Maquinabilidad: facilidad con la que un material dado ... · Métodos comunes p/especificar la Vida...
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La Maquinabilidad de los Metales
Maquinabilidad: facilidad con la que un material dado puede trabajarse con una herramienta de corte
VARIABLES QUE AFECTAN LA MAQUINABILIDAD
Del material a mecanizar
DurezaResistencia a la tracciónComposición químicaMicroestructuraGrado de trabajado en fríoEndurecibilidad por deformación
De máquina
Velocidad de corteAvance y profundidadGeometría de la herramientaMaterial de la herramientaFluido de corteForma y dimensiones de la piezaRigidez e inmunidad al vibradoNaturaleza del contacto herramienta-pieza
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Criterios comunes para juzgar la facilidad de corte
CRITERIOS ESPECÍFICOS (usados en ensayos rápidos para juzgar la facilidad de maquinado)Momento o presión de corte en taladrado.Tiempo de taladrado.Temperatura de la herramienta y de la viruta.Valor de endurecimiento de la viruta durante su remoción.Razón de corte de la viruta. Valores combinados de las variables mecánicas que controlan las fuerzas y la geometría de la viruta.
CRITERIOS DE
EVALUACION
DURACION FILO HERRAMIENTA
FUERZAS Y POTENCIA CONSUMIDAS
ACABADO SUPERFICAL
COSTO
DISEÑO/ COSTO
COSTO
FACILIDAD PARA ELIMINAR LAS VIRUTAS
(generales)
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Métodos comunes p/especificar la Vida de la Herramienta.
1) Tiempo de máquina (incluye corte intermitente)
2) Tiempo de corte real (definición común de vida de la herramienta).
3) Volumen de metal removido
4) Número de piezas maquinadas
5) Velocidad de corte equivalente (para un determinado tiempo de vida)
6) Velocidad de corte relativa: velocidad de corte que permite obtener un tiempo de corte real para el material de ensayo, del mismo valor que el de un material standard, cuando se mecaniza con la misma herramienta bajo ciertas condiciones. También llamada “maquinabilidad relativa” o “maquinabilidad porcentual”. En este último caso, al material standard se le asigna un valor de 100.
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Modos de falla de la herramienta
1) POR DESGASTE DEL FLANCO2) POR SOCAVADO (cratering)3) POR DESMENUZADO4) Por combinación de los modos básicos (1,2,3)
ZONASDE
DESGASTE
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Parámetros geométricos de las zonas de desgaste
(ISO/TC 29/WG 22.2)
Desgastes en la herramienta
Progresión del desgaste en función del tiempo
(Metal duro, Vc = 1m/s)
Zona no sensible a la temperatura
Zona sensible a la temperatura
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Criterios comunes para juzgar el fallo de la herramienta
1) Deterioro completo
2) Fallo preliminar: banda bruñida s/ la sup. Transitoria (Herr. de Ac. Rápido)
3) Fallo en el flanco: pérdida de material en el flanco (marca de 1/32”)
4) Fallo de la terminación
5) Cambio en las medidas de la pieza
6) Incremento de la fuerza de corte (o potencia)
7) Incremento de la fuerza de empuje
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Medición de la vida de la herramienta
• Se han realizado Ensayos de la vida de la herramienta sobre diferentes materiales (con fines de clasificar maquinabilidad), sobre muchos tipos de operaciones de maquinado.
• El método mas común y efectivo es el de tornear con herramientas monocortantes. La información mas segura, se obtiene mediante ensayos normalizados:
ISO 3685-E (1993) “Tool-life testing with single-pointturning tools”, sobre la cual se rigen normalmente todos
los ensayos de maquinabilidad
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Relación Vida de la Herramienta-Variables de máquina
Velocidad de corte: es la variable que mas influye sobre la duración del filo (T)
tn
c CTV =
RELACIÓN EMPÍRICA DE TAYLOR (no se cumple para Vc muy bajas)
Ct y n : constante y exponente, función de otras variables de máquina y del material
Material herramienta nAcero rápido 0,10 a 0,17Metal duro sin recub. 0,18 a 0,30Metal duro recubierto 0,30 a 0,40Cermets y cerámicos 0,40 a 0,60
> Vc ⇒ <T
n : pendiente θ del gráfico Vc-T
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Relación Vida de la Herramienta-Variables de máquina (cont.)
Dimensiones del corte: profundidad de pasada (p) y avance (a)
yxA
t apCV =
Vt : velocidad de corte equivalente (para una duración T del filo)CA : constante, función de otras variables de máquina y del materialx, y : exponentes, valores promedio 0,37 y 0,77
77,037,0 apCV A
t =
Dimensiones del corte
zoVt ACV −= )1000(
a/p ≈ 1/5 a 1/10
Ao = a (mm/v).p (mm) mm2 /vuelta
Si Ao2 = 2. Ao1, Vt2 = 0,75 . Vt1 La velocidad Vt se redujo en una proporción menor, respecto de Ao
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Relación Vida de la Herramienta-Variables de máquina (cont.)
Forma y ángulos de la herramienta
α es el de mayor influencia sobre T. Efecto leve para valores normales de αAngulo de
ataque α [º]Angulo de cuña β [º]
Angulo de incidencia γ [º] Material a mecanizar
0 84 6 Fundición de hierro chilled. Latón y bronce duro.8 74 8 Acero y acero colado ; Fundición de hierro. Latón. Bronce.
14 68 8 Acero y acero colado. Fund. de hierro (< 200 Bhn). Latón liviano
20 62 8 Acero y acero colado (Resist: 50-70000 psi)27 55 8 Bronce medio y liviano y acero (Resist<50000 psi)40 40 10 Aleaciones livianas
Radio de la puntaForma del filo de corteNaturaleza operativa (tornear, cepillar, taladrar, etc.)
HerramientasHSS
Aumento de: Vida de la herramienta TAngulo de ataque (α) Crece – Luego decrece (*)Angulo de Incidencia (γ) Crece – Luego decrece (*)
Angulo de Posición (κr) DecreceRadio de la Punta Crece
(*) T decrece cuando α y γaumentan demasiado, porque
el filo se debilita
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Relación Vida de la Herramienta-Variables de máquina (cont.)
Material de la herramienta: Ejerce gran influencia sobre T.
> 5….…….……Carburo sinterizado1.411.0180.8-0.85242020-4-2+18 % Co1.360.75100.8-0.85241818-4-2+10% Co1.180.550.7-0.75142818-4-1+ 5% Co1.15....0.85-1.1341818-4-31.060.75..0.8-0.85241818-4-21.00....0.7-0.75141818-4-10.88.....0.7-0.8141414-4-1
MoCoCVCrWMultiplicar
CV porComposición química [%]Material
Herramienta
Factor de Corrección de Cv para distintos materiales de herramientas
Fluido de corte♣ Reduce la fricción (acción abrasiva sobre la herramienta)♣ Disipa rápidamente el calor generado♣ Evita calentamiento excesivo de la herramienta
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Relación Vida de la Herramienta-Variables de máquina (cont.)
Rigidez e inmunidad al vibrado, Forma y dimensiones de la pieza
Naturaleza del contacto de la herramienta con la pieza
Factores favorables
Rigidez de la máquinaRigidez de la herramienta y sujeciónRigidez del montaje de la piezaAusencia de vibradoPieza robusta
Condiciones favorables
Angulo c: operaciones de planeado con fresa frontal
AcD/2
Avance
Punto de contacto
Plano lateral de la pieza
Contacto continuoPrimer contacto en cara de ataque
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Relación Vida Herramienta-Variables material de la piezaLa “Maquinabilidad Relativa o Porcentual” del material a mecanizar se expresa en
unidades de velocidad de corte relativa.
Indice de maquinabilidad de metales ferrosos
Ejemplo: Un acero AISI 1040 trabajado a 140 m/min permite una duración del filo T=30 min. Si acero AISI 1020, la Vc para la misma duración (Vt= V30).
V30 (p/acero AISI 1020) = 140 . 65 = 182 m/min50
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Relación Vida Herramienta-Variables material de la pieza (cont.)
Velocidad de corte relativa - Dureza Brinell“Resulta útil estimar velocidades de corte de prueba, y luego ajustar valores a
cada caso particular”
10
100
1000
10000
10 100 1000Dureza Brinell
Vel
ocid
ad d
e C
orte
(fpm
)
20,000 50,000 100,000Resistencia a la Tracción
Acero al C
Stellite
Acero rápido-CoAcero rápido 18-4-1
Mg y aleac. Latón y aleacAl. y aleac y Plast
Acero al CFund.Fe
Acero aleado
Acero Inox
Metal Duro (Fundición de Fe)
Metal Duro (Acero)
Es conveniente relacionar T con propiedades del material fácilmente medibles
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Relación Vida Herramienta-Variables material de la pieza (cont.)
Velocidad de corte - Propiedades de tracción: Janitzky, encontró una relación mas precisa para los aceros, en base a la “razón
del límite elástico a su resistencia a la tracción” (Y/S):
)(1052,1
8
60 SY
SV ×
= Para Y/S < 0,5
Para Y/S > 0,522,1
8
60 )5,0(25,0[105.2−−
×=
SY
SV
siendo:S: Resistencia a la tracción [psi]Y: Límite elástico del acero [psi]Y/S: Razón del límite elástico
Herram: Acero rápido 18-4-1, α=19º, γ=6º, κr= 45ºCond. de corte: p= 0,233”, a=0,039”/rev
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Relación Vida Herramienta-Variables material de la pieza (cont.)
Composición Química: no hay una relación precisa entre la CQ y la Vc
Efectos de la Composición química en Aceros sobre la Velocidad de Corte
Composición química
C%0.1- 0.3
C%> 0.31
Mn%0.25-2
P%0.0-0.15
S%0.0-0.3
Si%0.0-2.0
Cr%0.0-1.1
Ni%0.0-5.0
Mo%0.0-0.75
V%0.0-0.25
Cu%0.0-1.1
R, F ó A + 2P - 2P - 6P + 6P + 10P - 2P - 2P - 10P - 5P 0 X
A + 2P + 3N - 2L + 6P + 10P - 2L - 2P - 10P - 4P - 1L X
TT -300Bhn 0 0 - 2L + 4P + 8P - 2P 0 - 10P - 4P 0 X
TT- 400Bhn 0 0 - 4L + 2P + 3P - 2P 0 - 10P - 4P ? X
R: Laminado. F:Forjado, A:Recocido (máximo % de Perlita), TT:tratamiento TérmicoP = Efecto proporcional al % de aleante; L = Gran cantidad, mas efectivo; N = Cantidad intermedia, más efectivo; +10 = Efecto muy favorable; 0 = Efecto pequeño o sin efecto;-10 = Efecto muy desfavorable; X = Efecto probablemente desfavorable
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Relación Vida Herramienta-Variables material de la pieza (cont.)
Microestructura: Constituyentes duros y tamaño de grano fino acortan la duración T.
Inclusiones duras acortan T: Al2O3 y silicatos en el acero, o Si libre en el aluminioPartículas blandas a la temp. de mecanizado aumentan T: SMn y Pb en aceros y latones reducen μ
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Relación generalizada de la vida de la herramienta con las variables de máquina y del material
.Las variables de efecto mas directo y cuantificable se resumen en el nomograma de Gilbert y Truckenmiller. Altas “Vc” y bajos “a” y “p” reducen considerablemente la producción (caudal de viruta removida).
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77,037,0 apCV A
t =
zoVt ACV −= )1000(
tn
c CTV =
T=15minutos
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Material de la Herramienta (ISO-SANDVIK)
Factor de Corrección de Vc
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Fuerzas (F) y Consumo de potencia (CP) - variables de máquina
Salvo excepciones, la F y el CP tienen leve influencia s/ el costo del mecanizado (para pequeñas variaciones)
PERO F y CP afectan el tamaño de la máquina a emplear
F y CP afectan a la precisión de las piezas (flexiones en la máquina, pieza, y dispositivos porta-pieza y herramienta).
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Especificación y medida de las Fuerzas y la Potencia
POTENCIA
Potencia Bruta o total (Pg): entregada p/ el motor, medida s/ la línea de suministro, c/ wattim.
Potencia Neta (Pn): consumida al remover el metal durante el corte,
Pn = Pg . E Pn = Pg - Pt E = Pg – Pt . 100100 Pg
E: rendimiento aparente de la M-HPt: potencia perdida p/movtos. en vacíoº
Potencia específica (Wn): Pn requerida para remover un volumen unitario en la unidad de tiempo
Wn = Pn C.VU cm3/min
FUERZAS: la fuerza de corte Fc es la componente que mayor influencia tiene en el cálculo de la potencia neta. Medición mediante dispositivo dinamométrico
Pn = Fc . Vc Operando resulta también: Kn = 1 = 396000 Ao33000 Wn Fc
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Relación Fuerzas y Potencia, con las Variables de máquina
Velocidad de corte: Pn ∝ Vc
Wn, Kn, y Fc varían con la Vc: Para Vc ≥ 10 m/min (Ac. Rápido) y α>0
Máxima variación de Wn y Kn: hasta 15% ( dentro del rango usual de Vc)
8.09.0 apCFc F=
Dimensiones del corte: de mayor influencia s/ las fuerzas y el consumo de potencia.
yxF apCFc=
yxF
o
apCA
WnKn
3960001==
CF = constante, función del material que se corta y del ángulo αx, y : exponentes, valores promedio x = 0,9; y = 0,8
FCap
WnKn
2.01.03960001==
Ecuaciones de Kronenberg: roACpFc )1000(=
CpA
WnKn
qo10003961
==
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Relación Fuerzas y Potencia, con las Variables de máquina (cont.)
Forma y ángulos de la herramienta
Valores de Wn en el mecanizado de acero de diferente dureza con herramientas de distinto ángulo α
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Relación Fuerzas y Potencia, con las Variables de máquina (cont.)
Material de la herramienta: influye cuando el coeficiente μ entre los materiales de herramienta y pieza asume valores particulares, caso diamante-cobre, herramientas cerámicas, CBN, recubrimientos duros, etc.
Fluido de corte: reduce fuerzas y potencia al disminuir la fricción, (Vc bajas y normales). A Vc altas solo tiene acción refrigerante, debido al obstáculo que oponen las virutas para que el fluido actúe a tiempo y en cantidad suficiente.
Efecto del material de herramienta sobre la Fc en el mecanizado de Cu.
0
20
40
60
80
0 100 200 300 400 500 600
Velocidad de Corte [pie/min]
Fuer
za d
e C
orte
[lb] x
xxHerr:Acero Rápido (18-4-1)Ang.Ataque:4º30´Ang.Incidencia:3ºRa: 1.5 μpulg
Material: Tubo de Cu: Esp: 1/16"Avance: 0.0011pulg./min
Herr: DiamanteAng.Ataque:4º50´Ang.Incidencia:3ºRa: μ.pulg
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Relación Fuerzas y Potencia, con las Variables del material de la pieza
Para distintos tipos de mecanizado y materiales Fuerzas-Dureza- alfa
Microestructura: escasa influencia, salvo cuando afecta a la dureza o a la resistencia
Inclusiones insolubles duras (p.ej. Al2O3) no influyen sobre PnInclusiones blandas (SMn o Pb en aceros, o Pb en latones) pueden reducir Pn y reducen la fricción sobre la cara de ataque
Trabajo en frío y endurecibilidad por deformación: Entre metales de igual dureza, requerirámenos Pn el de menor endurecibilidad por deformación
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Relación generalizada de Pn y las fuerzas con las variables de máquina y del material
Nomograma de Gilbert y Truckenmiller: resume los efectos de las variables mas importantes, en el caso de los aceros (diferencia con datos experimentales ∼ 35%)
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Acabado Superficial y su relación con las Variables prácticas
El acabado no forma parte de los cálculos de mecanizado para obtener la máxima producción
Para obtener un buen acabado se tendrán en cuenta las características del material y las condiciones de corte VC, a y p.
Hay 2 causas principales de rugosidad superficial:• Marcas de avance dejadas por la herramienta• Fragmentos de filo recrecido esparcidos sobre la superficie
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Relación Acabado Superficial - Variables de máquina
Velocidad de corte: el acabado mejora al aumentar Vc, hasta una Vc crítica en la que el filo recrecido desaparece (90 a 150m/min)
Factores que influyen sobre la Vc crítica
Material de la piezaMaterial de la herramientaGeometría de la herramientaFluido de corte
Variación típica de la rugosidad con la Vc
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Relación Acabado Superficial-Variables de máquina (cont.)
Dimensiones del corte: Ao tiene gran influencia sobre la terminación. Ao grande → acabado superficial pobre Ao pequeña → buen acabadoun “a” grande perjudica mas al acabado que una gran “p”
Fundición Rq = 16000 a + 14 V= 300pie/min Rq = 760 p + 60
Forma y Ángulos de la herramienta:
los diseños de insertos, con conformadores de viruta y manejo del flujo pueden mejorar el acabado
Ang y forma de la herram Efecto s/ el acabado Causa
Angulo de ataque ( α) Sensible mejora< fricción , < t2< filo recrecido
Angulo de incidencia (γ ) Leve deterioro < resistencia de filoAngulo de posición (κr) Leve a sensible mejora < t2 < filo recrecidoAngulo frontal filo sec. (κc) Sensible deterioro > altura de huellasRadio de punta Sensible mejora < altura huellas
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Relación Acabado Superficial-Variables de máquina (cont.)
Material de la herramientaEscaso efecto con herram. de metal duro e inferiores (p/ una dada Vc), pero mejora al aumentar la Vc c/ herr. de metal duroEl diamante, a igual Vc, produce mejor acabado, por < μCerámicas, CBN, diamante policristalino y recubr. duros, por igual causa, permiten terminaciones de altísima calidad
Fluido de Corte: Normalmente mejora la terminación porque disminuye la fricción reduciendo el filo recrecidoEl efecto desaparece a muy altas Vc
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Relación Acabado Superficial - Variables Material de la pieza
Dureza y resistencia elevadas, junto a baja ductilidad y endurecibilidad por deformación (por trabajado en frío) , conducen a un buen acabado.
Microestructura: Ver tablas
Composición química: El agregado de S o Pb al acero o latón mejora el acabado