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• Leandro Montaldo

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Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

3. Desgaste y vida útil de las herramientas 3.1 Introducción En las operaciones de mecanizado las herramientas de corte están sometidas a condiciones de corte adversas como son grandes esfuerzos mecánicos, fricción entre distintos materiales, en algunos casos con durezas bastante elevadas y muy altas temperaturas producidas por el rozamiento. Estas condiciones no son constantes en la mayoría de los casos sino que son interrumpidos, como es el caso de las herramientas de corte de fresado constituidas por varios filos de corte independientes. Esto produce una aplicación de las cargas cíclicas, lo que puede ocasionar un fallo catastrófico producido por la fatiga del material de la herramienta. La dureza del material, por lo general es una constante durante todo el proceso de mecanizado, aunque sí es cierto que la dureza de los materiales a mecanizar oscila en un amplio rango de valores, y para cada uno de ellos se pueden encontrar materiales y geometrías de herramientas que tengan un comportamiento adecuado a cada situación. Como se ha mencionado anteriormente, las variaciones de temperatura no son constantes sino que igualmente se pueden producir ciclos térmicos que al igual que los ciclos mecánicos acaban agotando la herramienta por fatiga, en este caso térmica. Estos ciclos tienen mayor amplitud en el caso de emplear fluidos de corte por ejemplo en operaciones de fresado, ya que la herramienta en una revolución recibe el calor producido por el corte y el enfriamiento producido por el refrigerante, por lo que recibe un ciclo térmico por revolución. Además de todo lo citado, la temperatura en la herramienta tampoco es homogénea sino que será mayor en la zona de corte en la que se mantiene el contacto con la pieza a mecanizar, esto produce un gradiente de temperatura en la herramienta, como se puede ver en la figura 3.1. Este gradiente térmico genera dilataciones y con ello también tensiones que dependiendo del material de la herramienta puede producir el fallo catastrófico repentino, lo cual es más común en materiales frágiles o con un coeficiente de dilatación elevado. Todo esto hace que las condiciones de trabajo de las herramientas de corte sean muy duras, lo que produce el fallo de las herramientas y por tanto el agotamiento de la vida útil de estas. El fallo puede producirse por tres procedimientos que se detallan a continuación:

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Fallo por fractura Producido por una fuerza de corte no adecuada al material de la herramienta, por una forma geométrica no adecuada a las condiciones de corte, o generado por impactos en cortes discontinuos. Fallo por temperatura Se da cuando la temperatura de operación de la herramienta es demasiado alta para el material lo que produce que esta se ablande y pierda su forma geométrica predefinida por lo que cambian sus parámetros de corte debido al cambio en los ángulos de incidencia, desprendimiento, radio de punta, entre otros, lo que genera sobre la pieza a mecanizar un acabado superficial indeseable. Desgaste progresivo Es el desgaste gradual de los filos de corte de la herramienta, producido por la fricción con la pieza. Es inevitable pero con un buen análisis de las condiciones de mecanizado el proceso se puede optimizar.

Figura 3.1. Distribución típica de temperaturas en la zona de corte. [7] De estos mecanismos de fallo el más deseable es el desgaste gradual, debido a que es el único en el que se puede estimar la vida útil de la herramienta y sustituir esta sin afectar a la producción. Sin embargo, los fallos por fractura son impredecibles y repentinos por lo que afectan a la pieza sobre la que se está trabajando bien dejándola inservible o bien recuperable iniciando de nuevo la operación donde se produjo el fallo constituyendo una pérdida de tiempo y un incremento de costes de producción. El fallo por temperatura es impredecible pero no es tan repentino, se puede percibir previamente al fallo por un cambio de color de la herramienta. En este texto nos centraremos en el tipo de fallo más deseable, debido a que permite una mayor vida útil de la herramienta generando una mayor producción, este método es el

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desgaste gradual. El desgaste gradual se produce principalmente en dos zonas de la herramienta, en la cara de desprendimiento y en la cara de incidencia principal. En la primera de ellas el desgaste se produce con forma de cráter producido por la fricción que se genera entre la viruta generada durante la operación al incidir sobre dicha superficie, tal y como se muestra en la figura 3.2.

Figura 3.2.Desgaste en cráter. [4] Dicho cráter se produce a una cierta distancia de los filos de corte y su profundidad y dimensión en la superficie puede ser considerada como un criterio de desgaste de la herramienta. Pero hay que tener en cuenta que no en todos los materiales de herramienta se producen cráteres durante las operaciones de mecanizado. Sobre la cara de incidencia el desgaste se aprecia como una banda de desgaste que es una zona contigua al filo de corte en la que el material se ha perdido debido al rozamiento con la pieza, ver figura 3.3. El rozamiento ha permitido que se produzca alguno de los mecanismos de desgaste que se detallan a continuación.

Figura 3.3.Desgaste en la cara de incidencia. [4]

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En el desgaste del flanco de la figura 3.3 se puede apreciar una anchura en la zona del flanco que está en contacto con la superficie original de la pieza. Esto es conocido como desgaste de muesca. Dicho fenómeno es producido porque la superficie exterior del material es más dura y abrasiva que el resto del material del volumen de la pieza. Otro desgaste que se produce sobre la herramienta, aunque es menos decisivo, es el desgaste del radio de punta de la herramienta, también conocido como desgaste del radio de la nariz, constituye una prolongación de la banda de desgaste del flanco. Existen otros tipos de desgaste de herramientas, que mencionaremos a continuación aunque no se aborden con profundidad en este documento debido a que no son el objeto principal de estudio. Un ejemplo puede ser la deformación plástica, ver figura 3.4, que está producida por la combinación de elevadas temperaturas en la herramienta y las cargas que soporta esta. Este desgaste se acusa a velocidades elevadas ya que generan mayores temperaturas y en el mecanizado de materiales muy duros, los cuales generan una carga mayor en la herramienta.

Figura 3.4. Desgaste por deformación plástica. [2] La fisura térmica es el tipo de desgaste vinculado a la fatiga térmica y a los gradientes de temperaturas en la herramienta y se presenta como fisuras perpendiculares al filo de corte como se puede apreciar en la figura 3.5.

Figura 3.5. Desgaste por fisura térmica. [2] Capítulo 3 - 4

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El astillamiento es el tipo de desgaste en el que se producen pequeñas roturas en el filo de corte que generan un acabado deficiente en la pieza, ver figura 3.6.

Figura 3.6. Desgaste por astillamiento. [2] Una modalidad particular de desgaste es el filo recrecido que se genera a partir de microsoldaduras en el filo de corte que constituyen un aporte de material, como se puede ver en la figura 3.7. Este material adicional tiene un acabado irregular, lo cual genera un acabado que puede no resultar lo suficientemente adecuado. Es habitual que el filo recrecido se desprenda a lo largo de la operación de corte lo cual generará el astillamiento del filo de corte de manera que resulta de la misma manera un acabado deficiente de la pieza.

Figura 3.7. Desgaste con filo recrecido [8]

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3.2 Mecanismos de desgaste A continuación se detallan algunos de los mecanismos de desgaste más comunes en los procesos por arranque de viruta. Abrasión Es producida por las partículas duras del material de la pieza, las cuales rayan y arrastran partículas de la herramienta. Se produce en todos los tipos de desgaste pero principalmente en el desgaste del flanco. Adhesión Se produce entre los materiales de pieza y herramienta debido a que la viruta y la herramienta entran en contacto a altas temperaturas y presión de forma que se produce una soldadura. A medida que la viruta fluye por la herramienta va arrancando pequeñas partículas de la herramienta produciendo un desgaste de la superficie. Difusión Consiste en un intercambio de átomos entre la superficie de contacto herramientapieza o herramienta-viruta de forma que la herramienta queda agotada de átomos lo que hace que cambie sus propiedades en esa zona. Entre ellas, puede perder la dureza, facilitando que cambie su forma geométrica y se produzca un acabado deficiente. La superficie de la herramienta se vuelve más susceptible de desgastarse por abrasión y adhesión. Se piensa que la difusión es el principal mecanismo de desgate en la cara de desprendimiento. Reacciones químicas Son favorecidas por las altas temperaturas que se alcanzan en la interfaz piezaherramienta. La más común de ellas es la oxidación, la capa de óxido formada sobre el material es más blanda que este por lo que se desprenderá de la herramienta, la repetición continua de este ciclo hace que se vayan perdiendo partículas del material de la herramienta generando por tanto el desgaste. Deformación plástica Es generada por las altas presiones y temperaturas sobre el filo de corte, lo que produce la deformación. Este desgaste afecta principalmente al desgaste del flanco. Estos mecanismos se aceleran conforme se aceleran las velocidades de corte y las temperaturas. La difusión y las reacciones químicas son más sensibles a altas temperaturas.

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3.3 Estudio de F. W. Taylor En 1907 Taylor observa experimentalmente que el desgaste gradual del flanco va aumentando conforme aumenta el tiempo de corte según se representa en la gráfica de la figura 3.8, en la cual se distinguen tres zonas diferenciadas: Periodo de desgaste rápido inicial La herramienta el entrar en contacto tiene un desgaste rápido durante los primeros instantes del corte. Periodo de desgaste estable A continuación del desgaste rápido inicial este mantiene a una velocidad constante de forma que en este tramo, la gráfica de la figura 3.8 representa aproximadamente una línea recta. Periodo de desgaste acelerado Finalmente, la velocidad a la que se produce el desgaste aumenta, esto marca el inicio de la región de fallo. En esta región la eficiencia del corte se reduce debido a que la geometría de la herramienta ya no es la óptima, la temperatura se eleva y acaba produciendo el fallo de la herramienta y determinando el final de su vida útil.

Figura 3.8. Tendencia del desgaste frente al tiempo de corte. [4] Son muchos los factores que afectan al desgaste de la herramienta, entre ellos los más destacados son la velocidad de corte, el avance, la profundidad de corte, los materiales de la herramienta y la pieza, etc. Por tanto, la pendiente de la zona estable de la curva representada en la figura 3.8 será diferente dependiendo de los factores anteriores, siendo el más decisivo de ellos la velocidad de corte. El incremento de cualquiera de ellos aumentará la velocidad con la que se propaga el desgaste y por tanto disminuirá la vida útil.

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Se define la vida de la herramienta como el tiempo de corte que puede operar la herramienta. Este tiempo de corte se puede definir de dos formas, bien como el tiempo que transcurre hasta que se agota la herramienta produciéndose el fallo catastrófico, o bien, como el tiempo que se tarda en alcanzar la amplitud de la zona de desgaste en la cara de incidencia predeterminada por un criterio de desgaste definido. En producción se suele establecer un criterio de desgaste que permite cambiar la herramienta previamente al fallo, ya que si se produce el fallo puede causar un daño a la pieza que puede ser irreparable, o reparable, y requerir comenzar de nuevo la operación, lo cual genera costes adicionales a la producción y por tanto es indeseable. El fenómeno del desgaste de las herramientas y la vida útil de estas es objeto de estudio desde que se conoce la mecanización, tanto es así que en los primeros años del siglo XX se descubrió una relación que vinculaba la velocidad de corte con la vida útil. Si los valores de la vida útil se trazan en una gráfica logarítmica-logarítmica como la que se muestra en la figura 3.9, con la velocidad de corte frente a la vida, se obtiene una línea recta.

Figura 3.9. Tendencia de la vida útil frente a la velocidad de corte. [4] El hallazgo de esta relación se le atribuye a Frederick Winslow Taylor, el cual tenía un interés especial por controlar los tiempos de ejecución de cada operación de corte de acero en la fábrica donde desempeñaba su trabajo, siendo el padre de la “organización científica del trabajo” la cual buscaba estimar el tiempo pertinente a cada operación para organizar las tareas desde la dirección de la empresa y con el objetivo de optimizar los movimientos del personal y disminuir los tiempos muertos en la producción y con ello aumentar la productividad de los empleados. La citada relación se puede expresar como una ecuación, la cual recibe el nombre de ecuación de Taylor para vida de herramientas, y se define como sigue: =

(3.1)

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Donde: = velocidad de corte (m/min) = vida de útil de la herramienta (min) Los parámetros C y n son parámetros adimensionales que se hallan de manera experimental y son función del avance, la profundidad, materiales de pieza y herramienta. En la ecuación de la recta, n indica la pendiente de la recta y C indica el punto de corte con el eje de velocidad. Por lo que C representa la velocidad de corte para una vida de 1 minuto si las unidades empleadas son m/min y min. El valor de n está vinculado al material de herramienta mientras que C responde al material de trabajo y al resto de condiciones de corte. Unos valores orientativos de estos parámetros se indican en la tabla 3.1. Tabla 3.1. Valores orientativos de n y C en la ecuación de Taylor. [4] Material de herramienta Acero para herramienta al carbono Acero de alta velocidad Carburo cementado Cermet Carburo recubierto Cerámico

n 0,1 0,125 0,25 0,25 0,25 0,6

C(m/min) Materiales fáciles de Acero suave, no mecanizar endurecido 70 20 120 70 900 500 600 700 3000

(*)Cálculos realizados para un avance de 0,25mm/rev.y profundidad de 2,5 mm.

Como se ha mencionado anteriormente existen más factores, además de la velocidad de corte que influyen en la vida útil como son la profundidad, el avance, la dureza del material, etc. Si bien es cierto que estos factores no están presentes como tales en la ecuación de Taylor, lo que condujo a estudiar y formular una versión aumentada de esta, la cual considera los factores mencionados: =

(3.2)

Donde: = velocidad de corte (m/min) = vida de útil de la herramienta (min) = avance (mm/rev) = profundidad de corte (min) El parámetro ′ representa la velocidad de corte para unas condiciones de referencia que para Taylor son: una vida útil de herramienta de 1 minuto, una profundidad de 1mm y un avance de 1mm/rev. Los coeficientes n, m y p son coeficiente experimentales menores Antonio Guarnido Barrera

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que la unidad, siendo n, el relacionado con la velocidad de corte, el más decisivo de ellos. Le siguen en importancia m y p, los cuales son relativos al avance y a la profundidad de corte respectivamente. Los valores de estos cumplen la siguiente inecuación: