MECANICA DEL CORTE DE METALES TEORIA.pdf

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE ING. MECANICA TECNOLOGÍA MECANICA II

CONDICIONES DE CORTE Para realizar una operación de maquinado es necesario que se de un movimiento relativo de la herramienta y la pieza de trabajo. El movimiento primario se realiza a una cierta VELOCIDAD DE CORTE; además, la herramienta debe moverse lateralmente a través del trabajo. Este es un movimiento mucho mas lento, llamado AVANCE, la dimensión restante del corte es la penetración de la herramienta de corte dentro de la superficie original de trabajo, llamada PROFUNDIDAD DE CORTE. Al conjunto de velocidad, avance y profundidad de corte son llamadas: condiciones de corte. Para herramientas de punta simple, se puede obtener la velocidad de remoción del material con la siguiente fórmula:

Q = v c s p Donde Q = velocidad de remoción de material (mm³/seg); v c = velocidad de corte (mm/seg); s = avance (mm) y p = profundidad de corte (mm). Las unidades pueden cambiar dependiendo del tipo de operación, por ejemplo en el proceso de TALADRADO, la profundidad viene dada por la profundidad del agujero, además la profundidad esta medida en la misma dirección que el avance, al igual que el proceso de TRONZADO.

TEORÍA DE LA FORMACIÓN DE VIRUTA EN EL MAQUINADO Para poder explicar el proceso de la formación de la viruta en el maquinado de metales, se hace uso del modelo de CORTE ORTOGONAL. Aunque el proceso de maquinado es tridimensional, este modelo solo considera dos dimensiones para su análisis.

El modelo de corte ortogonal asume que la herramienta de corte tiene forma de cuña, y el borde cortante es perpendicular a la velocidad de corte, cuando esta herramienta se presiona contra la pieza de trabajo se forma por deformación cortante la viruta a lo largo del plano de corte (ver figura) y es así como se desprende la viruta de la pieza. La herramienta para corte ortogonal tiene dos elementos geométricos, el ángulo de ataque ( ) y el ángulo del claro o de incidencia que es el que provee un claro entre la herramienta y la superficie recién generada. La distancia a la que la herramienta se coloca por debajo de la superficie original de trabajo es p Y luego que la viruta sale con un espesor mayor p’; y la relación de p a p’ se llama: relación del grueso de la viruta. rc = p / p’. La geometría del modelo de corte permite establecer una relación importante entre el espesor de la viruta, el ángulo de ataque o de desprendimiento y el ángulo del plano de corte, siendo Ls la longitud del plano de corte. así:

En el caso del torneado (a excepción del tronzado) la herramienta se encuentra en un plano perpendicular a la superficie que se esta cortando, así como se ilustra en la fotografía, se puede observar también el sentido de la velocidad de corte, el cual es el mismo que el de la fuerza de corte. El ángulo de ataque esta medido sobre el plano de la superficie que se esta cortando, es este ángulo el que determina la salida de la viruta. En el torneado (refrentado y cilindrado) p es la profundidad de corte, mientras que el ancho s viene dado por el avance,. En el caso del tronzado, se cumple los mismos valores que los asumidos por la teoría de formación de viruta. RELACIONES ENTRE POTENCIA Y ENERGÍA EN EL MAQUINADO En una operación de producción de maquinado se requiere potencia. Las fuerzas de corte que se encuentran en la práctica de esta operación pueden ser de varios cientos de libras. El producto de la fuerza cortante y la velocidad dan la potencia requerida para ejecutar la operación de maquinado: P  Fc  v

Donde P = potencia de corte, caballos de vapor (CV); Fc = Fuerza de corte, kg; y v = velocidad de corte metros por minuto (m/min). La potencia bruta requerida por la máquina es más grande que la potencia usada en el proceso de corte, ya que se dan perdidas mecánicas en el motor y transmisión de la máquina. La potencia en unidades inglesas viene dada en CV: Fc  Vc  Nc  75  60   mec FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE LA HERRAMIENTA DE CORTE En el corte ortogonal, la fuerza resultante fr  aplicada a la viruta por la herramienta actúa en un plano que es perpendicular al filo de la herramienta. Esta fuerza se determina usualmente, en trabajo experimental, a partir de la medición de dos componentes ortogonales: una en la dirección de corte (conocida como la fuerza de corte  fc), la otra normal a la dirección de corte (conocida como la fuerza de empuje ft). COMPONENTES HERRAMIENTA

DE

LA

FUERZA

RESULTANTE

SOBRE

LA

VIRUTA HERRAMIENTA Fc

Fe Fr La medición precisa de estas dos componentes de la fuerza resultante de la herramienta ha sido objeto de esfuerzo considerable en el pasado, y se han desarrollado varios tipos de dinamómetros para la medición de la fuerza de corte. En la mayoría de los dinamómetros la fuerza que actúa sobre la herramienta se determina por medio de la medición de las deflexiones o deformaciones inducidas en los elementos que la soportan. Las componentes Fc y Fe de la fuerza resultante sobre la herramienta Fr,  medidas con un dinamómetro, pueden utilizarse para

calcular un gran número de variables importantes en los procesos de formación de la viruta continua. ENERGIA ESPECIFICA DE CORTE

Pm .

El consumo de energía por unidad de tiempo durante el mecanizado Es el producto de la velocidad de corte y la fuerza de corte Fc . Pm  Fc  Vc

El consumo de energía por unidad de tiempo y la remoción de metal por unidad de tiempo son proporcionales a la velocidad de corte. FUERZA DE PENETRACION Y EL “EFECTO DE TAMAÑO” La fuerza resultante sobre la herramienta en el corte de metales esta distribuida sobre las áreas de la herramienta que están en contacto con la viruta y la pieza. Ninguna herramienta de corte es perfectamente aguda.  A medida que el filo de la herramienta “allana” su camino a través del material, la fuerza que actúa sobre el constituye solamente una parte pequeña de la fuerza de corte para valores grandes del espesor de la viruta no deformada ac. Para valores pequeños de ac,  la fuerza que actúa sobre el filo es proporcionalmente grande y no puede despreciarse. la fuerza de penetración es causa de algunos efectos importantes y mediante ella es posible explicar el llamado ”efecto de tamaño”. Este termino se refiere al aumento de la energía especifica de corte (la energía requerida para mover un volumen unitario de metal) a valores bajos del espesor de la viruta no deformada. CARA VIRUTA

HERRAMIENTA

ZONA DE CONTACTO FLANCO Fr

ESP. DE VIRUTA FILO

Fp

ZONA DE CONTACTO ENTRE EL FLANCO

RESISTENCIA MEDIA APARENTE MATERIAL DE LA PIEZA

A

LA

CIZALLADURA

DEL

La figura siguiente muestra un modelo idealizado de la formación de viruta continua empleado en la mayor parte del trabajo previo realizado sobre la mecánica del proceso de corte. Dos de los primeros investigadores que emplearon este modelo fueron Ernst y Merchant, quienes sugirieron que la zona de cizalladura, podría representarse razonablemente por un plano, llamado el plano de cizalladura. El ángulo de inclinación del plano de cizalladura con respecto a la dirección de corte, se denomina ángulo de cizalladura (φ).

VIRUTA p’

SECCIÓN DE VIRUTA NO DEFORMADA

HERRAMIENTA

Is δ

Fs p φ

Fc  Ac

Fe

Fr

La longitud del plano de cizalladura esta dado por: δ= ángulo de inclinación φ = ángulo de cizalladura  Ls



 Ac sen 



P

cos(    )

rc = modulo de corte ac= área de corte p = espesor de viruta

METODOLOGIA PARA EL CALCULO DE FUERZAS SECCIÓN DE VIRUTA DEFORMADA:  As 

 Ac sen 

SECCIÓN DE VIRUTA NO DEFORMADA:  Ac   p  s

ESFUERZO CORTANTE SOBRE EL PLANO DE CIZALLADURA:  s 

Fs  As

FUERZA DE CORTE: Fc

  r   Ac

ESPESOR DE VIRUTA DEFORMADA: P' 

mv lv  s   m

RAZON DE CORTE: rc 

 p  p'

 ANGULO DEL PLANO DE CIZALLADURA:

 rc  cos       arctan   1  rc  sen   Una vez determinado el ángulo del plano de cizalladura se pueden calcular todos los ángulos restantes dependiendo del criterio utilizado según condiciones y restricciones. TEORIA DE ERNST Y MERCHANT La base de la teoría de ernst y merchant fue la suposición de que el ángulo de cizalladura φ toma un valor tal que minimiza el trabajo requerido en el corte. También supone que la viruta se comporta como un cuerpo rígido y las fuerzas se transmiten entre la viruta y la herramienta sin actuar en el filo ni en el flanco por lo tanto considera que la fuerza de penetración es cero (0), utilizando este criterio se minimiza el trabajo requerido en el corte, aun cuando los esfuerzos que se presentan son mayores.

   45 

(  ' )

2   '  90     2 

TEORIA DE LEE Y SHAFFER Esta teoría fue el resultado de un intento de aplicar la teoría de la plasticidad al problema del corte ortogonal de metales. En el tratamiento de problemas que requieren la aplicación de la teoría de la plasticidad, es necesario hacer las suposiciones siguientes con respecto al comportamiento del material sometido a esfuerzo: el material es rígido plástico. el comportamiento del material es independiente de la deformación por unidad de tiempo. se desprecian los efectos ocasionados por aumento en la temperatura. se desprecian los efectos de inercia resultantes de la aceleración del material durante la deformación.    45  (  ' )   '  45       DIAGRAMA DE FUERZAS P’

δ

Ls

P

Fs Fc S

Fe

β φ

Fns Fr

θ ω

μ β’

Ff Fnf

α

Una vez establecido los ángulos se pueden determinar todas las fuerzas:

  r   Ac

Fuerza de corte

Fc

Fuerza de empuje

Fe   Fc  tan(   ' )

Fuerza resultante

Fr  Fc

Fuerza normal al plano de cizalladura

Fns  Fc  sen   Fe  cos  

Fuerza de cizalladura

Fs

 Fc  cos    Fe  sen 

Fuerza de fricción

Ff 

 Fr  sen  '

2

 Fe2

Fnf    Fr   cos  '

Fuerza normal al plano de fricción Longitud del plano de cizalladura

 Ls 

Esfuerzo normal especifico de corte

 s 

sen 

 s 

Esfuerzo cortante sobre el plano de cizalladura

 r  

Esfuerzo cortante del material

 p

Potencia en el torneado, cepillado y limado en Cv

 Avance máximo por diente

   Z  360

 Df   2  P     arccos    Df  

 Amáx

  H   sen 

 As

 Nc 

4500   mec

 Ángulo de dientes en contacto

Fs

 Ac

 r   Amáx  ndientesencont  anchodeop  Vc

Número de dientes en contacto  N dientes 

 As

Fe

Potencia en el fresado en Cv  Nc 

Fns

Fc  Vc

4500   mec