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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
Tema A2 170
“Análisis experimental de las fuerzas de corte con arranque de viruta en operaciones de
cilindrado orientado a la enseñanza”
D. Roldána, I. Cuevaa, O. Ruiza, A. Ortiza
a“Unidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales. Facultad de Ingeniería, UNAM. Laboratorios de Ingeniería Mecánica “Ing. Alberto Camacho
Sánchez”. Circuito interior, Anexo de Ingeniería, Ciudad Universitaria, 04510 México D.F.
* Contacto: oruiz@unam.mx
R E S U M E N
La demanda de profesionales con bases sólidas en las diferentes áreas de conocimiento de las ingenierías, en este caso en
el área de manufactura es cada día mayor ya que se requiere de personal calificado. En uno de los temas en donde se
demanda cada día va en aumento el número de ingenieros con robusta formación teórica y de amplios conocimientos
técnicos, como en operaciones que involucran el arranque de viruta para la obtención de piezas con geometrías
determinadas, tolerancias muy cerradas y acabados superficiales de alta calidad. Con el estudio de los procesos de
mecanizado por arranque de viruta se busca generar una guía práctica donde se analicen dichos procesos como una
herramienta que fortalezca los conocimientos teóricos a través de experimentos, los cuales involucran cálculos de algunas
variables que intervienen en dichos procesos. Un ingeniero con conocimiento basto en los procesos de manufactura y
dominio de los parámetros de mayor incidencia en las operaciones de corte será capaz de generar soluciones óptimas en
la manufactura de piezas que involucran ajustes, tolerancias dimensionales y geométricas, así como rugosidades que
permitan el correcto funcionamiento de los elementos que han de ensamblar y una alta calidad dentro de estándares
internacionales.
Palabras Clave: Fuerzas de corte, operaciones con arranque de viruta, operaciones de torneado.
A B S T R A C T
The demand of professionals who have solid knowledge on the different engineering areas, specifically related to
manufacturing, increases day by day. This is so because there is the need of having qualified personnel. One of the aspects
in which there is a high demand of professionals with thorough theoretical knowledge and ample technical expertise, is
that where operations involve the extraction of shavings to get geometrical shapes, very narrow tolerance and high-quality
products with surfaces roughness.
The research on mechanized processes of the extraction of shavings aims at creating a practical guide where such
processes can be analyzed. This would provide a tool to reinforce the theoretical concepts by means of experimenting.
Such experiments would involve the calculation of variables taking part in such processes. An engineer who has a vast
knowledge on the manufacturing processes and the control of the parameters of highest incidence in cutting operations,
will be able to provide optimal solutions to manufacture the pieces that involve adjustments, dimension tolerance and
roughness that will allow the correct functioning of the assembling elements and a high quality within international
standards.
Keywords: Cutting forces, chip removal operations, turning operations.
a aD. Roldán , I. Cueva , O. Ruiz , A. Ortiz
a“Unidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales. Facultad de Ingeniería, UNAM. Laboratorios de Ingeniería Mecánica “Ing. Alberto Camacho
Sánchez”. Circuito interior, Anexo de Ingeniería, Ciudad Universitaria, 04510 México D.F.
* Contacto: oruiz@unam.mx
ISSN 2448-5551 MM 126 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
1. Introducción
La importancia de conocer la magnitud de las fuerzas de
corte que afectan las operaciones básicas de torneado como
el cilindrado y careado de piezas que requieren una gran
precisión, pueden ayudar a comprender las afectaciones
debido a vibraciones y deformaciones que se pueden
originar en las piezas de trabajo. Un problema frecuente es
en operaciones de torneado resulta cuando se sobrepasan las
fuerzas de corte permisibles; debido al desgaste de las
herramientas utilizadas para tal fin. Estos factores son de
gran importancia principalmente en la industria aeronáutica
y en el sector salud así como en otros campos ingenieriles,
donde se trabaja con aleaciones de costos elevados y
geometrías con un grado de complejidad considerable y que
muchas veces son rechazadas por no cumplir con los
requerimientos de diseño, siendo necesario un retrabajo,
teniendo como consecuencia un impacto negativo por
debido al gran costo de manufactura.
Por otra parte, para los estudiantes de ingeniería el saber
y poder trabajar con nuevos materiales, cada vez más
sofisticados o incluso los llamados “exóticos” como se dice
con frecuencia, es de gran importancia para el desarrollo de
nuevos proyectos en grupos de trabajo integrados por
alumnos y académicos. Por otra parte, el conocimiento de
los parámetros adecuados para el maquinado aunado al
desarrollo de protocolos y procedimientos específicos para
operaciones de torneado de materiales de ingeniería son
herramientas útiles para los futuros profesionistas. Entre las
aleaciones con las que se podría trabajar se encuentran:
aluminio litio serie 8000, aleaciones de titanio grado 5,
aceros inoxidables serie 300-400, aleaciones base níquel
tipo 625-925, aleaciones base cobalto Aermet 100-340 entre
otros utilizados principalmente por su alta resistencia a la
corrosión en ambientes marinos, así también se podrían
considerar materiales ligeros de alta resistencia para la
industria aeronáutica.
Por estas razones se han realizado análisis y modelos
predictivos que ayuden a cuantificar y evaluar estas fuerzas
de corte, así como los principales parámetros que
intervienen durante las operaciones con arranque de viruta.”
(Dorlin & et al., 2015)
Las fuerzas de corte y la rugosidad superficial que se
obtiene en el proceso de maquinado en un torno durante los
procesos de cilindrado se realizan tomando en cuenta cuatro
parámetros principales como son: velocidad de corte,
avance, profundidad de corte y ángulo de ataque.
Los modelos matemáticos permiten el cálculo de las
fuerzas de corte en operaciones con herramientas de
geometría compleja. Este tipo de modelos están basados en
la suposición de que las fuerzas de corte son proporcionales
al espesor de la viruta, que básicamente es una relación de
las condiciones de corte, la geometría, el proceso y otras
variables del mismo. Estas relaciones se estudian por
separado siendo necesaria la experimentación para la
obtención de los coeficientes específicos de corte que
relacionan las diferentes magnitudes y parámetros medidos.
La predicción fiable del valor de las componentes de
fuerzas en operaciones de mecanizado es fundamental para
determinar los requisitos de potencia, los errores
geométricos en los componentes mecanizados, las
características de las vibraciones, los requerimientos de
resistencia de las herramientas de corte, el diseño de otras
herramientas de corte, o el dimensionamiento de las propias
máquinas de mecanizado, de manera directa o indirecta son
un paso intermedio necesario para el cálculo de muchos
aspectos en los procesos de mecanizado. Por lo cual su
importancia es vital para las siguientes actividades.
Figura 1. Configuración básica del proceso de cilindrado en
torno.
En el proceso de torneado, la pieza de trabajo tiene un
diámetro especifico D (mm), gira a una velocidad angular
N (rev/min), una velocidad de avance; fv (m/min) que
realiza la función de trasladar la herramienta de corte a lo
largo de la pieza de trabajo, y por último, la velocidad de
corte o velocidad superficial; cv (m/min) que se produce en
el punto donde se está maquinando en la figura 2 se pueden
apreciar estos parámetros que identifican al proceso de
torneado.
Figura 2. Parámetros involucrados en el proceso de
torneado.
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2. Parámetros de corte en el cilindrado
Para darle una interpretación a los resultados obtenidos en
cuanto los parámetros de diámetro mayor, herramientas
utilizadas y la velocidad de husillo se realizó un análisis
matemático de las fuerzas teóricas.
Si se sabe que las ecuaciones para obtener la velocidad
de corte, el avance y la profundidad de corte para una
operación de torneado son:
0
min 1000c
D mm N rpmmv
=
o bien:
0
60c
D mm N rpmmmv
s
=
es posible obtener la tasa de remoción de material:
cRMR v d f=
donde:
d = profundidad de corte
f = avance
La potencia de corte se obtiene a partir del producto de la
potencia unitaria del material y la rapidez de remoción de
material.
3
3c u
Nm Nm mmP P RRM
s smm
=
A partir de la potencia de corte se puede obtener la fuerza
teórica de corte.
c
c
c
NmP
sF N
mv
s
=
La fuerza de corte teórica para un proceso de torneado
03
1000
1c u
mm NmF N P f mm t mm
m mm
=
La correcta elección de los parámetros de corte es un
factor clave que determina la calidad de la superficie a
maquinar y sirve para cerciorarse que la formación de las
virutas está dentro del campo de la geometría de la
herramienta. Además, influye en el grosor de la viruta, así
como también en la forma de rotura o desahogo de ésta.
• Diámetro inicial, iD (mm): es el diámetro de la pieza
en bruto del material o el diámetro de la pieza a
maquinar antes de realizar desbaste.
• Diámetro final, fD (mm): es el diámetro de la pieza de
trabajo terminada después de maquinados previos.
• Diámetro transitorio, tD (mm): es el diámetro que se
obtiene en la pieza de trabajo después de haber
realizado un desbaste.
• Diámetro medio, mD (mm): es el diámetro que se
obtiene entre la diferencia del diámetro inicial y final
como se muestra en la ecuación 1.
2
i f
m
D DD
+= (1)
• Velocidad del husillo, N (rev/min): Es la velocidad a
la que gira el husillo en donde se encuentra acoplado el
plato y mordazas para sujetar la pieza de trabajo.
• Velocidad de corte o velocidad superficial, cV (m/min):
es la velocidad existente entre el material y la
herramienta, conocida como velocidad tangencial. La
velocidad de corte se puede determinar como se muestra
en la ecuación 2.
1000c
D Nv
= (2)
• Avance f (mm/rev): Es el avance por revolución de
giro del husillo.
• Velocidad de avance fv (m/min): es la velocidad a la
que se mueve la herramienta de corte a lo largo de la
pieza de trabajo y está determinado por el avance por
revolución de giro del material de trabajo como se
muestra en la ecuación 3. La velocidad de avance es un
factor muy importante y puede influir en el volumen de
producción y en la duración de la herramienta de corte.
Una velocidad muy baja en maquinado ocasionaría
pérdidas de tiempo; una velocidad muy alta hará que la
herramienta tenga un desgaste acelerado. Por ello, la
velocidad y el avance correctos son importantes según
el material de la pieza y el tipo de herramienta de corte
que se utilice.
fv f N= (3)
• Profundidad de corte d (mm): es la diferencia entre la
superficie de trabajo y la superficie maquinada, dividida
entre dos. La profundidad de corte se mide siempre en
ángulos rectos respecto a la dirección de avance de la
herramienta, no al filo. La manera en que el filo
principal se aproxima a la pieza de trabajo se expresa
como el ángulo de entrada k , el cual representa el
ángulo formado entre el filo y la dirección de avance.
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• La velocidad de remoción de material RRM
(mm3/min): es una forma de cuantificar cuanto
volumen de material se está removiendo por minuto de
la pieza de trabajo, dicho valor se obtiene como se
muestra en la ecuación 4.
m fRRM D d v= (4)
• La fuerza de corte cF (N): se puede determinar en un
punto tangencial a la herramienta de corte, se obtiene
como se muestra en la ecuación 5.
c
c
m
PF
D N=
(5)
en donde:
cP : Potencia de corte (W)
N : Velocidad del husillo (rev/min)
3. Metodología.
Se describe el equipo utilizado durante la medición de las
fuerzas de corte, así como la preparación de los
experimentos y herramentales utilizados.
• Torno convencional y accesorios
• Herramienta de corte
• Portaherramientas
• Dinamómetro
• Amplificador
• Tarjeta de adquisición de datos y licencia
• Computadora
• Cables de conexión
• Herramentales de acoplamiento al torno convencional
• Especímenes de prueba
Para llevar a cabo el proceso de cilindrado se utilizó un
torno con las especificaciones que se muestran en la tabla 1.
Un torno paralelo marca Titanium BJ1640, 16”x40” de
reciente adquisición ubicado en los talleres de la Facultad de
Ingeniería, de la UNAM.
Tabla 1. Características del torno Titanium BJ1640D
Especificación Unidades Valor
Volteo sobre la bancada mm 460
Volteo sobre el carro mm 288
Distancia entre puntos mm 1000
Viaje del carro transversal mm 230
Viaje del carro auxiliar mm 120
Rango de velocidades RPM 32 – 200
Motor principal HP 5.5
Peso kg 2000
Herramienta de corte. La herramienta de corte utilizada
para el experimento es un inserto cuadrado de clasificación
S tipo escuadra 90°, con ángulo de incidencia a 5° para un
sistema de sujeción por presión.
Portaherramientas. El portaherramientas es de tipo
fijación a presión para insertos sin agujero. El inserto se
sujeta con una brida a presión que lo mantiene sobre el
asiento del portaherramientas.
Dinamómetro Kistler. El dispositivo que se utilizó para el
desarrollo experimental de este trabajo fue un dinamómetro
modelo 9263 estacionario de estructura modular que se
monta en la torreta de la máquina herramienta; dicho
dinamómetro utiliza cristales piezoeléctricos contenidos en
su base, y como complemento una herramienta de corte, la
cual es soportada de tal manera que se pueda cambiar y hacer
pruebas sin alterar el sensor precargado.
La medición de las fuerzas de corte se realizó con un
dinamómetro KISTLER mediante celdas de carga como se
muestra en la figura 3 donde la fuerza se descompone en tres
componentes cF ,
fF y tF , en donde:
cF : Fuerza de corte en el eje z.
fF : Asociada a la fuerza de avance en el eje x.
tF : Asociada a la fuerza de empuje en el eje y.
Figura 3. Celdas utilizadas en el dinamómetro y las fuerzas
asociadas, (KISTLER, 2013).
Dichas celdas se encuentran previamente calibradas a
solicitud del fabricante para garantizar un comportamiento
lineal, de tal manera que las 3 celdas se pueden conectar a
través de cables de los llamados de bajo ruido para enviar la
información al amplificador.
Estos elementos se encuentran dentro de la carcasa del
dinamómetro como se muestra en la figura 4, acopladas de
tal manera que puedan transmitir información. Estas celdas
de carga utilizan cristales piezoeléctricos, los cuales de
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ninguna manera se ven afectados por las condiciones de uso
crítico, que se presentan en el mecanizado.
Los materiales con los que cuentan los dinamómetros son
diseñados y fabricados para minimizar la vibración y la
interferencia por la emisión acústica. La solidez y rigidez de
estos sensores y componentes los hace ideales para los
entornos de fabricación dinámica de los procesos de
manufactura.
Figura 4. Vistas isométrica y superior de dinamómetro con
accesorios, portaherramientas e inserto (CAD´s por D.
Roldán e I. Cueva).
• Ventajas del dinamómetro Kistler utilizado para la
medición de las fuerzas de corte:
• Alta rigidez
• Amplio rango de medición (Fx de 0 a10 KN, Fy de 0 a
10 KN, Fz de 0 a 20 KN)
• Alta Rigidez
• Diseño versátil
• Vida útil prolongada (periodos de tiempo de hasta 15
años para calibrar el equipo).
• Operación simple
Figura 5. Dimensiones de las probetas en [mm]
Para llevar a cabo las mediciones experimentales de las
fuerzas de corte se prepararon 6 piezas de prueba de
aluminio ASTM 6061-T6, 6 piezas de acero SAE 1018 y 6
piezas de acero inoxidable AISI 304, con las dimensiones
que se muestran en la figura 5.
Los dispositivos empleados para la medición de las
fuerzas de corte son: dinamómetro calibrado por la empresa
Kistler modelo 9263 para operaciones de torneado, un
amplificador de señales Kistler 5070A, tarjeta de
adquisición de datos Kistler 2825A y E software DynoWare
para la visualización y análisis de datos, así como cables
conectores blindados (bajo ruido) para la transmisión de los
datos.
4. Análisis de resultados.
En las gráficas derivadas del experimento para determinar
las fuerzas involucradas durante la operación de cilindrado,
en una gráfica derivada de los experimentos se pueden
apreciar dos secciones a destacar, la primera que representa
el estado transitorio y la segunda sección de la gráfica y más
importante representa el estado estacionario. El transitorio
se presenta al inicio y al final del experimento, y estos datos
no son considerados en cálculos posteriores, y sólo se toman
los valores de la segunda sección como se puede apreciar en
la figura 6.
Figura 6. Gráfica típica obtenida de la medición de las
fuerzas de corte.
Para el análisis de los datos obtenidos cabe destacar que
solo se tomaron los valores en un lapso de 5 segundos en la
parte más estable de la gráfica (estado estacionario), que
equivale a analizar 500 datos, donde se obtiene la media
aritmética y establece un dato promedio de la fuerza de
corte, fuerza de empuje y fuerza de avance.
Los siguientes gráficos describen el comportamiento de
la fuerza de corte en la aleación aluminio 6061 al variar el
avance, profundidad de corte y rpm, mismos parámetros se
modifican para las aleaciones de acero 1018 y 304.
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Figura 7. Fuerza vs profundidad de corte para desbaste,
avances (mm/rev).
Figura 8. Fuerza vs profundidad para acabado, avances
(mm/rev).
Los siguientes gráficos describen el comportamiento que
tiene la fuerza de corte en la aleación de acero 1018 variando
los parámetros descritos anteriormente.
Figura 9. Fuerza vs profundidad para desbaste, avances
(mm/rev).
Figura 10. Fuerza vs profundidad para acabado, avances
(mm/rev).
En los siguientes dos gráficos se observa el
comportamiento que tiene la fuerza de corte en la aleación
acero inoxidable 304 con respecto a la variación de los
parámetros de corte.
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Figura 11. Fuerza vs profundidad para desbaste, avances
(mm/rev).
Figura 12. Fuerza vs profundidad para acabado, avances
(mm/rev).
5. Análisis de resultados.
En las gráficas se aprecian dos zonas que se dividen antes y
después de la profundidad de corte de 0.2 mm, en donde es
visible que después de este punto la variación de la fuerza
de corte real tiene un comportamiento cuasi lineal. Se
observó un incremento progresivo conforme se aumentaba
la profundidad de corte (mm), el avance (mm/rev) y la
velocidad del usillo (rpm). Los rangos de fuerzas de corte
reales para las probetas de aluminio 6160 para operaciones
de desbaste se encontraron entre los 20 y 260 N, para el
acero 1018 entre los 30 y 440 N, para el acero inoxidable
304 entre los 60 y 580 N, considerando que los tres
materiales fueron ensayados bajo las mismas condiciones de
operación.
En cuanto al comparativo de las fuerzas obtenidas de
manera experimental respecto a las fuerzas teóricas se logró
observar una variación para la aleación de aluminio 6061 en
un rango para operaciones de desbaste entre el 2% y 5% de
diferencia, en las zonas de la probeta donde la apariencia se
consideró buen, para la aleación de acero 1018 la diferencia
se encontró un rango entre 10 y 13%, asimismo para el acero
inoxidable 304 el rango se encontró entre 9% y 11%.
En cuanto a los rangos de variación para las operaciones
de acabado los rangos se cerraron sensiblemente para las tres
aleaciones, en el caso del aluminio 6061 se encontró entre el
1 a 3%, para el acero 1018 del 5 al 7% y para el acero
inoxidable de 6 a 9%.
Adicional a la variación de la fuerza de corte, se logró
evaluar de manera cualitativa las superficies de las probetas.
Por una parte, la buena apariencia de la longitud maquinada
está asociada a las zonas lineales de las gráficas y por otro
lado se observó una marcada diferencia negativa en las
superficies asociada a las zonas de las gráficas donde el
comportamiento no fue lineal.
6. Conclusiones.
Con el desarrollo de la infraestructura para el análisis
experimental de las operaciones de torneado se desarrollarán
prácticas para las materias afines del área de manufactura.
Como un primer avance fue posible medir la fuerza de
corte en 3 aleaciones comerciales: acero 1018, acero
inoxidable 304 y aluminio 6061, con los valores obtenidos
se logró comprobar el buen funcionamiento del equipo de
medición al comparar los valores reportados en la literatura.
Se logró visualizar y analizar el efecto que tiene la variación
de los parámetros involucrados en el cilindrado.
Al analizar el comportamiento de la fuerza de corte en los
gráficos obtenidos se hace evidente el efecto que tienen los
parámetros de corte, sobre la fuerza de corte derivadas de los
experimentos, experimental de manera lineal la fuerza de
corte requerida, este comportamiento se evidencio para la
gama de avances.
Se logró obtener información básica para comprender lo
relativo al proceso de cilindrado, y el manejo de esta
información sirva como un documento de apoyo para los
estudiantes y profesores logrando una mejor comprensión en
las operaciones con arranque de viruta, factor importante en
el área de manufactura, que se verá reflejado en la toma de
decisiones en la práctica profesional.
La medición experimental de las fuerzas de corte es una
herramienta de gran importancia en el área metal mecánica
a nivel industrial, para la optimización de un proceso de
maquinado, buscando hacer más eficiente la fabricación de
piezas de alta calidad, igualmente la capacidad de control del
proceso, en particular en la manufactura de elementos
estructurales críticos para la seguridad, ejemplos de esto
podemos verlos en; la industria aeroespacial y biomédica.
Por último, el presente trabajo puede ayudar a la mejora
de estrategias del proceso de mecanizado, además de
proporcionar información para la investigación; formación
de viruta, desgaste de la herramienta, verificación de
simulaciones, mejora en la elección la geometría de la
herramienta de corte y comportamiento real que presentan
diferentes materiales bajo las mismas condiciones de
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maquinado. Por otro lado, se logró adquirir experiencia en
el manejo de los medidores de fuerzas y los equipos
acoplados.
Agradecimientos
A la Universidad Nacional Autónoma de México, a la
Facultad de Ingeniería y a la UDIATEM en especial a Juan
Javier Martínez Rincón, Diego Ricardo Pichardo Aragón,
Pablo Rivero Borrell Contreras, Erick Francisco Luz López,
Tania Estefanía Rojas Salgado, Eduardo Cuevas Villa, al
ingeniero Roberto Cisneros y al biólogo Germán Álvarez.
Los autores también agradecen al proyecto PE103816
“Desarrollo de material didáctico para el área de Ingeniería
de la Manufactura” por los recursos otorgados para el
desarrollo de este trabajo.
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