PM 4U Mecanizado metales 11 2.ppt

MECANIZADO DE METALES
Theory of metal machining
Machining operations and machine tools
Cutting-tool technology
Economic and product design considerations in machining
Grinding and others abrasive processes
IV Unidad

Material Removal
Machining –
material removal by
a sharp cutting tool,
e.g., turning, milling,
drilling.
Nontraditional processes -
various energy forms other
than sharp cutting tool to
remove material, e.g.
electrochemical and thermal
energy processes.
Abrasive
processes –
material
removal by
hard, abrasive
particles, e.g.,
grinding.
Procesos de remoción de material

Objetivos
• Identificar el proceso de arranque de viruta y los
principios en que se basa el proceso.
• Identificar los casos de corte ortogonal y de corte
oblicuo.
• Identificar los parámetros asociados a las
condiciones de corte.
• Establecer las relaciones existentes entre las
condiciones de corte y la fuerza y la potencia de
corte.
• Identificar los principales materiales empleados en
las herramientas de corte.
• Identificar los mecanismos de desgaste de las
herramientas de corte y sus manifestaciones.

• Aplicar la relación de Taylor para determinar el
tiempo de vida de una herramienta.
• Identificar las funciones de los fluidos de corte y sus
principales formas de aplicación.
• Identificar las principales operaciones de
mecanizado en máquinas-herramienta
convencionales: torno, fresadora, taladradora,
cepilladora y brochadora.
• Seleccionar las condiciones de operación para
ejecutar un trabajo de torneado, fresado, taladrado,
cepillado y brochado.
• Determinar el costo de realizar un trabajo de
mecanizado en el torno, en la fresadora, en la
taladradora y en la brochadora.
• Identificar las principales operaciones de
mecanizado con abrasivos y sus aplicaciones.

Lecturas recomendadas
(Groover, 3ª edición, 2007)
Groover, cap. 21: Teoría del maquinado de metales
(p. 481 a 504)
Groover, cap. 22: Operaciones de maquinado y
máquinas herramientas (pp. 505 a 541)
Groover, cap. 23: Tecnología de las herramientas de
corte (pp. 542 a 573)
Groover, cap. 24: Consideraciones económicas y
para el diseño del producto en maquinado (pp. 574 a
593)
Groover, cap. 25: Esmerilado y otros procesos
abrasivos (pp. 594 a 617)

TEORIA DEL MAQUINADO DE
METALES
Groover, cap. 21: Teoría del
maquinado de metales (p. 481 a 504)

MECANIZADO DE METALES
(Metal machining)
Consiste en la remoción del exceso de material con el
propósito de:
• Obtener una forma geométrica definida
(plana, circular, etc.)
• Lograr dimensiones dentro de tolerancias estrechas
• Lograr buenos acabados superficiales

La herramienta de corte (The Cutting Tool) (p.484)
Presenta el filo que separa el exceso de material en
forma de viruta (chip)
Los ángulos de trabajo son:
• Ataque (rake angle): 
• Filo : 
• Incidencia (relief angle) : 
De acuerdo al número de filos las herramientas pueden ser:
• Monofilo (Single-point tool)
• Multifilo (Multiple-cutting-edge tool)

Geometría del corte Ortogonal, Norma ISO

21.2 TEORIA DE LA FORMACIÓN DE VIRUTA EN EL
MAQUINADO DE METALES
21.2.2 Formación real de la viruta
Tipos básicos de viruta
• Viruta discontinua
• Viruta continua
• Viruta continua con borde acumulado (filo recrecido)
• Viruta dentada (Serrat chips) ; (figura 21.9, p. 490)

• Work material: brittle
• Cutting speed: slow
• Feed & depth of cut: large
• Tool-chip friction: large
1. Discontinuous Chip 2. Continuous Chip
• Work material: ductile
• Cutting speed: fast
• Feed & depth of cut: small
• Tool-chip friction: low
• Sharp cutting edge

3. Cont. with BUE
• Work material: ductile
• Cutting speeds: low-medium
• Tool-chip friction: large,
causing portions of chip to
adhere to rake face
• BUE means: built-up edge
• Semicontinuous - saw-tooth
appearance
• Cyclical chip forms with
alternating high shear strain
then low shear strain
• Associated with difficult-to-
machine metals at high
cutting speeds
4. Serrated Chip

CORTE ORTOGONAL
Es una condición de corte empleada en forma
experimental. El filo se orienta perpendicularmente a
la velocidad de corte.
Permite el estudio del proceso como un fenómeno
plano.
Razón de corte (chip thickness ratio): r = h0/h1 = t0/tc
Modelo de corte
ortogonal

Ángulo del plano de cizallamiento 



sin
1
cos
tan
r
r


Tomando en cuenta los
parámetros del corte
ortogonal, el ángulo del
plano de cizallamiento
puede determinarse
como: 

FUERZAS EN EL CORTE ORTOGONAL
v
N
N = fuerza normal
F
F = fuerza de fricción

N
F
v
Fc
Fc = fuerza de corte
Ft
Ft = fuerza de empuje

Fs = fuerza de cizallamiento
Fn = fuerza normal a Fs

F
N
Fc
v
Ft

• F, N, Fs, and Fn cannot be directly measured
• The only forces that can be measured are the
forces acting on the: tool
– Cutting force Fc
– Thrust force Ft
Cutting Force and Thrust Force
F = Fc sin + Ft cos
N = Fc cos - Ft sin
Fs = Fc cos - Ft sin
Fn = Fc sin + Ft cos


Coefficient of Friction & Shear Stress
Coefficient of friction between tool and chip:
where β is: the friction angle
Shear stress acting along the shear plane:
where S is: the shear strength
where As is: the shear plane area
– ho is: cut depth
– w is: cutting edge width,
– Φ is: shear plane angle
N
F

 
tan


sin
w
h
A o
s 
s
s
A
F
S 

POTENCIA DE CORTE = Fc · v
v
Ft
Fc

Fuerza específica de corte
0
c
s
A
F
k 
Unidades típicas de ks:
(N/mm2) ; (kp/mm2) ; (lbf/in2)
La fuerza de corte puede ser determinada por:
Fc = ks A0

La fuerza específica de corte depende principalmente de:
a) Material a mecanizar
b) Geometría de la herramienta (ángulo de ataque)
c) Tamaño del corte:
• espesor de viruta no deformada (avance)
• ancho de viruta (profundidad de pasada)
ks = C h- 
d) Velocidad de corte
e) Condiciones de la operación (lubricación, desgaste)

Potencia de corte
Pc = Fc · v
Potencia específica de corte (potencia unitaria)
k
v
A
v
F
Q
P
p s
0
c
c
s 


Unidades típicas para ps:





 





 
3
3
in
min
hp
;
cm
min
kW

En Europa se emplea con frecuencia la producción
específica de viruta o caudal posible.
Representa la inversa de la potencia específica
Las unidades típicas son
cm3
Vs en —————
kW min

Energía específica
s
0
0
0
c
s k
L
A
L
F
V
U
u 


Unidades típicas para us





 






3
3
in
in
lbf
;
cm
J
Ver tabla 21.2 Valores de potencia unitaria y
energía específica (p. 497)

Ver tabla 21.2 Valores de potencia unitaria y
energía específica (p. 497)
Material
Brinell
Hardness
Energía específica Unit Horsepower
hp/(in3/min)
N-m/mm3 Lb-in/in3
Acero al carbono
Aceros aleados
Hierros fundidos
Acero inoxidable
Aluminio
Aleaciones de Al
Cobre puro
Latón
Bronce
Aleac. magnesio
150-200
201-250
251-300
200-250
251-300
301-350
351-400
125-175
175-250
150-250
50-100
100-150
100-150
100-150
50-100
1,6
2,2
2,8
2,2
2,8
3,6
4,4
1,1
1,6
2,8
0,7
0,8
1,9
2,2
2,2
0,4
240 000
320 000
400 000
320000
400000
520000
640000
160000
240000
400000
100000
120000
280000
320000
320000
60000
0.6
0.8
1.0
0.8
1.0
1.3
1.6
0.4
0.6
1.0
0.25
0.3
0.7
0.8
0.8
0.15

Rendimiento de una máquina herramienta
Se define como la relación entre la potencia útil y la potencia
suministrada por el motor (o potencia de accionamiento). Se
origina en las pérdidas por rozamiento producidas en las
guías y en los elementos de accionamiento de la máquina.
Pu potencia útil
 = ——— = ——————————————
Pa potencia de accionamiento

Tipo de
máquina
Rendimientos típicos con
cargas del 50% al 100%
Tornos
Taladradoras
Fresadoras
Cepilladoras
Brochadoras
Rectificadoras
0,70 a 0,85
0,75 a 0,90
0,60 a 0,80
0,70 a 0,85
0,85 a 0,90
0,40 a 0,50
Rendimiento de una máquina herramienta

CONDICIONES DE CORTE
Para realizar el mecanizado se requiere:
1) Un movimiento relativo entre la herramienta y la obra.
Sus componentes son:
• Movimiento principal de corte.
Suministra la velocidad de corte, v
• Movimiento de avance o alimentación, f (feed)
Puede ser:
- continuo: ej. torneado, fresado
- intermitente: ej. cepillado
EL CORTE OBLICUO

EL CORTE ORTOGONAL EL CORTE OBLICUO

El Proceso de Torneado y el Corte Ortogonal
En algunos casos el
proceso de corte en
el torneado puede ser
aproximado al corte
ortogonal
Operación de torneado Modelo de corte Ortogonal
Avance f =
Profundidad de pasada p =
Velocidad de corte v =
Fuerza de corte Fc =
Fuerza de avance Ff =
Espesor de viruta no-deformada h0
Ancho de viruta b
Velocidad de corte v
Fuerza de corte Fc
Fuerza de empuje Ft

Uncut chip
Thickness
h0

h1

Shear
plane

21.5 TEMPERATURA DE CORTE
“Aproximadamente el 98% de la energía consumida
en el maquinado es convertida en calor. Este calor
puede ser del orden de los 600 ºC (1100 ºF) en la
entre cara herramienta-viruta. La energía restante
(alrededor del 2%) se retiene como energía elástica
en la viruta.
Efectos de la elevada temperatura:
1) Reduce la vida útil de las herramientas
2) Genera viruta caliente que representa serios
riesgos para el operador.
3) Pueden producir imprecisiones en las dimensiones
de la pieza de trabajo

Temperature In Cutting
Fig:Typical temperature
distribution in the cutting zone.
Fig:Percentage of the heat generated
in cutting going into the
workpiece,tool,and chip,as a function of
cutting speed.

Cutting Temperature
• Approximate % of the
energy in machining
that is converted into
heat: 98%
• This can cause
temperatures to be very
high at the tool-chip
• The remaining energy
is retained as elastic
energy in the chip
Note: Hottest point is in
secondary shear zone,
NOT the tooling point

Cutting Temperatures are Important
High cutting temperatures
1. Reduces: tool life
2. Produce hot chips that pose safety hazards to
the machine operator
3. Can cause inaccuracies in part dimensions due
to work material: thermal expansion

Cutting Temperature
• Derived by Nathan Cook from dimensional analysis using
experimental data for various work materials
where T = temperature rise at tool-chip interface;
us = specific energy (found on page 497); us = Fcv / Q
v = cutting speed;
ho = chip thickness before cut;
C = volumetric specific heat of work material;
K = thermal diffusivity of work material
333
.
0
4
.
0








K
vh
C
u
T o
s

333
.
0
4
.
0









K
vh
p
f
C
F o
c


Groover, cap. 22: Operaciones de
maquinado y máquinas herramientas
(pp. 505 a 541)
OPERACIONES DE MECANIZADO
Y MÁQUINAS HERRAMIENTA

Reasons to Machine
• Variety of work materials can be machined.
– Most frequently used to cut metals.
• Variety of part shapes and special geometric features
possible,
– Screw threads.
– Accurate round holes.
– Very straight edges and surfaces.
• Improve dimensional accuracy of:
– Castings, forming, or shaping processes.
• Produce features that cannot be produced by forming and
shaping processes.
– External and internal profiles.
– Sharp corners.
– Flatness.
• Remove distortion & discoloration from heat-treatment.
• Reduce manufacturing costs (usually small quantities).
• Apply special surface characteristics or textures.

Machining Limitations
• Wasteful of material
– Chips generated in machining are wasted material,
at least in the unit operation
• Time consuming
– A machining operation generally takes more time to
shape a given part than alternative shaping
processes, such as casting, powder metallurgy, or
forming
• More expensive for mass production.
• Consumes more energy.
• Can have adverse effects on surface quality &
properties.

Machining Operations and Part Geometry
Each machining operation produces a characteristic part
geometry due to two factors:
1- Relative motions
between tool and workpart
Generating – part
geometry determined
by feed trajectory of
cutting tool
2- Shape of the cutting
tool
Forming – part
geometry is created
by the shape of the
cutting tool
Or combination of the two.

• Figure 22.2 Generating shape: (a) straight turning, (b) taper turning, (c)
contour turning, (d) plain milling, (e) profile milling.
Generating Shape
Part geometry determined by feed trajectory of cutting tool.

• Figure 22.3 Forming to create shape: (a) form turning, (b) drilling,
and (c) broaching.
Forming to Create Shape
Part geometry is created by the
shape of the cutting tool.

• Figure 22.4 Combination of forming and generating to create shape:
(a) thread cutting on a lathe, and (b) slot milling.
Forming and Generating
Part geometry determined by feed trajectory of
cutting tool and is also created by the shape of
the cutting tool.

Machining Processes
• Turning
• Milling
• Drilling
• Boring
• Reaming
• Shaping
 Ultrasonic
 Electrical Discharge
 Electro-arc
 Optical Lasers
 Electrochemical
 Chem-milling
 Abrasive Jet Cutting
 Electron Beam Machining
 Plasma Arc Machining
Traditional Chip Removal
 Sawing
 Broaching
 Planing
 Grinding
 Honing
 Lapping
Nontraditional Machining

•Single point cutting tool removes material from a rotating
workpiece to form a cylindrical shape
Figure 21.3 Three most common machining processes: (a) turning,
Turning

• Used to create a round hole, usually
by means of a rotating tool with two
cutting edges
Figure 21.3 (b) drilling,
Drilling

• Rotating multiple-cutting-edge tool is
moved across work to cut a plane or
straight surface
Figure 21.3 (c) peripheral milling (Axis of the tool is parallel to the
surface), and (d) face milling (axis of the tool is perpendicular to the
surface).
Milling
Two forms: peripheral milling and face milling

This process is performed using a multiple tooth cutting
tool. The tool is moved linearly relative to the work.
Broaching
Broaching
operation.
The tool is called a
broach. The
machine is called
the broaching
machine.

• Used to slightly
enlarge a hole, provide
better tolerance on
diameter, and improve
surface finish.
Figure 22.14 Machining operations
related to drilling: (a) reaming
Reaming

• Internal turning operation which is performed on the inside
diameter of an existing hole (Turning is performed on the
outside diameter of an existing cylinder)
Boring!
Figure 22.12 A vertical boring mill –
for large, heavy workparts.
Boring

Counterboring
Provides a stepped hole, in
which a larger diameter follows
smaller diameter partially into
the hole.
Figure 22.14 Counterboring

Compare!
• ReamingCounterboring Boring

Figure 22.14 (b) tapping. Tool is called a tap
Tapping
Used to provide internal screw
threads on an existing hole

Sawing
Cuts narrow slit in work by a tool consisting of a series
of narrowly spaced teeth.
Typical functions:
1. Separate a workpart into two pieces.
2. Cut off unwanted portions of part.
Sawing
Tool is called a saw blade

Shaping & Planing
• Shaping:
• Tool has a linear speed motion. Work has occasional feed motion.
• Planing:
• Work has a linear speed motion. Tool has occasional feed motion.
Figure 22.29 (a) Shaping (, and (b) planing.

Figure 22.7 Diagram
of an engine lathe,
showing its principal
components.
Engine Lathe
Turning:

Figure 22.12 A vertical boring mill – for large, heavy workparts.
Vertical Boring Mill
Boring:

Upright drill press stands on
the floor
Bench drill similar but
smaller and mounted on
a table or bench
Figure 22.15 Upright drill press
Drill Press
Drilling:

Large drill press designed
for large parts.
Figure 22.16 Radial drill press
(photo courtesy of Willis
Machinery and Tools).
Radial Drill
Drilling:

Figure 22.23 (a) Horizontal knee-and-column milling machine.
Horizontal Milling Machine
Axis of the
tool is
parallel to
the surface
of the part.
Milling:

Figure 22.23 (b) Vertical knee-and-column milling machine
Vertical Milling Machine
Axis of the
tool is
perpendicular
to the surface
of the part.
Milling:

Figure 22.30 Components of a shaper.
Shaper
Shaping:
The shaping machine is used to machine
flat metal surfaces especially where a
large amount of metal has to be removed.
Other machines such as milling machines are
much more expensive and are more suited to
removing smaller amounts of metal, very
accurately.
As the disc rotates, the top of the
machine moves forwards and backwards
(reciprocating motion), pushing a cutting
tool. The cutting tool removes the metal
from work which is carefully bolted down.

Figure 22.31 Open side planer.
Planer
Planing:

 Two operations which are similar.
 Both use a single point cutting tool moved linearly relative to the
workpart.
 A straight, flat surface is created in both operations
 Interrupted cutting
– Subjects tool to impact loading when entering work
 Low cutting speeds due to start-and-stop motion
 Typical tooling: single point high speed steel tools
Figure 22.29 (a) Shaping (, and (b) planing.
Shaping and Planing

Figure 22.35 (a) Power hacksaw
Power Hacksaw
Sawing:
Linear
reciprocating
motion of
hacksaw blade
against work.

Figure 22.35 (b) Bandsaw (vertical)
Band Saw
Sawing:
Linear continuous motion of
bandsaw blade, which is in the form
of an endless flexible loop with teeth
on one edge.

Figure 22.35 (c) Circular saw
Circular Saw
Sawing:
Rotating saw
blade provides
continuous motion
of tool past
workpart.

Figure 22.27 CNC 4-axis turning center (photo courtesy of Cincinnati Milacron);
CNC 4-axis turning center
Capable of turning and
related operations, contour
turning, and automatic tool
indexing, all under
computer control.

OPERACIONES DE MECANIZADO
Y MÁQUINAS HERRAMIENTA
Cada operación de mecanizado produce una forma
característica debido a dos factores: (1) movimientos
relativos entre la herramienta y la pieza de trabajo, y
(2) la forma de la herramienta de corte.
Operaciones de formado y generación
En la generación la forma de la parte queda
determinada por la trayectoria de la herramienta.
En el corte de forma la herramienta imparte su forma al
trabajo.

CONDICIONES DE CORTE (p.546)
1) Un movimiento relativo entre la herramienta y la obra.
Sus componentes son:
• Movimiento principal de corte.
Suministra la velocidad de corte, v
• Movimiento de avance o alimentación, f (feed)
Puede ser:
- continuo: ej. torneado, fresado
- intermitente: ej. cepillado

CONDICIONES DE CORTE
2) El posicionamiento relativo entre la herramienta y la
obra. Define la dimensión de la obra. Esta posición
determina la profundidad de pasada, p

En ciertas operaciones con cuchilla monofilo se
puede determinar el caudal de viruta o tasa de
remoción del material (MRR = material removal
rate) por:
MRR = Q = vc f p

Tiempo de una pasada de maquinado
f
p
A L O
f (avance intermitente)
Vf (velocidad de avance)
L = longitud a mecanizar en la dirección del avance
A = recorrido de aproximación (approach)
O = recorrido en vacío (overtravel)
f = valor del avance intermitente
Vf = velocidad de avance = f N

Tiempo de una pasada de mecanizado
Es el tiempo que toma el movimiento relativo entre la
herramienta y la obra en la dirección del avance.
a) Para un avance continuo (torneado, fresado, taladrado)
L + A + O
t = ——————
vf
b) Para un avance intermitente (cepillado)
L + A + O
t = —————— tN
f
L + A + O = recorrido en la dirección del avance
vf = velocidad de avance
f = valor del avance
tN = tiempo de una doble carrera
A = recorrido de aproximación (approach)
O = recorrido en vacío (overtravel)

De acuerdo al propósito y condiciones de corte se
distinguen:
Operaciones de desbaste:
para mecanizar grandes cantidades de material con
bajo costo (grandes avances y profundidades).
Operaciones de acabado:
para alcanzar la dimensión final dentro de la
tolerancia y el grado de acabado deseado
(pequeños avances y profundidades).
Las velocidades de corte para el acabado son
mayores que para el desbaste.

Torneado
22.1 Torneado y operaciones afines
PRINCIPALES OPERACIONES
QUE SE REALIZAN EN EL TORNO
• Cilindrado
• Mandrinado
• Refrentado
• Torneado cónico
• Ranurado / Tronzado
• Perfilado (torneado de forma)
• Taladrado / Escariado
• Roscado

22.1.1 Condiciones de corte en el torneado
Frecuencia rotacional : N
Velocidad de avance : vf
Tiempo neto por pasada : tm
Velocidad volumétrica de remoción de viruta (caudal)
Potencia de corte : Pc

CONDICIONES DE CORTE EN EL TORNEADO (p.509)
1) Velocidad de corte v =  D0 N (22.1)
2) Profundidad de corte p = (D0 –Df)/2 (22.2)
3) Velocidad de avance vf = f N (22.3)
4) Tiempo neto por pasada tm = L/vf (22.4)
5) Velocidad de remoción de material (Caudal) Q  v A
6) Fuerza de corte Fc = Ks A
7) Potencia de corte Pc = Fc v
8) Potencia de accionamiento Pa = Pc/

22.2 TALADRADO Y ESCARIADO
El taladrado consiste en la ejecución de agujeros de
sección circular con una herramienta conocida como
broca helicoidal.
El escariado se ejecuta sobre un agujero taladrado
para mejorar la sección circular, ajustar la tolerancia
dimensional y mejorar el acabado superficial. La
herramienta se conoce como escariador.
Taladrado

22.2.1 Condiciones de corte en el taladrado
Frecuencia rotacional : N = v/  D
Velocidad de avance : vf = f N
Tiempo neto por pasada : tm = (L + A)/vf
Velocidad volumétrica de remoción de viruta (caudal)
f
v
D
Q 








4
. 2


Ancho de corte o profundidad
de corte radial: ap
Es el ancho de la viruta o
profundidad radial (radio del
agujero).
Avance por filo: fz = f/2
Sección de viruta no
deformada: A =ap* fz

22.2.2 Operaciones relacionadas con el
taladrado
• Escariado
• Roscado interior
• Abocardado
• Avellanado
• Centrado
• refrentado
Macho para roscado
Escariador

(b)Taladradora radial
(a) Taladradora de columna

Fresado
22.3 FRESADO (Milling)
Operación de mecanizado con una herramienta
giratoria de múltiples filos conocida como fresa (milling
cutter).
El corte es intermitente.
Típicamente el movimiento de corte se suministra a la
herramienta y el de avance se suministra a la obra en
forma continua (velocidad de avance).
La máquina herramienta empleada se conoce como
fresadora (milling machine).

Fresado
Los tipos básicos de operación son:
a) Fresado periférico
El eje de la herramienta es paralelo a la superficie
mecanizada.
b) Fresado frontal
El eje de la herramienta es perpendicular a la
superficie mecanizada.

De acuerdo al sentido de rotación de la fresa
con respecto a la obra, en el fresado periférico
se distinguen dos formas:
a) en oposición
(G: fresado ascendente o convencional)
El movimiento de los dientes tiene dirección
opuesta al avance.
b) en concordancia
(G: fresado descendente)
El movimiento de los dientes tiene la misma
dirección del avance.

Condiciones de corte en el fresado
Las fresas se especifican por el tipo y sus dimensiones.
1. La velocidad de corte se determina por la relación:
v =  D N (22.13)
Para cuantificar el trabajo que realiza cada diente se
emplea el avance por diente (chip load) fZ, y la velocidad
de avance de la mesa queda determinada por:
2. Velocidad de avance
vf = fZ Z N (22.14)
donde Z es el número de dientes de la fresa.

3. En operaciones con velocidad de avance constante el
caudal de viruta puede determinarse por la relación:
Q = (MRR) = vf Sf
Donde Sf es el área de la sección transversal perpendicular a vf.
4. Tiempo neto por pasada
5. La potencia requerida para el fresado puede
determinarse a través de la potencia específica de
corte,ps, (o de la producción específica de viruta, vs=1/ps)
y el caudal de viruta:
Pc = ps Q
f
m
v
A
L
t



Fresadora universal Cabezal universal

Fresa de planear de plaquitas
de metal duro.

22.5 OTRAS
OPERACIONES DE
MAQUINADO
Cepilladora y Planeadora

Brochadora: brocha y brochado
(a) y (b) Brochas; (c) Brochadora

Groover, cap. 23: Tecnología de las
herramientas de corte (pp. 542 a 573)
TECNOLOGÍA DE LAS
HERRAMIENTAS DE CORTE

TECNOLOGÍA DE LAS
Vida de las herramientas
Materiales para herramientas
Geometría de las herramientas
Fluidos de corte

Figure 23.1 - Diagram of worn cutting tool, showing the principal
locations and types of wear that occur

DESGASTE Y DURACIÓN DE LAS
Se dice que una herramienta ha fallado cuando no está en
condiciones de realizar el corte adecuadamente, debido a
cambios graduales o bruscos en su forma, surgidos
durante el proceso.
Tipos de falla de una herramienta
• Desgaste gradual y progresivo
• Fallas bruscas o catastróficas
Cuatro de los principales mecanismos de desgaste son:
• Abrasión mecánica
• Adhesión
• Difusión
• Deformación plástica

Manifestaciones del desgaste gradual:
• Cráter en la superficie de ataque
• Franja de desgaste del flanco
(superficie de incidencia)

Figure 23.2 -
(a) Crater wear, and
(b) flank wear on a cemented
carbide tool, as seen through
a toolmaker's microscope
(Courtesy Manufacturing
Technology Laboratory,
Lehigh University, photo by
J. C. Keefe)

Figure 23.3 - Tool wear as a function of cutting time
Flank wear (FW) is used here as the measure of tool wear
Crater wear follows a similar growth curve

Figure 23.4 - Effect of cutting speed on tool flank wear (FW) for three cutting
speeds, using a tool life criterion of 0.50 mm flankwear

Figure 23.5 - Natural log-log plot of cutting speed vs tool life

Ecuación de Taylor
v tn = C (24.1)
v1 t1
n = v2 t2
n = · · · · = C (constante)
Ver tabla 24.2 (p.578), valores de n y C
Velocidades de corte permisibles. Tabla 24.3 (p.579)

23.2 MATERIALES PARA HERRAMIENTAS (p.549)
Principales propiedades de los materiales
para herramientas de corte
1) Tenacidad
2) Resistencia en caliente
3) Resistencia al desgaste

1) Aceros al carbono y de baja aleación
2) Aceros rápidos, HSS (aceros de alta velocidad)
Tipo tungsteno: grado-T
Tipo molibdeno: grado-M
3) Aleaciones fundidas a base de cobalto
4) Carburos cementados, cermets y carburos recubiertos
5) Cerámicos
6) Diamantes sintéticos y nitruro de boro cúbico
Principales materiales para herramientas de corte

LA HERRAMIENTA
MONOFILO
Ver sección 23.3
GEOMETRÍA DE LAS
HERRAMIENTAS (p. 558)
     r
5º 8º - 4º 75º 90º 0,5 mm
Ejemplo de especificación de los
ángulos de una herramienta monofilo

Tipos de fluidos de corte
1) Aceites de corte
2) Aceites emulsificados
3) Fluidos químicos
23.4 FLUIDOS PARA CORTE (p. 566)
Funciones de los fluidos de corte
a) Lubricación
b) Refrigeración

Objetivos:
• Reducir la fricción y el desgaste, mejorando la duración de la
herramienta y el acabado superficial.
• Reducir las fuerzas y el consumo de energía.
• Enfriar la zona de corte, reduciendo así la temperatura y la
distorsión térmica de la pieza.
• Lavar y retirar la viruta.
• Proteger las superficies maquinadas contra la corrosión por el
ambiente.

CONSIDERACIONES
ECONÓMICAS Y PARA EL DISEÑO
DEL PRODUCTO EN MAQUINADO
Groover, cap. 24: Consideraciones
económicas y para el diseño del producto en
maquinado (pp. 574 a 593)

CONSIDERACIONES
ECONÓMICAS EN EL MAQUINADO
Maquinabilidad
Tolerancia y acabado superficial
Selección de las condiciones de corte
Consideraciones para el diseño del
producto en maquinado

COMPONENTES DEL TIEMPO DE FABRICACIÓN
EN MÁQUINAS HERRAMIENTA
Sean:
tm = tiempo de mecanizado
=  tdesbaste +  tacabado
th = tiempo de manipulación
(tiempos de carga y descarga del componente,
aproximación de la herramienta, medición y
control, etc.)
tp = suma de tiempos prorrateados
(cambio de cuchilla, servicios de la máquina,
ausencia del operador, etc.)

TIEMPO ESTÁNDAR
te = tm + th + tp
TIEMPO PARA MECANIZAR UN LOTE
DE Q UNIDADES
tQ = ts + Q te
donde
ts = tiempo de preparación de máquina (setup time)

Condiciones limitantes en las
operaciones de mecanizado
• Máxima potencia disponible
• Máxima fuerza permisible
• Valores de velocidades y avances limitados a los
disponibles en la máquina
• Valores de velocidades y avances limitados por
condiciones de acabado superficial

24.2 TOLERANCIAS Y ACABADO SUPERFICIAL
24.2.2 Acabado superficial en maquinado
La rugosidad de la superficie mecanizada depende de
diversos factores.
1) Factores geométricos
2) Factores del material de trabajo
3) Factores de vibración y de la máquina herramienta

Acabado superficial en el mecanizado (1)
Factores geométricos
1) Tipo de operación de mecanizado
2) Geometría de la herramienta de corte
3) Valor del avance
Estos factores definen la rugosidad ideal o teórica que
se obtendría en ausencia de los factores del material de
trabajo, de la vibración y de la máquina herramienta.
r
f
Rt
.
8
2

r
f
Ra
.
32
2

Para operaciones de torneado, y cepillado

Factores del material de trabajo
Influye significativamente la acumulación en el filo (filo
recrecido). Estos factores son influenciados por la
velocidad de corte y el ángulo de ataque. El aumento de
la velocidad de corte o del ángulo de ataque produce
mejoras en el acabado superficial.

Tolerances and Surface Finish
in Machining
• Tolerances
– Machining provides high accuracy relative to most
other shape-making processes
– Closer tolerances usually mean higher costs
• Surface roughness in machining is determined
by:
– Geometric factors of the operation
– Work material factors
– Vibration and machine tool factors

Geometric Factors
• Machining parameters that determine surface
geometry:
– Type of machining operation, e.g., milling vs.
turning
– Cutting tool geometry, especially nose radius
– Feed
• The surface geometry that would result from
only these factors = "ideal" or "theoretical"
surface roughness

Effect of End
Cutting Edge
Angle

Ideal Surface Roughness
where Ri = theoretical arithmetic average surface
roughness; f = feed; and NR = nose radius
NR
f
Ri 32
2


Ver figura 24.2 (p.580) de Groover
Relación entre la rugosidad real y la rugosidad ideal

Factores de la vibración y de la máquina herramienta
Las deflexiones de los elementos producen vibraciones
que pueden originar ondulaciones en las superficies
mecanizadas.
El traqueteo o “chatter” puede ser reducido:
1) aumentando la rigidez o la amortiguación
2) operando a velocidades que alejen la frecuencia de
vibración de la frecuencia natural del sistema
3) disminuyendo los avances y las profundidades de
pasada
4) modificando el diseño de la herramienta para disminuir
las fuerzas de corte

Valor de la rugosidad
Ra (m)
Grado ISO de rugosidad
50 N12
25 N11
12,5 N10
6,3 N9
3,2 N8
1,6 N7
0,8 N6
0,4 N5
0,2 N4
0,1 N3
0,05 N2
0,025 N1

24.3 SELECCIÓN DE LAS CONDICIONES DE
CORTE (p. 581)
Optimización de la velocidad de corte
• Velocidad de costo mínimo
• Velocidad de máxima producción
El tiempo estándar puede replantearse como:
te = tm + th + tp = tm + ta/q + ti
ta = tiempo que toma cambiar la cuchilla
q = número de piezas mecanizadas durante la
vida de la cuchilla (un filo)
ti = suma de los demás tiempos improductivos

El número de piezas mecanizadas por un filo es:
m
v
t
t
q 
siendo
tv = tiempo de vida de la cuchilla =
tm = tiempo de mecanizado =
n
1
v
C






1
-
1
1
v
K
v
K


se tendrá así:
n
1
-
n
2
1
-
n
1
1
n
1
1
-
1
n
1
v
K
v
K
C
v
K
1
v
C
q 









COSTO AGREGADO POR UNIDAD
Sea Ch el costo de operación por unidad de tiempo.
El costo agregado por unidad, s, incluyendo el gasto
de herramienta, será:
Y
s = Ch te + ———
q
donde Y es el costo de un filo

Los componentes del costo serán
1
-
3
1
-
1 v
K
v
K
c 



a) del tiempo de mecanizado:
b) del tiempo de cambio de herramienta
n
n
-
1
4
a
v
K
q
t
c 



c) de la herramienta:
n
n
-
1
5 v
K
q
Y


d) de los demás tiempos improductivos:
6
i K
t
c 


La suma de estos costos será:
6
n
n
-
1
5
n
n
-
1
4
1
-
3 K
v
K
v
K
v
K
s 






  6
n
n
-
1
5
4
1
-
3 K
v
K
K
v
K
s 




expresión que puede reagruparse como:

La condición de costo mínimo es:
ds
——— = 0
dv
que conduce a :
n
mínimo
costo
n)
-
(1
R
n
C
v 






donde
Y
R = ta + ———
Ch

velocidad de corte
Costo
por
parte
de
trabajo
Ver figura 25.47 (Groover)
Componentes del costo de mecanizado en función de la velocidad de corte
Costo total
por pieza
Costos del
tiempo de
cambio y de la
herramienta
Costo del tiempo de corte
Costo del tiempo de manejo
 Vmin

En forma semejante se puede plantear la condición para
determinar la velocidad de corte que hace máxima la
tasa de producción (tiempo estándar mínimo).
dte
——— = 0
dv
que conduce a :
n
a
producción
máxima
n)
-
(1
t
n
C
v 







En la práctica, la velocidad se elige dentro de un
rango comprendido entre estos dos valores.
Este rango se conoce como rango de alta eficiencia
(high- efficiency range)

Tasa de
producción
(unidades/hora)
Costo
unitario
($/unidad)
velocidad de corte
Gama Hi-E

ESMERILADO Y OTROS
PROCESOS ABRASIVOS

Material Removal Processes
• A family of shaping operations, the common feature of which is
removal of material from a starting workpart so the remaining
part has the desired geometry.
Material Removal
Machining –
material removal by
a sharp cutting tool,
e.g., turning, milling,
drilling.
Abrasive
processes –
material
removal by
hard, abrasive
particles, e.g.,
grinding.
Nontraditional processes -
various energy forms other
than sharp cutting tool to
remove material, e.g.
electrochemical and thermal
energy processes.

Abrasive Machining
 Material removal by action of hard, abrasive particles
usually in the form of a bonded wheel
 Generally used as finishing operations after part
geometry has been established by conventional
machining
 Grinding is most important abrasive process
 Other abrasive processes: honing, lapping,
superfinishing, polishing, and buffing

Why Abrasive Processes are Important
 Can be used on all types of materials
 Some can produce extremely fine surface finishes, to
0.025 m (1 -in)
 Some can hold dimensions to extremely close
tolerances

Grinding
• Material removal process in which
abrasive particles are contained in a
wheel that operates at very high
surface speeds

Figure 25.1 Typical structure of a grinding wheel.
Wheel Structure
The grinding wheel:
is usually disk-shaped and precisely balanced for high
rotational speeds.
Consists of abrasive particles and bonding material.
• Abrasive particles accomplish cutting.
• Bonding material holds particles in place and
establishes shape and structure of wheel.

Abrasive Material Properties
 High hardness
 Wear resistance
 Toughness
 Friability - capacity to fracture when cutting edge dulls, so a
new sharp edge is exposed

Traditional Abrasive Materials
Aluminum oxide
(Al2O3) - most common
abrasive
Used to grind steel
and other ferrous
high-strength alloys
Silicon carbide
(SiC) - harder than
Al2O3 but not as tough
Used on aluminum,
brass, stainless steel,
some cast irons and
certain ceramics

Hardness of Abrasive Materials
• Abrasive material Knoop
hardness
• Aluminum oxide
2100
• Silicon carbide 2500
• Cubic boron nitride 5000
• Diamond (synthetic) 7000

Surface Finish
• Most grinding is performed to achieve good
surface finish
• Best surface finish is achieved by:
– Small grain sizes
– Higher wheel speeds
– Denser wheel structure = more grits per
wheel area
• Two main categories of grinding:
 Surface grinding
 Cylindrical grinding

•Figure 25.7 (a) Horizontal spindle with reciprocating worktable, (b)
horizontal spindle with rotating worktable, (c) vertical spindle with
reciprocating worktable, (d) vertical spindle with rotating worktable.
Four Types of Surface Grinding

Figure 25.8 Surface grinder with horizontal spindle and
reciprocating worktable (most common grinder type).
Surface Grinder

•Figure 25.9 Two types of cylindrical grinding: (a)
external, and (b) internal.
Cylindrical Grinding

Other Abrasive Processes
 Honing
 Lapping
 Superfinishing

Honing
• Abrasive process
performed by a set of
bonded abrasive sticks
using a combination of
rotational and oscillatory
motions.
• Creates a characteristic
cross-hatched surface that retains
lubrication.
• Grit sizes range between 30 and 600.
• Surface finishes of 0.12 m (5 -in) or
better.
Figure 25.16 The honing
process: (a) the honing tool
used for internal bore surface.

Honing
• Common application is to finish the
bores of internal combustion engines.

Lapping
• Uses fluid suspension of very small abrasive particles between
workpiece and lap (tool).
• Lapping compound - fluid with abrasives, general appearance of
a chalky paste.
• Applications: optical lenses, metallic bearing surfaces, gages.
Figure 25.17 The lapping process in lens-making.

Superfinishing
• Similar to honing - uses bonded abrasive stick
pressed against surface and reciprocating motion
Figure 25.18 Superfinishing on
an external cylindrical surface.
Differences with
honing:
* Shorter strokes
* Higher frequencies
* Lower pressures
between tool and
surface
* Smaller grit sizes

NONTRADITIONAL PROCESSES
• A group of processes that remove
excess material by various
techniques involving mechanical,
thermal, electrical, or chemical
energy (or combinations of these
energies).
• They do not use a sharp cutting
tool in the conventional sense.

Importance of Nontraditional Processes
 Need to machine newly developed metals and
non-metals with special properties that make them
difficult or impossible to machine by conventional
methods.
 Need for unusual and/or complex part geometries that
cannot readily be accomplished by conventional
machining.
 Need to avoid surface damage that often accompanies
conventional machining.

Classification of Nontraditional Processes
• Mechanical - typical form of mechanical action is
erosion of work material by a high velocity stream
of abrasives or fluid (or both).
• Electrical - electrochemical energy to remove
material (reverse of electroplating).
• Thermal – thermal energy usually applied to small
portion of work surface, causing that portion to be
fused and/or vaporized.
• Chemical – chemical etchants selectively remove
material from portions of workpart, while other
portions are protected by a mask.

Nontraditional Processes
• Mechanical Energy Processes:
– Ultrasonic Machining
– Water Jet Cutting
– Abrasive Water Jet Cutting
– Abrasive Jet Machining
• Electrochemical Processes:
– Electrochemical Machining (ECM)
– Electrochemical Deburring (ECD)
– Electrochemical Grinding (ECG)
• Thermal Energy Processes:
– Electric Discharge Machining (EDM)
– Electric Discharge Wire Cutting
– Electron Beam Machining
– Laser Beam Machining
– Plasma Arc Machining
– Conventional Thermal Cutting Processes
• Chemical Processes:
– Chemical Milling
– Chemical Blanking
– Chemical Engraving
– Photochemical Machining

Electrochemical Machining Processes
• Electrical energy used in combination
with chemical reactions to remove
material
 Reverse of electroplating
 Work material must be a conductor

• Material removal by anodic dissolution, using
electrode (tool) in close proximity to work but
separated by a rapidly flowing electrolyte.
Figure 26.5
ElectroChemical
Machining (ECM).
Electrochemical Machining (ECM)

ECM Operation
• Material is deplated from anode workpiece (positive
pole) and transported to a cathode tool (negative
pole) in an electrolyte bath.
• Electrolyte flows rapidly between two poles to carry
off deplated material, so it does not plate onto tool.
• Electrode materials: Copper, brass, or stainless
steel.
• Tool has inverse shape of part
– Tool size and shape must allow for the gap (tool
should be smaller)

ECM Applications
 Die sinking - irregular shapes and
contours for anodic, plastic molds, and
other tools
 Multiple hole drilling - many holes can be
drilled simultaneously with ECM
 Holes that are not round, since rotating
drill is not used in ECM

Thermal Energy Processes - Overview
• Very high local temperatures
– Material is removed by fusion or vaporization.
• These processes cause physical and metallurgical
damage to the new work surface.
• In some cases, resulting finish is so poor that
subsequent processing is required.

Electric Discharge Processes
• Metal removal by a series of discrete
electrical discharges (sparks) causing
localized temperatures high enough to melt
or vaporize the metal.
• Can be used only on electrically conducting
work materials.
• Electric Discharge Machining or EDM is one of the
most widely used nontraditional processes

• Figure 26.8 Electric discharge machining (EDM): (a) overall setup, and (b) close-up
view of gap, showing discharge and metal removal.
Electric Discharge Machining (EDM)
 Shape of finished work surface produced by a shape of electrode tool.
 Sparks occur across a small gap between tool and work.
 Requires dielectric fluid, which creates a path for each discharge as
fluid becomes ionized in the gap.

Work Materials in EDM
 Work materials must be electrically
conducting.
 Hardness and strength of work
material are not factors in EDM.
 Material removal rate depends on
melting point of work material.

EDM Applications
 Tooling for many mechanical processes: molds and dies
– Molds for plastic injection molding, extrusion dies, wire
drawing dies, forging and heading dies, and sheetmetal
stamping dies
 Production parts: delicate parts not rigid enough to withstand
conventional cutting forces, hole drilling where hole axis is at an
acute angle to surface, and machining of hard and exotic metals

Irregular outline cut from
a solid slab by wire EDM
(photo courtesy of
LeBland Makino Machine
Tool Co.).

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