de
dos rodillos o en un laminador de rolado continuo de tres rodillos. En el laminador
reversible dedos rodillos, Fig. 3A, la pieza pasa a través de los rodillos, los cuales son
detenidos y regresados en reversa una y otra vez. A intervalos frecuentes el metal se hace
girar 90° sobre su costado para conservar la sección uniforme y refinar el metal
completamente. Se requieren alrededor de 30 pasadas para reducir un lingote grande a una
lupia. Los rodillos superior e inferior están provistos de ranuras para alojar las diferentes
reducciones de la sección transversal de la superficie. El laminador de dos rodillos es
bastante versátil, dado que posee un amplio rango de ajustes según el tamaño de piezas y
relación de reducción. Está limitado por la longitud que puede laminarse y por las fuerzas
de inercia, las cuales deben ser superadas cada vez que se hace una inversión. Esto se
elimina en el laminador de tres rodillos, Fig. 3C, pero se requiere un mecanismo elevador.
Aunque existe alguna dificultad debido a la carencia de velocidad correcta para todas las
2-5
pasadas, el laminador de tres rodillos es menos costoso para hacerse y tiene un mayor
rendimiento que el laminador reversible.
Los tochos podrían laminarse en un gran laminador del tamaño usado para lupias, pero
esto no se acostumbra hacer por razones económicas. Frecuentemente se laminan lupias en
un laminador continuo de tochos compuesto de alrededor de ocho estaciones de laminado
en línea recta. El acero formado, por último pasa a través del laminador y sale con un
tamaño final de tocho, aproximadamente de 50mm por 50mm, el cual es la materia prima
para muchas formas finales tales como barras, tubos y piezas forjadas.
La Fig.4 ilustra el número de pasadas y la secuencia de reducción de la sección
transversal de un tocho de 100 por 100mm para convertirlo en una barra redonda.
Otras disposiciones de rodillos usadas en laminadores se muestran en la Fig.3. Aquellos
que tienen cuatro o más rodillos usan a los demás como respaldo de los dos que realizan el
laminado. Además, muchos laminadores especiales toman productos previamente
laminados y fabrican con ellos artículos terminados como rieles, formas estructurales,
placas y barras. Tales laminadores usualmente llevan el nombre del producto que se lamina
y, aparentemente, son semejantes a los laminadores usados para lupias y tochos.
2.1.2 Forja
2.1.2.1 Forja Abierta o de Herrero
Este tipo de forja consiste en martillar el metal caliente ya sea con herramientas
manuales o entre dados planos en un martillo de vapor. La forja manual, como la hecha por
el herrero, es la forma más antigua de forjado. La naturaleza del proceso es tal que no se
obtienen tolerancias cerradas, ni pueden hacerse formas complicadas. El rango de forjado
va desde unos cuantos kilogramos y sobrepasa los 90 Mg lo que puede hacerse por forja de
herrero.
Los martillos de forja se hacen con bastidor del tipo sencillo o abierto para el claro de
trabajo, mientras que el tipo de bastidor doble se hace para servicio pesado. Un martinete
2-6
típico de vapor se muestra en la Fig.5. La fuerza del golpe es severamente controlada por el
operador, y se requiere considerable habilidad para el uso de esta máquina.
2.1.2.2 Estampado
El estampado difiere de la forja con martillo en que se usa más bien una impresión
cerrada que dados de cara abierta. La forja se produce por presión o impacto, lo cual obliga
al metal caliente y flexible a llenar la forma de los dados como en la Fig.6. En esta
operación existe un flujo drástico del metal en los dados causado por los golpes repetidos
sobre el metal. Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, las
operaciones se dividen en un número de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente,
controlando el flujo del metal hasta que la forma final se obtiene. El número de pasos
requeridos varía de acuerdo al tamaño y forma de la pieza, las cualidades de forja del metal
y las tolerancias requeridas. Para productos de formas grandes y complicadas una operación
de formado preliminar, usando más de un juego de dados, puede requerirse. Las
temperaturas aproximadas de forjado son: acero 1100 a 1250 °C; cobre y sus aleaciones
750 a 925°C; magnesio 370 a 450°C.
La forja de acero en dados cerrados varia en tamaño desde unos cuantos gramos hasta
10 Mg
2-7
Los dos tipos principales de martillos de estampado son el martinete de vapor y el
martinete de caída libre o martinete de tablón. En el primero el apisonador y el martillo son
levantados por vapor, y la fuerza del golpe es controlada por estrangulamiento del vapor.
Con estos martinetes, los cuales trabajan rápidamente, se obtienen sobre 300 golpes por
minuto. El rango de capacidades de los martinetes de vapor va desde 2 hasta 200 kN. Son
normalmente diseñados de doble bastidor, con un cilindro de vapor ensamblado en su parte
superior que provee la potencia para actuar el apisonador. Para una masa dada del
apisonador un martinete de vapor desarrollará el doble de la energía sobre el dado que la
que podría obtenerse de un martinete de caída libre o de tablón.
En el martinete del tipo caída libre la presión de impacto es desarrollada por la fuerza
de caída del apisonador y el dado cuando golpea sobre el dado que está fijo abajo. En la
Fig.7 se muestra un martinete de caída libre con pistón elevador. Utiliza aire o vapor para
levantar el apisonador. Este tipo de martinete permite la preselección de una serie de golpes
de carrera corta o larga. El operador es liberado de la responsabilidad de la regulación de
las alturas de la carrera y resultan unos terminados de forja muy uniformes. Los martinetes
de este tipo pueden servir para apisonar masas de 225 kg y hasta masas de 4500 kg
inclusive. El martinete de caída libre con tablón tiene algunos tablones de madera
endurecida unidos al martillo con el propósito de elevarlo. Después de que el martillo ha
caído, unos rodillos arrastran los tablones y levantan el martillo hasta 1.5 m. Cuando la
carrera es alcanzada los rodillos se separan y los tablones son sostenidos por unos
trinquetes hasta que son liberados por el operador. La fuerza del golpe es enteramente
dependiente de la masa del martillo, el apisonador, y el dado superior, el cual pocas veces
excede los 35 kN. El martinete de tablón no se levanta tan rápidamente como la unidad de
aire o de vapor. Los martinetes de caída libre encuentran un uso extenso en la industria para
artículos tales como herramientas manuales, tijeras, cubiertos, partes de herramientas y
piezas de aviación.
2-8
El martinete de forja por impacto, que se muestra en la Fig. 12.8 tiene dos cilindros
opuestos en un plano horizontal el cual acciona los impulsores y los dados uno hacia el
otro. El material se posiciona en el plano de impacto en el cual los dados chocan. Su
deformación absorbe la energía y no hay choque o vibración en la máquina. Con este
proceso al material se le trabaja igualmente en ambos lados; existe menos tiempo de
contacto entre el material y el dado; se requiere menos energía que con otros procesos de
forja; y el trabajo es realizado mecánicamente.
La pieza forjada tendrá una ligera saliente de exceso de metal extendiéndose alrededor
de la línea de partición. Se le elimina en una prensa independiente de recorte
inmediatamente después de la operación de forjado. La pequeña forja puede recortarse en
frío, aunque deben tenerse algunos cuidados en la operación de recorte para no deformar la
pieza. La pieza a forjar usualmente es sostenida de manera uniforme por el dado en el
apisonador y empujada a través de las aristas de corte. Operaciones de punzonado pueden
hacerse también mientras el recorte se lleva a cabo.
2-9
La Fig. 9 muestra los dados para forja del cilindro exterior principal del tren de
aterrizaje de un gran avión. Los dados pesan poco más de 28 Mg. Algunas operaciones de
forja requieren un recalentamiento del metal base entre las estaciones de estampado.
En general, todas las piezas forjadas están cubiertas con escamas y deben limpiarse.
Esto puede hacerse por inmersión en ácido, granallado, o con arena dependiendo del
tamaño y composición de la pieza forjada. Si ocurre alguna deformación durante el forjado,
una operación de enderezado o formado puede requerirse. Usualmente se procura un
enfriamiento controlado para piezas grandes y si ciertas propiedades físicas se necesitan se
toman providencias para tratamientos térmicos posteriores.
La ventajas de la operación de forjado incluyen una fina estructura cristalina del metal,
la eliminación de cualquier vacío, un tiempo reducido de maquinado, e insuperables
propiedades físicas. La forja es adaptable a aceros aleados y al carbono, hierro dulce, cobre,
aleaciones ligeras, aleaciones de aluminio y aleaciones de magnesio. Sus desventajas
abarcan las inclusiones de escamas y el alto costo de los dados que lo hacen prohibitivo
para trabajos de pequeña serie. El alineamiento de los dados es algunas veces difícil de
mantener y debe tenerse mucho cuidado en su diseño para asegurar que no ocurran grietas
durante el forjado debido al plegado del metal durante la operación. Las estampas de forja
tienen un gran número de ventajas sobre los dados abiertos de forja, incluyen una mejor
2-10
utilización del material, mejores propiedades físicas, tolerancias más cerradas, ritmos altos
de producción, y se requiere menos habilidad del operador.
2.1.2.3 Forjado en Prensa
Las prensas de forjado emplean una acción lenta de compresión deformando el metal
plástico, contrariamente al rápido impacto del golpe del martillo. La acción de compresión
es mantenida completamente hasta el centro de la pieza que está prensándose, trabajando a
fondo la sección completa. Estas prensas son del tipo vertical y pueden ser operadas ya sea
mecánica o hidráulicamente. Las prensas mecánicas, cuya operación es más rápida, pueden
ejercer una fuerza de 4 a 90 MN.
La presión necesaria para formar el acero a temperatura de forja varía desde 20 hasta
190 MPa. Tales presiones están basadas en la superficie de la sección transversal de la
pieza forjada cuando ésta se mide sobre la línea de partición del dado.
Para el forjado de pequeñas piezas, se usan estampas, y una sola carrera del apisonador
es normalmente necesaria para realizar la operación de forja. La máxima presión es
alcanzada en el extremo de la carrera cuando se fuerza al metal dentro de la forma. Los
dados pueden montarse como unidades separadas, o todas las impresiones pueden ponerse
en un solo bloque. Para pequeñas piezas forjadas son más convenientes unidades
individuales de dados. Existen algunas diferencias para el diseño de dados para metales
diferentes. La forja de aleaciones de cobre puede hacerse con menos ensayos que en acero;
consecuentemente, pueden producirse formas más complicadas. Estas aleaciones fluyen
bien en el dado y son extruidas rápidamente.
En el forjado en prensa una mayor proporción del trabajo total puesto en la máquina es
trasmitida al metal que en una prensa de martillo de caída libre. Mucho del impacto del
martillo de caída libre es absorbido por la máquina y su cimentación. La reducción del
metal con prensa es más rápida, y el costo de operación consecuentemente es menor. La
mayoría de las prensas de forjar son de formas simétricas con superficies que son
totalmente lisas, y proporcionan unas tolerancias más cerradas que las obtenidas con un
martillo de caída libre. Sin embargo, muchas piezas de formas irregulares y complicadas
pueden forjarse más económicamente por forja abierta. Las prensas de forjado se usan
frecuentemente para operaciones de calibrado sobre partes hechas por otros procesos.
2.1.2.4 Forjado Horizontal
El forjado horizontal implica la sujeción de una barra de sección uniforme en dados y se
aplica una presión sobre el extremo caliente, provocando el que sea recalcado o formado
según el dado, como se muestra en la Fig. 12.10. La longitud de la barra a ser recalcada no
puede ser mayor de dos o tres veces el diámetro, pues si no el material se doblará en vez de
expandirse para llenar la cavidad del dado.
2-11
Para algunos productos la operación principal puede completarse en una posición,
aunque en la mayoría de los casos la pieza es progresivamente colocada en diferentes
posiciones en el dado. Las impresiones pueden estar en el punzón, en el dado fijo o en
ambos. En muchas ocasiones las piezas forjadas no requieren de una operación de recorte.
Máquinas de este tipo son una consecuencia de pequeñas máquinas diseñadas para hacerles
cabeza en frío a clavos y pequeños tornillos.
El penetrado progresivo, o desplazamiento interno, es el método frecuentemente
empleado en máquinas de forjado horizontal para producir partes tales como cascos de
artillería y cilindros forjados de máquinas radiales. La secuencia de operaciones para el
forjado de un cilindro se muestra en la Fig.11. Barras cilíndricas de una longitud
predeterminada para un cilindro, primero se calientan a temperatura de forja. Para facilitar
la manipulación de la barra se prensa un porta barra dentro de un extremo. La barra es
recalcada y progresivamente penetrada hasta dejar una copa de fondo grueso. En la última
operación un punzón de extremo cónico expande y alarga el metal dentro del extremo del
dado, liberando el portabarra y punzonando hacia afuera el extremo del pedazo de metal.
Grandes cuerpos de cilindro con masas superiores a los 50 kg pueden forjarse de esta
manera. El rango de partes producidas por este proceso va desde pequeños a grandes
productos que pesan algunos cientos de kilogramos. Los dados no se limitan al recalcado,
pueden usarse también para penetrado, punzonado, recorte o extrusión.
Con objeto de producir más formas masivas por este método, una máquina horizontal
continua ha sido desarrollada. Esta máquina puede alimentar barra de acero calentada por
2-12
inducción a la cavidad del dado, en donde rápidos golpes del dado horizontal o si no
martillos exteriores y ajustables alcanzan a la pieza. Algunas de estas máquinas tienen un
dado de forjado horizontal hueco de longitudes tan largas como formas de sección
transversal constante pueden producirse.
Otra variación para forjado horizontal es la unión de metales. En vez de formar una
abertura en la cabeza de la barra de acero, se hace una operación de forjado de una forma
cónica, similar a la Fig. 12.10B. El dado con- forma el perfil cónico deseado y la operación
de unión de metal concluye.
2.1.2.5 Forja por Laminado
Las máquinas para forja por laminado son primeramente adaptadas para operaciones de
reducción y conificación sobre barras de acero de pequeña longitud. Los rodillos de estas
máquinas mostrados en la Fig.12 no son completamente circulares sino que son cortados de
un 25 a un 75% para permitir la entrada de la materia prima entre los rodillos. La porción
circular de los rodillos se ranura de acuerdo a la forma que quiere darse. Cuando los
rodillos están en posición abierta el operador coloca la barra caliente entre ellos,
reteniéndola con tenazas. Como los rodillos giran, la barra es agarrada por las ranuras de
los mismos y empujada hacia el operador. Cuando los rodillos se abren, la barra es
empujada hacia atrás y laminada de nuevo, o se le coloca en la ranura contigua para la
operación siguiente de laminado. Girando la barra 90° después de cada paso de laminado,
no existe la oportunidad de formar rebabas.
En el rolado de ruedas, tiras metálicas y artículos similares se usa un tren de rolado de
construcción un poco diferente. La Fig.13 muestra como una pieza en bruto forjada se
convierte en una rueda, terminada por la acción de los diferentes rodillos dispuestos
alrededor de ella. Como las ruedas giran, el diámetro es aumentado gradualmente mientras
la placa y el rin se reducen en sección. Cuando se roía la rueda a su diámetro final, se le
lleva entonces a una prensa y se le da una operación de formado y calibrado.
2-13
La forja por laminado se usa en una amplia variedad de piezas, incluyendo ejes, barras
para propulsores de avión, palancas, hojas de cuchillos, cinceles, estrechado de tubos y
extremos de muelles. Las piezas hechas de este modo tienen muy buen terminado de
superficie y las tolerancias son iguales a otros procesos de forja. El metal es trabajado
completamente en caliente y tiene buenas propiedades físicas.
2.1.3 Extrusión
Los metales que pueden trabajarse en caliente pueden extruirse con formas de sección
transversal uniforme con ayuda de presión. El principio de extrusión, similar a la acción del
chorro de la pasta de dientes de un tubo, ha sido muy usado para procesos en serie desde la
producción de ladrillos, tubo de desagüe, tubo de drenaje, hasta la manufactura de
macarrones. Algunos metales como el plomo, estaño y aluminio pueden extruirse en frío,
mientras que otros requieren la aplicación de calor para hacerlos plásticos o semisólidos
antes de la extrusión. En la operación actual de extrusión, los procesos difieren un poco,
dependiendo del metal y aplicación, pero en resumen consisten en forzar al metal
(confinado en una cámara de presión) a salir a través de dados especialmente formados.
Varillas, tubos, guarniciones moldeadas, formas estructurales, cartuchos de bronce, y cables
forrados con plomo son productos característicos de metales extruidos.
La mayoría de las prensas usadas en el extruido convencional de metales son de tipo
horizontal y operadas hidráulicamente. Las velocidades de operación dependen sobre todo
de la temperatura y material, varían de unos cuantos metros sobre minuto hasta 275 m/min.
Las ventajas de la extrusión incluyen la facilidad de producir una variedad de formas de
alta resistencia, buena exactitud y terminado de superficie a altas velocidades de
producción, y relativamente con un bajo costo de los dados. Más deformaciones o cambio
de forma pueden conseguirse por este proceso que por cualquier otro, excepto fundición.
Longitudes casi ilimitadas de sección transversal continua pueden producirse, y debido al
bajo costo de los dados, series de producción de 150 m pueden justificar su uso. El proceso
es alrededor de tres veces más lento que la forja por rolado, y la sección transversal debe
permanecer constante. Existen muchas variantes de este proceso.
2-14
2.1.3.1 Extrusión Directa
La extrusión directa está ilustrada en el diagrama de la Fig.14. Un tocho cilíndrico
caliente se coloca dentro de la cámara del dado, el falso bloque y el apisonador se colocan
en posición. El metal es extruido a través del dado abriéndolo hasta que sólo queda una
pequeña cantidad. Entonces es cortado cerca del dado y se elimina el extremo.
2.1.3.2 Extrusión Indirecta
La extrusión indirecta, Fig.14 es similar a la extrusión directa excepto que la parte
extruida es forzada a través del vástago apisonador. Se requiere menos fuerza por este
método, debido a que no existe fuerza de rozamiento entre el tocho y la pared continente. El
debilitamiento del apisonador cuando es hueco y la imposibilidad de proveer soporte
adecuado para la parte extruida constituyen las restricciones de este proceso.
2.1.3.3 Extrusión por Impacto
En la extrusión por impacto un punzón es dirigido al pedazo de metal con una fuerza tal
que éste es levantado a su alrededor. La mayoría de las operaciones de extrusión por
impacto, tales como la manufactura de tubos plegables, son trabajadas en frío. Sin embargo
hay algunos metales y productos, particularmente aquellos en los cuales se requieren
paredes delgadas, en los que los pedazos de metal son calentados a elevadas temperaturas.
La extrusión por impacto es cubierta en el capitulo siguiente sobre trabajo en frío.
2.1.4 Manufactura de tubería
Los accesorios tubulares y tubería pueden hacerse por soldadura eléctrica o a tope,
plancha para formado de tubos, perforado y extrusión. Los métodos de perforado y
extrusión se usan para tubería sin costura, la cual es usada en trabajos de alta presión y
temperatura como también para transportar gas y líquidos químicos. Se ha manufacturado
tubo de acero sin costura hasta de 400 mm de diámetro. Se usan también tubos extruidos
para decantadores dado que el proceso puede adaptarse a configuraciones internas, tales
como rayado y ranurado. Tubo soldado a tope es el más común y se usa con propósitos
estructurales, postes y para transporte de gas, agua y desperdicios. El tubo con soldadura
2-15
eléctrica se usa principalmente para líneas de tubería que transportan productos del petróleo
o agua.
2.1.4.1 Soldadura a Tope
En el proceso de soldadura a tope se aplican ambos métodos, intermitente y continuo.
Tiras calientes de acero, conocidas como plancha para tubos, las cuales tienen los bordes
ligeramente biselados, son usadas de tal modo que se encontrarán exactamente cuando sean
formados en un perfil circular. En el proceso intermitente, un extremo de la plancha para
tubos es cortada en forma de Y para permitirle entrar a la campana de soldadura, como se
muestra en la Fig.15A. Cuando a la plancha para tubos se le acerca hasta el calor de
soldadura el extremo es agarrado por unas tenazas las cuales arrastran una cadena de
tracción. Como el tubo es arrastrado a través de la campana de soldado, la plancha para
tubo es formada con un perfil circular y los bordes se sueldan juntos. Una operación final
pasa al tubo entre rodillos de terminado y calibrado para darle el tamaño correcto y quitarle
la escama. El soldado continuo a tope del tubo es realizado abasteciendo la plancha para
tubos en rollos y proveyendo los medios para soldar rápidamente los extremos del rollo
para formar una tira continua. Como la plancha para tubos entra al horno, las flamas chocan
sobre los bordes de la tira para llevarla a la temperatura de soldado. Saliendo del horno, la
plancha para tubos entra a una serie de rodillos horizontales y verticales la cual lo convierte
en un tubo. Una vista de los rodillos, que muestra cómo el tubo es formado y calibrado está
en la Fig.15B. Cuando el tubo abandona los rodillos, es cortado en longitudes que
finalmente son procesadas por desescamado y operaciones de terminado. El tubo hecho por
este método tiene tamaños hasta de 75 mm de diámetro.
2-16
2.1.4.2 Soldadura Eléctrica a Tope
La soldadura eléctrica a tope de tubo necesita un formado en frío de la placa de acero
para preparar la forma para la operación de soldadura. La forma circular es desarrollada
pasando la placa a través de un tren continuo de rodillos que cambian su forma
progresivamente. Este es el método conocido como formado por laminado. La unidad
soldadora colocada en el extremo de la máquina formadora por laminado consta de tres
rodillos de centrado y presión que mantienen al perfil formado en posición y dos rodillos
electrodo que abastecen corriente al generar el calor. Inmediatamente después de que el
tubo pasó por la unidad de soldadura, el metal extruido rápidamente es eliminado del
interior y exterior del tubo. Rodillos de calibrado y terminado completan la operación
dando al tubo un tamaño exacto y concentricidad. Este proceso es adaptado a la
manufactura de tubo de hasta 400 mm de diámetro con espesores de pared que varían desde
3 a 15 mm. Tubos de gran diámetro son usualmente fabricados por soldadura de arco
sumergido después de que fueron formados a lo largo en prensas especialmente
construidas. Algunos tubos grandes se fabrican por soldadura a martillo, la cual es
esencialmente un proceso de forja-soldadura.
2.1.4.3 Soldado por Recubrimiento
En el soldado por recubrimiento de tubo, las orillas de la plancha para tubos son
biseladas como si salieran del horno. La plancha para tubo es entonces estirada a través de
un dado de forjado, o entre rodillos, para darle forma cilíndrica con las orillas traslapadas.
Después de recalentada, la plancha para tubo doblada se pasa entre dos rodillos ranurados
como se muestra en la Fig.16. Entre los rodillos se fija un mandril que ajusta en el diámetro
interior del tubo. Las orillas son soldadas por recubrimiento por la presión entre los rodillos
y el mandril. El tubo soldado por recubrimiento se hace en tamaños de 50 a 400 mm de
diámetro.
2.1.4.4 Perforado
Para producir tubo sin costura, se pasan tochos cilíndricos de acero entre dos rodillos de
forma cónica operando en la misma dirección. Entre estos rodillos se fija un punto o
mandril que ayuda en el perforado y controla el tamaño del agujero cuando el tocho es
forzado sobre él.
2-17
La operación completa de la fabricación de tubería sin costura por este proceso
convencional se muestra en la Fig.17. El tocho sólido primeramente es punzonado al centro
y después llevado a calor de forja en un horno antes de ser perforado. Entonces es
empujado entre dos rodillos de perforado los cuales le imparten rotación y avance axial. La
compresión alterna y la expansión del tocho abren un centro, el tamaño y forma del cual
son controlados por el mandril de perforado. Como el espesor de pared del tubo resulta del
tren de perforado, se pasa entre rodillos ranurados sobre un tapón sujeto por el mandril y es
convertido en un tubo largo con un espesor de pared especificado. Mientras permanece a
temperatura de trabajo, el tubo pasa a través de la máquina de carrete la cual además de
enderezar y calibrar da a las paredes una lisura de superficie. El calibrado final y terminado
es realizado de la misma manera que con el tubo soldado.
Este procedimiento se aplica a los tubos sin costura hasta de 150mm de diámetro. A los
tubos grandes hasta de 350mm de diámetro se les da una segunda operación con los rodillos
de perforado. Para producir tamaños hasta de 600mm de diámetro, recalentados, se
procesan tubos doblemente perforados en un tren de rolado rotatorio como se muestra en la
Fig.18 y se terminan finalmente con rodillos de carrete y de calibrado como se describió en
el proceso de perforado sencillo. Pueden requerirse calentamientos intermedios.
En el método continuo, mostrado en la Fig.19 una barra redonda de 140 mm es
perforada y transportada al mandril laminador de nueve estaciones en donde se inserta una
barra cilíndrica o mandril. Estos rodillos reducen el diámetro del tubo y el espesor de pared.
Entonces es eliminado el mandril, y el tubo recalentado antes de entrar al laminador
reductor- alargador de doce estaciones. Este tren no sólo reduce el espesor de pared del
2-18
tubo caliente sino también el diámetro del mismo. Cada rodillo sucesivo es impulsado a
producir una tensión suficiente para alargar el tubo entre estaciones. El máximo
rendimiento de este tren es 390 m/min para tubo de alrededor de 50mm de diámetro o más
pequeño.
2.1.4.5 Extrusión de Tubo
El método usual para extruir tubos se muestra en la Fig. 20. Es una forma de extrusión
directa, pero utiliza un mandril para formar el interior del tubo. Después de que el tocho se
coloca dentro, el dado que contiene el mandril se empuja contra el lingote como se muestra
en la figura. El vástago compresor avanza entonces y extruye el metal a través del dado y
alrededor del mandril. La operación completa debe ser rápida y velocidades hasta de 180
m/min han sido usadas en la manufactura de tubos de acero. Pueden extruirse tubos de
acero de bajo carbono a temperatura cercana a la ambiente, pero para la mayoría de las
aleaciones el tocho debe calentarse alrededor de 1300°C.
2-19
2.1.5 Embutido
Para productos sin costura que no pueden hacerse con equipo convencional de rolado,
se usa el proceso ilustrado en la Fíg.21. Se calienta una lupia a temperatura de forja y con
un punzón de penetración operado con una prensa vertical, la lupia se forma por forja
dentro de un extremo hueco cerrado. La pieza forjada es recalentada y colocada en el banco
de estirado en caliente que consiste de algunos dados, que decrecen sucesivamente en
diámetro, montados en un bastidor. El punzón operado hidráulicamente fuerza al cilindro
caliente a través de la longitud completa del banco de estirado.
Para cilindros largos o tubos de pared delgada, pueden requerirse calentamientos y
embutidos repetidos. Si el producto final es un tubo, el extremo cerrado es cortado y el
resto es enviado a través de rodillos para terminado y calibrado, similares a los usados en el
proceso de perforado. Para producir cilindros con un extremo cerrado similares a los usados
para el almacenado de oxigeno, el extremo abierto es estampado en forma de cuello o
reducido por rechazado en caliente.
2.1.6 Rechazado en caliente
El rechazado en caliente del metal se usa comercialmente para conformar o formar
placas circulares gruesas de alguna forma sobre un cuerpo giratorio y estrangular o cerrar
los extremos de tubos. En ambos casos una especie de torno se usa para hacer girar la pieza
rápidamente. El formado se hace con una herramienta de presión roma o rodillo que entra
en contacto con la superficie de la pieza en rotación y provoca el flujo del metal y que éste
se conforme a un mandril de la forma deseada. Una vez que la operación se desarrolla, se
2-20
genera un considerable calor por rozamiento el cual ayuda a mantener al metal en estado
plástico. Los extremos del tubo pueden reducirse en diámetro, formado según un contorno
deseado, o cerrarse completamente por la acción del rechazado.
2.1.7 Forjado tibio
Un proceso, conocido como Termoforjado utiliza una temperatura intermedia que
normalmente se usa para trabajo en frío y en caliente. No hay cambios metalúrgicos en el
metal ni imperfecciones de superficie frecuentemente asociadas con el metal trabajado a
temperaturas elevadas. La Fig.22 es una fotografía de la sección transversal de un tornillo
cabeza Alíen grabado con ácido. Se observa una alta resistencia indicada por la estructura
continua de las fibras. Dado que las líneas de flujo siguen el contorno de la pieza, se
reducen las concentraciones de esfuerzos. La temperatura del metal y las presiones y
velocidades de forjado deben controlarse cuidadosamente, puesto que el metal está abajo de
la temperatura de recristalización.
2.1.8 Métodos especiales
A medida que se obtienen secciones más delgadas en piezas forjadas, pueden emplearse
dados calientes. Si se usa el lubricante adecuado, la oxidación adicional de la superficie se
reduce al mínimo, pueden obtenerse tolerancias más cerradas, la pieza permanece flexible
por un periodo de tiempo mayor, y el ritmo de producción se incrementa. La vida del dado
se disminuye, sin embargo, existe un costo asociado con el calentamiento del dado. A
menos que se deseen secciones delgadas, el proceso es pocas veces justificado.
2-21
Altas relaciones de energía de formado están usualmente asociadas con las operaciones
de trabajo en frío pero algunas prensas de alta velocidad son manejadas por varios
mecanismos, cargas explosivas, o descargas de capacitores. La mayoría de las partes
formadas de esta manera son terminadas de un golpe. De este modo la operación es rápida,
pueden forjarse secciones delgadas antes de que el calor sea perdido. Debido a la carga de
impacto y el rápido incremento de temperatura del dado asociado con este tipo de
operación, la vida del mismo es relativamente corta. El proceso es útil en la forja a alta
temperatura, difícil para formar aleaciones.
Debido a lo altamente especializado de los problemas encontrados en la producción
masiva de partes, algunas prensas clásicas de forjado se adaptan con apisonadores
auxiliares o punzones que se mueven dentro o a través de ellas. La Fig.23 muestra el uso de
un punzón auxiliar que produce un agujero en la pieza forjada. Usualmente, punzones de
esta clase son retrasados en su operación hasta que cualquiera de los dados ha casi
completado su trabajo. Debido a la complejidad de tales operaciones, sólo la producción
masiva de series puede considerarse con este proceso.
Los metales que son difíciles de forjar (por ejemplo, el titanio) pueden fundirse a
presión en atmósfera de gas inerte. Este proceso, conocido como formado en atmósfera
caliente, elimina la mayoría de la oxidación y la cáscara y tiende a prolongar la vida del
dado. Para piezas forjadas muy grandes, el gas inerte se lanza sólo dentro del área de
formado, pero en el caso de prensas pequeñas, éstas son encerradas totalmente por una
cabina dentro de la cual el argón es admitido.
2-22
Pequeños perdigones de aluminio, tan pequeños como granos de arroz, pueden
laminarse en hojas. La Fig.24 muestra cómo el aluminio fundido es vertido en un cilindro
revolvedor perforado. Las diminutas bolitas se enfrían suficientemente para mantener su
forma. Ellas son transportadas por aire a una cámara de precalentamiento, roladas en
caliente en hojas, y enfriadas. Este proceso es adaptable a la producción de grandes
volúmenes con un mínimo de gastos de equipo. Teóricamente, pueden formarse hojas de
longitud ilimitada por este proceso.
Proceso de trefilación
La trefilación consiste en cambiar y/o reducir la sección de una barra haciéndola pasar
por tracción a través de un dado cónico. Este proceso se realiza en frío. En general este
proceso es económico para barras de menos de 10mm de diámetro.
2-23
Trefilación de una barra circular
Este método se basa en plantear el equilibrio de macro elementos del material,
suponiendo una distribución de tensiones uniformes, más la aplicación posterior de la
condición de fluencia.
Sinterización,
Fuerte desarrollo que se prevé en la industria de la pulvimetalurgía que estudia y
desarrollan los mecanismos de interacción que tienen lugar entre la atmósfera y los
componentes de la aleación, durante el proceso de sinterizado en horno; ya que estos
mecanismos son diferentes a los que rigen para los aceros.
Con las atmósferas ALNAT P y ALNAT I trabajará con la cinética de reacción
adecuada para obtener piezas más resistentes y con menor dispersión, que las que obtendría
con cualquier otra alternativa.
2-24
El sinterizado láser puede convertirse en la llave que abra las puertas de la fabricación a
medida, conocida también como e-manufacturing o producción electrónica.
2-25
2.2 Procesos de Manufactura con Arranque de Virutas
2.2.1 Procesos de Mecanizado Torneado
Movimiento fundamental de corte:
-rotativo (pieza)
Movimiento fundamental de avance:
-rectilíneo (generalmente herramienta)
Cilindrado Roscado Tronzado y Ranurado
Partes Principales de un Torno
Cabezal: proporciona el par necesario
para:
-hacer girar la pieza
-producir el corte
Bancada: posee guías paralelas al eje
de giro de la pieza
Carros:
-carro longitudinal: se desplaza sobre
las guías de la bancada
-carro transversal: sobre el anterior,
soporta la torreta portaherramientas
2-26
Torneado Exterior
1. Cilindrado
2. Refrentado
3. Copiado
-Hacia fuera
-Hacia dentro
4. Cortes perfilados
5. Roscado
6. Tronzado
Torneado Interior (Mandrinado)
1. Cilindrado
2. Refrentado / Copiado
3. Perfilados
4. Roscado
Modos de sujeción de las piezas en el torneado
Modo 1: sujeción al aire
-La pieza se sujeta por uno de sus
extremos
-El mismo plato que la sujeta le
transmite el movimiento de giro
-Válido para piezas no esbeltas
-La pieza se representa como una
viga simplemente empotrada
Modo 2: sujeción entre plato y punto
-La pieza se sujeta por uno de sus
extremos y por el otro se encuentra
apoyada en un punto
-El plato es quien transmite el movimiento
de giro
-Válido para piezas semi-esbeltas
-La pieza se representa como una viga
empotrada y apoyada
2-27
Modo 3: sujeción entre puntos
-La pieza se apoya en puntos de sus dos extremos
-El movimiento de arrastre se comunica por un punto intermedio (mordazas, uñas)
-Válido para piezas semi-esbeltas
-La pieza se representa como una viga doblemente apoyada
Tipos de Tornos
Torno paralelo
-Torno básico, económico
-Pequeñas series
-No pueden trabajar simultáneamente varias herramientas
2-28
Torno de copiar
-Reproduce una plantilla
-Palpador + servomecanismos
-Clasificación en función de los servomecanismos
Torno revolver
-Semiautomático
-Permite a varias herramientas
trabajar simultáneamente
-Grandes series
Torno vertical
-Eje de rotación vertical
-Para piezas de gran diámetro y poca
altura
-Hasta 20m de diámetro
2-29
2.2.2 Taladrado
Taladrado Corto Taladrado Profundo
Brocas con plaquitas intercambiables Brocas integrales de metal duro y soldadas
2-30
2.2.3 Fresado
Planeado
Fresado en escuadra
Fresado de ranuras
2-31
Fresado de Perfiles
2.2.4 Herramientas para Mandrinar
Herramientas para desbaste
Para agrandar y/o preparar un agujero para una operación posterior, Ej.: mandrinado en
acabado.
2-32
Herramientas para acabado
Para mecanizar un agujero con tolerancias y acabado superficial específicos, Ej.: H7 y
Rt 6.3..
Herramientas silenciosas
Herramientas de mandrinar para desbaste
1. Desbaste pesado con cartuchos y correderas de extensión ajustables
2. Herramienta para mandrinar de un sólo filo con una plaquita (Duobore)
3. Herramienta gemela para mandrinar con dos plaquitas (Duobore)
4. Antivibratoria para agujeros más profundos (Duobore)
5. Doble filo con acoplamiento Varilock
2-33
Herramientas de mandrinar para acabado
1. Cabeza para mandrinado de precisión un sólo filo con cartucho montado en corredera
ajustable
2. Cabeza para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho
3. Cabeza para mandrinado de un sólo filo con herramientas de mango redondo para
diámetros pequeños
4. Cabeza para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho y corredera ajustable
montada en una bara concéntrica
5. Cabeza para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho y corredera ajustable
montada en una barra
6. Barra antivibratoria para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho para
agujeros más profundos
2-34
2.2.5 Limadora
Limadora Vertical / Máquina de Ranurar
2-35
2.2.6 Cepilladora / Cepillo Mecánico
2.2.7 Máquinas Rectificadoras
Rectificadora de Bielas a Cuchilla:
2-36
Rectificadora Cilíndrica sin Centros:
Rectificadora Cilíndrica Entre Puntos:
2-37
2.2.8 Electro erosión
2-38
2.3 Herramientas de corte y consideraciones generales
2.3.1 Materiales y Nomenclatura de las herramientas de corte
2.3.1.1 Materiales de las herramientas de corte
Las herramientas de corte deben poseer ciertas características específicas, entre las que
se destacan: resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, resistencia al
desgaste y resistencia a la temperatura (porque en un proceso de mecanizado con
herramientas tradicionales tºherramienta > tºpieza > tºviruta ; con herramientas más avanzadas se
logra concentrar el aumento de temperatura en la viruta). La selección de la herramienta de
corte va a depender de la operación de corte a realizar, el material de la pieza, las
propiedades de la máquina, la terminación superficial que se desee, etc.
Para cumplir con cada uno de estos requerimientos han surgido herramientas formadas
por diferentes aleaciones. Los materiales para las herramientas de corte incluyen aceros al
carbono, aceros de mediana aleación, aceros de alta velocidad, aleaciones fundidas,
carburos cementados, cerámicas u óxidos y diamantes.
Para conocer las aleaciones de aceros para herramientas hay que saber las funciones que
cumplen cada uno de los elementos que forman la aleación. El resumen de estas
características se entrega en el cuadro 2.1. Los elementos se agregan para obtener una
mayor dureza y resistencia al desgaste, mayor tenacidad al impacto, mayor dureza en
caliente en el acero, y una reducción en la distorsión y pandeo durante el templado.
Elemento Cantidad Propiedades
Carbono, C 0,6 % - 1,4 % - Forma carburos con el hierro.
- Aumenta la dureza.
- Aumenta la resistencia mecánica.
- Aumenta la resistencia al desgaste.
Cromo, Cr 0,25 % - 4,5 % - Aumenta la resistencia al desgaste.
- Aumenta la tenacidad.
Cobalto, Co 5 % - 12 % - Se emplea en aceros de alta velocidad.
- Aumenta la dureza en caliente.
- Permite velocidades y temperaturas de operación
más altas manteniendo la dureza y los filos.
Molibdeno,
Mo
hasta 10 % - Elemento fuerte para formar carburos.
- Aumenta la resistencia mecánica.
- Aumenta la resistencia al desgaste.
- Aumenta la dureza en caliente.
- Siempre se utiliza junto a otros elementos de
aleación
Tungsteno, W 1,25 % - 20 % - Mejora la dureza en caliente.
- Aumenta la resistencia mecánica.
Vanadio, V Aceros al Carbono
0,20 % - 0,5 %
Aceros Alta Veloc.
1 % - 5 %
- Aumenta la dureza en caliente.
- Aumenta la resistencia a la abrasión.
Cuadro 2.1
2-39
En las herramientas de corte existen varias familias dependiendo del material que se
componen, cada una tiene ciertas características de resistencia y puede realizar mejor
alguna operación de corte, ver cuadro 2.2.
Cuadro 2.2
Herramienta Características Utilización
Aceros al
Carbono
• Son el tipo de acero más antiguo en
herramientas de corte.
• Son muy baratos.
• Tienen buena resistencia al impacto.
• Se pueden someter fácilmente a tratamientos
térmicos como el templado, lográndose un
amplio rango de durezas.
• Se forman y rectifican con facilidad.
• Mantienen su borde filoso cuando no están
sometidos a abrasión intensa o a altas
temperaturas.
• Han sido sustituidos por otros materiales.
• Brocas que trabajan a
velocidades relativamente bajas.
• Machuelos.
• Escariadores y brochas.
Aceros de Alta
Velocidad
• Son el grupo con mayor contenido de
aleaciones de los aceros.
• Conservan la dureza, resistencia mecánica y
filo de los aceros.
• Empleando los equipos adecuados pueden
ser templadas por completo con poco riesgo
de distorsión o agrietamiento.
• Se templan al aceite.
• Taladrar.
• Escariar.
• Fresar.
• Brochar.
• Machuelar.
• Máquinas para fabricar tornillos.
Aleaciones
Fundidas
• Mantienen su elevada dureza a altas
temperaturas.
• Tienen buena resistencia al desgaste.
• No se necesitan fluidos de corte.
• Se recomiendan para operaciones
de desbaste profundo con
velocidades y avances
relativamente altos
• Sólo se emplean para obtener un
acabado superficial especial.
Carburos
Cementados *
Carburo de
Tungsteno
Aglutinado con
Cobalto
Carburo de
Tungsteno
Aglutinado con
• Tienen carburos metálicos.
• Se fabrican con técnicas de metalurgia de
polvos.
• Tienen alta dureza en un amplio rango de
temperaturas.
• Elevado módulo elástico, dos o tres veces el
del acero.
• No representan flujo plástico.
• Baja expansión térmica.
• Alta conductividad térmica.
• Se emplean como insertos o puntas que se
sueldan o sujetan a un vástago de acero. Se
encuentran en diferentes formas, circulares,
triangulares, cuadrados y otras formas.
• Se emplean para mecanizar
hierros fundidos y metales
abrasivos no ferrosos.
• Mecanizar aceros.
2-40
Cobalto +
Solución Sólida
de WC-TiC-
TaC-NbC
Carburo de
Titanio con
Aglutinante de
Níquel y
Molibdeno
W: Tungsteno C: Carbono
Ti: Titanio Ta: Tantalio
Nb: Niobio
• Opera a altas temperaturas debido a las
altas velocidades de corte.
• Trabaja piezas de materiales con alta
resistencia mecánica.
• Cortar.
Carburos
Revestidos
• Son insertos normales de carburo revestidos
con una capa delgada de carburo de titanio,
nitruro de titanio u óxido de aluminio.
• Con el revestimiento se obtiene una
resistencia superior al desgaste, a la vez que
se mantiene la resistencia mecánica y la
tenacidad.
• No se necesitan fluidos de corte, si se aplica
debe ser en forma continua y en grandes
cantidades, para evitar calentamiento y
templado.
• Los avances suaves, las bajas velocidades y
el traqueteo son dañinos.
• Se utilizan en máquinas de
herramientas rígidas, de mayor
velocidad y más potentes.
Cerámicas u
Oxidos
• Se constituyen de granos finos de aluminio
ligados entre sí. Con adiciones de otros
elementos se logran propiedades óptimas.
• Resistencia muy alta a la abrasión.
• Son más duras que los carburos cementados.
• Tienen menor o nula tendencia a soldarse
con los metales durante el corte.
• Carecen de resistencia al impacto.
• Puede ocurrir una falla prematura por
desportilladura o rotura.
• Son eficaces para operaciones de
torneado ininterrumpido a alta
velocidad.
Diamantes
Policristalinos
• Tienen dureza extrema.
• Baja expansión térmica.
• Alta conductividad térmica.
• Coeficiente de fricción muy bajo.
• Se liga a un sustrato de carburo.
• Son empleados cuando se
requiere un buen acabado
superficial, en particular en
materiales blandos y no ferrosos,
difíciles de mecanizar.
• Se emplea como abrasivo en
operaciones de rectificado.
CBN
Nitruro Cúbico
de Boro Cúbico
• Es el material más duro que hay en la
actualidad.
• Se liga a un sustrato de carburo.
• La capa de CBN produce una gran
resistencia al desgaste.
• Gran resistencia mecánica de los bordes.
• Es químicamente inerte al hierro y al níquel
a altas temperaturas.
• Es adecuado para trabajar
aleaciones de altas temperaturas
y diversas aleaciones ferrosas.
• Se emplea como abrasivo en
operaciones de rectificado.
* : A los carburos cementados se le asigna Grado C-1, Grado C-2, etc. Los grados 1 a 4 se recomiendan para
mecanizar hierro fundido, materiales no ferrosos y no metálicos; los grados 5 a 8 son para mecanizar aceros y
sus aleaciones. Los grados 1 y 5 son para desbastar, los 2 y 6 son para uso general, 3 y 7 son para acabado, y 4
y 8 son para acabado de precisión. Existen también otros grados para diversas aplicaciones y según lo
riguroso de la operación de mecanizado.
2-41
El siguiente cuadro muestra como difieren las propiedades de los distintos tipos de
herramientas.
Cuadro 2.3
Aceros al
carbono
Aceros alta
velocidad
Aleaciones
de cobalto
Carburos
cementados
Carburos
revestidos
Cerámicas Nitruro de
boro cúbico
Diamante
Dureza en
caliente
- - - Aumentando - - - →
Tenacidad - - - Disminuyendo - - - →
Resistencia
al impacto
- - - Disminuyendo - - - →
Resistencia
al desgaste
- - - Aumentando - - - →
Resistencia
a melladura
- - - Disminuyendo - - - →
Velocidad
de corte
- - - Aumentando - - - →
Resistencia
a cambios tº
- - - Disminuyendo - - - →
Costo - - - Aumentando - - - →
Profundidad
de corte
Baja a
media
Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Muy baja
Acabado
esperable
Regular Regular Regular Bueno Bueno Muy bueno Muy bueno Excelente
2.3.1.2 Nomenclatura de herramientas de corte
Existen diversos tipos de herramientas de corte, entre las que se destacan las monofilo,
las multifilo y las abrasivas. Las herramientas monofilo se usan en las operaciones
principales de torneado, las multifilo se usan en operaciones de fresado y taladrado, y las
abrasivas en procesos de rectificado.
Las herramientas de corte monofilo (un filo) estructuralmente constan de dos partes,
una cortante (o elemento productor de viruta) y otra denominada cuerpo. Se encuentran
normalmente en tornos, tornos revólver, cepillos, limadoras, mandrinadoras y máquinas
herramientas semejantes.
Fig. 2.1
2-42
En la figura 2.1 se observan las partes más importantes de una herramienta monofilo
donde se pueden destacar :
• La cara, que es la superficie o superficies sobre las cuales fluye la viruta
(superficie de desprendimiento).
• El flanco, que es la superficie de la herramienta frente a la cual pasa la
superficie generada en la pieza (superficie de incidencia).
• El filo es la parte que realiza el corte, siendo el filo principal la parte que
ataca directamente a la pieza y el filo secundario la parte restante.
• La punta de la herramienta es el lugar donde se intersectan el filo principal y
secundario.
En general, la herramienta tiene dos componentes de movimiento. La primera
corresponde al movimiento derivado del movimiento principal de la máquina, y la segunda
está relacionada con el avance de la herramienta. El movimiento resultante corresponde al
movimiento resultante de corte, y el corte, como tal, se produce por un movimiento relativo
entre la herramienta y la pieza. El movimiento principal es el que consume una mayor
cantidad de energía, y corresponde normalmente al que mueve al husillo. El movimiento de
avance ocupa menos energía y puede ser un movimiento continuo o alternado.
Fig. 2.2
El ángulo entre la dirección del movimiento de corte principal y el movimiento
resultante se llama ángulo de la velocidad de corte resultante (η). Debe destacarse que,
como habitualmente el avance es relativamente pequeño en comparación con el
movimiento principal, el ángulo de corte resultante se considera cero.
2-43
Otro punto importante de tener presente es que no en todas las operaciones de
mecanizado la velocidad de corte es constante, pues por ejemplo, en el refrentado, la
velocidad de corte es función del radio de la pieza.
La velocidad de corte resultante ve , que es la velocidad instantánea relativa entre el filo
de la herramienta y la pieza, está dada por:
ve = v · cos(η) (2.1)
Pero como para la mayoría de los procesos de mecanizado η es muy pequeño,
generalmente se considera
v ve = (2.2)
Fig. 2.3
Finalmente, otro de los ángulos importantes cuando se considera la geometría de una
operación de mecanizado es el llamado ángulo del filo principal de la herramienta, kr. El
espesor de la capa de material que está siendo removido por un filo en un punto
seleccionado, conocido como espesor de la viruta no deformada ac, afecta
significativamente la potencia requerida para realizar la operación. Esta dimensión debe ser
medida en un plano normal a la dirección de corte resultante pasando por el filo.
Adicionalmente, como η es pequeño, ac puede medirse normal a la dirección del
movimiento principal. Analizando la figura 2.3 se tiene:
a a kc f r= ⋅sen( ) (2.3)
donde af es el encaje de avance, es decir, el encaje instantáneo de la herramienta en la pieza.
Los datos anteriormente explicados, si bien se remiten al caso particular de las
herramientas monofilo, se amplían a los otros casos, como se detallará más adelante en
otros capítulos.
2-44
2.3.2 Fluidos de corte y formación de la viruta
2.3.2.1 Consideraciones sobre los ejes coordenados
Para efectos de mantener un ordenado uso de los ejes coordenados en lo que sigue,
se observará una serie de convenciones, las cuales se detallan a continuación:
• Se definen como ejes para la máquina y sus rotaciones X, Y y Z, A, B y C. Para las
rotaciones en particular se observará la regla de la mano derecha para el sentido positivo
de éstas.
• Se definen como ejes para la herramienta y sus rotaciones X’, Y’ y Z’, A’, B’ y C’.
• En cualquier máquina se definirá primero el eje Z, y éste irá paralelo al eje de
rotación del husillo.
• Si la máquina no tiene husillo, el eje Z se define perpendicular a la superficie en
que se trabaja.
• El sentido del eje Z es positivo cuando la herramienta se aleja de la pieza.
• El eje X se define horizontal (cuando se pueda), por ejemplo, en el torno es radial.
• En las máquinas sin husillo el eje X es paralelo a la dirección principal de
movimiento.
• Si gira la herramienta, y el eje Z es horizontal, el eje X es horizontal también.
• El sentido del eje X se define positivo cuando la herramienta se aleja del eje de
rotación.
• Finalmente, el eje Y se impone manteniendo el orden conocido de los tres primeros
dedos de la mano derecha.
2.3.2.2 Fluidos de corte
Los fluidos de corte son líquidos que se utilizan durante el mecanizado, aplicándose en
la zona de formación de viruta, para mejorar las condiciones de corte en comparación con
un corte en seco. Estas mejoras van en pos de enfriar la herramienta, la pieza y la viruta,
lubricar y reducir la fricción, minimizar la posibilidad de crear cantos indeseables en la
herramienta, arrasar con la viruta y proteger la pieza de la corrosión. Los hay de tres tipos:
• Enfriadores y lubricantes, sobre una base de petróleo mineral
• Aceite y agua, que enfrían por tener una gran capacidad de transferir calor
• Aceites puros, que lubrican solamente, para mecanizados de baja velocidad
Ventajas de los enfriadores
1. Aumentan la vida de la herramienta bajando la temperatura en la región del filo
principal
2. Facilitan el manejo de la pieza terminada
3. Disminuyen la distorsión térmica causada por los gradientes de temperatura
producidos durante el mecanizado
4. Realizan una labor de limpieza por arrastre, al ayudar a remover las virutas de la
región de corte.
2-45
Las ventajas 2 y 3 se manifiestan más claramente al realizar operaciones con muelas
abrasivas.
Ventajas de los lubricantes
Disminuyen la resistencia friccional al movimiento, aminorando el consumo de
potencia, alargando la vida de la herramienta y mejorando la calidad superficial del acabado
1. Tienen un ingrediente reactivo que forma un compuesto de baja resistencia al
corte, el cual actúa como un lubricante en los bordes
2. Son suficientemente estables como para mantener sus propiedades bajo las
condiciones de temperatura y presión existentes en la interfase viruta-herramienta
Sin embargo, la efectividad de todos los lubricantes para corte disminuye a medida
que aumenta la velocidad de corte.
2.3.2.2.1 Aplicación de fluidos de corte
La forma en que se aplique un fluido de corte tiene una influencia considerable en la
vida de la herramienta, así como en la operación de mecanizado en general. A pesar de que
existen equipos muy complejos y efectivos para dosificar los fluidos en la zona del corte,
estos no son necesarios para lograr buenos resultados.
Incluso el mejor fluido de corte puede no cumplir su función con éxito si no es
distribuido correctamente en la zona del corte. La idea es que el fluido forme una película
sobre las superficies en roce, díganse la pieza y la herramienta (figura 2.4). Es preferible
que el fluido llegue en forma continua a la pieza antes de que llegue de manera
intermitente, pues de esta última manera pueden producirse ciclos de temperatura letales
para la microestructura tanto de la pieza como de la herramienta.
Fig. 2.4
2-46
Una buena aplicación de fluido de corte permite además una adecuada remoción de
viruta, lo cual ayuda a alargar la vida de la herramienta.
Existen diversas maneras de aplicar el fluido de corte (figura 2.5), sin embargo se
destacarán tres:
• Manual: Se aplica el fluido con una brocha, lo que produce una aplicación
intermitente, con una baja remoción de viruta y un limitado acceso a la zona de corte.
• Automática de chorro continuo (o por goteo): Se trata de una boquilla apuntada a
la herramienta que chorrea constantemente a baja presión el fluido. Logra una buena
penetración a nivel de herramienta y pieza.
• Niebla (pulverizador): Se aplica un rocío constante con aire comprimido sobre el
área de corte. Presenta un riesgo a la salud si no se toman las medidas de seguridad
correspondientes, ante la eventual inhalación de gotitas aceitosas.
Fig. 2.5
2-47
2.3.2.3 Formación de la viruta
El tipo de viruta producida durante el corte de metales depende del material que se esté
mecanizando y de las condiciones de corte utilizadas. Sin embargo, existen tres tipos
básicos de formación de virutas que se encuentran en la práctica: la viruta continua, la
viruta continua con recrecimiento del filo y la viruta discontinua.
La figura 2.6 muestra la formación de viruta continua. Este tipo de viruta es común
cuando se mecanizan la mayoría de los materiales dúctiles, tales como hierro forjado, acero
suave, cobre y aluminio. Puede decirse que el corte bajo estas condiciones es un proceso
estable, pues es básicamente un cizallamiento del material de trabajo con el consecuente
deslizamiento de la viruta sobre la cara de la herramienta de corte. La formación de la
viruta tiene lugar en la zona que se extiende desde el filo de la herramienta hasta la unión
entre las superficies de la pieza; esta zona se conoce como la zona de deformación primaria.
Para deformar el material de esta manera, las fuerzas que se transmiten a la viruta en la
interfase existente entre ella y la cara de la herramienta son suficientes para deformar las
capas inferiores de la viruta a medida que ella se desliza sobre la cara de la herramienta
(zona de deformación secundaria). A pesar de que generalmente con esta viruta se logra un
buen acabado superficial, especialmente en máquinas automáticas, existe un grave peligro,
cual es la posibilidad de que la viruta se enganche ya sea con el portaherramientas, la ropa
del operador o incluso con la misma pieza. Esto se puede remediar usando “quebradores de
viruta” en conjunto con las herramientas.
Fig. 2.6 Fig. 2.7
La figura 2.7 muestra la formación de viruta continua con recrecimiento del filo. Bajo
ciertas condiciones, la fricción entre la viruta y la herramienta es suficientemente grande
para que la viruta se suelde a la cara de la herramienta. La presencia de este material
soldado aumenta aún más la fricción, y este aumento induce el autosoldado de una mayor
cantidad de material de la viruta. El material apilado restante es conocido como filo
recrecido. A menudo el filo recrecido continúa aumentando hasta que se aparta a causa de
2-48
su inestabilidad. Los pedazos son entonces arrastrados por la viruta y por la superficie
generada en la pieza. La figura muestra una superficie rugosa obtenida en estas
condiciones. El recrecimiento del filo es uno de los principales factores que afectan el
acabado superficial y puede tener una influencia considerable en el desgaste de las
herramientas. Sin embargo, a pesar de ser generalmente indeseable, una capa delgada y
estable de filo recrecido puede llegar a proteger y alargar la vida de una herramienta.
Fig. 2.8
La figura 2.8 muestra la formación de viruta discontinua. Durante la formación de la
viruta, el material es sometido a grandes deformaciones, y si es frágil, se fracturará en la
zona de deformación primaria cuando la formación de viruta es incipiente, segmentándose.
Esta segmentación puede presentarse como serrucho o definitivamente discontinua. Se
producen virutas discontinuas siempre que se mecanicen materiales tales como hierro
fundido o bronce fundido, pero también pueden producirse cuando se mecanizan materiales
dúctiles a muy baja velocidad y avances grandes. Debido a la naturaleza discontinua de esta
viruta, las fuerzas varían contínuamente durante el corte. Consecuentemente, la rigidez del
portaherramienta y otros elementos debe ser suficiente, de lo contrario la máquina
herramienta comenzará a vibrar, lo cual afecta adversamente la terminación superficial y la
exactitud dimensional de la pieza. Además pueden existir daños o acortarse la vida útil de
las herramientas.
Gran parte de lo anteriormente discutido para metales se aplica también a materiales no
metálicos. Se pueden obtener diversas virutas al cortar termoplásticos, dependiendo del tipo
de polímero y los parámetros del proceso, dígase profundidad de corte, geometría de la
herramienta y velocidad de corte. Debido a su naturaleza, los plásticos y cerámicas en su
mayoría producirán viruta discontinua.
2-49
2.4 Operaciones de mecanizado
Las operaciones de mecanizado se pueden subdividir en dos grandes grupos:
1. Mecanizado sin arranque de viruta.
2. Mecanizado con arranque de viruta.
Algunos ejemplos de estas operaciones se enuncian a continuación:
Mecanizado sin arranque de viruta:
• Sinterización.
• Laminación.
• Estampado.
• Trefilado.
• Fundición.
• Extrusión.
• Forja.
• Doblado.
• Embutido.
Mecanizado con arranque de viruta:
• Torneado.
• Taladrado.
• Escariado.
• Mandrinado.
• Limado.
• Cepillado.
• Fresado.
• Aserrado.
• Rectificado.
• Bruñido.
• Electroerosión.
Existen tres factores primarios que deben ser definidos en cualquier operación básica de
mecanizado, éstos son: velocidad, avance y profundidad de corte. Otros factores como el
tipo de material y el tipo de herramienta tienen bastante importancia, pero los tres primeros
son los que el operador puede ajustar independientemente de los demás.
Velocidad: se refiere a la velocidad de rotación del husillo de la máquina para el
mecanizado. Está expresada en revoluciones por unidad de tiempo (RPM). Cada diámetro
de trabajo nos entregará una velocidad de corte distinta, aunque la velocidad de rotación
permanezca constante, y es por esto que debe tenerse especial precaución al decidirla.
Avance: se refiere a la herramienta de corte, y se expresa como la razón de la
distancia longitudinal recorrida por la herramienta por revolución del husillo (mm/rev).
2-50
Profundidad de Corte: llamado también encaje axial, se refiere al espesor,
∆diámetro o ∆radio (según esté convenido) que es removido en la operación de
mecanizado. Esta es una magnitud transversal, por lo que se expresará en milímetros o en
otra unidad de longitud.
2.4.1 Operaciones con herramientas monofilo
A continuación se enuncian una serie de procesos de mecanizado con herramientas
monofilo, éstos se desarrollan básicamente en un Torno. En cada caso se hará un análisis de
los tiempos de mecanizado necesarios, potencia necesaria para cada proceso, entre otros.
Operaciones en el Torno
La figura 2.9 muestra un torno horizontal convencional.
Fig. 2.9
Las operaciones de mecanizado en un torno se realizan principalmente con las
herramientas enumeradas a continuación.
En la siguiente figura se muestran distintas herramientas monofilo, siendo todas del tipo
pastilla.
2-51
Fig. 2.10
Para fijar la herramienta al torno se utiliza un porta-herramientas, éste varía según la
operación a realizar, pero es común ver porta-herramientas que con pequeñas variantes
logren distintas operaciones. Distintos porta-herramientas se muestran en la figura 2.11.
Fig. 2.11
2-52
2.4.1.1 Cilindrado
Tal como su nombre lo indica, ésta es una operación de mecanizado que produce partes
cilíndricas. Tiene por objeto lograr una superficie cilíndrica de menor diámetro que la
original. En forma básica, esta operación puede ser definida como el mecanizado de una
superficie externa, que es realizada:
- con la pieza rotando
- con una herramienta de corte monofilo, y
- con la herramienta de corte paralela al eje de la pieza y a una distancia que removerá
la superficie externa de la pieza.
Todo lo anterior se ilustra en la figura 2.12.
Fig. 2.12
Como se muestra en la figura 2.12, en todo proceso de mecanizado podemos identificar
tres superficies:
Superficie de trabajo: superficie que va a ser removida en el mecanizado.
Superficie mecanizada: superficie producida por la herramienta.
Superficie de transición: la parte de la superficie formada en la pieza por el filo y que
será removida en la siguiente carrera o revolución.
Para el cilindrado exterior, los cálculos teóricos del mecanizado son los siguientes:
El encaje axial se define como:
[ ]mm
2
d-d
=a mw
p (2.4)
donde dw es el diámetro de trabajo y dm es el diámetro de mecanizado.
2-53
La velocidad de corte de la punta de la herramienta está dada por:




××=
min2
d+d mw mm
nV wavm π (2.5)
donde nw es la velocidad de rotación del husillo.
El material removido por unidad de tiempo es el producto de la velocidad de corte y la
sección (área) de la viruta sin cortar,






×=
min
3
mm
VAZ avmcw (2.6)
Ac es el área de la superficie sacada, y se calcula como la multiplicación del avance f,
medido en milímetros por revolución, y el encaje axial: Ac = f * ap
Por lo tanto,
( ) 





+××××=
min
3
mm
adnafZ pmwpw π (2.7)
este cálculo se puede visualizar en la siguiente figura:
Fig. 2.13 Cilindrado
El tiempo de mecanizado es:
[ ]min
nf
L
w
w
×
=mt (2.8)
donde Lw es el largo de mecanizado.
Conociendo esto podemos conocer la cantidad de material total removida en la
operación de mecanizado, la cual es:
[ ]3
mmtZZ mwtotal ×= (2.9)
2-54
Reemplazando (2.7) y (2.8),
[ ]3
2
m
2
ww
mm
4
)d-d(L ××
=
π
totalZ (2.10)
El espesor de viruta no deformada está definido por la multiplicación del encaje de
avance y el seno del ángulo formado por el filo principal y la pieza. En el caso de
herramientas monofilo, el encaje de avance es igual al avance, f:
( )rc ksenfa ×= (2.11)
Para las condiciones anteriormente descritas debemos calcular la potencia necesaria
para realizar la operación de mecanizado, cuyo valor está dado por la siguiente ecuación:
[ ]W
Zp
P ws
w
60
⋅
= (2.12)
donde ps es la energía requerida para remover un volumen unitario de material, ésta es
obtenida del gráfico 2.1 que se adjunta, considerando el espesor medio de la viruta no
deformada, ac , y el material que está siendo maquinado.
Gráfico 2.1
2-55
Todo lo anteriormente descrito corresponde a un cilindrado exterior, pero se puede
extender en forma análoga a cilindrados interiores (figura 2.14). Éstos consisten en
mecanizar el agujero interior de una pieza cilíndrica mediante procesos similares a los
descritos en el cilindrado exterior. Se utiliza, sin embargo, una herramienta y un porta-
herramientas distinto.
Fig. 2.14 Cilindrado Interior
Para el cilindrado interior las fórmulas son básicamente las mismas, cambiando
solamente la del material removido por unidad de tiempo, la cual queda como sigue:
( ) 





−××××=
min
3
mm
adnafZ pmwpw π (2.13)
2.4.1.2 Refrentado
Este proceso consiste en mecanizar una de las caras de la pieza cilíndrica para dejarla
perfectamente plana. Esto se realiza moviendo la herramienta en dirección normal al eje de
rotación de la pieza.
Con respecto a la herramienta de corte, cabe hacer mención que en este proceso se
coloca con un cierto ángulo con respecto al eje de la pieza, ocupándose la misma
herramienta usada para el cilindrado. Debe tenerse precaución para evitar romper la
herramienta en caso de pasarse del centro del diámetro del cilindro, puesto que en esa mitad
el cilindro gira en sentido contrario y puede agarrar la herramienta por detrás, causándole
un daño irreparable.
Para el proceso de refrentado, la velocidad de corte con que se realizan los cálculos
numéricos se determina respecto al diámetro inicial de la pieza a mecanizar, ya que el
diámetro de trabajo varía en cada instante (figura 2.10).
2-56
El tiempo de mecanizado en el refrentado es:
[ ]min
nf2
d
w
m
××
=mt (2.14)
La velocidad máxima de corte y la cantidad máxima de material removido por unidad
de tiempo son:




××=
min
max
mm
dnV mwπ (2.15)






××××=×=
min
3
maxmax
mm
dnafVAZ mwpc π (2.16)
La cantidad total de material removido es:
[ ]3
2
mp
4
da
mmZtotal
××
=
π
(2.17)
Finalmente, la potencia máxima necesaria para el refrentado se expresa como:
[ ]W
Zp
P s
60
max
max
×
= (2.18)
En la figura 2.15 se muestra una operación de refrentado.
Fig. 2.15 Refrentado
2-57
2.4.1.3 Tronzado
Este proceso consiste en hacer un canal en un cilindro, el cual puede llegar a cortar la
pieza de trabajo en dos partes (figura 2.16). Este proceso se realiza con una herramienta
más delgada y débil que la que se usa para el cilindrado, por lo que su manipulación
requiere de especial cuidado. En los tornos convencionales este proceso se realiza
manualmente, por lo que variables como el tiempo de mecanizado no son calculables en
forma directa
Fig. 2.16 Tronzado
2.4.1.4 Roscado
Este es un proceso en el cual se le da forma de rosca a una pieza cilíndrica. Existen
muchos métodos para producir roscas, pero el torno fue el primero en implementarlo, y
sigue siendo el más versátil y simple (figura 2.17).
Fig. 2.17
2-58
2.4.2 Operaciones con herramientas multifilo
2.4.2.1 Taladrado:
Este proceso consiste en generar una superficie cilíndrica interior (agujero), por medio
del uso de brocas en espiral. La herramienta acostumbra tener dos filos y cada uno de ellos
corta la mitad del material al dar un giro. La velocidad de corte es máxima en el borde
exterior del filo principal y cero en la punta de la broca, la cual tiene forma de un filo de
cincel corto. Este último, al taladrar, fuerza al material hacia los lados para ser removido
por los filos. La calidad del orificio producido es principalmente determinada por las
condiciones de los filos secundarios, siendo poco afectada por el estado de la punta. Hay
que mencionar que la viruta formada por los filos toma una forma helicoidal y sale a través
de las ranuras de la broca.
En la figura 2.18 se muestra la punta de una broca.
Fig. 2.18
De acuerdo a la figura 2.18, y existiendo dos filos, se tiene que:
( ) [ ]mmksena rc ×=
2
f
(2.19)
El tiempo de mecanizado será:
[ ]min
nf
L
w
w
×
=mt (2.20)
El material removido por unidad de tiempo es:






××
×
=
min
nf
4
d 3
w
2
mm
Zw
π
(2.21)
al hacer un agujero de diámetro d.
2-59
Finalmente, tenemos






××
×
=
min
nf
4
)d-d( 3
w
2
i
2
e mm
Zw
π
(2.22)
para agrandar un agujero de diámetro original di a un diámetro final de.
2.4.2.2 Fresado
Este proceso consiste en arrancar material de una pieza haciéndola pasar por una
herramienta multifilo (varios dientes). A diferencia del mecanizado en un torno, en la fresa
se mueve la pieza a mecanizar (en el torno la herramienta) y la herramienta permanece fija
rotando.
Toda herramienta para fresado queda definida por tres parámetros, según la
nomenclatura A * B * C, donde A es el diámetro, B es el ancho y C es el número de
dientes.
En la figura 2.19 se muestran algunas herramientas para el mecanizado en una fresa:
Fig. 2.19
2-60
El fresado se puede clasificar según la posición de la herramienta respecto del material
de trabajo en:
a.- Fresado horizontal: la superficie fresada es generada por los dientes localizados en la
periferia del cuerpo cortante (herramienta). El eje de rotación de la herramienta está en un
plano paralelo al de la superficie de la pieza de trabajo.
b.- Fresado vertical: la herramienta es montada en un husillo, cuyo eje es perpendicular
a la superficie de la pieza de trabajo. Aquí la herramienta corta solo con una parte de sus
dientes.
c.- Fresado superficial: es confundible con el fresado vertical, pero se diferencia en que
la superficie de la herramienta en contacto con el material no es plana (fresado vertical),
sino que tiene filo con formas diversas.
Todos estos procesos se muestran en la figura 2.20.
Fig. 2.20
2.4.2.2.1 Fresado Horizontal
Este proceso será en el que más profundizaremos en fresado, considerando que los otros
tipos de fresado se analizan en forma análoga. Así, los resultados obtenidos en el fresado
horizontal serán ilustrativos del fresado vertical y superficial.
Todo proceso de fresado puede clasificarse según el sentido de rotación de la
herramienta respecto del avance de la pieza a mecanizar (figuras 2.21 y 2.22).
2-61
Rotación a favor del avance
Fig. 2.21
Rotación en contra del avance
Fig. 2.22
En el caso de rotación a favor del avance se obtiene una mejor calidad superficial, pero
la herramienta suele montarse sobre la pieza, con lo que se rompe. Además, se requiere
menor potencia y existe mayor rigidez. En la rotación en contra se obtiene una superficie de
menor calidad, pero la herramienta asegura una mayor duración.
El sentido de rotación dependerá de las características del material a mecanizar. En el
caso de un material blando, a favor del avance, y si es un material duro, en contra del
avance. En la práctica se usa principalmente el sentido de rotación en contra del avance.
Algunas operaciones de fresado horizontal se muestran a continuación en la figura 2.23.
2-62
Fig. 2.23
Para el fresado horizontal, el avance está dado por:






=
rev
mm
n
V
w
f
f (2.23)
donde Vf es la velocidad de avance de la pieza.
El encaje de avance se define como el avance por diente de la fresa:








=
diente
rev
mm
af
N
f
(2.24)
con N igual al número de dientes de la herramienta.
Para el fresado horizontal tenemos la situación que se ve en la siguiente figura.
Fig. 2.24
El espesor máximo de viruta no deformada está dado por:
)(sen
N
f
=
nN
)(senV
w
f
max θ
θ
×
×
×
=ca (2.25)
y
2
maxc
cav
a
a = (2.26)
2-63
De la figura 2.24,
( )cos = 1-
2 * a
d
e
t
θ (2.27)
donde ae es el encaje axial y dt el diámetro exterior de la fresa.
Entonces,
( )
2
t
e
t
e
d
a
d
a
2=sen 





−×θ (2.28)
Y reemplazando (2.28) en (2.25),
2
t
e
t
e
w
f
maxc
d
a
d
a
nN
V2
=a 





−×
×
×
(2.29)
Reordenando (2.29),








××
×
×
t
e
t
e
w
f
maxc
d
a
-1
d
a
nN
V2
=a
Y, si a de t〈 〈 ,
t
e
w
f
maxc
d
a
nN
V2
=a ×
×
×
(2.30)
El tiempo de mecanizado está dado por:
[ ]min
V
L+L+L
f
1ow
=mt (2.31)
donde
( )eteo a-da=L ×
y L1 ≥
d
2
t
Esta última es la distancia que debe ser retirada la herramienta para poder sacar la pieza.
Estas dos dimensiones representan el punto en que comienza y termina el contacto entre
la herramienta y la pieza, tal como se ilustra en la figura 2.25.
2-64
Fig. 2.25
El material removido por unidad de tiempo es:






××=
min
3
mm
VbaZ fwew (2.32)
siendo bw el ancho de mecanizado, el cual es el mínimo entre el ancho de la herramienta y
el ancho de la pieza.
Para las condiciones anteriormente descritas podemos calcular la potencia necesaria
para realizar la operación de mecanizado, cuyo valor está dado por la siguiente ecuación:
[ ]W
Zp
P ws
w
60
×
= (2.33)
2.4.2.2.2 Fresado Vertical
En este caso, el espesor máximo de viruta no deformada será:
w
f
max
nN
V
×
=ca (2.34)
El tiempo de mecanizado está dado por
[ ]min
V
d+L
f
tw
=mt (2.35)
o por
( ) [ ]min
V
a-da2+L
f
etew ××
=mt (2.36)
dependiendo de si el eje de rotación de la herramienta pasa (1) o no pasa (2) por sobre la
pieza. Esto se ilustra en la figura 2.26, mirado desde arriba.
2-65
Fig. 2.26
2.4.2.3 Muelas Abrasivas
Las muelas abrasivas se usan en máquinas llamadas rectificadoras, las cuales
generalmente son usadas para terminación, en rectificados planos o cilíndricos. Un ejemplo
conocido es el llamado esmeril. Todas las muelas abrasivas poseen un husillo, que gira a
gran velocidad, en donde se monta la muela. Esta muela abrasiva generalmente tiene forma
cilíndrica, y está compuesta por material cortante (granos) y un aglutinante. El material de
corte puede ser óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), carburo de titanio o
nitrato cúbico de boro, y como aglutinantes se pueden usar resinas sintéticas, gomas o
aglutinantes vitrificados. El tamaño de los granos varía entre los 0,00025 y 0,025 mm, es
por esto que el encaje axial es muy difícil de calcular, pues se saca muy poco material.
Las muelas se van desgastando con el tiempo, ya que el aglutinante deja que los granos
se desprendan y así la muela no se alise, entregando una pieza bien mecanizada (acabada
superficialmente). La superficie de la pieza se considera terminada cuando no salen mas
chispas del contacto muela-pieza, lo cual demora.
En una rectificadora la pieza tiene dos movimientos, uno de avance longitudinal y otro
lateral intermitente. Esto se observa en la figura 2.27.
Fig. 2.27
2-66
El tiempo de mecanizado está dado por:
[ ]min
nf2
b
=
w
w
sm tt +
××
(2.37)
donde ts es el tiempo que transcurre hasta que deja de chisporrotear, nw es la frecuencia de
alternación y f es el avance lateral por carrera.
Finalmente, el material removido por unidad de tiempo es:






××
min
vaf=
3
transvp
mm
Zw (2.38)
Siendo vtransv la velocidad transversal, ap el encaje axial y f el avance lateral por carrera de
corte.
2.5 Duración y desgaste de la herramienta
En todo proceso de manufactura tiene que haber un equilibrio entre el volumen de
producción y los costos de producción Es por esto que un tema de mucha importancia es el
desgaste y duración de la herramienta bajo las distintas condiciones de trabajo.
2.5.1 Desgaste de la herramienta
La vida de la herramienta de corte puede terminar por varias causas, pero éstas
pueden separarse en dos grupos principales:
1. El desgaste progresivo de la herramienta.
2. Fallas mecánicas que lleven a la herramienta a un final prematuro.
El desgaste progresivo de la herramienta se puede producir de tres maneras
distintas:
• Desgaste por abrasión: ocurre cuando materiales más duros que la herramienta toman
contacto con ésta rayándola y desgastándola.
• Desgaste por adhesión: como en la zona de corte existe una alta temperatura, el material
de corte y la herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende.
• Desgaste por difusión: se produce a partir del aumento de temperatura de la herramienta,
con lo que se produce una difusión entre las redes cristalinas de la pieza y la
herramienta, debilitando la superficie de la herramienta.
2-67
El desgaste se puede observar en dos regiones de la herramienta, la cara y el flanco.
El desgaste en la cara se presenta como un cráter, lo que es un resultado del paso de
viruta caliente al fluir a lo largo de la cara.
Por otro lado, el desgaste del flanco es plano y es causado por el roce entre la pieza
y la herramienta; en este caso se pueden distinguir tres períodos de desgaste en la vida de
una herramienta:
• Fractura inicial, el filo agudo se desportilla rápidamente.
• Desgaste progresivo uniforme.
• Fractura rápida, el desgaste progresa a una tasa creciente.
Estos tres períodos se muestran en la figura 2.28.
Fig. 2.28
La figura 2.29 ilustra el desgaste en la cara y el flanco de una herramienta en una
operación de mecanizado.
Fig. 2.29
2-68
Las fallas mecánicas se pueden producir en cualquier momento, debe existir por lo
tanto precaución ante el hecho de usar inadecuadamente un avance o encaje demasiado
grande, pues al ocurrir una falla de este tipo, la herramienta será inútil inmediatamente, y su
costo no es nada de despreciable.
2.5.2 Criterios de duración de una herramienta
El criterio de duración de una herramienta permite obtener un valor mínimo de
tiempo de vida para la herramienta antes de que se desgaste. Como en las operaciones de
mecanizado el desgaste del cráter y del flanco no son uniformes a lo largo del filo principal,
se debe especificar la locación y el grado de desgaste permisible para cada caso.
En la figura 2.30 se muestra una herramienta ya desgastada. La profundidad del
cráter (KT) es medida desde el punto más profundo de éste. También puede apreciarse que
el desgaste del flanco es mayor en los extremos del filo principal.
Como el desgaste no es uniforme en las zonas C, B y N, se considera un ancho
promedio para la zona central, cuyo valor se estima igual al ancho que existe en la parte
más uniforme del desgaste y se denomina VB.
Fig. 2.30
2-69
2.5.3 Criterios para reemplazar una herramienta
Los criterios recomendados por la ISO para definir la duración efectiva de una
herramienta son:
Para herramientas de acero rápido o cerámica:
- Por rotura
- Cuando VB promedio = 0,3 mm
- Cuando VBmáx = 0,6 mm
Para herramientas de carburo cementado:
- Por rotura
- Cuando VB promedio = 0,3 mm
- Cuando VBmáx = 0,6 mm
- Cuando KT = 0,06 + 0,3 * f, donde f es el avance
2.5.4 Duración de la herramienta
La duración de la herramienta se define como el tiempo de corte requerido para
alcanzar un criterio de duración de la herramienta. La velocidad de corte es el factor más
significativo que afecta la duración de una herramienta. Ésta, junto con el material de
trabajo, el material y la forma de la herramienta son claves en la estimación de la vida de
esta última.
La relación entre el tiempo de vida y la velocidad de corte de una herramienta está
dada por la siguiente ecuación, llamada, en honor a su creador, ecuación de Taylor.
V
Vr
n
=
t
t
r




 (2.39)
en donde:
n = constante que depende del material de la herramienta
V = velocidad de corte
Vr = velocidad de corte de referencia
tr = duración de referencia de la herramienta a velocidad de corte Vr
t = vida (duración) de la herramienta a velocidad de corte V
En el gráfico 2.2 se muestran los valores de Vr, según el material de la herramienta y
la dureza del material de la pieza a mecanizar, para el uso de la ecuación de Taylor. Para
utilizar esta tabla debe usarse ya sea la dureza Brinnel o la resistencia a la tracción del
material a mecanizar, así como el material de la herramienta. Con estos datos se puede ver
un pequeño rango de valores para Vr, teniendo en cuenta que en este caso tr es de 60
segundos.
2-70
Gráfico 2.2
Por otro lado, y como ya se dijo, n es una constante que depende del material de la
herramienta. El rango de valores recomendados para n se muestra en el cuadro 2.4.
Material de la herramienta Valor de n
HSS ( acero rápido ) 0,08 - 0,2
Carburo cementado 0,2 - 0,49
Cerámica 0,48 - 0,7
Cuadro 2.4
Finalmente, en la figura 2.31 se muestra como varía la vida de la herramienta para distintas
velocidades de corte. Podemos ver que a medida que aumentamos la velocidad disminuye
la vida de la herramienta, y vice versa. Esto debe tomarse en cuenta a la hora de la
selección de la velocidad de corte, ya que con una mayor velocidad aumentaríamos la
productividad, pero al mismo tiempo “consumiríamos” más herramientas, incrementando
los costos.
2-71
Fig. 2.31
2.5.5 Operaciones con corte intermitente
En la operación de fresado, el filo está en contacto con la pieza sólo una porción del
tiempo total de mecanizado. Los tiempos de vida de la herramienta calculados
anteriormente son válidos para este proceso. Sin embargo, la ecuación de Taylor debe ser
corregida por un factor Q. Así, la velocidad de corte está dada por:
Vc p ef
n
, , = V *
t
Q * t
r
r
c,p,ef





 (2.76)
según cada criterio se usa la velocidad y el tiempo correspondiente.
El coeficiente Q varía según el proceso, a continuación se muestran los coeficientes
para el fresado tangencial, fresado frontal y fresado frontal-tangencial. Los tres casos se
ilustran en la figura 2.35.
Fig. 2.35
2-72
(a) Fresado tangencial
Q =
θ
π π2 *
=
1
4
+
1
2*
*arcsen
2* a
d
- 1e
t





 (2.77)
(b) Fresado frontal
Q =
θ
π π2 *
=
1
4
+
1
2*
*arcsen
2* a
d
- 1e
t





 (2.78)
(c ) Fresado frontal-tangencial
Q =
θ
π π
=
1
* arcsen
a
d
e
t










(2.79)
2.6 Cálculo de Costos de Mecanizado
Todo proceso productivo debe tener presente el volumen de producción y los costos
de producir este volumen. Cada uno debe decidir si está enfocado a maximizar la cantidad
producida , a minimizar costos o a optimizar todo el proceso.
Para poder estudiar este problema debemos tener presentes todos los costos y tiempo
incurridos en la manufactura de una pieza. Por ejemplo se puede suponer el uso de más de
una máquina-herramienta, conocer tiempos de preparación y desgaste de herramientas,
considerar o no el almacenaje de productos intermedios (piezas no terminadas), manejar un
stock de materias primas, ver el problema de la mano de obra, entre otros.
Para efectos de cálculos se supondrá que las únicas variables manejables por
nosotros son la velocidad de corte y el avance. Se puede asumir que el desgaste de la
herramienta, el número de herramientas, etc. son directamente dependientes de estas
variables.
Como anteriormente describimos, el avance se calcula de acuerdo a criterios de
calidad superficial y de potencia máxima (en el desbaste), por lo que la velocidad de corte
la calcularemos de acuerdo a criterios económicos.
2-73
Las distintas variables de interés para los cálculos se enuncian a continuación:
tL = tiempo ocioso
tm = tiempo de mecanizado
tct = tiempo de cambio de la herramienta
Nb = número de piezas mecanizadas
Nt = número de herramientas usadas
Ct = costo de la herramienta
M = costo general por unidad de tiempo, incluyendo mano de obra
El costo total de producción viene dado entonces por:
Costo de prod. total = ( )M * N * t + N * t + N * t + N * Cb L b m t ct t t (2.46)
Si dividimos por el número de unidades producidas, entonces:
Costo por unidad = M * t + M * t +
N
N
M * t +
N
N
* CL m
t
b
ct
t
b
t* (2.47)
Recordando la fórmula de Taylor para la vida de la herramienta
V
V
=
t
tr
r
n






, se puede determinar la siguiente relación,
N
N
=
t
t
=
t
t
*
V
V
t
b
m m
r r
1
n




 (2.48)
, la relación anterior indica que el tiempo total de mecanizado, Nb * tm, debe ser igual al
tiempo de vida de una herramienta por el número de herramientas usadas, Nt * t.
Para todo proceso de mecanizado el tiempo de mecanizado puede escribirse como:
t =
k
V
m (2.49)
La variable k se debe determinar para cada proceso.
2-74
2.6.1 Operaciones con velocidad de corte constante
La operación clásica con velocidad de corte constante es el cilindrado. Siguiendo
nuestro análisis, en el cilindrado el tiempo de mecanizado está dado por 2.8 y reemplazando
nw de la ecuación 2.42,
tm =
L
f * n
w
w
=
π * D * L
f * V
w
(2.50)
De aquí deducimos que el valor de k, en este caso, es:
k =
π * D * L
f
w
(2.51)
Reemplazando
N
N
t
b
en 2.47 usando la expresión para tm obtenida de 2.49 y 2.51, llegamos a
la siguiente expresión para el costo de producción en función de la velocidad de corte V,
( )C = M * t + M *
k
V
+
k
t * V
*
V
V
* M * t + Cpr L
r r
1
n
ct t





 (2.52)
Ahora queremos encontrar la velocidad de corte óptima para minimizar el costo de
producción, para esto hacemos
∂
∂
C
V
= 0
pr
⇒ despejando se obtiene la velocidad de corte óptima para costo
mínimo de producción,
V = V
n
1- n
*
M * t
M * t + C
c r
r
ct t
*






n
(2.53)
El tiempo total de producción está dado por:
t = t + t +
N
N
* tpr L m
t
b
ct (2.54)
, y reemplazando todo en función de la velocidad de corte:
t = t +
k
V
+
k
V * t
V tpr L
r
1
n
r
1 - n
n
ct* * (2.55)
2-75
Ahora queremos encontrar la velocidad de corte óptima para minimizar el tiempo de
producción, para esto hacemos
∂
∂
t
V
= 0
pr
⇒ despejando se obtiene la velocidad de corte óptima para tiempo
mínimo de producción
Vp
n
= V *
n
1- n
*
t
t
r
r
ct





 (2.56)
En la figura 2.33 se muestra como varía el costo de producción para diferentes
velocidades de corte.
Fig. 2.33
De las dos minimizaciones anteriores obtenemos las velocidades de corte óptimas,
según dos criterios. Para obtener los tiempos de vida de la herramienta para cada uno de
estos criterios, usamos la ecuación de Taylor.
Vc * t = V tc
n
r r
n
* (2.57)
Vp * t = V tp
n
r r
n
* (2.58)
2-76
Despejando y reemplazando en 2.57 y 2.58 las respectivas velocidades 2.53 y 2.56
obtenemos:
tc =
1- n
n
t +
C
M
ct
t
*





 (2.59)
tp =
1- n
n
tct





 * (2.60)
Cabe señalar que si se escoge la condición de costo mínimo, el tiempo de
producción será mayor que el mínimo, y si se escoge la condición de tiempo mínimo, el
costo de producción será mayor que el mínimo.
Si bien hemos calculado los valores óptimos de la velocidad de corte, éstos nos
quedaron en función de ciertos factores cuyo valor no conocemos.
Para determinar M, gastos generales por unidad, se usará el siguiente criterio:
M = W +
Porcentaje del costo
general del operario
100
* W + M +
Porcentaje de gastos
generales de la maquina
* Mo o t t
























100
, donde Wo es la remuneración del operario por unidad de tiempo y Mt es el costo de la
máquina por unidad de tiempo. Estos valores varían según la empresa y máquina usada.
El parámetro Mt se calcula de la siguiente forma:
Mt =
costo inicial de la maquina
n horas trabajadas
al añ o
*
periodo de
amortizacion (añ os)
°











El costo de la herramienta depende de si es reafilable o no, se tiene entonces que:
Herramienta reafilable:
C
n
t = costo de afilado +
costo herramienta
afilados (real)°
Herramienta tipo pastilla:
C
prom
t =
costo pastilla
filos usados
por pastilla
+
costo porta - herramientas
n filos usados durante
la vida del porta - herramientas
. °
2-77
Para la herramienta tipo pastilla tenemos:
tct =
tiempo en girar pastilla *
prom. filos usados
por pastilla
1 + tiempo de cambiar pastilla
promedio de filos usados por pastilla





 −






Con todo lo anteriormente descrito estamos en condiciones de determinar la utilidad
por unidad de tiempo:
Pr =
S - C
t
pr
pr
(2.61)
, donde S es el precio de la pieza.
Para un proceso de mecanizado se pueden calcular velocidad y tiempo para
eficiencia máxima. Éstos se obtienen maximizando la utilidad por unidad de tiempo. Si se
reemplaza el costo y tiempo de producción, derivando e igualando a cero se obtiene:
Vef
n
= V
t
t
r
r
ef
*





 (2.62)
tef
n
=
1 - n
n
* t +
t C
S
+
C k
n * S * V
*
t
t
ct
L t t
r
ef
r
* *










 (2.63)
2.6.2 Operaciones con velocidad de corte variable
El ejemplo clásico de estos procesos es el refrentado. En él, la velocidad de corte
varía linealmente con el radio instantáneo de corte (figura 2.34). Podemos deducir que el
desgaste será máximo en la periferia de la pieza e irá decreciendo a medida que el proceso
continúa.
Fig. 2.34
2-78
El incremento en el ancho de la zona de desgaste del flanco (VB) durante el
mecanizado de cada pieza es (VB)o. Así,
( )
( )
t
t
m o
m
=
V
V
B
B
(2.64)
, donde (VB)m es el ancho de la zona de desgaste cuando la herramienta debe reafilarse.
Como
( )∂
∂
V
t'
=
V
t
B B m
, despejando t y reemplazando en la ecuación de Taylor,
( )t m
n
=
V
V
t'
= t *
V
V
B
B
r
r
∂
∂






1
(2.65)
( )∂ ∂V =
V
t
*
V
V
t'B
B
r r
m
n





1
* (2.66)
con
V = 2 * * n * rsπ (2.67)
r = r - n * f * t'o s (2.68)
donde ns es la frecuencia rotacional del husillo, ro es el radio exterior de la pieza y r es el
radio instantáneo al momento del corte. Además t’ representa el tiempo.
Reemplazando en 2.66 e integrando,
( )
( )∂
π
∂V =
V
*
2* * n * r
t'B
0
B s
0
tm
V
m
r r
n
B
o
t V∫ ∫






1
* (2.69)
Además se tiene de 2.68 que:
∂ ∂r = - n f * t's * , despejando
∂
∂
t' =
- r
n fs *
(2.70)
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  • 1. 2-1 2.1 Procesos de Manufactura sin Arranque de Virutas Introducción Un lingote de acero tiene un uso muy reducido hasta que le es dada una forma tal que pueda usarse en un proceso de manufactura. Si el lingote es admitido en frío, se vuelve bastante difícil, si no imposible, convertir el material por medios mecánicos en una forma estructural, acero en barra o lámina. Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puede martillarse, prensarse, rolarse o extruirse en otras formas. Debido a la desoxidación y otras desventajas del trabajo en caliente a temperaturas elevadas, la mayoría de los metales ferrosos se trabajan en frío o se terminan en frío después del trabajo en caliente para obtener un buen acabado superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedades mecánicas. La forja fue el primer método de trabajo en caliente como se muestra en la histórica fotografía de la Fig.1. Una prensa movida por una fuente de potencia general y una banda desde los árboles, tiene un brazo descendente y golpea un pedazo caliente de metal colocado en un dado. Los procesos, mientras la tecnología se ha mejorado, hoy permanecen semejantes. Deformación plástica Los dos tipos principales de trabajo mecánico en los cuales el material puede sufrir una deformación plástica y cambiarse de forma son trabajos en caliente y trabajos en frío Como muchos conceptos metalúrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en frío no es fácil de definir. Cuando al metal se le trabaja en caliente, las fuerzas requeridas para deformarlo son menores y las propiedades mecánicas se cambian moderadamente. Cuando a un metal se le trabaja en frío, se requieren grandes fuerzas, pero el esfuerzo propio del metal se incrementa permanentemente.
  • 2. 2-2 La temperatura de recristalización de un metal determina si el trabajo en caliente o en frío está siendo cumplido o no. El trabajo en caliente de los metales toma lugar por encima de la recristalización o rango de endurecimiento por trabajo. El trabajo en frío debe hacerse a temperaturas abajo del rango de recristalización y frecuentemente es realizado a temperatura ambiente. Para el acero, la recristalización permanece alrededor de 500ºC a 700°C, aunque la mayoría de los trabajos en caliente del acero se hacen a temperaturas considerablemente arriba de este rango. No existe tendencia al endurecimiento por trabajo mecánico hasta que el límite inferior del rango recristalino se alcanza. Algunos metales, tales como el plomo y el estaño, tienen un bajo rango recristalino y pueden trabajarse en caliente a temperatura ambiente, pero la mayoría de los metales comerciales requieren de algún calentamiento. Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre todo en el rango de trabajo conveniente, siendo el resultado acostumbrado aumentar la temperatura del rango recristalino. Este rango también puede incrementarse por un trabajo anterior en frío. Durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal está en estado plástico y es formado rápidamente por presión. Adicionalmente, el trabajo en caliente tiene las ventajas siguientes: 1. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de los lingotes fundidos contienen muchas pequeñas sopladuras. Estas son prensadas y a la vez eliminadas por la alta presión de trabajo. 2. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a través del metal. 3. Los granos gruesos o prismáticos son refinados. Dado que este trabajo está en el rango recristalino, seria mantenido hasta que el límite inferior es alcanzado para que proporcione una estructura de grano fino. 4. Las propiedades físicas generalmente se mejoran, principalmente debido al refinamiento del grano. La ductilidad y la resistencia al impacto se perfeccionan, su resistencia se incrementa y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. La mayor resistencia del acero laminado existe en la dirección del flujo del metal. 5. La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma del acero en estado plástico es mucho menor que la requerida cuando el acero está frío. Todos los procesos de trabajo en caliente presentan unas cuantas desventajas que no pueden ignorarse. Debido a la alta temperatura del metal existe una rápida oxidación o escamado de la superficie con acompañamiento de un pobre acabado superficial. Como resultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas. El término acabado en caliente, se refiere a barras de acero, placas o formas estructurales que se usan en estado "laminado" en el que se obtienen de las operaciones de trabajo en caliente. Se hacen algunos desescamados pero por lo demás el acero está listo para usarse en puentes, barcos, carros de ferrocarril, y otras aplicaciones en donde no se
  • 3. 2-3 requieren tolerancias cerradas. El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dado que el contenido de carbono es menor del 0.25%. Los principales métodos de trabajo en caliente de los metales son: A. Laminado C. Extrusión B. Forjado D. Manufactura de tubos 1.Forja de herrero o con martillo E. Embutido 2.Forja con martinete F. Rechazado en caliente 3.Forja horizontal G. Métodos especiales 4.Forja con prensa 5.Forja de laminado 6.Estampado 2.1.1 Laminado Los lingotes de acero que no son refusionados y fundidos en moldes se convierten en productos utilizables en dos pasos: 1. Laminando el acero en formas intermedias-lupias, tochos y planchas. 2. Procesando lupias, tochos y planchas en placas, láminas, barras, formas estructurales u hojalata. El acero permanece en las lingoteras hasta que su solidificación es casi completa, que es cuando los moldes son removidos. Mientras permanece caliente, los lingotes se colocan en hornos de gas llamados fosos de recalentamiento, en donde permanecen hasta alcanzar una temperatura de trabajo uniforme de alrededor de 1200 °C en todos ellos. Los lingotes entonces se llevan al tren de laminación en donde debido a la gran variedad de formas terminadas por hacer, son primero laminadas en formas intermedias como lupias, tochos o planchas. Una lupia tiene una sección transversal con un tamaño mínimo de 150 x 150mm. Un tocho es más pequeño que una lupia y puede tener cualquier sección desde 40mm hasta el tamaño de una lupia. Las planchas pueden laminarse ya sea de un lingote o de una lupia. Tienen un área de sección transversal rectangular con un ancho mínimo de 250mm y un espesor mínimo de 40mm. El ancho siempre es 3 o más veces el espesor y puede ser cuando mucho de 1500mm. Placas, plancha para tubos y fleje se laminan a partir de planchas. Un efecto del trabajo en caliente con la operación de laminado, es el refinamiento del grano causado por recristalización. Esto se muestra gráficamente en la Fig.2. La estructura gruesa es definitivamente despedazada y alargada por la acción de laminado. Debido a la alta temperatura, la recristalización aparece inmediatamente y comienzan a formarse pequeños granos. Estos granos crecen rápidamente hasta que la recristalización es
  • 4. 2-4 completa. El crecimiento continúa a altas temperaturas, si además la elaboración no es mantenida, hasta que la temperatura baja del rango recristalino es alcanzada. Los arcos AB y A'B' son arcos constantes sobre los rodillos. La acción de acuñadura en la elaboración es superada por las fuerzas de rozamiento que actúan en estos arcos y arrastran al metal a través de los rodillos. El metal emerge de los rodillos viajando a mayor velocidad de la que entra. En un punto medio entre A y B la velocidad del metal es la misma que la velocidad periférica del rodillo. La mayoría de la deformación toma lugar en el espesor aunque hay algún incremento en el ancho. La uniformidad de la temperatura es importante en todas las operaciones de laminado, puesto que controla el flujo del metal y la plasticidad. La mayoría de los laminados primarios se hacen ya sea en un laminador reversible de dos rodillos o en un laminador de rolado continuo de tres rodillos. En el laminador reversible dedos rodillos, Fig. 3A, la pieza pasa a través de los rodillos, los cuales son detenidos y regresados en reversa una y otra vez. A intervalos frecuentes el metal se hace girar 90° sobre su costado para conservar la sección uniforme y refinar el metal completamente. Se requieren alrededor de 30 pasadas para reducir un lingote grande a una lupia. Los rodillos superior e inferior están provistos de ranuras para alojar las diferentes reducciones de la sección transversal de la superficie. El laminador de dos rodillos es bastante versátil, dado que posee un amplio rango de ajustes según el tamaño de piezas y relación de reducción. Está limitado por la longitud que puede laminarse y por las fuerzas de inercia, las cuales deben ser superadas cada vez que se hace una inversión. Esto se elimina en el laminador de tres rodillos, Fig. 3C, pero se requiere un mecanismo elevador. Aunque existe alguna dificultad debido a la carencia de velocidad correcta para todas las
  • 5. 2-5 pasadas, el laminador de tres rodillos es menos costoso para hacerse y tiene un mayor rendimiento que el laminador reversible. Los tochos podrían laminarse en un gran laminador del tamaño usado para lupias, pero esto no se acostumbra hacer por razones económicas. Frecuentemente se laminan lupias en un laminador continuo de tochos compuesto de alrededor de ocho estaciones de laminado en línea recta. El acero formado, por último pasa a través del laminador y sale con un tamaño final de tocho, aproximadamente de 50mm por 50mm, el cual es la materia prima para muchas formas finales tales como barras, tubos y piezas forjadas. La Fig.4 ilustra el número de pasadas y la secuencia de reducción de la sección transversal de un tocho de 100 por 100mm para convertirlo en una barra redonda. Otras disposiciones de rodillos usadas en laminadores se muestran en la Fig.3. Aquellos que tienen cuatro o más rodillos usan a los demás como respaldo de los dos que realizan el laminado. Además, muchos laminadores especiales toman productos previamente laminados y fabrican con ellos artículos terminados como rieles, formas estructurales, placas y barras. Tales laminadores usualmente llevan el nombre del producto que se lamina y, aparentemente, son semejantes a los laminadores usados para lupias y tochos. 2.1.2 Forja 2.1.2.1 Forja Abierta o de Herrero Este tipo de forja consiste en martillar el metal caliente ya sea con herramientas manuales o entre dados planos en un martillo de vapor. La forja manual, como la hecha por el herrero, es la forma más antigua de forjado. La naturaleza del proceso es tal que no se obtienen tolerancias cerradas, ni pueden hacerse formas complicadas. El rango de forjado va desde unos cuantos kilogramos y sobrepasa los 90 Mg lo que puede hacerse por forja de herrero. Los martillos de forja se hacen con bastidor del tipo sencillo o abierto para el claro de trabajo, mientras que el tipo de bastidor doble se hace para servicio pesado. Un martinete
  • 6. 2-6 típico de vapor se muestra en la Fig.5. La fuerza del golpe es severamente controlada por el operador, y se requiere considerable habilidad para el uso de esta máquina. 2.1.2.2 Estampado El estampado difiere de la forja con martillo en que se usa más bien una impresión cerrada que dados de cara abierta. La forja se produce por presión o impacto, lo cual obliga al metal caliente y flexible a llenar la forma de los dados como en la Fig.6. En esta operación existe un flujo drástico del metal en los dados causado por los golpes repetidos sobre el metal. Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, las operaciones se dividen en un número de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente, controlando el flujo del metal hasta que la forma final se obtiene. El número de pasos requeridos varía de acuerdo al tamaño y forma de la pieza, las cualidades de forja del metal y las tolerancias requeridas. Para productos de formas grandes y complicadas una operación de formado preliminar, usando más de un juego de dados, puede requerirse. Las temperaturas aproximadas de forjado son: acero 1100 a 1250 °C; cobre y sus aleaciones 750 a 925°C; magnesio 370 a 450°C. La forja de acero en dados cerrados varia en tamaño desde unos cuantos gramos hasta 10 Mg
  • 7. 2-7 Los dos tipos principales de martillos de estampado son el martinete de vapor y el martinete de caída libre o martinete de tablón. En el primero el apisonador y el martillo son levantados por vapor, y la fuerza del golpe es controlada por estrangulamiento del vapor. Con estos martinetes, los cuales trabajan rápidamente, se obtienen sobre 300 golpes por minuto. El rango de capacidades de los martinetes de vapor va desde 2 hasta 200 kN. Son normalmente diseñados de doble bastidor, con un cilindro de vapor ensamblado en su parte superior que provee la potencia para actuar el apisonador. Para una masa dada del apisonador un martinete de vapor desarrollará el doble de la energía sobre el dado que la que podría obtenerse de un martinete de caída libre o de tablón. En el martinete del tipo caída libre la presión de impacto es desarrollada por la fuerza de caída del apisonador y el dado cuando golpea sobre el dado que está fijo abajo. En la Fig.7 se muestra un martinete de caída libre con pistón elevador. Utiliza aire o vapor para levantar el apisonador. Este tipo de martinete permite la preselección de una serie de golpes de carrera corta o larga. El operador es liberado de la responsabilidad de la regulación de las alturas de la carrera y resultan unos terminados de forja muy uniformes. Los martinetes de este tipo pueden servir para apisonar masas de 225 kg y hasta masas de 4500 kg inclusive. El martinete de caída libre con tablón tiene algunos tablones de madera endurecida unidos al martillo con el propósito de elevarlo. Después de que el martillo ha caído, unos rodillos arrastran los tablones y levantan el martillo hasta 1.5 m. Cuando la carrera es alcanzada los rodillos se separan y los tablones son sostenidos por unos trinquetes hasta que son liberados por el operador. La fuerza del golpe es enteramente dependiente de la masa del martillo, el apisonador, y el dado superior, el cual pocas veces excede los 35 kN. El martinete de tablón no se levanta tan rápidamente como la unidad de aire o de vapor. Los martinetes de caída libre encuentran un uso extenso en la industria para artículos tales como herramientas manuales, tijeras, cubiertos, partes de herramientas y piezas de aviación.
  • 8. 2-8 El martinete de forja por impacto, que se muestra en la Fig. 12.8 tiene dos cilindros opuestos en un plano horizontal el cual acciona los impulsores y los dados uno hacia el otro. El material se posiciona en el plano de impacto en el cual los dados chocan. Su deformación absorbe la energía y no hay choque o vibración en la máquina. Con este proceso al material se le trabaja igualmente en ambos lados; existe menos tiempo de contacto entre el material y el dado; se requiere menos energía que con otros procesos de forja; y el trabajo es realizado mecánicamente. La pieza forjada tendrá una ligera saliente de exceso de metal extendiéndose alrededor de la línea de partición. Se le elimina en una prensa independiente de recorte inmediatamente después de la operación de forjado. La pequeña forja puede recortarse en frío, aunque deben tenerse algunos cuidados en la operación de recorte para no deformar la pieza. La pieza a forjar usualmente es sostenida de manera uniforme por el dado en el apisonador y empujada a través de las aristas de corte. Operaciones de punzonado pueden hacerse también mientras el recorte se lleva a cabo.
  • 9. 2-9 La Fig. 9 muestra los dados para forja del cilindro exterior principal del tren de aterrizaje de un gran avión. Los dados pesan poco más de 28 Mg. Algunas operaciones de forja requieren un recalentamiento del metal base entre las estaciones de estampado. En general, todas las piezas forjadas están cubiertas con escamas y deben limpiarse. Esto puede hacerse por inmersión en ácido, granallado, o con arena dependiendo del tamaño y composición de la pieza forjada. Si ocurre alguna deformación durante el forjado, una operación de enderezado o formado puede requerirse. Usualmente se procura un enfriamiento controlado para piezas grandes y si ciertas propiedades físicas se necesitan se toman providencias para tratamientos térmicos posteriores. La ventajas de la operación de forjado incluyen una fina estructura cristalina del metal, la eliminación de cualquier vacío, un tiempo reducido de maquinado, e insuperables propiedades físicas. La forja es adaptable a aceros aleados y al carbono, hierro dulce, cobre, aleaciones ligeras, aleaciones de aluminio y aleaciones de magnesio. Sus desventajas abarcan las inclusiones de escamas y el alto costo de los dados que lo hacen prohibitivo para trabajos de pequeña serie. El alineamiento de los dados es algunas veces difícil de mantener y debe tenerse mucho cuidado en su diseño para asegurar que no ocurran grietas durante el forjado debido al plegado del metal durante la operación. Las estampas de forja tienen un gran número de ventajas sobre los dados abiertos de forja, incluyen una mejor
  • 10. 2-10 utilización del material, mejores propiedades físicas, tolerancias más cerradas, ritmos altos de producción, y se requiere menos habilidad del operador. 2.1.2.3 Forjado en Prensa Las prensas de forjado emplean una acción lenta de compresión deformando el metal plástico, contrariamente al rápido impacto del golpe del martillo. La acción de compresión es mantenida completamente hasta el centro de la pieza que está prensándose, trabajando a fondo la sección completa. Estas prensas son del tipo vertical y pueden ser operadas ya sea mecánica o hidráulicamente. Las prensas mecánicas, cuya operación es más rápida, pueden ejercer una fuerza de 4 a 90 MN. La presión necesaria para formar el acero a temperatura de forja varía desde 20 hasta 190 MPa. Tales presiones están basadas en la superficie de la sección transversal de la pieza forjada cuando ésta se mide sobre la línea de partición del dado. Para el forjado de pequeñas piezas, se usan estampas, y una sola carrera del apisonador es normalmente necesaria para realizar la operación de forja. La máxima presión es alcanzada en el extremo de la carrera cuando se fuerza al metal dentro de la forma. Los dados pueden montarse como unidades separadas, o todas las impresiones pueden ponerse en un solo bloque. Para pequeñas piezas forjadas son más convenientes unidades individuales de dados. Existen algunas diferencias para el diseño de dados para metales diferentes. La forja de aleaciones de cobre puede hacerse con menos ensayos que en acero; consecuentemente, pueden producirse formas más complicadas. Estas aleaciones fluyen bien en el dado y son extruidas rápidamente. En el forjado en prensa una mayor proporción del trabajo total puesto en la máquina es trasmitida al metal que en una prensa de martillo de caída libre. Mucho del impacto del martillo de caída libre es absorbido por la máquina y su cimentación. La reducción del metal con prensa es más rápida, y el costo de operación consecuentemente es menor. La mayoría de las prensas de forjar son de formas simétricas con superficies que son totalmente lisas, y proporcionan unas tolerancias más cerradas que las obtenidas con un martillo de caída libre. Sin embargo, muchas piezas de formas irregulares y complicadas pueden forjarse más económicamente por forja abierta. Las prensas de forjado se usan frecuentemente para operaciones de calibrado sobre partes hechas por otros procesos. 2.1.2.4 Forjado Horizontal El forjado horizontal implica la sujeción de una barra de sección uniforme en dados y se aplica una presión sobre el extremo caliente, provocando el que sea recalcado o formado según el dado, como se muestra en la Fig. 12.10. La longitud de la barra a ser recalcada no puede ser mayor de dos o tres veces el diámetro, pues si no el material se doblará en vez de expandirse para llenar la cavidad del dado.
  • 11. 2-11 Para algunos productos la operación principal puede completarse en una posición, aunque en la mayoría de los casos la pieza es progresivamente colocada en diferentes posiciones en el dado. Las impresiones pueden estar en el punzón, en el dado fijo o en ambos. En muchas ocasiones las piezas forjadas no requieren de una operación de recorte. Máquinas de este tipo son una consecuencia de pequeñas máquinas diseñadas para hacerles cabeza en frío a clavos y pequeños tornillos. El penetrado progresivo, o desplazamiento interno, es el método frecuentemente empleado en máquinas de forjado horizontal para producir partes tales como cascos de artillería y cilindros forjados de máquinas radiales. La secuencia de operaciones para el forjado de un cilindro se muestra en la Fig.11. Barras cilíndricas de una longitud predeterminada para un cilindro, primero se calientan a temperatura de forja. Para facilitar la manipulación de la barra se prensa un porta barra dentro de un extremo. La barra es recalcada y progresivamente penetrada hasta dejar una copa de fondo grueso. En la última operación un punzón de extremo cónico expande y alarga el metal dentro del extremo del dado, liberando el portabarra y punzonando hacia afuera el extremo del pedazo de metal. Grandes cuerpos de cilindro con masas superiores a los 50 kg pueden forjarse de esta manera. El rango de partes producidas por este proceso va desde pequeños a grandes productos que pesan algunos cientos de kilogramos. Los dados no se limitan al recalcado, pueden usarse también para penetrado, punzonado, recorte o extrusión. Con objeto de producir más formas masivas por este método, una máquina horizontal continua ha sido desarrollada. Esta máquina puede alimentar barra de acero calentada por
  • 12. 2-12 inducción a la cavidad del dado, en donde rápidos golpes del dado horizontal o si no martillos exteriores y ajustables alcanzan a la pieza. Algunas de estas máquinas tienen un dado de forjado horizontal hueco de longitudes tan largas como formas de sección transversal constante pueden producirse. Otra variación para forjado horizontal es la unión de metales. En vez de formar una abertura en la cabeza de la barra de acero, se hace una operación de forjado de una forma cónica, similar a la Fig. 12.10B. El dado con- forma el perfil cónico deseado y la operación de unión de metal concluye. 2.1.2.5 Forja por Laminado Las máquinas para forja por laminado son primeramente adaptadas para operaciones de reducción y conificación sobre barras de acero de pequeña longitud. Los rodillos de estas máquinas mostrados en la Fig.12 no son completamente circulares sino que son cortados de un 25 a un 75% para permitir la entrada de la materia prima entre los rodillos. La porción circular de los rodillos se ranura de acuerdo a la forma que quiere darse. Cuando los rodillos están en posición abierta el operador coloca la barra caliente entre ellos, reteniéndola con tenazas. Como los rodillos giran, la barra es agarrada por las ranuras de los mismos y empujada hacia el operador. Cuando los rodillos se abren, la barra es empujada hacia atrás y laminada de nuevo, o se le coloca en la ranura contigua para la operación siguiente de laminado. Girando la barra 90° después de cada paso de laminado, no existe la oportunidad de formar rebabas. En el rolado de ruedas, tiras metálicas y artículos similares se usa un tren de rolado de construcción un poco diferente. La Fig.13 muestra como una pieza en bruto forjada se convierte en una rueda, terminada por la acción de los diferentes rodillos dispuestos alrededor de ella. Como las ruedas giran, el diámetro es aumentado gradualmente mientras la placa y el rin se reducen en sección. Cuando se roía la rueda a su diámetro final, se le lleva entonces a una prensa y se le da una operación de formado y calibrado.
  • 13. 2-13 La forja por laminado se usa en una amplia variedad de piezas, incluyendo ejes, barras para propulsores de avión, palancas, hojas de cuchillos, cinceles, estrechado de tubos y extremos de muelles. Las piezas hechas de este modo tienen muy buen terminado de superficie y las tolerancias son iguales a otros procesos de forja. El metal es trabajado completamente en caliente y tiene buenas propiedades físicas. 2.1.3 Extrusión Los metales que pueden trabajarse en caliente pueden extruirse con formas de sección transversal uniforme con ayuda de presión. El principio de extrusión, similar a la acción del chorro de la pasta de dientes de un tubo, ha sido muy usado para procesos en serie desde la producción de ladrillos, tubo de desagüe, tubo de drenaje, hasta la manufactura de macarrones. Algunos metales como el plomo, estaño y aluminio pueden extruirse en frío, mientras que otros requieren la aplicación de calor para hacerlos plásticos o semisólidos antes de la extrusión. En la operación actual de extrusión, los procesos difieren un poco, dependiendo del metal y aplicación, pero en resumen consisten en forzar al metal (confinado en una cámara de presión) a salir a través de dados especialmente formados. Varillas, tubos, guarniciones moldeadas, formas estructurales, cartuchos de bronce, y cables forrados con plomo son productos característicos de metales extruidos. La mayoría de las prensas usadas en el extruido convencional de metales son de tipo horizontal y operadas hidráulicamente. Las velocidades de operación dependen sobre todo de la temperatura y material, varían de unos cuantos metros sobre minuto hasta 275 m/min. Las ventajas de la extrusión incluyen la facilidad de producir una variedad de formas de alta resistencia, buena exactitud y terminado de superficie a altas velocidades de producción, y relativamente con un bajo costo de los dados. Más deformaciones o cambio de forma pueden conseguirse por este proceso que por cualquier otro, excepto fundición. Longitudes casi ilimitadas de sección transversal continua pueden producirse, y debido al bajo costo de los dados, series de producción de 150 m pueden justificar su uso. El proceso es alrededor de tres veces más lento que la forja por rolado, y la sección transversal debe permanecer constante. Existen muchas variantes de este proceso.
  • 14. 2-14 2.1.3.1 Extrusión Directa La extrusión directa está ilustrada en el diagrama de la Fig.14. Un tocho cilíndrico caliente se coloca dentro de la cámara del dado, el falso bloque y el apisonador se colocan en posición. El metal es extruido a través del dado abriéndolo hasta que sólo queda una pequeña cantidad. Entonces es cortado cerca del dado y se elimina el extremo. 2.1.3.2 Extrusión Indirecta La extrusión indirecta, Fig.14 es similar a la extrusión directa excepto que la parte extruida es forzada a través del vástago apisonador. Se requiere menos fuerza por este método, debido a que no existe fuerza de rozamiento entre el tocho y la pared continente. El debilitamiento del apisonador cuando es hueco y la imposibilidad de proveer soporte adecuado para la parte extruida constituyen las restricciones de este proceso. 2.1.3.3 Extrusión por Impacto En la extrusión por impacto un punzón es dirigido al pedazo de metal con una fuerza tal que éste es levantado a su alrededor. La mayoría de las operaciones de extrusión por impacto, tales como la manufactura de tubos plegables, son trabajadas en frío. Sin embargo hay algunos metales y productos, particularmente aquellos en los cuales se requieren paredes delgadas, en los que los pedazos de metal son calentados a elevadas temperaturas. La extrusión por impacto es cubierta en el capitulo siguiente sobre trabajo en frío. 2.1.4 Manufactura de tubería Los accesorios tubulares y tubería pueden hacerse por soldadura eléctrica o a tope, plancha para formado de tubos, perforado y extrusión. Los métodos de perforado y extrusión se usan para tubería sin costura, la cual es usada en trabajos de alta presión y temperatura como también para transportar gas y líquidos químicos. Se ha manufacturado tubo de acero sin costura hasta de 400 mm de diámetro. Se usan también tubos extruidos para decantadores dado que el proceso puede adaptarse a configuraciones internas, tales como rayado y ranurado. Tubo soldado a tope es el más común y se usa con propósitos estructurales, postes y para transporte de gas, agua y desperdicios. El tubo con soldadura
  • 15. 2-15 eléctrica se usa principalmente para líneas de tubería que transportan productos del petróleo o agua. 2.1.4.1 Soldadura a Tope En el proceso de soldadura a tope se aplican ambos métodos, intermitente y continuo. Tiras calientes de acero, conocidas como plancha para tubos, las cuales tienen los bordes ligeramente biselados, son usadas de tal modo que se encontrarán exactamente cuando sean formados en un perfil circular. En el proceso intermitente, un extremo de la plancha para tubos es cortada en forma de Y para permitirle entrar a la campana de soldadura, como se muestra en la Fig.15A. Cuando a la plancha para tubos se le acerca hasta el calor de soldadura el extremo es agarrado por unas tenazas las cuales arrastran una cadena de tracción. Como el tubo es arrastrado a través de la campana de soldado, la plancha para tubo es formada con un perfil circular y los bordes se sueldan juntos. Una operación final pasa al tubo entre rodillos de terminado y calibrado para darle el tamaño correcto y quitarle la escama. El soldado continuo a tope del tubo es realizado abasteciendo la plancha para tubos en rollos y proveyendo los medios para soldar rápidamente los extremos del rollo para formar una tira continua. Como la plancha para tubos entra al horno, las flamas chocan sobre los bordes de la tira para llevarla a la temperatura de soldado. Saliendo del horno, la plancha para tubos entra a una serie de rodillos horizontales y verticales la cual lo convierte en un tubo. Una vista de los rodillos, que muestra cómo el tubo es formado y calibrado está en la Fig.15B. Cuando el tubo abandona los rodillos, es cortado en longitudes que finalmente son procesadas por desescamado y operaciones de terminado. El tubo hecho por este método tiene tamaños hasta de 75 mm de diámetro.
  • 16. 2-16 2.1.4.2 Soldadura Eléctrica a Tope La soldadura eléctrica a tope de tubo necesita un formado en frío de la placa de acero para preparar la forma para la operación de soldadura. La forma circular es desarrollada pasando la placa a través de un tren continuo de rodillos que cambian su forma progresivamente. Este es el método conocido como formado por laminado. La unidad soldadora colocada en el extremo de la máquina formadora por laminado consta de tres rodillos de centrado y presión que mantienen al perfil formado en posición y dos rodillos electrodo que abastecen corriente al generar el calor. Inmediatamente después de que el tubo pasó por la unidad de soldadura, el metal extruido rápidamente es eliminado del interior y exterior del tubo. Rodillos de calibrado y terminado completan la operación dando al tubo un tamaño exacto y concentricidad. Este proceso es adaptado a la manufactura de tubo de hasta 400 mm de diámetro con espesores de pared que varían desde 3 a 15 mm. Tubos de gran diámetro son usualmente fabricados por soldadura de arco sumergido después de que fueron formados a lo largo en prensas especialmente construidas. Algunos tubos grandes se fabrican por soldadura a martillo, la cual es esencialmente un proceso de forja-soldadura. 2.1.4.3 Soldado por Recubrimiento En el soldado por recubrimiento de tubo, las orillas de la plancha para tubos son biseladas como si salieran del horno. La plancha para tubo es entonces estirada a través de un dado de forjado, o entre rodillos, para darle forma cilíndrica con las orillas traslapadas. Después de recalentada, la plancha para tubo doblada se pasa entre dos rodillos ranurados como se muestra en la Fig.16. Entre los rodillos se fija un mandril que ajusta en el diámetro interior del tubo. Las orillas son soldadas por recubrimiento por la presión entre los rodillos y el mandril. El tubo soldado por recubrimiento se hace en tamaños de 50 a 400 mm de diámetro. 2.1.4.4 Perforado Para producir tubo sin costura, se pasan tochos cilíndricos de acero entre dos rodillos de forma cónica operando en la misma dirección. Entre estos rodillos se fija un punto o mandril que ayuda en el perforado y controla el tamaño del agujero cuando el tocho es forzado sobre él.
  • 17. 2-17 La operación completa de la fabricación de tubería sin costura por este proceso convencional se muestra en la Fig.17. El tocho sólido primeramente es punzonado al centro y después llevado a calor de forja en un horno antes de ser perforado. Entonces es empujado entre dos rodillos de perforado los cuales le imparten rotación y avance axial. La compresión alterna y la expansión del tocho abren un centro, el tamaño y forma del cual son controlados por el mandril de perforado. Como el espesor de pared del tubo resulta del tren de perforado, se pasa entre rodillos ranurados sobre un tapón sujeto por el mandril y es convertido en un tubo largo con un espesor de pared especificado. Mientras permanece a temperatura de trabajo, el tubo pasa a través de la máquina de carrete la cual además de enderezar y calibrar da a las paredes una lisura de superficie. El calibrado final y terminado es realizado de la misma manera que con el tubo soldado. Este procedimiento se aplica a los tubos sin costura hasta de 150mm de diámetro. A los tubos grandes hasta de 350mm de diámetro se les da una segunda operación con los rodillos de perforado. Para producir tamaños hasta de 600mm de diámetro, recalentados, se procesan tubos doblemente perforados en un tren de rolado rotatorio como se muestra en la Fig.18 y se terminan finalmente con rodillos de carrete y de calibrado como se describió en el proceso de perforado sencillo. Pueden requerirse calentamientos intermedios. En el método continuo, mostrado en la Fig.19 una barra redonda de 140 mm es perforada y transportada al mandril laminador de nueve estaciones en donde se inserta una barra cilíndrica o mandril. Estos rodillos reducen el diámetro del tubo y el espesor de pared. Entonces es eliminado el mandril, y el tubo recalentado antes de entrar al laminador reductor- alargador de doce estaciones. Este tren no sólo reduce el espesor de pared del
  • 18. 2-18 tubo caliente sino también el diámetro del mismo. Cada rodillo sucesivo es impulsado a producir una tensión suficiente para alargar el tubo entre estaciones. El máximo rendimiento de este tren es 390 m/min para tubo de alrededor de 50mm de diámetro o más pequeño. 2.1.4.5 Extrusión de Tubo El método usual para extruir tubos se muestra en la Fig. 20. Es una forma de extrusión directa, pero utiliza un mandril para formar el interior del tubo. Después de que el tocho se coloca dentro, el dado que contiene el mandril se empuja contra el lingote como se muestra en la figura. El vástago compresor avanza entonces y extruye el metal a través del dado y alrededor del mandril. La operación completa debe ser rápida y velocidades hasta de 180 m/min han sido usadas en la manufactura de tubos de acero. Pueden extruirse tubos de acero de bajo carbono a temperatura cercana a la ambiente, pero para la mayoría de las aleaciones el tocho debe calentarse alrededor de 1300°C.
  • 19. 2-19 2.1.5 Embutido Para productos sin costura que no pueden hacerse con equipo convencional de rolado, se usa el proceso ilustrado en la Fíg.21. Se calienta una lupia a temperatura de forja y con un punzón de penetración operado con una prensa vertical, la lupia se forma por forja dentro de un extremo hueco cerrado. La pieza forjada es recalentada y colocada en el banco de estirado en caliente que consiste de algunos dados, que decrecen sucesivamente en diámetro, montados en un bastidor. El punzón operado hidráulicamente fuerza al cilindro caliente a través de la longitud completa del banco de estirado. Para cilindros largos o tubos de pared delgada, pueden requerirse calentamientos y embutidos repetidos. Si el producto final es un tubo, el extremo cerrado es cortado y el resto es enviado a través de rodillos para terminado y calibrado, similares a los usados en el proceso de perforado. Para producir cilindros con un extremo cerrado similares a los usados para el almacenado de oxigeno, el extremo abierto es estampado en forma de cuello o reducido por rechazado en caliente. 2.1.6 Rechazado en caliente El rechazado en caliente del metal se usa comercialmente para conformar o formar placas circulares gruesas de alguna forma sobre un cuerpo giratorio y estrangular o cerrar los extremos de tubos. En ambos casos una especie de torno se usa para hacer girar la pieza rápidamente. El formado se hace con una herramienta de presión roma o rodillo que entra en contacto con la superficie de la pieza en rotación y provoca el flujo del metal y que éste se conforme a un mandril de la forma deseada. Una vez que la operación se desarrolla, se
  • 20. 2-20 genera un considerable calor por rozamiento el cual ayuda a mantener al metal en estado plástico. Los extremos del tubo pueden reducirse en diámetro, formado según un contorno deseado, o cerrarse completamente por la acción del rechazado. 2.1.7 Forjado tibio Un proceso, conocido como Termoforjado utiliza una temperatura intermedia que normalmente se usa para trabajo en frío y en caliente. No hay cambios metalúrgicos en el metal ni imperfecciones de superficie frecuentemente asociadas con el metal trabajado a temperaturas elevadas. La Fig.22 es una fotografía de la sección transversal de un tornillo cabeza Alíen grabado con ácido. Se observa una alta resistencia indicada por la estructura continua de las fibras. Dado que las líneas de flujo siguen el contorno de la pieza, se reducen las concentraciones de esfuerzos. La temperatura del metal y las presiones y velocidades de forjado deben controlarse cuidadosamente, puesto que el metal está abajo de la temperatura de recristalización. 2.1.8 Métodos especiales A medida que se obtienen secciones más delgadas en piezas forjadas, pueden emplearse dados calientes. Si se usa el lubricante adecuado, la oxidación adicional de la superficie se reduce al mínimo, pueden obtenerse tolerancias más cerradas, la pieza permanece flexible por un periodo de tiempo mayor, y el ritmo de producción se incrementa. La vida del dado se disminuye, sin embargo, existe un costo asociado con el calentamiento del dado. A menos que se deseen secciones delgadas, el proceso es pocas veces justificado.
  • 21. 2-21 Altas relaciones de energía de formado están usualmente asociadas con las operaciones de trabajo en frío pero algunas prensas de alta velocidad son manejadas por varios mecanismos, cargas explosivas, o descargas de capacitores. La mayoría de las partes formadas de esta manera son terminadas de un golpe. De este modo la operación es rápida, pueden forjarse secciones delgadas antes de que el calor sea perdido. Debido a la carga de impacto y el rápido incremento de temperatura del dado asociado con este tipo de operación, la vida del mismo es relativamente corta. El proceso es útil en la forja a alta temperatura, difícil para formar aleaciones. Debido a lo altamente especializado de los problemas encontrados en la producción masiva de partes, algunas prensas clásicas de forjado se adaptan con apisonadores auxiliares o punzones que se mueven dentro o a través de ellas. La Fig.23 muestra el uso de un punzón auxiliar que produce un agujero en la pieza forjada. Usualmente, punzones de esta clase son retrasados en su operación hasta que cualquiera de los dados ha casi completado su trabajo. Debido a la complejidad de tales operaciones, sólo la producción masiva de series puede considerarse con este proceso. Los metales que son difíciles de forjar (por ejemplo, el titanio) pueden fundirse a presión en atmósfera de gas inerte. Este proceso, conocido como formado en atmósfera caliente, elimina la mayoría de la oxidación y la cáscara y tiende a prolongar la vida del dado. Para piezas forjadas muy grandes, el gas inerte se lanza sólo dentro del área de formado, pero en el caso de prensas pequeñas, éstas son encerradas totalmente por una cabina dentro de la cual el argón es admitido.
  • 22. 2-22 Pequeños perdigones de aluminio, tan pequeños como granos de arroz, pueden laminarse en hojas. La Fig.24 muestra cómo el aluminio fundido es vertido en un cilindro revolvedor perforado. Las diminutas bolitas se enfrían suficientemente para mantener su forma. Ellas son transportadas por aire a una cámara de precalentamiento, roladas en caliente en hojas, y enfriadas. Este proceso es adaptable a la producción de grandes volúmenes con un mínimo de gastos de equipo. Teóricamente, pueden formarse hojas de longitud ilimitada por este proceso. Proceso de trefilación La trefilación consiste en cambiar y/o reducir la sección de una barra haciéndola pasar por tracción a través de un dado cónico. Este proceso se realiza en frío. En general este proceso es económico para barras de menos de 10mm de diámetro.
  • 23. 2-23 Trefilación de una barra circular Este método se basa en plantear el equilibrio de macro elementos del material, suponiendo una distribución de tensiones uniformes, más la aplicación posterior de la condición de fluencia. Sinterización, Fuerte desarrollo que se prevé en la industria de la pulvimetalurgía que estudia y desarrollan los mecanismos de interacción que tienen lugar entre la atmósfera y los componentes de la aleación, durante el proceso de sinterizado en horno; ya que estos mecanismos son diferentes a los que rigen para los aceros. Con las atmósferas ALNAT P y ALNAT I trabajará con la cinética de reacción adecuada para obtener piezas más resistentes y con menor dispersión, que las que obtendría con cualquier otra alternativa.
  • 24. 2-24 El sinterizado láser puede convertirse en la llave que abra las puertas de la fabricación a medida, conocida también como e-manufacturing o producción electrónica.
  • 25. 2-25 2.2 Procesos de Manufactura con Arranque de Virutas 2.2.1 Procesos de Mecanizado Torneado Movimiento fundamental de corte: -rotativo (pieza) Movimiento fundamental de avance: -rectilíneo (generalmente herramienta) Cilindrado Roscado Tronzado y Ranurado Partes Principales de un Torno Cabezal: proporciona el par necesario para: -hacer girar la pieza -producir el corte Bancada: posee guías paralelas al eje de giro de la pieza Carros: -carro longitudinal: se desplaza sobre las guías de la bancada -carro transversal: sobre el anterior, soporta la torreta portaherramientas
  • 26. 2-26 Torneado Exterior 1. Cilindrado 2. Refrentado 3. Copiado -Hacia fuera -Hacia dentro 4. Cortes perfilados 5. Roscado 6. Tronzado Torneado Interior (Mandrinado) 1. Cilindrado 2. Refrentado / Copiado 3. Perfilados 4. Roscado Modos de sujeción de las piezas en el torneado Modo 1: sujeción al aire -La pieza se sujeta por uno de sus extremos -El mismo plato que la sujeta le transmite el movimiento de giro -Válido para piezas no esbeltas -La pieza se representa como una viga simplemente empotrada Modo 2: sujeción entre plato y punto -La pieza se sujeta por uno de sus extremos y por el otro se encuentra apoyada en un punto -El plato es quien transmite el movimiento de giro -Válido para piezas semi-esbeltas -La pieza se representa como una viga empotrada y apoyada
  • 27. 2-27 Modo 3: sujeción entre puntos -La pieza se apoya en puntos de sus dos extremos -El movimiento de arrastre se comunica por un punto intermedio (mordazas, uñas) -Válido para piezas semi-esbeltas -La pieza se representa como una viga doblemente apoyada Tipos de Tornos Torno paralelo -Torno básico, económico -Pequeñas series -No pueden trabajar simultáneamente varias herramientas
  • 28. 2-28 Torno de copiar -Reproduce una plantilla -Palpador + servomecanismos -Clasificación en función de los servomecanismos Torno revolver -Semiautomático -Permite a varias herramientas trabajar simultáneamente -Grandes series Torno vertical -Eje de rotación vertical -Para piezas de gran diámetro y poca altura -Hasta 20m de diámetro
  • 29. 2-29 2.2.2 Taladrado Taladrado Corto Taladrado Profundo Brocas con plaquitas intercambiables Brocas integrales de metal duro y soldadas
  • 30. 2-30 2.2.3 Fresado Planeado Fresado en escuadra Fresado de ranuras
  • 31. 2-31 Fresado de Perfiles 2.2.4 Herramientas para Mandrinar Herramientas para desbaste Para agrandar y/o preparar un agujero para una operación posterior, Ej.: mandrinado en acabado.
  • 32. 2-32 Herramientas para acabado Para mecanizar un agujero con tolerancias y acabado superficial específicos, Ej.: H7 y Rt 6.3.. Herramientas silenciosas Herramientas de mandrinar para desbaste 1. Desbaste pesado con cartuchos y correderas de extensión ajustables 2. Herramienta para mandrinar de un sólo filo con una plaquita (Duobore) 3. Herramienta gemela para mandrinar con dos plaquitas (Duobore) 4. Antivibratoria para agujeros más profundos (Duobore) 5. Doble filo con acoplamiento Varilock
  • 33. 2-33 Herramientas de mandrinar para acabado 1. Cabeza para mandrinado de precisión un sólo filo con cartucho montado en corredera ajustable 2. Cabeza para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho 3. Cabeza para mandrinado de un sólo filo con herramientas de mango redondo para diámetros pequeños 4. Cabeza para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho y corredera ajustable montada en una bara concéntrica 5. Cabeza para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho y corredera ajustable montada en una barra 6. Barra antivibratoria para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho para agujeros más profundos
  • 34. 2-34 2.2.5 Limadora Limadora Vertical / Máquina de Ranurar
  • 35. 2-35 2.2.6 Cepilladora / Cepillo Mecánico 2.2.7 Máquinas Rectificadoras Rectificadora de Bielas a Cuchilla:
  • 36. 2-36 Rectificadora Cilíndrica sin Centros: Rectificadora Cilíndrica Entre Puntos:
  • 38. 2-38 2.3 Herramientas de corte y consideraciones generales 2.3.1 Materiales y Nomenclatura de las herramientas de corte 2.3.1.1 Materiales de las herramientas de corte Las herramientas de corte deben poseer ciertas características específicas, entre las que se destacan: resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, resistencia al desgaste y resistencia a la temperatura (porque en un proceso de mecanizado con herramientas tradicionales tºherramienta > tºpieza > tºviruta ; con herramientas más avanzadas se logra concentrar el aumento de temperatura en la viruta). La selección de la herramienta de corte va a depender de la operación de corte a realizar, el material de la pieza, las propiedades de la máquina, la terminación superficial que se desee, etc. Para cumplir con cada uno de estos requerimientos han surgido herramientas formadas por diferentes aleaciones. Los materiales para las herramientas de corte incluyen aceros al carbono, aceros de mediana aleación, aceros de alta velocidad, aleaciones fundidas, carburos cementados, cerámicas u óxidos y diamantes. Para conocer las aleaciones de aceros para herramientas hay que saber las funciones que cumplen cada uno de los elementos que forman la aleación. El resumen de estas características se entrega en el cuadro 2.1. Los elementos se agregan para obtener una mayor dureza y resistencia al desgaste, mayor tenacidad al impacto, mayor dureza en caliente en el acero, y una reducción en la distorsión y pandeo durante el templado. Elemento Cantidad Propiedades Carbono, C 0,6 % - 1,4 % - Forma carburos con el hierro. - Aumenta la dureza. - Aumenta la resistencia mecánica. - Aumenta la resistencia al desgaste. Cromo, Cr 0,25 % - 4,5 % - Aumenta la resistencia al desgaste. - Aumenta la tenacidad. Cobalto, Co 5 % - 12 % - Se emplea en aceros de alta velocidad. - Aumenta la dureza en caliente. - Permite velocidades y temperaturas de operación más altas manteniendo la dureza y los filos. Molibdeno, Mo hasta 10 % - Elemento fuerte para formar carburos. - Aumenta la resistencia mecánica. - Aumenta la resistencia al desgaste. - Aumenta la dureza en caliente. - Siempre se utiliza junto a otros elementos de aleación Tungsteno, W 1,25 % - 20 % - Mejora la dureza en caliente. - Aumenta la resistencia mecánica. Vanadio, V Aceros al Carbono 0,20 % - 0,5 % Aceros Alta Veloc. 1 % - 5 % - Aumenta la dureza en caliente. - Aumenta la resistencia a la abrasión. Cuadro 2.1
  • 39. 2-39 En las herramientas de corte existen varias familias dependiendo del material que se componen, cada una tiene ciertas características de resistencia y puede realizar mejor alguna operación de corte, ver cuadro 2.2. Cuadro 2.2 Herramienta Características Utilización Aceros al Carbono • Son el tipo de acero más antiguo en herramientas de corte. • Son muy baratos. • Tienen buena resistencia al impacto. • Se pueden someter fácilmente a tratamientos térmicos como el templado, lográndose un amplio rango de durezas. • Se forman y rectifican con facilidad. • Mantienen su borde filoso cuando no están sometidos a abrasión intensa o a altas temperaturas. • Han sido sustituidos por otros materiales. • Brocas que trabajan a velocidades relativamente bajas. • Machuelos. • Escariadores y brochas. Aceros de Alta Velocidad • Son el grupo con mayor contenido de aleaciones de los aceros. • Conservan la dureza, resistencia mecánica y filo de los aceros. • Empleando los equipos adecuados pueden ser templadas por completo con poco riesgo de distorsión o agrietamiento. • Se templan al aceite. • Taladrar. • Escariar. • Fresar. • Brochar. • Machuelar. • Máquinas para fabricar tornillos. Aleaciones Fundidas • Mantienen su elevada dureza a altas temperaturas. • Tienen buena resistencia al desgaste. • No se necesitan fluidos de corte. • Se recomiendan para operaciones de desbaste profundo con velocidades y avances relativamente altos • Sólo se emplean para obtener un acabado superficial especial. Carburos Cementados * Carburo de Tungsteno Aglutinado con Cobalto Carburo de Tungsteno Aglutinado con • Tienen carburos metálicos. • Se fabrican con técnicas de metalurgia de polvos. • Tienen alta dureza en un amplio rango de temperaturas. • Elevado módulo elástico, dos o tres veces el del acero. • No representan flujo plástico. • Baja expansión térmica. • Alta conductividad térmica. • Se emplean como insertos o puntas que se sueldan o sujetan a un vástago de acero. Se encuentran en diferentes formas, circulares, triangulares, cuadrados y otras formas. • Se emplean para mecanizar hierros fundidos y metales abrasivos no ferrosos. • Mecanizar aceros.
  • 40. 2-40 Cobalto + Solución Sólida de WC-TiC- TaC-NbC Carburo de Titanio con Aglutinante de Níquel y Molibdeno W: Tungsteno C: Carbono Ti: Titanio Ta: Tantalio Nb: Niobio • Opera a altas temperaturas debido a las altas velocidades de corte. • Trabaja piezas de materiales con alta resistencia mecánica. • Cortar. Carburos Revestidos • Son insertos normales de carburo revestidos con una capa delgada de carburo de titanio, nitruro de titanio u óxido de aluminio. • Con el revestimiento se obtiene una resistencia superior al desgaste, a la vez que se mantiene la resistencia mecánica y la tenacidad. • No se necesitan fluidos de corte, si se aplica debe ser en forma continua y en grandes cantidades, para evitar calentamiento y templado. • Los avances suaves, las bajas velocidades y el traqueteo son dañinos. • Se utilizan en máquinas de herramientas rígidas, de mayor velocidad y más potentes. Cerámicas u Oxidos • Se constituyen de granos finos de aluminio ligados entre sí. Con adiciones de otros elementos se logran propiedades óptimas. • Resistencia muy alta a la abrasión. • Son más duras que los carburos cementados. • Tienen menor o nula tendencia a soldarse con los metales durante el corte. • Carecen de resistencia al impacto. • Puede ocurrir una falla prematura por desportilladura o rotura. • Son eficaces para operaciones de torneado ininterrumpido a alta velocidad. Diamantes Policristalinos • Tienen dureza extrema. • Baja expansión térmica. • Alta conductividad térmica. • Coeficiente de fricción muy bajo. • Se liga a un sustrato de carburo. • Son empleados cuando se requiere un buen acabado superficial, en particular en materiales blandos y no ferrosos, difíciles de mecanizar. • Se emplea como abrasivo en operaciones de rectificado. CBN Nitruro Cúbico de Boro Cúbico • Es el material más duro que hay en la actualidad. • Se liga a un sustrato de carburo. • La capa de CBN produce una gran resistencia al desgaste. • Gran resistencia mecánica de los bordes. • Es químicamente inerte al hierro y al níquel a altas temperaturas. • Es adecuado para trabajar aleaciones de altas temperaturas y diversas aleaciones ferrosas. • Se emplea como abrasivo en operaciones de rectificado. * : A los carburos cementados se le asigna Grado C-1, Grado C-2, etc. Los grados 1 a 4 se recomiendan para mecanizar hierro fundido, materiales no ferrosos y no metálicos; los grados 5 a 8 son para mecanizar aceros y sus aleaciones. Los grados 1 y 5 son para desbastar, los 2 y 6 son para uso general, 3 y 7 son para acabado, y 4 y 8 son para acabado de precisión. Existen también otros grados para diversas aplicaciones y según lo riguroso de la operación de mecanizado.
  • 41. 2-41 El siguiente cuadro muestra como difieren las propiedades de los distintos tipos de herramientas. Cuadro 2.3 Aceros al carbono Aceros alta velocidad Aleaciones de cobalto Carburos cementados Carburos revestidos Cerámicas Nitruro de boro cúbico Diamante Dureza en caliente - - - Aumentando - - - → Tenacidad - - - Disminuyendo - - - → Resistencia al impacto - - - Disminuyendo - - - → Resistencia al desgaste - - - Aumentando - - - → Resistencia a melladura - - - Disminuyendo - - - → Velocidad de corte - - - Aumentando - - - → Resistencia a cambios tº - - - Disminuyendo - - - → Costo - - - Aumentando - - - → Profundidad de corte Baja a media Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Muy baja Acabado esperable Regular Regular Regular Bueno Bueno Muy bueno Muy bueno Excelente 2.3.1.2 Nomenclatura de herramientas de corte Existen diversos tipos de herramientas de corte, entre las que se destacan las monofilo, las multifilo y las abrasivas. Las herramientas monofilo se usan en las operaciones principales de torneado, las multifilo se usan en operaciones de fresado y taladrado, y las abrasivas en procesos de rectificado. Las herramientas de corte monofilo (un filo) estructuralmente constan de dos partes, una cortante (o elemento productor de viruta) y otra denominada cuerpo. Se encuentran normalmente en tornos, tornos revólver, cepillos, limadoras, mandrinadoras y máquinas herramientas semejantes. Fig. 2.1
  • 42. 2-42 En la figura 2.1 se observan las partes más importantes de una herramienta monofilo donde se pueden destacar : • La cara, que es la superficie o superficies sobre las cuales fluye la viruta (superficie de desprendimiento). • El flanco, que es la superficie de la herramienta frente a la cual pasa la superficie generada en la pieza (superficie de incidencia). • El filo es la parte que realiza el corte, siendo el filo principal la parte que ataca directamente a la pieza y el filo secundario la parte restante. • La punta de la herramienta es el lugar donde se intersectan el filo principal y secundario. En general, la herramienta tiene dos componentes de movimiento. La primera corresponde al movimiento derivado del movimiento principal de la máquina, y la segunda está relacionada con el avance de la herramienta. El movimiento resultante corresponde al movimiento resultante de corte, y el corte, como tal, se produce por un movimiento relativo entre la herramienta y la pieza. El movimiento principal es el que consume una mayor cantidad de energía, y corresponde normalmente al que mueve al husillo. El movimiento de avance ocupa menos energía y puede ser un movimiento continuo o alternado. Fig. 2.2 El ángulo entre la dirección del movimiento de corte principal y el movimiento resultante se llama ángulo de la velocidad de corte resultante (η). Debe destacarse que, como habitualmente el avance es relativamente pequeño en comparación con el movimiento principal, el ángulo de corte resultante se considera cero.
  • 43. 2-43 Otro punto importante de tener presente es que no en todas las operaciones de mecanizado la velocidad de corte es constante, pues por ejemplo, en el refrentado, la velocidad de corte es función del radio de la pieza. La velocidad de corte resultante ve , que es la velocidad instantánea relativa entre el filo de la herramienta y la pieza, está dada por: ve = v · cos(η) (2.1) Pero como para la mayoría de los procesos de mecanizado η es muy pequeño, generalmente se considera v ve = (2.2) Fig. 2.3 Finalmente, otro de los ángulos importantes cuando se considera la geometría de una operación de mecanizado es el llamado ángulo del filo principal de la herramienta, kr. El espesor de la capa de material que está siendo removido por un filo en un punto seleccionado, conocido como espesor de la viruta no deformada ac, afecta significativamente la potencia requerida para realizar la operación. Esta dimensión debe ser medida en un plano normal a la dirección de corte resultante pasando por el filo. Adicionalmente, como η es pequeño, ac puede medirse normal a la dirección del movimiento principal. Analizando la figura 2.3 se tiene: a a kc f r= ⋅sen( ) (2.3) donde af es el encaje de avance, es decir, el encaje instantáneo de la herramienta en la pieza. Los datos anteriormente explicados, si bien se remiten al caso particular de las herramientas monofilo, se amplían a los otros casos, como se detallará más adelante en otros capítulos.
  • 44. 2-44 2.3.2 Fluidos de corte y formación de la viruta 2.3.2.1 Consideraciones sobre los ejes coordenados Para efectos de mantener un ordenado uso de los ejes coordenados en lo que sigue, se observará una serie de convenciones, las cuales se detallan a continuación: • Se definen como ejes para la máquina y sus rotaciones X, Y y Z, A, B y C. Para las rotaciones en particular se observará la regla de la mano derecha para el sentido positivo de éstas. • Se definen como ejes para la herramienta y sus rotaciones X’, Y’ y Z’, A’, B’ y C’. • En cualquier máquina se definirá primero el eje Z, y éste irá paralelo al eje de rotación del husillo. • Si la máquina no tiene husillo, el eje Z se define perpendicular a la superficie en que se trabaja. • El sentido del eje Z es positivo cuando la herramienta se aleja de la pieza. • El eje X se define horizontal (cuando se pueda), por ejemplo, en el torno es radial. • En las máquinas sin husillo el eje X es paralelo a la dirección principal de movimiento. • Si gira la herramienta, y el eje Z es horizontal, el eje X es horizontal también. • El sentido del eje X se define positivo cuando la herramienta se aleja del eje de rotación. • Finalmente, el eje Y se impone manteniendo el orden conocido de los tres primeros dedos de la mano derecha. 2.3.2.2 Fluidos de corte Los fluidos de corte son líquidos que se utilizan durante el mecanizado, aplicándose en la zona de formación de viruta, para mejorar las condiciones de corte en comparación con un corte en seco. Estas mejoras van en pos de enfriar la herramienta, la pieza y la viruta, lubricar y reducir la fricción, minimizar la posibilidad de crear cantos indeseables en la herramienta, arrasar con la viruta y proteger la pieza de la corrosión. Los hay de tres tipos: • Enfriadores y lubricantes, sobre una base de petróleo mineral • Aceite y agua, que enfrían por tener una gran capacidad de transferir calor • Aceites puros, que lubrican solamente, para mecanizados de baja velocidad Ventajas de los enfriadores 1. Aumentan la vida de la herramienta bajando la temperatura en la región del filo principal 2. Facilitan el manejo de la pieza terminada 3. Disminuyen la distorsión térmica causada por los gradientes de temperatura producidos durante el mecanizado 4. Realizan una labor de limpieza por arrastre, al ayudar a remover las virutas de la región de corte.
  • 45. 2-45 Las ventajas 2 y 3 se manifiestan más claramente al realizar operaciones con muelas abrasivas. Ventajas de los lubricantes Disminuyen la resistencia friccional al movimiento, aminorando el consumo de potencia, alargando la vida de la herramienta y mejorando la calidad superficial del acabado 1. Tienen un ingrediente reactivo que forma un compuesto de baja resistencia al corte, el cual actúa como un lubricante en los bordes 2. Son suficientemente estables como para mantener sus propiedades bajo las condiciones de temperatura y presión existentes en la interfase viruta-herramienta Sin embargo, la efectividad de todos los lubricantes para corte disminuye a medida que aumenta la velocidad de corte. 2.3.2.2.1 Aplicación de fluidos de corte La forma en que se aplique un fluido de corte tiene una influencia considerable en la vida de la herramienta, así como en la operación de mecanizado en general. A pesar de que existen equipos muy complejos y efectivos para dosificar los fluidos en la zona del corte, estos no son necesarios para lograr buenos resultados. Incluso el mejor fluido de corte puede no cumplir su función con éxito si no es distribuido correctamente en la zona del corte. La idea es que el fluido forme una película sobre las superficies en roce, díganse la pieza y la herramienta (figura 2.4). Es preferible que el fluido llegue en forma continua a la pieza antes de que llegue de manera intermitente, pues de esta última manera pueden producirse ciclos de temperatura letales para la microestructura tanto de la pieza como de la herramienta. Fig. 2.4
  • 46. 2-46 Una buena aplicación de fluido de corte permite además una adecuada remoción de viruta, lo cual ayuda a alargar la vida de la herramienta. Existen diversas maneras de aplicar el fluido de corte (figura 2.5), sin embargo se destacarán tres: • Manual: Se aplica el fluido con una brocha, lo que produce una aplicación intermitente, con una baja remoción de viruta y un limitado acceso a la zona de corte. • Automática de chorro continuo (o por goteo): Se trata de una boquilla apuntada a la herramienta que chorrea constantemente a baja presión el fluido. Logra una buena penetración a nivel de herramienta y pieza. • Niebla (pulverizador): Se aplica un rocío constante con aire comprimido sobre el área de corte. Presenta un riesgo a la salud si no se toman las medidas de seguridad correspondientes, ante la eventual inhalación de gotitas aceitosas. Fig. 2.5
  • 47. 2-47 2.3.2.3 Formación de la viruta El tipo de viruta producida durante el corte de metales depende del material que se esté mecanizando y de las condiciones de corte utilizadas. Sin embargo, existen tres tipos básicos de formación de virutas que se encuentran en la práctica: la viruta continua, la viruta continua con recrecimiento del filo y la viruta discontinua. La figura 2.6 muestra la formación de viruta continua. Este tipo de viruta es común cuando se mecanizan la mayoría de los materiales dúctiles, tales como hierro forjado, acero suave, cobre y aluminio. Puede decirse que el corte bajo estas condiciones es un proceso estable, pues es básicamente un cizallamiento del material de trabajo con el consecuente deslizamiento de la viruta sobre la cara de la herramienta de corte. La formación de la viruta tiene lugar en la zona que se extiende desde el filo de la herramienta hasta la unión entre las superficies de la pieza; esta zona se conoce como la zona de deformación primaria. Para deformar el material de esta manera, las fuerzas que se transmiten a la viruta en la interfase existente entre ella y la cara de la herramienta son suficientes para deformar las capas inferiores de la viruta a medida que ella se desliza sobre la cara de la herramienta (zona de deformación secundaria). A pesar de que generalmente con esta viruta se logra un buen acabado superficial, especialmente en máquinas automáticas, existe un grave peligro, cual es la posibilidad de que la viruta se enganche ya sea con el portaherramientas, la ropa del operador o incluso con la misma pieza. Esto se puede remediar usando “quebradores de viruta” en conjunto con las herramientas. Fig. 2.6 Fig. 2.7 La figura 2.7 muestra la formación de viruta continua con recrecimiento del filo. Bajo ciertas condiciones, la fricción entre la viruta y la herramienta es suficientemente grande para que la viruta se suelde a la cara de la herramienta. La presencia de este material soldado aumenta aún más la fricción, y este aumento induce el autosoldado de una mayor cantidad de material de la viruta. El material apilado restante es conocido como filo recrecido. A menudo el filo recrecido continúa aumentando hasta que se aparta a causa de
  • 48. 2-48 su inestabilidad. Los pedazos son entonces arrastrados por la viruta y por la superficie generada en la pieza. La figura muestra una superficie rugosa obtenida en estas condiciones. El recrecimiento del filo es uno de los principales factores que afectan el acabado superficial y puede tener una influencia considerable en el desgaste de las herramientas. Sin embargo, a pesar de ser generalmente indeseable, una capa delgada y estable de filo recrecido puede llegar a proteger y alargar la vida de una herramienta. Fig. 2.8 La figura 2.8 muestra la formación de viruta discontinua. Durante la formación de la viruta, el material es sometido a grandes deformaciones, y si es frágil, se fracturará en la zona de deformación primaria cuando la formación de viruta es incipiente, segmentándose. Esta segmentación puede presentarse como serrucho o definitivamente discontinua. Se producen virutas discontinuas siempre que se mecanicen materiales tales como hierro fundido o bronce fundido, pero también pueden producirse cuando se mecanizan materiales dúctiles a muy baja velocidad y avances grandes. Debido a la naturaleza discontinua de esta viruta, las fuerzas varían contínuamente durante el corte. Consecuentemente, la rigidez del portaherramienta y otros elementos debe ser suficiente, de lo contrario la máquina herramienta comenzará a vibrar, lo cual afecta adversamente la terminación superficial y la exactitud dimensional de la pieza. Además pueden existir daños o acortarse la vida útil de las herramientas. Gran parte de lo anteriormente discutido para metales se aplica también a materiales no metálicos. Se pueden obtener diversas virutas al cortar termoplásticos, dependiendo del tipo de polímero y los parámetros del proceso, dígase profundidad de corte, geometría de la herramienta y velocidad de corte. Debido a su naturaleza, los plásticos y cerámicas en su mayoría producirán viruta discontinua.
  • 49. 2-49 2.4 Operaciones de mecanizado Las operaciones de mecanizado se pueden subdividir en dos grandes grupos: 1. Mecanizado sin arranque de viruta. 2. Mecanizado con arranque de viruta. Algunos ejemplos de estas operaciones se enuncian a continuación: Mecanizado sin arranque de viruta: • Sinterización. • Laminación. • Estampado. • Trefilado. • Fundición. • Extrusión. • Forja. • Doblado. • Embutido. Mecanizado con arranque de viruta: • Torneado. • Taladrado. • Escariado. • Mandrinado. • Limado. • Cepillado. • Fresado. • Aserrado. • Rectificado. • Bruñido. • Electroerosión. Existen tres factores primarios que deben ser definidos en cualquier operación básica de mecanizado, éstos son: velocidad, avance y profundidad de corte. Otros factores como el tipo de material y el tipo de herramienta tienen bastante importancia, pero los tres primeros son los que el operador puede ajustar independientemente de los demás. Velocidad: se refiere a la velocidad de rotación del husillo de la máquina para el mecanizado. Está expresada en revoluciones por unidad de tiempo (RPM). Cada diámetro de trabajo nos entregará una velocidad de corte distinta, aunque la velocidad de rotación permanezca constante, y es por esto que debe tenerse especial precaución al decidirla. Avance: se refiere a la herramienta de corte, y se expresa como la razón de la distancia longitudinal recorrida por la herramienta por revolución del husillo (mm/rev).
  • 50. 2-50 Profundidad de Corte: llamado también encaje axial, se refiere al espesor, ∆diámetro o ∆radio (según esté convenido) que es removido en la operación de mecanizado. Esta es una magnitud transversal, por lo que se expresará en milímetros o en otra unidad de longitud. 2.4.1 Operaciones con herramientas monofilo A continuación se enuncian una serie de procesos de mecanizado con herramientas monofilo, éstos se desarrollan básicamente en un Torno. En cada caso se hará un análisis de los tiempos de mecanizado necesarios, potencia necesaria para cada proceso, entre otros. Operaciones en el Torno La figura 2.9 muestra un torno horizontal convencional. Fig. 2.9 Las operaciones de mecanizado en un torno se realizan principalmente con las herramientas enumeradas a continuación. En la siguiente figura se muestran distintas herramientas monofilo, siendo todas del tipo pastilla.
  • 51. 2-51 Fig. 2.10 Para fijar la herramienta al torno se utiliza un porta-herramientas, éste varía según la operación a realizar, pero es común ver porta-herramientas que con pequeñas variantes logren distintas operaciones. Distintos porta-herramientas se muestran en la figura 2.11. Fig. 2.11
  • 52. 2-52 2.4.1.1 Cilindrado Tal como su nombre lo indica, ésta es una operación de mecanizado que produce partes cilíndricas. Tiene por objeto lograr una superficie cilíndrica de menor diámetro que la original. En forma básica, esta operación puede ser definida como el mecanizado de una superficie externa, que es realizada: - con la pieza rotando - con una herramienta de corte monofilo, y - con la herramienta de corte paralela al eje de la pieza y a una distancia que removerá la superficie externa de la pieza. Todo lo anterior se ilustra en la figura 2.12. Fig. 2.12 Como se muestra en la figura 2.12, en todo proceso de mecanizado podemos identificar tres superficies: Superficie de trabajo: superficie que va a ser removida en el mecanizado. Superficie mecanizada: superficie producida por la herramienta. Superficie de transición: la parte de la superficie formada en la pieza por el filo y que será removida en la siguiente carrera o revolución. Para el cilindrado exterior, los cálculos teóricos del mecanizado son los siguientes: El encaje axial se define como: [ ]mm 2 d-d =a mw p (2.4) donde dw es el diámetro de trabajo y dm es el diámetro de mecanizado.
  • 53. 2-53 La velocidad de corte de la punta de la herramienta está dada por:     ××= min2 d+d mw mm nV wavm π (2.5) donde nw es la velocidad de rotación del husillo. El material removido por unidad de tiempo es el producto de la velocidad de corte y la sección (área) de la viruta sin cortar,       ×= min 3 mm VAZ avmcw (2.6) Ac es el área de la superficie sacada, y se calcula como la multiplicación del avance f, medido en milímetros por revolución, y el encaje axial: Ac = f * ap Por lo tanto, ( )       +××××= min 3 mm adnafZ pmwpw π (2.7) este cálculo se puede visualizar en la siguiente figura: Fig. 2.13 Cilindrado El tiempo de mecanizado es: [ ]min nf L w w × =mt (2.8) donde Lw es el largo de mecanizado. Conociendo esto podemos conocer la cantidad de material total removida en la operación de mecanizado, la cual es: [ ]3 mmtZZ mwtotal ×= (2.9)
  • 54. 2-54 Reemplazando (2.7) y (2.8), [ ]3 2 m 2 ww mm 4 )d-d(L ×× = π totalZ (2.10) El espesor de viruta no deformada está definido por la multiplicación del encaje de avance y el seno del ángulo formado por el filo principal y la pieza. En el caso de herramientas monofilo, el encaje de avance es igual al avance, f: ( )rc ksenfa ×= (2.11) Para las condiciones anteriormente descritas debemos calcular la potencia necesaria para realizar la operación de mecanizado, cuyo valor está dado por la siguiente ecuación: [ ]W Zp P ws w 60 ⋅ = (2.12) donde ps es la energía requerida para remover un volumen unitario de material, ésta es obtenida del gráfico 2.1 que se adjunta, considerando el espesor medio de la viruta no deformada, ac , y el material que está siendo maquinado. Gráfico 2.1
  • 55. 2-55 Todo lo anteriormente descrito corresponde a un cilindrado exterior, pero se puede extender en forma análoga a cilindrados interiores (figura 2.14). Éstos consisten en mecanizar el agujero interior de una pieza cilíndrica mediante procesos similares a los descritos en el cilindrado exterior. Se utiliza, sin embargo, una herramienta y un porta- herramientas distinto. Fig. 2.14 Cilindrado Interior Para el cilindrado interior las fórmulas son básicamente las mismas, cambiando solamente la del material removido por unidad de tiempo, la cual queda como sigue: ( )       −××××= min 3 mm adnafZ pmwpw π (2.13) 2.4.1.2 Refrentado Este proceso consiste en mecanizar una de las caras de la pieza cilíndrica para dejarla perfectamente plana. Esto se realiza moviendo la herramienta en dirección normal al eje de rotación de la pieza. Con respecto a la herramienta de corte, cabe hacer mención que en este proceso se coloca con un cierto ángulo con respecto al eje de la pieza, ocupándose la misma herramienta usada para el cilindrado. Debe tenerse precaución para evitar romper la herramienta en caso de pasarse del centro del diámetro del cilindro, puesto que en esa mitad el cilindro gira en sentido contrario y puede agarrar la herramienta por detrás, causándole un daño irreparable. Para el proceso de refrentado, la velocidad de corte con que se realizan los cálculos numéricos se determina respecto al diámetro inicial de la pieza a mecanizar, ya que el diámetro de trabajo varía en cada instante (figura 2.10).
  • 56. 2-56 El tiempo de mecanizado en el refrentado es: [ ]min nf2 d w m ×× =mt (2.14) La velocidad máxima de corte y la cantidad máxima de material removido por unidad de tiempo son:     ××= min max mm dnV mwπ (2.15)       ××××=×= min 3 maxmax mm dnafVAZ mwpc π (2.16) La cantidad total de material removido es: [ ]3 2 mp 4 da mmZtotal ×× = π (2.17) Finalmente, la potencia máxima necesaria para el refrentado se expresa como: [ ]W Zp P s 60 max max × = (2.18) En la figura 2.15 se muestra una operación de refrentado. Fig. 2.15 Refrentado
  • 57. 2-57 2.4.1.3 Tronzado Este proceso consiste en hacer un canal en un cilindro, el cual puede llegar a cortar la pieza de trabajo en dos partes (figura 2.16). Este proceso se realiza con una herramienta más delgada y débil que la que se usa para el cilindrado, por lo que su manipulación requiere de especial cuidado. En los tornos convencionales este proceso se realiza manualmente, por lo que variables como el tiempo de mecanizado no son calculables en forma directa Fig. 2.16 Tronzado 2.4.1.4 Roscado Este es un proceso en el cual se le da forma de rosca a una pieza cilíndrica. Existen muchos métodos para producir roscas, pero el torno fue el primero en implementarlo, y sigue siendo el más versátil y simple (figura 2.17). Fig. 2.17
  • 58. 2-58 2.4.2 Operaciones con herramientas multifilo 2.4.2.1 Taladrado: Este proceso consiste en generar una superficie cilíndrica interior (agujero), por medio del uso de brocas en espiral. La herramienta acostumbra tener dos filos y cada uno de ellos corta la mitad del material al dar un giro. La velocidad de corte es máxima en el borde exterior del filo principal y cero en la punta de la broca, la cual tiene forma de un filo de cincel corto. Este último, al taladrar, fuerza al material hacia los lados para ser removido por los filos. La calidad del orificio producido es principalmente determinada por las condiciones de los filos secundarios, siendo poco afectada por el estado de la punta. Hay que mencionar que la viruta formada por los filos toma una forma helicoidal y sale a través de las ranuras de la broca. En la figura 2.18 se muestra la punta de una broca. Fig. 2.18 De acuerdo a la figura 2.18, y existiendo dos filos, se tiene que: ( ) [ ]mmksena rc ×= 2 f (2.19) El tiempo de mecanizado será: [ ]min nf L w w × =mt (2.20) El material removido por unidad de tiempo es:       ×× × = min nf 4 d 3 w 2 mm Zw π (2.21) al hacer un agujero de diámetro d.
  • 59. 2-59 Finalmente, tenemos       ×× × = min nf 4 )d-d( 3 w 2 i 2 e mm Zw π (2.22) para agrandar un agujero de diámetro original di a un diámetro final de. 2.4.2.2 Fresado Este proceso consiste en arrancar material de una pieza haciéndola pasar por una herramienta multifilo (varios dientes). A diferencia del mecanizado en un torno, en la fresa se mueve la pieza a mecanizar (en el torno la herramienta) y la herramienta permanece fija rotando. Toda herramienta para fresado queda definida por tres parámetros, según la nomenclatura A * B * C, donde A es el diámetro, B es el ancho y C es el número de dientes. En la figura 2.19 se muestran algunas herramientas para el mecanizado en una fresa: Fig. 2.19
  • 60. 2-60 El fresado se puede clasificar según la posición de la herramienta respecto del material de trabajo en: a.- Fresado horizontal: la superficie fresada es generada por los dientes localizados en la periferia del cuerpo cortante (herramienta). El eje de rotación de la herramienta está en un plano paralelo al de la superficie de la pieza de trabajo. b.- Fresado vertical: la herramienta es montada en un husillo, cuyo eje es perpendicular a la superficie de la pieza de trabajo. Aquí la herramienta corta solo con una parte de sus dientes. c.- Fresado superficial: es confundible con el fresado vertical, pero se diferencia en que la superficie de la herramienta en contacto con el material no es plana (fresado vertical), sino que tiene filo con formas diversas. Todos estos procesos se muestran en la figura 2.20. Fig. 2.20 2.4.2.2.1 Fresado Horizontal Este proceso será en el que más profundizaremos en fresado, considerando que los otros tipos de fresado se analizan en forma análoga. Así, los resultados obtenidos en el fresado horizontal serán ilustrativos del fresado vertical y superficial. Todo proceso de fresado puede clasificarse según el sentido de rotación de la herramienta respecto del avance de la pieza a mecanizar (figuras 2.21 y 2.22).
  • 61. 2-61 Rotación a favor del avance Fig. 2.21 Rotación en contra del avance Fig. 2.22 En el caso de rotación a favor del avance se obtiene una mejor calidad superficial, pero la herramienta suele montarse sobre la pieza, con lo que se rompe. Además, se requiere menor potencia y existe mayor rigidez. En la rotación en contra se obtiene una superficie de menor calidad, pero la herramienta asegura una mayor duración. El sentido de rotación dependerá de las características del material a mecanizar. En el caso de un material blando, a favor del avance, y si es un material duro, en contra del avance. En la práctica se usa principalmente el sentido de rotación en contra del avance. Algunas operaciones de fresado horizontal se muestran a continuación en la figura 2.23.
  • 62. 2-62 Fig. 2.23 Para el fresado horizontal, el avance está dado por:       = rev mm n V w f f (2.23) donde Vf es la velocidad de avance de la pieza. El encaje de avance se define como el avance por diente de la fresa:         = diente rev mm af N f (2.24) con N igual al número de dientes de la herramienta. Para el fresado horizontal tenemos la situación que se ve en la siguiente figura. Fig. 2.24 El espesor máximo de viruta no deformada está dado por: )(sen N f = nN )(senV w f max θ θ × × × =ca (2.25) y 2 maxc cav a a = (2.26)
  • 63. 2-63 De la figura 2.24, ( )cos = 1- 2 * a d e t θ (2.27) donde ae es el encaje axial y dt el diámetro exterior de la fresa. Entonces, ( ) 2 t e t e d a d a 2=sen       −×θ (2.28) Y reemplazando (2.28) en (2.25), 2 t e t e w f maxc d a d a nN V2 =a       −× × × (2.29) Reordenando (2.29),         ×× × × t e t e w f maxc d a -1 d a nN V2 =a Y, si a de t〈 〈 , t e w f maxc d a nN V2 =a × × × (2.30) El tiempo de mecanizado está dado por: [ ]min V L+L+L f 1ow =mt (2.31) donde ( )eteo a-da=L × y L1 ≥ d 2 t Esta última es la distancia que debe ser retirada la herramienta para poder sacar la pieza. Estas dos dimensiones representan el punto en que comienza y termina el contacto entre la herramienta y la pieza, tal como se ilustra en la figura 2.25.
  • 64. 2-64 Fig. 2.25 El material removido por unidad de tiempo es:       ××= min 3 mm VbaZ fwew (2.32) siendo bw el ancho de mecanizado, el cual es el mínimo entre el ancho de la herramienta y el ancho de la pieza. Para las condiciones anteriormente descritas podemos calcular la potencia necesaria para realizar la operación de mecanizado, cuyo valor está dado por la siguiente ecuación: [ ]W Zp P ws w 60 × = (2.33) 2.4.2.2.2 Fresado Vertical En este caso, el espesor máximo de viruta no deformada será: w f max nN V × =ca (2.34) El tiempo de mecanizado está dado por [ ]min V d+L f tw =mt (2.35) o por ( ) [ ]min V a-da2+L f etew ×× =mt (2.36) dependiendo de si el eje de rotación de la herramienta pasa (1) o no pasa (2) por sobre la pieza. Esto se ilustra en la figura 2.26, mirado desde arriba.
  • 65. 2-65 Fig. 2.26 2.4.2.3 Muelas Abrasivas Las muelas abrasivas se usan en máquinas llamadas rectificadoras, las cuales generalmente son usadas para terminación, en rectificados planos o cilíndricos. Un ejemplo conocido es el llamado esmeril. Todas las muelas abrasivas poseen un husillo, que gira a gran velocidad, en donde se monta la muela. Esta muela abrasiva generalmente tiene forma cilíndrica, y está compuesta por material cortante (granos) y un aglutinante. El material de corte puede ser óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), carburo de titanio o nitrato cúbico de boro, y como aglutinantes se pueden usar resinas sintéticas, gomas o aglutinantes vitrificados. El tamaño de los granos varía entre los 0,00025 y 0,025 mm, es por esto que el encaje axial es muy difícil de calcular, pues se saca muy poco material. Las muelas se van desgastando con el tiempo, ya que el aglutinante deja que los granos se desprendan y así la muela no se alise, entregando una pieza bien mecanizada (acabada superficialmente). La superficie de la pieza se considera terminada cuando no salen mas chispas del contacto muela-pieza, lo cual demora. En una rectificadora la pieza tiene dos movimientos, uno de avance longitudinal y otro lateral intermitente. Esto se observa en la figura 2.27. Fig. 2.27
  • 66. 2-66 El tiempo de mecanizado está dado por: [ ]min nf2 b = w w sm tt + ×× (2.37) donde ts es el tiempo que transcurre hasta que deja de chisporrotear, nw es la frecuencia de alternación y f es el avance lateral por carrera. Finalmente, el material removido por unidad de tiempo es:       ×× min vaf= 3 transvp mm Zw (2.38) Siendo vtransv la velocidad transversal, ap el encaje axial y f el avance lateral por carrera de corte. 2.5 Duración y desgaste de la herramienta En todo proceso de manufactura tiene que haber un equilibrio entre el volumen de producción y los costos de producción Es por esto que un tema de mucha importancia es el desgaste y duración de la herramienta bajo las distintas condiciones de trabajo. 2.5.1 Desgaste de la herramienta La vida de la herramienta de corte puede terminar por varias causas, pero éstas pueden separarse en dos grupos principales: 1. El desgaste progresivo de la herramienta. 2. Fallas mecánicas que lleven a la herramienta a un final prematuro. El desgaste progresivo de la herramienta se puede producir de tres maneras distintas: • Desgaste por abrasión: ocurre cuando materiales más duros que la herramienta toman contacto con ésta rayándola y desgastándola. • Desgaste por adhesión: como en la zona de corte existe una alta temperatura, el material de corte y la herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende. • Desgaste por difusión: se produce a partir del aumento de temperatura de la herramienta, con lo que se produce una difusión entre las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficie de la herramienta.
  • 67. 2-67 El desgaste se puede observar en dos regiones de la herramienta, la cara y el flanco. El desgaste en la cara se presenta como un cráter, lo que es un resultado del paso de viruta caliente al fluir a lo largo de la cara. Por otro lado, el desgaste del flanco es plano y es causado por el roce entre la pieza y la herramienta; en este caso se pueden distinguir tres períodos de desgaste en la vida de una herramienta: • Fractura inicial, el filo agudo se desportilla rápidamente. • Desgaste progresivo uniforme. • Fractura rápida, el desgaste progresa a una tasa creciente. Estos tres períodos se muestran en la figura 2.28. Fig. 2.28 La figura 2.29 ilustra el desgaste en la cara y el flanco de una herramienta en una operación de mecanizado. Fig. 2.29
  • 68. 2-68 Las fallas mecánicas se pueden producir en cualquier momento, debe existir por lo tanto precaución ante el hecho de usar inadecuadamente un avance o encaje demasiado grande, pues al ocurrir una falla de este tipo, la herramienta será inútil inmediatamente, y su costo no es nada de despreciable. 2.5.2 Criterios de duración de una herramienta El criterio de duración de una herramienta permite obtener un valor mínimo de tiempo de vida para la herramienta antes de que se desgaste. Como en las operaciones de mecanizado el desgaste del cráter y del flanco no son uniformes a lo largo del filo principal, se debe especificar la locación y el grado de desgaste permisible para cada caso. En la figura 2.30 se muestra una herramienta ya desgastada. La profundidad del cráter (KT) es medida desde el punto más profundo de éste. También puede apreciarse que el desgaste del flanco es mayor en los extremos del filo principal. Como el desgaste no es uniforme en las zonas C, B y N, se considera un ancho promedio para la zona central, cuyo valor se estima igual al ancho que existe en la parte más uniforme del desgaste y se denomina VB. Fig. 2.30
  • 69. 2-69 2.5.3 Criterios para reemplazar una herramienta Los criterios recomendados por la ISO para definir la duración efectiva de una herramienta son: Para herramientas de acero rápido o cerámica: - Por rotura - Cuando VB promedio = 0,3 mm - Cuando VBmáx = 0,6 mm Para herramientas de carburo cementado: - Por rotura - Cuando VB promedio = 0,3 mm - Cuando VBmáx = 0,6 mm - Cuando KT = 0,06 + 0,3 * f, donde f es el avance 2.5.4 Duración de la herramienta La duración de la herramienta se define como el tiempo de corte requerido para alcanzar un criterio de duración de la herramienta. La velocidad de corte es el factor más significativo que afecta la duración de una herramienta. Ésta, junto con el material de trabajo, el material y la forma de la herramienta son claves en la estimación de la vida de esta última. La relación entre el tiempo de vida y la velocidad de corte de una herramienta está dada por la siguiente ecuación, llamada, en honor a su creador, ecuación de Taylor. V Vr n = t t r      (2.39) en donde: n = constante que depende del material de la herramienta V = velocidad de corte Vr = velocidad de corte de referencia tr = duración de referencia de la herramienta a velocidad de corte Vr t = vida (duración) de la herramienta a velocidad de corte V En el gráfico 2.2 se muestran los valores de Vr, según el material de la herramienta y la dureza del material de la pieza a mecanizar, para el uso de la ecuación de Taylor. Para utilizar esta tabla debe usarse ya sea la dureza Brinnel o la resistencia a la tracción del material a mecanizar, así como el material de la herramienta. Con estos datos se puede ver un pequeño rango de valores para Vr, teniendo en cuenta que en este caso tr es de 60 segundos.
  • 70. 2-70 Gráfico 2.2 Por otro lado, y como ya se dijo, n es una constante que depende del material de la herramienta. El rango de valores recomendados para n se muestra en el cuadro 2.4. Material de la herramienta Valor de n HSS ( acero rápido ) 0,08 - 0,2 Carburo cementado 0,2 - 0,49 Cerámica 0,48 - 0,7 Cuadro 2.4 Finalmente, en la figura 2.31 se muestra como varía la vida de la herramienta para distintas velocidades de corte. Podemos ver que a medida que aumentamos la velocidad disminuye la vida de la herramienta, y vice versa. Esto debe tomarse en cuenta a la hora de la selección de la velocidad de corte, ya que con una mayor velocidad aumentaríamos la productividad, pero al mismo tiempo “consumiríamos” más herramientas, incrementando los costos.
  • 71. 2-71 Fig. 2.31 2.5.5 Operaciones con corte intermitente En la operación de fresado, el filo está en contacto con la pieza sólo una porción del tiempo total de mecanizado. Los tiempos de vida de la herramienta calculados anteriormente son válidos para este proceso. Sin embargo, la ecuación de Taylor debe ser corregida por un factor Q. Así, la velocidad de corte está dada por: Vc p ef n , , = V * t Q * t r r c,p,ef       (2.76) según cada criterio se usa la velocidad y el tiempo correspondiente. El coeficiente Q varía según el proceso, a continuación se muestran los coeficientes para el fresado tangencial, fresado frontal y fresado frontal-tangencial. Los tres casos se ilustran en la figura 2.35. Fig. 2.35
  • 72. 2-72 (a) Fresado tangencial Q = θ π π2 * = 1 4 + 1 2* *arcsen 2* a d - 1e t       (2.77) (b) Fresado frontal Q = θ π π2 * = 1 4 + 1 2* *arcsen 2* a d - 1e t       (2.78) (c ) Fresado frontal-tangencial Q = θ π π = 1 * arcsen a d e t           (2.79) 2.6 Cálculo de Costos de Mecanizado Todo proceso productivo debe tener presente el volumen de producción y los costos de producir este volumen. Cada uno debe decidir si está enfocado a maximizar la cantidad producida , a minimizar costos o a optimizar todo el proceso. Para poder estudiar este problema debemos tener presentes todos los costos y tiempo incurridos en la manufactura de una pieza. Por ejemplo se puede suponer el uso de más de una máquina-herramienta, conocer tiempos de preparación y desgaste de herramientas, considerar o no el almacenaje de productos intermedios (piezas no terminadas), manejar un stock de materias primas, ver el problema de la mano de obra, entre otros. Para efectos de cálculos se supondrá que las únicas variables manejables por nosotros son la velocidad de corte y el avance. Se puede asumir que el desgaste de la herramienta, el número de herramientas, etc. son directamente dependientes de estas variables. Como anteriormente describimos, el avance se calcula de acuerdo a criterios de calidad superficial y de potencia máxima (en el desbaste), por lo que la velocidad de corte la calcularemos de acuerdo a criterios económicos.
  • 73. 2-73 Las distintas variables de interés para los cálculos se enuncian a continuación: tL = tiempo ocioso tm = tiempo de mecanizado tct = tiempo de cambio de la herramienta Nb = número de piezas mecanizadas Nt = número de herramientas usadas Ct = costo de la herramienta M = costo general por unidad de tiempo, incluyendo mano de obra El costo total de producción viene dado entonces por: Costo de prod. total = ( )M * N * t + N * t + N * t + N * Cb L b m t ct t t (2.46) Si dividimos por el número de unidades producidas, entonces: Costo por unidad = M * t + M * t + N N M * t + N N * CL m t b ct t b t* (2.47) Recordando la fórmula de Taylor para la vida de la herramienta V V = t tr r n       , se puede determinar la siguiente relación, N N = t t = t t * V V t b m m r r 1 n      (2.48) , la relación anterior indica que el tiempo total de mecanizado, Nb * tm, debe ser igual al tiempo de vida de una herramienta por el número de herramientas usadas, Nt * t. Para todo proceso de mecanizado el tiempo de mecanizado puede escribirse como: t = k V m (2.49) La variable k se debe determinar para cada proceso.
  • 74. 2-74 2.6.1 Operaciones con velocidad de corte constante La operación clásica con velocidad de corte constante es el cilindrado. Siguiendo nuestro análisis, en el cilindrado el tiempo de mecanizado está dado por 2.8 y reemplazando nw de la ecuación 2.42, tm = L f * n w w = π * D * L f * V w (2.50) De aquí deducimos que el valor de k, en este caso, es: k = π * D * L f w (2.51) Reemplazando N N t b en 2.47 usando la expresión para tm obtenida de 2.49 y 2.51, llegamos a la siguiente expresión para el costo de producción en función de la velocidad de corte V, ( )C = M * t + M * k V + k t * V * V V * M * t + Cpr L r r 1 n ct t       (2.52) Ahora queremos encontrar la velocidad de corte óptima para minimizar el costo de producción, para esto hacemos ∂ ∂ C V = 0 pr ⇒ despejando se obtiene la velocidad de corte óptima para costo mínimo de producción, V = V n 1- n * M * t M * t + C c r r ct t *       n (2.53) El tiempo total de producción está dado por: t = t + t + N N * tpr L m t b ct (2.54) , y reemplazando todo en función de la velocidad de corte: t = t + k V + k V * t V tpr L r 1 n r 1 - n n ct* * (2.55)
  • 75. 2-75 Ahora queremos encontrar la velocidad de corte óptima para minimizar el tiempo de producción, para esto hacemos ∂ ∂ t V = 0 pr ⇒ despejando se obtiene la velocidad de corte óptima para tiempo mínimo de producción Vp n = V * n 1- n * t t r r ct       (2.56) En la figura 2.33 se muestra como varía el costo de producción para diferentes velocidades de corte. Fig. 2.33 De las dos minimizaciones anteriores obtenemos las velocidades de corte óptimas, según dos criterios. Para obtener los tiempos de vida de la herramienta para cada uno de estos criterios, usamos la ecuación de Taylor. Vc * t = V tc n r r n * (2.57) Vp * t = V tp n r r n * (2.58)
  • 76. 2-76 Despejando y reemplazando en 2.57 y 2.58 las respectivas velocidades 2.53 y 2.56 obtenemos: tc = 1- n n t + C M ct t *       (2.59) tp = 1- n n tct       * (2.60) Cabe señalar que si se escoge la condición de costo mínimo, el tiempo de producción será mayor que el mínimo, y si se escoge la condición de tiempo mínimo, el costo de producción será mayor que el mínimo. Si bien hemos calculado los valores óptimos de la velocidad de corte, éstos nos quedaron en función de ciertos factores cuyo valor no conocemos. Para determinar M, gastos generales por unidad, se usará el siguiente criterio: M = W + Porcentaje del costo general del operario 100 * W + M + Porcentaje de gastos generales de la maquina * Mo o t t                         100 , donde Wo es la remuneración del operario por unidad de tiempo y Mt es el costo de la máquina por unidad de tiempo. Estos valores varían según la empresa y máquina usada. El parámetro Mt se calcula de la siguiente forma: Mt = costo inicial de la maquina n horas trabajadas al añ o * periodo de amortizacion (añ os) °            El costo de la herramienta depende de si es reafilable o no, se tiene entonces que: Herramienta reafilable: C n t = costo de afilado + costo herramienta afilados (real)° Herramienta tipo pastilla: C prom t = costo pastilla filos usados por pastilla + costo porta - herramientas n filos usados durante la vida del porta - herramientas . °
  • 77. 2-77 Para la herramienta tipo pastilla tenemos: tct = tiempo en girar pastilla * prom. filos usados por pastilla 1 + tiempo de cambiar pastilla promedio de filos usados por pastilla       −       Con todo lo anteriormente descrito estamos en condiciones de determinar la utilidad por unidad de tiempo: Pr = S - C t pr pr (2.61) , donde S es el precio de la pieza. Para un proceso de mecanizado se pueden calcular velocidad y tiempo para eficiencia máxima. Éstos se obtienen maximizando la utilidad por unidad de tiempo. Si se reemplaza el costo y tiempo de producción, derivando e igualando a cero se obtiene: Vef n = V t t r r ef *       (2.62) tef n = 1 - n n * t + t C S + C k n * S * V * t t ct L t t r ef r * *            (2.63) 2.6.2 Operaciones con velocidad de corte variable El ejemplo clásico de estos procesos es el refrentado. En él, la velocidad de corte varía linealmente con el radio instantáneo de corte (figura 2.34). Podemos deducir que el desgaste será máximo en la periferia de la pieza e irá decreciendo a medida que el proceso continúa. Fig. 2.34
  • 78. 2-78 El incremento en el ancho de la zona de desgaste del flanco (VB) durante el mecanizado de cada pieza es (VB)o. Así, ( ) ( ) t t m o m = V V B B (2.64) , donde (VB)m es el ancho de la zona de desgaste cuando la herramienta debe reafilarse. Como ( )∂ ∂ V t' = V t B B m , despejando t y reemplazando en la ecuación de Taylor, ( )t m n = V V t' = t * V V B B r r ∂ ∂       1 (2.65) ( )∂ ∂V = V t * V V t'B B r r m n      1 * (2.66) con V = 2 * * n * rsπ (2.67) r = r - n * f * t'o s (2.68) donde ns es la frecuencia rotacional del husillo, ro es el radio exterior de la pieza y r es el radio instantáneo al momento del corte. Además t’ representa el tiempo. Reemplazando en 2.66 e integrando, ( ) ( )∂ π ∂V = V * 2* * n * r t'B 0 B s 0 tm V m r r n B o t V∫ ∫       1 * (2.69) Además se tiene de 2.68 que: ∂ ∂r = - n f * t's * , despejando ∂ ∂ t' = - r n fs * (2.70)