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MAQUINADO

Procesos de manufactura II

PRESENTADO A:

Prof. Ing. Mec. Dipl. -ing. M.sc. JULIÁN MIGUEL SALAS SIADO

PRESENTADO POR:

ESQUIVIA CUADRADO ANDRÉS JAVIER BERNAL PUGLIESE WILLIAM DAVID

UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA BARRANQUILLA SEPTIEMBRE DE 2017

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INDICE 1. Maquinado ………………………………………………………………………… …………… 3

2. Condiciones del proceso de corte ……………………………………………………. 5

3. Material de la herramienta ……………………………………………………………… 5

4. Desgaste y vida de la herramienta ……………………………………………………. 5

5. Vida de la herramienta ……………………………………………………………………… 7

6. Maquinabilidad de SAE 1020 …………………………………………………………….. 8

7. Bibliografía ………………………………………………………………………… …………….. 9

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1. Maquinado Los procesos de remoción de material son una familia de operaciones de formado en las que el material sobrante (viruta) es quitado de una pieza de trabajo inicial de tal manera que lo que queda es la forma final que se desea conseguir. La rama más importante de la familia es el maquinado convencional, en el que una herramienta aguda de corte se utiliza para cortar mecánicamente el material y así alcanzar la forma deseada. Los tres procesos principales de maquinado son el torneado, el taladrado y el fresado. Otros dos grupos de procesos, son el proceso abrasivo, que de forma mecánica remueve el material mediante la acción de partículas abrasivas dura y los procesos no tradicionales, que utilizan otras formas de energía, como lo son la mecánica, la electromecánica, la térmica y la química. El maquinado es un proceso de manufactura en el cual se usa una herramienta de corte para remover el exceso de material de una pieza de trabajo, de tal manera que el material remanente sea la forma de la pieza deseada. La acción predominante del corte involucra la deformación cortante del material de trabajo para formar la viruta; al removerse la viruta, queda expuesta una nueva superficie. El maquinado se aplica más frecuentemente para formar metales.

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figura 1 Clasificación de los procesos de remoción de material. Groover, tercera edición

Algunas ventajas del maquinado son una alta variedad de materiales de trabajos los cuales pueden maquinarse. Prácticamente todos los metales sólidos se pueden maquinar. Los plásticos y los compuestos plásticos se pueden cortar también por maquinado.

figura 2 Sección transversal de proceso de maquinado. Groover, tercera edición

Los procesos de maquinado se pueden usar para generar cualquier forma geométrica regular, como superficies planas, agujeros redondos y cilindros. Tiene una alta precisión dimensional. El maquinado puede producir dimensiones con tolerancias muy estrechas de menos de ±0.025 mm, otra ventaja es un buen acabado superficial. Por otro lado, también trae sus desventajas como lo son el desperdicio de material y el tiempo de consumo de trabajo. El maquinado no es solamente un proceso, sino una familia de procesos. La característica común es el uso de una herramienta de corte que forma una viruta, la cual se remueve de la pieza de trabajo. Para realizar la operación, se requiere movimiento relativo entre la herramienta y el material de trabajo. Este movimiento relativo se logra en la mayoría de las operaciones de maquinado por medio de un movimiento primario, llamado la velocidad de corte, y un movimiento secundario, denominado el avance. La forma de la herramienta y su 4

penetración en la superficie del trabajo, combinada con estos movimientos, produce la forma deseada de la superficie resultante del trabajo. Una herramienta de corte tiene uno o más filos cortantes y está hecha de un material que es más duro que el material de trabajo. El filo cortante sirve para separar una viruta del material de trabajo. La cara inclinada que dirige el flujo de la viruta resultante se orienta en cierto ángulo, llamado ángulo de inclinación α. El ángulo se mide respecto a un plano perpendicular a la superficie de trabajo. El flanco de la herramienta provee un claro entre la herramienta y la superficie del trabajo recién generada; de esta forma protege a la superficie de la abrasión que pudiera degradar el acabado. Esta superficie del flanco o de incidencia se orienta en un ángulo llamado ángulo de incidencia o de relieve.

2. Condiciones del proceso de corte Los factores esenciales en el proceso de corte son la herramienta, la pieza de trabajo y la máquina que establece la interacción entre ambas. La máquina (tipo, tamaño, estabilidad, rigidez y estado) y el soporte (rigidez y precisión) influyen de una gran manera en el proceso real de corte. La interacción herramienta y pieza de trabajo está regida por las propiedades del material de trabajo, el material de la herramienta, su geometría y por todas las instrucciones de corte (velocidad, profundidad de corte y avance). La selección de la herramienta (material y geometría) depende del material de trabajo, requerimientos geométricos, tolerancias y acabados, de la vida esperada, de las fuerzas de corte, la potencia y la formación de viruta. La información de corte se debe seleccionar de forma que se obtenga un proceso económico de corte. A partir de aquí se examinan la herramienta (material, geometría desgaste y vida).

3. El material de la herramienta La formación de viruta implica altos esfuerzos locales, fricción, desgaste y elevada temperatura; por lo tanto, el material de la herramienta debe tener ciertas propiedades como lo son la alta resistencia, alta ductilidad y alta dureza o resistencia al desgaste a altas temperaturas.

4. Desgaste y vida de la herramienta Durante el proceso de corte la herramienta se desgasta causando perdida en la precisión dimensional, rugosidad, mayor consumo de potencia e incluso la rotura del filo cortante. 5

La razón con la que se desgasta la herramienta depende de la temperatura de la herramienta, la cual depende de otros factores como lo son, la velocidad de corte, dureza y tipo material de la herramienta, condiciones del material de trabajo y la geometría de la herramienta. El desgaste ocurre en dos lugares principales de la herramienta de corte: en la parte superior de la superficie de inclinación y en el flanco o superficie de incidencia. Por tanto, se puede distinguir dos tipos de desgaste principales de la herramienta: desgaste en cráter y desgaste del flanco. Desgaste en cráter se forma por la acción de la viruta que se desliza contra la superficie. El cráter puede medirse ya sea por su profundidad o por su área. El desgaste del flanco resulta del rozamiento entre la recién creada superficie de trabajo y la cara del flanco adyacente al borde de corte. El desgaste ocurre en el flanco o superficie de relieve de la herramienta. Resulta del rozamiento entre la recién creada superficie de trabajo y la cara del flanco adyacente al borde de corte. El desgaste del flanco se mide por el ancho de la banda de desgaste, FW. A esta banda se le llama a menudo la banda de desgaste.

figura 3 Diagrama de una herramienta desgastada que muestra los lugares principales y los tipos de desgaste que ocurren. Groover, tercera edición

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figura 4 Desgaste en cráter Groover, tercera edición

figura 5 Desgaste en flanco Groover, tercera edición

5. Vida de la herramienta el valor máximo del ancho de la banda de desgaste, FW o VB, se usa como criterio para medir el desgaste. La manera en que varía el desgaste de flanco con respecto al tiempo es muy importante puesto que constituye la base para determinar las condiciones óptimas (económicas) de corte. Si graficamos el desgaste en flanco contra el tiempo de corte a diferentes velocidades de corte con valores fijos como la geometría de la herramienta, avance, profundidad de corte y radios entre filos. Usando el criterio de desgaste en flanco VB= 𝑉𝐵𝑚á𝑥 se puede ver que a mayores velocidades de corte se disminuye la vida de la herramienta, hasta el punto de llegar a la falla. Una gráfica logarítmica de vida de la herramienta contra la velocidad de corte normalmente es una línea recta. Esta línea se puede expresar mediante la ecuación de Taylor: 𝑉𝑇 −1/𝐾 = 𝐶

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Figura 6 Efecto de la velocidad de corte en el desgaste de flanco Groover, tercera edición

figura 7 Gráfica log-log de la velocidad de corte contra vida de la herramienta. Groover, tercera edición

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6. Maquinabilidad La maquinabildad no depende de una sola característica tecnológica individual, sino de varias características distintas, cada una de las cuales puede variar independientemente de las demás. Esto trae una dificultad para definir la maquinabilidad y para dar una medida precisa de esta propiedad. Los estudios realizados coinciden en que la maquinabilidad depende del estado metalúrgico de la pieza, de la dureza, de las características mecánicas intrínsecas del material, de la composición química y de su eventual endurecimiento por acritud. Muchos ensayos llevados a cabo con múltiples tipos de materiales, aleaciones, con diferentes porcentajes de componentes han traído resultados interesantes e indicativos, pero algunos de ellos han sido inesperados y extraños, de tal forma que han suscitados dudas sobre una verdadera y única ley según la cual se comporten los materiales, en relación con la maquinabilidad. La maquinabilidad no depende solamente de las propiedades intrínsecas del material: las condiciones de corte y las características de la herramienta pueden determinar grandes variaciones en la maquinabilidad de la herramienta. En lo que respecta a la herramienta utilizada, se puede afirmar que la forma, los ángulos característicos, la composición, los tratamientos sufridos, la dureza, el grado de acabado superficial, el estado afilado. Lógicamente influye también el método de mecanizado: herramienta en presa continua o intermitente, rigidez de la máquina (de la que depende la magnitud de las deformaciones y vibraciones entre pieza y herramienta). Los numerosos autores e investigadores dedicados a estos estudios han llegado a la conclusión de lo difícil que es alcanzar el objetivo de una medida simple, fácilmente reproductible, y suficientemente precisa, teniendo en cuenta los factores indicativos. Por tal razón en el plano científico no es posible llegar a una solución simple y rápida; y que, en cambio, para adoptar un índice de maquinabilidad, se deba usar métodos comparativos, renunciando a las causas intrínsecas. Sería ideal, llegar a una simple clasificación de los materiales, con la escala de durezas; el método de comparación al que se tiende se basaría, por ello, en una “escala de mayor a o menor maquinabilidad”, en función si es posible de un solo factor. Ahora, la pregunta: ¿Qué factor debe ser tomado en cuenta?, algunos autores sugieren el desgaste de la herramienta, por el hecho de que mientras más rápido sea el desgaste de la herramienta de corte, menor será la maquinabilidad del material. Otros autores sugieren un factor distinto, la potencia absorbida: cuanto mayor es la potencia consumida por el corte, tanto menor es la maquinabilidad del material.

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Sería erróneo crear una escala de maquinabilidad en función del acabado superficial de la pieza mecanizada, puesto que la propiedad de un material para dejarse acabar mejor y con menos rugosidad no es exactamente la maquinabilidad, en cambio si la “aptitud de finición”, y otras leyes distintas. Otro parámetro que los autores consideran significativo es la cantidad de calor generada por el corte, o la temperatura de corte. El razonamiento es el mismo: cuanto más calor genera el material al ser mecanizado, tanto menor es la maquinabilidad.

6.1 Medidas de maquinabilidad 6.11 índice de maquinabilidad y pruebas de duración Se puede precisar que el índice de maquinabilidad (I) puede ser valorado con pruebas de larga duración, hasta la completa caída de la herramienta, o hasta un nivel determinado de desgaste de la herramienta (VB Y KT). Estos ensayos permiten evaluar la velocidad de corte para una determinada duración de la herramienta ( 𝑣60 , 𝑣20 ). El índice I viene definido como la relación de una velocidad económica de corte (por ejemplo 𝑣20 ) del material en ensayo, y la que corresponde al acero patrón (laminado y estirado en frío) AISI B 1112, para el que se tiene I=100. 𝐼=

𝑣20 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑎 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑎𝑟 𝑣20 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑎 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑎𝑟𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑡𝑟ó𝑛 (𝐴𝐼𝑆𝐼 𝐵 1112)

Tienen, por lo tanto, índices I menores de 100 todos los materiales con maquinabilidad menor que el AISI B 1112, y, por el contrario, tienen índice I mayor de 100 todos los mas maquinables. La metodología para estas de larga duración con medida de la franja de desgasten la cara de incidencia de la herramienta y del cráter debe tener en cuenta los siguientes extremos: _la rigidez de la máquina de ensayo (torno) de y su potencia deben ser suficientes para asegurar una velocidad de corte constante incluso si se llegan a dar eventuales vibraciones en el corte; _las dimensiones de la pieza, cilíndrica, no deben superar para la relación longitud/diámetro rl valor 10:1. El material debe ser homogéneo; para ello debe eliminarse la eventual superficie negra de laminación con un desbaste preliminar (p ≅ 1mm); _se debe asegurar la homogeneidad de la herramienta y su geometría. _las medidas de la franja de desgaste (VB y KT) deben ser precisas.

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6.1.2

Ensayos acelerados de duración

Los ensayos descritos anteriormente requieren de un notable dispendio de tiempo y de material, teniendo en cuenta el número de repeticiones para cada dato; por ello en la industria son rara vez aplicables. Para superar esta dificultad, se han propuestos métodos rápidos para la determinación del índice de maquinabilidad. Los siguientes métodos de duración acelerada son: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Ensayo con velocidad de corte creciente Ensayo con recorrido de corte constante Medición del desgaste mediante isotopos radiactivos Medida de la temperatura con herramienta simple o doble Medida de las fuerzas de corte Medida de la variación de las fuerzas de corte

1.Ensayo con velocidad de corte creciente El ensayo se efectúa sobre un torno, mecanizando una herramienta cilíndrica con herramienta de acero rápido, a partir de una velocidad inicial (𝑣0 ) de corte inferior a 20 m/min con respecto a la velocidad de “caída de la herramienta” 𝑣𝑧 . La velocidad 𝑣0 se aumenta a continuación de una forma continua o escalonada según una progresión geométrica de razón 1,12 (R20), por cada 25 m de recorrido helicoidal de la herramienta hasta agorar su vida. La 𝑣0 no influye en el resultado del ensayo, toda vez que el agotamiento de la herramienta se verifica después de por lo menos 6 escalones. En el caso de aumento continuo de la velocidad, se utiliza como referencia 𝑣𝑧 ; en cambio en aumento escalonado, la referencia es la velocidad 𝑣𝑐𝑜𝑚𝑝 calculada según la relación: 𝐼

𝑣𝑐𝑜𝑚𝑝 = 𝑣(𝑧−1) + (𝑣𝑧 - 𝑣(𝑧−1) ) 𝐼𝑍 (m/min) 0

Z: número de velocidades utilizado 𝑣(𝑧−1) : velocidad de corte correspondiente al último escalón de velocidad (m/min) 𝐼𝑧 : recorrido helicoidal de la herramienta, comprendido en el último escalón de velocidad, antes de la caída 𝐼0 : recorrido helicoidal de la herramienta en cada escalón.

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2. Ensayo de recorrido constante Consiste en un torneado con herramienta de acero rápido, con una velocidad de corte tan alta, que su duración quede limitada a pocos minutos. Se mide el recorrido de la herramienta hasta la aparición de las primeras señales de rotura. Leyensetter aconsejó la determinación de la v (L=100), es decir, de la velocidad de corte que provoca la inutilización de la herramienta después de un recorrido de 100 m.

3. Medida del desgaste con isotopos radiactivos El método consiste en medir desgaste muy pequeño de la herramienta, aunque los resultados no son tan confiables debido a la extrapolación para deducir, del pequeño desgaste la duración. Generalmente se usan plaquitas de carburo activadas por neutrones e insertadas en un portaherramientas de torno. Como las partículas se adhieren un 90% a la viruta, es posible deducir, de su radiactividad, el desgaste de la herramienta. Se usan dos herramientas a 180° una de la otra, y desplazados en sentido axial de la mitad del avance. De forma que se pueda medir el desgaste de flanco y frontal. En efecto, las partículas provenientes del frente de la herramienta activada radiactivamente se adhieren a la viruta arrancada por ésta, mientras que las partículas del flanco se adhieren a la viruta arrancada por la herramienta no radiactiva. De la radiactividad de la viruta se determina el volumen del material arrancado por la herramienta; y de este valor, por una simple relación, se puede deducir la medida de la franja VB de desgaste o la relación K.

4. Medida de la temperatura con herramienta simple o doble La prueba consiste esencialmente en la medida de la temperatura media de la zona de corte. Gottwein determino la temperatura en base a la diferencia de potencial, generada por el par termoeléctrico constituido por la herramienta y la pieza a mecanizar. Existe el inconveniente de tener que repetir el calibrado cada vez que se cambie el material de la herramienta o de la pieza. Reichel propuso el empleo de dos herramientas con la misma geometría, pero distinto material. La diferencia de potencial que se crea entre las dos herramientas, es independiente de las propiedades termoeléctricas del material que se mecaniza, de forma que es suficiente un solo calibrado. Los ensayos encontraron que la diferencia de potencial es constante al variar 𝑣60 en un intervalo muy amplio. 12

5. Medidas de la fuerza de corte Un índice de maquinabilidad propuesto por Schlesinger, sugirió determinar las fuerzas de corte y la resistencia especifica de corte. En el torneado se suelen medir la fuerza axial y la fuerza tangencial (resistencia al avance). Al realizar pruebas de torneado con fuerzas de avance constante. En este caso el avance se obtiene debido a un peso, que actúa sobre el carro longitudinal. La maquinabilidad del material está referida así al avance (mm/ vuelta) efectivamente conseguido durante el mecanizado del material ensayado.

6. Medida de la variación de las fuerzas de corte Al encontrar que las fuerzas de corte aumentan con el desgaste, en especial con herramientas de metal duro, se dedujo que una medida de la variación de la fuerza de corte, puede ser un indicador de la maquinabilidad del material. En estos ensayos se utilizan velocidades de corte elevadas, para acelerar el desgaste y obtener variaciones sensibles de fuerzas en tiempo reducido. Los índices de maquinabilidad se determinan de dos formas: a. Se toma como índice la velocidad, luego de un tiempo trascurrido se determina el incremento de fuerzas, cuanto mayor es la velocidad, mejor es la maquinabilidad del material a ensayar. b. Se usa como índice el incremento de fuera a una velocidad definida, entre mayor sea este aumento, menor es la maquinabilidad del material.

6.1.3 Métodos de valoración indirectos Los métodos indirectos consideran la maquinabilidad en función de una o más características físicoquímicas o metalúrgicas del material a ensayar. Conociendo estos valores es posible predecir la maquinabilidad sin la necesidad de hacer pruebas prácticas de mecanizado. La desventaja de los métodos indirectos con los directos es la precisión. Suelen ser útiles para hacer una valoración previa de la maquinabilidad o para evitar realizar ensayos sobre el material.

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7. Maquinabilidad de SAE 1020 Es un acero clasificado en el grupo de los aceros de bajo carbono. Su composición química le permite entregar un mejor desempeño en sus propiedades mecánicas, soldabilidad y maquinabilidad que otros aceros del mismo grupo. Tiene un rango de maquinabilidad de alrededor del 75%. Fácil de ser soldado por los procedimientos más comunes entregando resultados de una excelente calidad, el tipo de soldadura a usar depende del servicio, diseño y medidas requeridas. Para piezas con un diámetro inferior a 2 "(50 mm), esta calidad se ha encontrado ocasionalmente para mostrar la mejor maquinabilidad cuando se normaliza. Las piezas de más de 2 "(50 mm) de diámetro pueden mecanizarse después de forjarlas o enrollarlas.

Figura 8 Tabla propiedades mecánicas, SAE 1020

8. Bibliografía Groover, Mikell, FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA, Editorial Prentice Hall, Tercera edición, México, 2007 https://es.scribd.com/doc/63240812/Caracteristicas-acero-SAE-4340-SAE-1020 http://www.steelforge.com/carbon-steel-1020/ Alting, PROCESOS PARA INGENIERIA DE MANUFACTURA

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