Resumen teoria de corte

MECANICA DEL CORTE DE METALES INTRODUCCIÓN Mallock sugirió correctamente que el proceso de corte consistía básicamente en el cizallamiento del material de trabajo o de la pieza para formar la viruta y enfatizo la importancia del efecto de la fricción que se hacía sobre la cara de la herramienta de corte a medida que se removía la viruta. (a) Reuleaux sugirió que una fractura ocurría frente a la herramienta y que el proceso podría asemejarse al rajado de la madera. Esta teoría fue una concepción errada que fue sustentada duran muchos años (b)

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Taylor investigo el efecto del material de la herramienta y de las condiciones de corte sobre la vida de la herramienta en operaciones de desbaste. Su principal objetivo era determinar las leyes empíricas que permitiesen el establecimiento de las condiciones óptimas de corte. La ley empírica de Taylor rige la relación entre la velocidad de corte y la vida de la herramienta se utiliza como base hasta actualidad. El estableció que la temperatura existente en el filo de la herramienta controlaba el desgaste de la misma por unidad de tiempo.

TERMINOS Y DEFINICIONES

La superficie de desprendimiento (cara de la herramienta): Es por donde fluye la viruta. Superficie de incidencia (flanco de la herramienta): es la superficie apoyada posteriormente (idealmente en el filo) para dejar libre la superficie generada en la pieza. Espacio libre o de alivio: es el espacio generado entre la superficie de incidencia y la superficie de corte o generada. Espesor de la viruta no deformada: es la profundidad de cada capa de material removida por la herramienta.

Ángulo de inclinación normal efectiva (desprendimiento): Es el ángulo existente entre la superficie de desprendimiento y una línea perpendicular a la superficie generada. Ángulo normal efectivo: Es el ángulo existente entre la superficie de incidencia de la herramienta y la superficie generada. Que puede afectar el desgaste de la herramienta por unidad de tiempo. Angulo normal del filo: Es el ángulo entre la superficie de desprendimiento e incidencia. 𝝅

Ángulo de inclinación normal efectiva + ángulo normal efectivo + ángulo normal de filo = 𝟐

FORMACION DE LA VIRUTA Una de las técnicas más útiles para el estudio de la formación es el dispositivo de parada rápida. Que puede parar súbitamente a la acción de corte y permitir analizar microscópicamente el proceso de remoción de la viruta. Viruta Continua El corte a estas condiciones es un proceso estable. Básicamente esta operación consiste en el cizallamiento del material de trabajo y en el deslizamiento de la viruta sobre la cara de la herramienta de corte. La formación de la viruta tiene lugar en la zona que se extiende desde el filo de la herramienta hasta la unión entre las superficies de la pieza; esta zona se conoce como zona de deformación primaria y la cara de la herramienta es conocida como zona de deformación secundaria.

Viruta continúa con recrecimiento del filo Bajo ciertas condiciones, la fricción entre la viruta y la herramienta es suficientemente grande para que la viruta se suelde a la cara de la herramienta. El material apilado resultante es conocido como filo recrecido, el cual va aumentando hasta que se aparte a causa de su inestabilidad.

Viruta discontinua o quebrada Durante la formación de la viruta el material es sometido a grandes deformaciones, si es frágil, se fracturara en la zona de deformación primaria cuando la formación de la viruta es incipiente. Se produce virutas discontinuas en materiales tales como, hierro fundido o bronce fundido pero también en materiales dúctiles a muy baja velocidad y avances grandes.

FUERZAS QUE ACTUAN EN LA HERRAMIENTA DE CORTE Y SU MEDICIÓN La fuerza resultante 𝐹𝑟 aplicada a la viruta por la herramienta actúa en un plano perpendicular al filo de la herramienta.

ENERGIA ESPECÍFICA DE CORTE Potencia de corte; El consumo de energía por unidad de tiempo durante el mecanizado es: 𝑃𝑚 = 𝐹𝑐 ∗ 𝑣 Un parámetro que da una indicación acerca de la eficiencia del proceso, es la energía específica o potencia unitaria que es la energía consumida por unidad de volumen removido de corte 𝑃𝑠 𝑃𝑠 =

𝑃𝑚 𝐹𝑐 = 𝑍𝑤 𝐴𝑐

Donde 𝑍𝑤 es el metal removido por unidad de tiempo y 𝐴𝑐 es el área de la sección de viruta sin cortar. Esta energía es afectada por cambios de velocidad, el avance, inclinación de la herramienta. Para una inclinación de la herramienta a velocidades de corte altas y avances grandes, la energía específica de corte tiende a permanecer constante. FUERZAS DE PENETRACIÓN Y EL EFECTO DEL TAMAÑO

La fuerza que actúa sobre el filo de la herramienta no contribuye a la remoción de la viruta como tampoco lo hace la fuerza que actúa en el flanco; estas fuerzas se denominaran colectivamente “FUERZA DE PENETRACIÓN” 𝑭𝒑 . La fuerza de penetración es causa del “efecto de tamaño” el cual es el aumento de energía específica de corte a valores bajos del espesor de la viruta no deformada 𝑎𝑐

El aumento en la energía específica cuando el espesor de la viruta disminuye, explica la razón por la cual en procesos como el rectificado que producen virutas muy delgadas se requiere una gran potencia para remover un volumen dado de metal.

ESPESOR DE LA VIRUTA El Angulo de cizalladura permite conocer el espesor de la viruta 𝐴0 . 

Teoría de Ernst y Merchant  Se denomina solución del ángulo de cizalladura.  Supone que la viruta se comporta como un cuerpo rígido que se mantiene en equilibrio por la acción de fuerzas que se transmiten a través de la zona de contacto entre la viruta y la herramienta.  Supone que la fuerza de penetración es cero  La base de la teoría es que el ángulo de cizalladura toma un valor que minimiza el trabajo requerido en el corte. Y en ese ángulo el esfuerzo cortante es igual a la resistencia al corte del material de trabajo.

Encontró que había buena correspondencia entre la teoría planteada y los resultados experimentales en el corte de 6lásticos sintéticos pero no para acero mecanizado con herramientas de carburo sinterizado. Entonces el incluyo

Que la resistencia a la cizalladura aumenta linealmente con un aumento en el esfuerzo normal que actúa sobre un plano de cizalladura.

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Teoria de Lee y Shaffer Suposiciones que hizo 1. El material es rígido plástico, quiere decir que las deformaciones unitarias elásticas son despreciable duran la deformación y que una vez que pase el punto de fluencia la deformación tiene lugar a esfuerzo constante.

2. El comportamiento del material es independiente de la deformación por unidad de tiempo 3. Se desprecian los efectos ocasionados por aumento en la temperatura 4. Se desprecian los efectos de inercia resultantes de la aceleración del material durante la deformación  En la solución de un problema en plasticidad es necesario construir el campo de líneas de deslizamiento; este campo está compuesto por dos familias de líneas ortogonales llamada líneas de deslizamiento, que indican en cada punto de la zona plástica, las dos direcciones ortogonales del esfuerzo máximo de cizalladura.

 En la zona pastica triangular ABC, no ocurre deformación alguna pero el material está sometido al esfuerzo cortante máximo en toda la zona y las dos direcciones de este esfuerzo están indicadas por las dos familias de líneas rectas ortogonales.

ESTAS DOS TEORIAS INDICAN QUE LA FRICCION QUE LA CARA DE LA HERRAMIENTA ES UN FACTOR MUY IMPORTANTE EN EL CORTE DE LOS METALES. El comportamiento de la fricción

entre la viruta y la herramienta puede representarse por el valor del coeficiente medio de fricción en la cara de la herramienta.

FRICCION DE CORTE EN METALES   

Es independiente del área aparente de contacto y es proporcional a la carga normal entre las superficies. Es substancialmente independiente a la velocidad de deslizamiento. El área aparente de contacto está dado por:

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La fuerza total de fricción es:

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EL coeficiente de fricción está dado por:

METODO ANALITICO PARA EL CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE CORTE

La técnica mas usada para medir experimentalmente la temperatura de corte es la termopar herramienta-viruta, la cual mide el potencial generado por la herramienta y la viruta la cual se puede convertir a temperatura mediante ecuaciones de calibración para la combinación particular herramienta trabajo

VIDA DE LAS HERRAMIENTAS Hay tres formas posibles de falla en una herramienta de corte. 1. Falla por fractura.- ocurre cuando la fuerza de corte es excesiva en la punta de la herramienta. 2. Falla por temperatura.- ocurre cuando la temperatura es demasiada alta para el material de la herramienta, causando ablandamiento en la punta. 3. Desgaste gradual.- ocasiona perdida de forma de la herramienta, reducción en la eficiencia del corte. DESGASTE DE LA HERRAMIENTA Ocurre en dos lugares principales, en la parte superior de la superficie de inclinación y en el flanco de incidencia.  

Desgaste en cráter, formada por la acción de la viruta que se desliza contra la superficie Desgate del flanco; es el rozamiento entre la recién creada superficie de trabajo y la cara del flanco adyacente al borde de corte. Se mide por el ancho de la banda de desgaste. Se puede identificar varias características de desgaste de flanco o Desgaste de muesca o Desgaste del radio de la nariz

Mecanimos que generan desgaste     

Abrasion; debido a que las partículas duras rayan y remueven las pequeñas porciones de herramientas. Adhesion, cuando dos metales entran en contacto a alta presión y temperatura. Difusión; es un intercambio de átomos a través de un límite de contacto entre dos materiales. Principal mecanismo de desgaste en cráter. Reacciones químicas; Deformación plástica;

VIDA DE LAS HERRAMIENTAS Y LA ECUACION DE TAYLOR Relación entre el desgaste y el tiempo de corte. Se pueden identificar 3 regiones de curva:

1. Periodo de rompimiento inicial; en el cual el borde cortante afilado se desgasta rápidamente al entrar en uso. 2. Región de estado estable del desgaste; se representó como función lineal del tiempo. 3. Región falla; la velocidad de desgaste empieza a acelerar, la temperatura son altas y la eficiencia de corte se reduce La vida de la herramienta se define como la longitud de tiempo de corte en el cual se puede usar la herramienta.

Ecuacion de Taylor para la vida de la herramienta

Establece que las velocidades de corte más altas traen como consecuencia vidas más cortas para la herramienta. MATERIALES PARA HERRAMIENTA DE CORTE La mejor herramienta con la que se consigue un trabajo rápido eficiente y económico. Debería tener las siguientes características:   

Dureza en caliente; capacidad del material para mantener su dureza a altas temperaturas. Tenacidad; evita las fallas por fractura cuando hay alta tenacidad. Resistencia al desgaste; aceptable vida antes de necesitar ser reemplazada

Aceros para herramientas (Tool Steels) y Metales Duros (cast Alloys) Un acero de alto carbono; es el cual tiene cerca del 1.05% de carbono, es raramente usado como material de corte excepto en limas, sierras de cortar, cinceles, etc. El uso de acero de alto carbono está limitado a aplicaciones de muy bajas temperaturas. 

Aceros rapidos (high speed tool stel).- Al adicionar elementos aleantes al acero de alto carbono, para darle mayor dureza, elevar su resistencia al calor (dureza en caliente), se obtiene este tipo de aceros. Algunos de los elementos aleantes son: o el manganeso o el cromo o el tungsteno o el vanadio o el molibdeno o el cobalto o el niobio Estos agregan características muy deseables como la templabilidad (capacidad para endurecerse hasta cierta profundidad) la tenacidad (resistencia al desgaste abrasivo y una buena resistencia); estas características permiten velocidades altas y mejor desempeño. Estos aceros se dividen es series. o M representas aceros para herramientas de tipo molibdeno o T representa al tipo tungsteno. Algunos de los aceros rápidos estas disponibles en forma de polvos metálicos (PM powdered metal) Tratamiento superficial a los aceros rápidos: o El recubrimiento con oxido negro; en las brocas y machos, actúa como impedimento ante el fenómeno de adherencia llamado filo recrecido (buildup) o EL recubrimiento de nitruro de titanio, es conocido por extender la vida de una herramienta o permita que esta sea usada en operaciones con elevadas velocidades de corte.

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Metales Duros.- al agregar los siguientes elementos aleantes: o El cobalto (32%) o El cromo (21%) o El tungsteno (2%) A los aceros rápidos mejoraron las propiedades de corte, de tal forma que se desarrolló los metales duros una familia de estos materiales sin hierro.

Carburos de tungsteno cementado Fue descubierto por Henri Moissan durante una investigación para producir diamantes artificiales, utilizando azúcar y oxido de tungsteno, derritiendo la mezcla en el horno, lo cual produjo que el azúcar carbonizado redujo el óxido y carburizo al tungsteno. Más duro que el zafiro y aproximándose a la dureza del diamante. La dureza de los carburos es más grande que la dureza de la mayoría de los materiales de corte a temperatura ambiente y su habilidad para retener su dureza a elevadas temperaturas así que son adecuados para soportar grandes velocidades de corte.

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Manufactura del carburo o Mezclado (blending).- Despues de la reducción del tungsteno a polvo de metal se realiza el mezclado del tungsteno y el carbón. Con una proporción de 94 partes de tungsteno por 6 partes de carbono en peso (el cual es agregado en forma de hollín conocido como lamp black), se mezclan en un recipiente que rota continuamente llamda Ball mil, y se agrega un agente ligante usualmente el colbalto en forma de polvo. o Compactado (compacting).- el método más común involucra el uso de matrices, el tamaño de la matriz debe ser más grande que el tamaño del producto final terminado para permitir la contracción que toma lugar después del proceso de sinterización. El equipo usado para compactar es conocido como Pill Press Un segundo método es el de compactación en caliente de los polvos en matrices de grafito en la temperatura de sinterización. Un tercer método es el usado principalmente en piezas largas es el llamado método de presión iso estatica. o Sinterización.- El matrial compactado es caletado en una atmosfera de hidrogeno o en un horno al vacio a temperaturas que se encuentran entre los 2500 a 2900 F. El compactado se contraerá aproximadamente 16% en sus dimensiones lineales y 40% en volumen. Clasificacion de las herramientas de carburo.- son clasificados en tres grandes categorías: o Grado desgaste; usados en cualquier situación donde la resistencia al desgaste es requerida. o Grado impacto; también usado para matrices, particularmente para estampado y forjado. o Grado herramienta de corte.- estos son divididos en 2 grupos :  Carburo para la fundición; usado sobre una fundición la cual es un material no ductil, debe ser más resistente a cualquier abrasivo, requiere más resistencia al cratering (termino que significa crecimiento de pequeñas fisuras) y al calor. El carburo de tungsteno es el constituyente básico al cual se le adicionan comúnmente:  Carburo de tantalo; incrementa la dureza en caliente de la herramienta.

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 Carburo de titanio; reduce el cratering de la herramienta por consiguiente disminuye la tendencia de la viruta larga. Variando el ligante en el material trae grandes efectos:  El cobalto es más sensitivo al calor, a la abrasión y a la soldadura de la viruta por lo tanto si el cobalto está presente ensuaviza la herramienta haciéndola más sensitiva a la deformación por calor, al desgaste abrasivo y a la soldadura de la viruta la cual causa el cratering.  Por otro lado el cobalto es más resistente que el carburo. Por lo tanto mejora la resistencia de la herramienta al impacto. En método de clasificación C, desde el grado C-1 hasta el C-4 son para el hierro fundido y los grados C-5 hasta el C-8 para el acero. A más alto número es más duro y a más bajo número es más resistente. Lo grados más duros son para acabado y los más resistentes son para desbastado. Carburos recubiertos o para acero; se usan para acortar acero, en general el proceso de recubrimiento es llevado a cabo mediante deposición química de vapor, otro proceso es el deposición fisca de vapor. Se clasifican en:  Recubrimiento de carburo de titanio; Es el más extensamente usado, permite el uso de altas velocidades de corte porque tiene una gran resistencia al desbate abrasivo y al cratering y alta resistencia al calor.  Recubrimiento nitruro de titanio (color oro); es resistente al cratering.  Recubrimiento de cerámico (black color); permite el uso de velocidades de corte muy altas.  Recubrimiento de diamante; mejora la vida de la herramienta tanto como 10 veces sobre otros carburos recubiertos.

Cerámicos y Cermets El óxido de aluminio cerámico. Cermets son básicamente una combinación de cerámicos y carburo de titanio, la palabra cermet deriva de los vocablos cerámico y metal. 

Herramientas a base de cerámicos, son materiales no metálicos, tienen extrema fragilidad lo que hace que se fracturen rápido cuando los cortes sean pesados o interrumpidos. Sim embargo su resistencia es muchos más alta que los HSS y los carburos. Existen dos tipos: o Presionados en caliente, son de color gris, los granos de óxido de aluminio son presionados a altas temperaturas y altas presiones para formar un billet (pedazo grande de cerámico). o Presionados en frio; son de color blanco los granos de óxido de aluminio son presionados a bajas temperaturas y altas presiones. Mientras que ambos tipos tiene dureza similar el presionado en frio es ligeramente más duro y el presionado en caliente más TRS. o Alta resistencia para ligeros cortes sobre materiales muy duros. o Extremadamente alta dureza en caliente o Baja conductividad térmica o Altas velocidades. o Para incrementar su resistencia han sido aleados con zirconio 15%.

Diamantes, nitruros de boro cubico y fibra reforzada. 

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Diamantes.- los dos tipos de diamante que son usados como herramientas de corte son los industriales de grado natural y los sintéticos policristalinos. Son extramadamente frágiles y duros Nitruro de boro cubico.- Es similar al diamante en su estructura policristalina. Trabaja a bajas velocidades tiene un extrema dureza y fragilidad. Materiales reforzados (whisker Reinforced).- Es un material compuesto que incluye como base al nitruro de silicio y alumina, reforzado con carburo de silicio (fribras en forma de bigote Whisker).

FLUIDOS DE CORTE Según el tipo de maquinado, el fluido de corte necesario puede ser un refrigerante, un lubricante o ambos.     

Reducir la fricción y el desgaste, mejorando así la vida útil de la herramienta y el Acabado superficial de la pieza de trabajo. Enfriar la zona de corte, mejorando así la vida útil de la herramienta y reduciendo la temperatura y la distorsión térmica de la pieza de trabajo. Reducir las fuerzas y el consumo de energía. Retirar las virutas de la zona de corte, evitando que interfieran en el proceso de corte, en particular en operaciones como el taladrado y el machueleado. Proteger la superficie maquinada de la corrosión ambiental.