5. Procedimiento experimental -...

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

Antonio Guarnido Barrera Capítulo 5 - 1

5. Procedimiento experimental

La realización de este estudio se ha adaptado en la medida de lo posible a las indicaciones

de la norma UNE 16148:1985 [16] a la hora de fijar los parámetros de mecanizado para

obtener unos resultados experimentales comparables y que permitan generar una

correlación entre ellos de forma que las conclusiones tengan la suficiente rigurosidad. A

continuación se procede a detallar cada uno de los aspectos relativos a los parámetros de

la operación de mecanizado.

5.1. Pieza a mecanizar

Para el ensayo se han seleccionado dos materiales disponibles en el almacén del taller de

mecanizados de la ETSI, ver tabla 5.1.

Tabla 5.1. Materiales empleados en los ensayos.

Material 1 Acero al carbono

Barras Ø = 30 mm

%C=0,11 %Mn=0,84 %Si=0,29 %S=0,016

%P=0,014 %Cr=0,16 %Ni=0,079 %Mo=0,021

Material 2 Acero

inoxidable Barras

Ø = 45 mm %C=0,017 %Mn=1,44 %Si=0,38 %S=0,031

%P=0,028 %Cr=17,51 %Ni=8,06 %Mo=0,24

Las condiciones de recepción de la pieza son barras de 6 metros de longitud las cuales se

cortan a 450 mm de longitud mediante una sierra de cinta, de manera que no se

produzcan vibraciones durante el mecanizado que puedan falsear el experimento y por

tanto los resultados. Se mecanizará en una longitud de 400 mm y restan 50 mm sobre los

que se elaborará un escalón para que apoye sobre las garras del plato del torno

impidiendo posibles desplazamientos relativos entre el torno y la pieza.

Además, las secciones de corte del eje longitudinal de la barra se han refrentado para

evitar desequilibrios debidos a que el centro de gravedad de la barra estuviera fuera del

eje longitudinal. Finalmente, para permitir que la barra esté fija en el extremo contrario al

plato se hace un agujero de centrado mediante una broca de punto con un achaflanado

en el centro de la sección para sujetar la barra para que no esté en voladizo y de esta

forma se reduce la posibilidad de vibraciones debidas a la flexión que produce la

herramienta de corte sobre la barra durante el mecanizado. El montaje descrito se puede

apreciar en la figura 5.1.

Se planteó el uso de una luneta intermedia para torno que permitiera el mecanizado a lo

largo de una mayor longitud de la barra de forma que se realizaran menos cambios de

piezas y las preparaciones previas necesarias de cada una de ellas, pero las limitaciones

técnicas y económicas del taller imposibilitaron esta opción. Para garantizar la buena

posición de la herramienta en la máquina, la punta de ésta debe estar a la altura del eje


Capítulo 5 - 2 Antonio Guarnido Barrera

central de la pieza y con su eje perpendicular al eje de rotación de la pieza. Con el

objetivo de evitar vibraciones debidas a la flexión, la punta de la herramienta debe

sobresalir del portaherramientas una distancia menor de 25 mm.

Figura 5.1 Montaje de las piezas en el torno durante los ensayos

5.2 Equipos

Este proyecto se ejecutó en el taller de mecanizado del departamento de Ingeniería

Mecánica y Fabricación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla. Las tareas

de mecanizado se realizaron en tornos paralelos cuyas características se detallan en las

tablas 5.2 y 5.3. En el torno PINACHO L-1/165 (figura 5.2) fue donde se hicieron todos los

ensayos mientras que el torno PINACHO T-3 (figura 5.3) se empleó en ensayos específicos

relacionados con otros avances por revolución.

Tabla 5.2. Características técnicas del torno PINACHO L-1/165

Fabricante PINACHO Potencia nominal 3 CV

Modelo L-1/165 Distancia máxima entre sujeciones 700 mm

Nº Serie 21604 Variador continuo de velocidad NO

Características: Torno paralelo de manipulación manual

Precisión: Longitudinal: 0,02 mm Transversal:0,02 mm

Gama de revoluciones nominales (rpm)

60 220 860

92 360 1400

140 530 2000

Gama de avances proporcionados para cilindrado (mm/rev)

0,047 0,06 0,07 0,082 0,095

0,105 0,12 0,14 0,165 0,19

0,21 0,24 0,28 0,33 0,38

0,43 0,48 0,56 0,66 0,86



Figura 5.2. Torno PINACHO L-1/165

Tabla 5.3. Características técnicas del torno PINACHO T-3

Fabricante PINACHO Potencia nominal 1,5 CV

Modelo T-3 Distancia máxima entre sujeciones 600 mm

Nº Serie V95 Variador continuo de velocidad NO

Características: Torno paralelo de manipulación manual

Precisión: Longitudinal: 0,02mm Transversal:0,02mm

Gama de revoluciones nominales (rpm)

60 220 860

92 360 1400

140 530 2000

Gama de avances proporcionados para cilindrado (mm/rev)

0,082 0,172 0,338

Figura 5.3. Torno PINACHO T-3



Para conseguir la geometría especificada por la norma para las herramientas de acero

rápido, se realizó el afilado de las barras de material herramental en una afiladora

universal (figuras 5.4 y 5.5). Las características técnicas de la misma se especifican en la

tabla 5.4.

Tabla 5.4. Características técnicas de la afiladora

Fabricante ELITE Potencia nominal 0,75CV

Modelo A.R.5-E Diámetro de la muela 140mm

Nº Serie 3068 Velocidad de giro de la muela 2800rpm

Características Afiladora universal de manipulación manual

Rotación vertical del cabezal -90° a +90° Precisión 1°

Rotación horizontal cabezal -45° a +45° Precisión 1°

Carrera longitudinal 180mm Precisión 0,02mm

Figura 5.4. Afiladora ELITE A.R.5-E

Figura 5.5. Instalación de la barra en la afiladora para su afilado

Las medidas tanto de la geometría de las herramientas como del desgaste de las mismas

se realizaron con la ayuda de un microscopio óptico cuyas características se relacionan en

la tabla 5.5 y se muestra en la figura 5.6.

Tabla 5.5. Características técnicas del microscopio óptico

Fabricante NIKON Modelo SMZ 800

Software KAPPA Imagebase

Aumentos x10 / x20 / x30 / x40 / x50 / x6,3



Figura 5.6. Microscopio óptico

Para las medidas de rugosidad se empleó un rugosímetro que se aprecia en la figura 5.7 y

sus características aparecen en la tabla 5.6.

Tabla 5.6. Características técnicas del microscopio óptico

Fabricante MAHR Modelo M1 Nº Serie 7287

Precisión 12 nm Velocidad del palpador 0,5mm/s

Parámetros que mide Ra, Rz ,Rmax, RPc

Longitudes de medida Auto / 1,75 / 5,6 /17,5mm

Figura 5.7. Rugosímetro MARH M1



5.3. Herramientas

Siguiendo las recomendaciones de la norma UNE 16148:1985 [16] para los ensayos hemos

considerado únicamente dos tipos de herramientas: una de acero rápido y otra de metal

duro.

5.3.1. Herramienta de acero rápido

Se parte de una barra de acero rápido de la marca Coventry con dimensiones nominales

de 12x12x140 mm tal como la mostrada en la figura 5.8, la cual tiene una dureza de 66

HRC obtenida experimentalmente.

Figura 5.8. Barra de acero rápido.

La geometría de la herramienta viene definida por la norma para todos los casos en los

que ésta no sea la variable de estudio. Los ángulos se indicaron con anterioridad en la

tabla 4.4. y se representan en la figura 5.9. La norma permite una tolerancia de ±0,5° y no

se requiere de rompevirutas para este estudio. Para corroborar el cumplimiento de la

geometría real con la propuesta, ver anexo I.

Para obtener una geometría de la herramienta hemos partido de la herramienta original y

mediante una afiladora universal (figura 5.4) se han generado cada uno de los planos bien

posicionados de manera que definen la geometría requerida. Se posicionó la barra de

acero rápido en el cabezal de la afiladora de forma que los planos de la herramienta

coincidan con los dispuestos en la afiladora para tal fin (figura 5.5). Una vez quedan

definidos mediante los nonios de la afiladora los dos ángulos que definen los planos

paralelos a la superficie de la herramienta, se está en disposición de poner en

funcionamiento la muela.



Figura5.9.Ángulos de las herramientas. [16]

El método de trabajo de una operación de afilado consiste en hacer oscilar la herramienta

en el plano de la muela mediante un movimiento manual alternativo, a la vez que se

aproxima de manera muy progresiva la herramienta en la dirección perpendicular al

plano de la muela. Este laborioso proceso se repite para cada una de las caras activas que

definen la geometría de la herramienta.

La norma UNE 82301:1986 [20] establece que el acabado superficial de la herramienta sea

adecuado, requiriendo un valor de rugosidad superficial (Ra) máximo de 0,25 μm. Para

ello se ha medido la rugosidad superficial en cada cara de la herramienta,

perpendicularmente a la dirección de desbaste de la muela. Dichos valores se muestran

en la tabla 5.7. Los perfiles de rugosidad obtenidos en las caras de incidencia y

desprendimiento de la herramienta se muestran en el anexo II.

Tabla 5.7. Rugosidad superficial Ra en las superficies de las herramientas de acero rápido

Superficie medida

Nº Herramienta

1 2 3 4 6 7 8

Ra [µm]

Desprendimiento 0,212 0,202 0,205 0,171 0,166 0,118 0,182

Incidencia principal 0,211 0,235 0,151 0,167 0,113 0,092 0,161

Incidencia secundaria 0,172 0,154 0,208 0,274 0,173 0,155 0,067

5.3.2. Herramienta de metal duro

Como herramienta de metal duro se han seleccionado una herramienta de carburo de

tungsteno de la marca ZCCCT para mecanizado general, con un recubrimiento YBC251

procesado por deposición química. Posee un grado ISO entre P10 y P30. Su nomenclatura

es WNMG080404-DM, donde los cuatro primeros dígitos hacen referencia a la forma

geométrica, los dos siguientes a la longitud de la arista de corte y los siguientes pares a la



anchura y al radio de punta respectivamente. DM identifica al método de inserción. Su

geometría se puede observar en la figura 5.10.

Ángulo de la punta 80,48° Ángulo entre aristas de corte 160,43°

Ángulo de incidencia 90° Espesor de la plaquita 4,71 mm Diámetro de punta 0,979 mm

Figura 5.10. Geometría medida en las herramientas de metal duro

La plaquita se adapta al mango mediante fijación mecánica. El montaje de la herramienta

en el torno garantiza que el mango de la herramienta esté en posición horizontal y

perpendicular al eje de la pieza a mecanizar como se observa en la figura 5.11. En esa

posición del portaherramienta los ángulos de mecanizado obtenidos se muestran en la

tabla 5.8.

Tabla 5.8. Ángulos medidos en las herramientas de metal duro

Ángulos medidos [° ]

Incidencia Inclinación principal Posición De la punta α λs Kr Єr 8 8 94 80

Se midió la rugosidad superficial en las caras de incidencia y desprendimiento de las

plaquitas. Los resultados para cada plaquita, MD1 y MD2, se muestran en la tabla 5.9. Y

los perfiles de rugosidad obtenidos se pueden ver en el anexo II.



Tabla 5.9. Rugosidad superficial Ra en las superficies de las herramientas de metal duro

Superficies medidas

Herramientas

MD 1 MD 2

Ra [µm]

Desprendimiento 0,460 0,376

Incidencia 0,441 0,367

Figura 5.11. Herramienta de metal duro posicionada para el mecanizado

Se observa que los valores resultantes para este tipo de herramientas superan el valor de

Ra = 0,25 μm, que es el requisito de rugosidad superficial que recomienda la norma UNE

82301:1986 [20]. Ante este hecho no se ha podido tomar otra alternativa debido a que la

herramienta se adquiere con una geometría y acabados determinados lista para usarse. El

material y la geometría de este tipo de herramientas no permiten un reafilado de las

superficies que conforman su geometría, por lo que finalmente se opta por el empleo de

esta herramienta pese a esta diferencia.

5.4. Condiciones de corte

En la ejecución del estudio se ha seleccionado una de las condiciones de corte de

referencia propuestas por la norma cuyos valores son:

� Avance f = 0,1 mm/rev

� Profundidad del corte p = 1,0 mm

� Radio de punta r�= 0,4 mm



5.4.1. Avance

Los avances permitidos por el torno PINACHO L-1/165 empleado en los ensayos se

muestran en la tabla 5.2. Estos valores están dentro del rango de avances que da la

norma. Para los experimentos se ha elegido el avance de 0,095 mm/rev por ser uno de los

dos más próximos al de referencia de la norma y en particular, por ser un valor más

conservador en cuanto a la cantidad de material a mecanizar.

Para comparar el comportamiento de las herramientas de acero rápido ante distintos

avances se ha llevado a cabo un único experimento en el torno PINACHO T-3 en el cual se

ha trabajado con un único avance de 0,082 mm/rev. En el capítulo 6 se procederá a

definir las condiciones concretas de cada ensayo.

5.4.2. Profundidad de corte

Los ensayos se han realizado con una profundidad de 1 mm, teniendo en cuenta que la

tolerancia de las máquinas herramientas empleadas es de ±0,02 mm en el eje del carro

portaherramientas que aporta la profundidad en una operación de cilindrado.

5.4.3. Radio de punta

La condición de referencia escogida propone un radio de punta de 0,4 mm. Para el acero

rápido se ha optado por no generar un radio de punta en la arista de corte. Esto es debido

la dificultad para generar un radio de punta tan pequeño y preciso con los medios

disponibles. En el caso del metal duro se han empleado unas plaquitas en cuyas

especificaciones técnicas se especificaba esa característica. Para asegurar ese parámetro

se empleó el microscopio óptico de que dispone el departamento, el cual se describió en

el epígrafe 5.2.

5.4.4. Velocidades de corte

La velocidad de corte es un parámetro que viene definido por la expresión:

v� = π D N (5.1)

Donde el parámetro D es el diámetro original de la pieza en metros y N la velocidad de

giro del cabezal del torno en revoluciones por minuto. En el capítulo 6 se especificarán las

velocidades de corte para cada experimento.

La norma UNE 16148:1985 [16] recomienda que la velocidad de giro de la pieza se mida

mientras la herramienta está efectuando la eliminación de material de la pieza para tener

en consideración el decremento de velocidad producido por el mecanizado. Sin embargo

en la ejecución de los experimentos se ha optado por medir la velocidad de giro sin la

aplicación de la herramienta sobre la pieza en aras de proteger la seguridad de los

operarios.



Todas las medidas se han hecho en las mismas condiciones empleando una lámpara

estroboscópica y un tacómetro. Los valores resultantes se observan en la tabla 5.10

Tabla 5.10. Velocidades de giro nominales y medidas en los tornos

Velocidad de giro N [rpm]

PINACHO L-1/165 PINACHO T-3

Nominal Lámpara

estroboscópica Tacómetro Nominal

Lámpara estroboscópica

Tacómetro

360 386 383 775 717,2 716

530 556 557

860 887 886

1400 1451 1445

2000 2062 N/D

5.5. Fluidos de corte

Para los ensayos con acero rápido se ha optado por no utilizar fluido de corte aunque la

norma lo recomienda en los casos en que la medida de desgaste sea la dimensión de la

banda de desgaste en la cara de incidencia principal. Con el metal duro en cambio, se ha

trabajado en seco, como se recomienda en la norma. Esto se ha considerado de esta

manera para que la comparativa entre acero rápido y metal duro tengan en común el

mayor número posible de parámetros.

Tanto si se trabaja en seco con ambas herramientas como si se emplea fluido de corte, se

incumple alguna recomendación de la norma. No obstante, se ha optado por hacerlo de

esta forma porque las condiciones de trabajo de los ensayos no son críticas y la aplicación

de la refrigeración aumenta la vida útil de la herramienta, lo cual no es de interés para

este estudio debido a que una mayor vida útil implica la necesidad de más materiales y se

ha de tener en cuenta la limitación de material existente en el taller.

5.6. Criterios de desgaste

En el transcurso del estudio se han empleado dos tipos de herramientas que se

diferencian, en el material y en su geometría. Sin embargo para ambos casos se ha

optado por elegir como medida del desgaste la anchura media del desgaste en la cara de

incidencia principal de la herramienta. Esta decisión está basada en varios factores, en

primer lugar, que esta medida del desgaste es la que genera menor dispersión en los

resultados debido a que su interpretación es más clara. En segundo lugar, que para las

herramientas de acero rápido no es usual la medida de la profundidad del cráter, KT,

como una medida del desgaste.

La medida de desgaste empleada es la anchura media de la banda de desgaste de la cara

de incidencia principal en la zona B de la arista de corte (ver figura 4.2). El criterio de



desgaste será VBB = 0,3 mm, en el caso de que el desgaste sea homogéneo a lo largo de

toda la zona B. Si por el contrario el desgaste no es homogéneo en la banda de desgaste,

es decir que aparecen entallas, el criterio será VBBmáx = 0,6 mm. Este criterio será el

mismo para los dos tipos de herramientas empleados.

Así mismo, se ha realizado un estudio paralelo que analiza la relación entre el desgaste de

la cara de incidencia principal de la herramienta y el acabado superficial que deja sobre la

pieza.

5. Procedimiento experimental -...

Documents

Transcript of 5. Procedimiento experimental -...