Procesos sin arranque de viruta

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2.1 Procesos de Manufactura sin Arranque de Virutas

IntroducciónUn lingote de acero tiene un uso muy reducido hasta que le es dada una forma tal que puedausarse en un proceso de manufactura. Si el lingote es admitido en frío, se vuelve bastantedifícil, si no imposible, convertir el material por medios mecánicos en una formaestructural, acero en barra o lámina. Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puedemartillarse, prensarse, rolarse o extruirse en otras formas. Debido a la desoxidación y otrasdesventajas del trabajo en caliente a temperaturas elevadas, la mayoría de los metalesferrosos se trabajan en frío o se terminan en frío después del trabajo en caliente paraobtener un buen acabado superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedadesmecánicas.

La forja fue el primer método de trabajo en caliente como se muestra en la históricafotografía de la Fig.1. Una prensa movida por una fuente de potencia general y una bandadesde los árboles, tiene un brazo descendente y golpea un pedazo caliente de metalcolocado en un dado. Los procesos, mientras la tecnología se ha mejorado, hoy permanecensemejantes.

Deformación plástica

Los dos tipos principales de trabajo mecánico en los cuales el material puede sufrir unadeformación plástica y cambiarse de forma son trabajos en caliente y trabajos en frío

Como muchos conceptos metalúrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en fríono es fácil de definir. Cuando al metal se le trabaja en caliente, las fuerzas requeridas paradeformarlo son menores y las propiedades mecánicas se cambian moderadamente. Cuandoa un metal se le trabaja en frío, se requieren grandes fuerzas, pero el esfuerzo propio delmetal se incrementa permanentemente.

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La temperatura de recristalización de un metal determina si el trabajo en caliente o enfrío está siendo cumplido o no. El trabajo en caliente de los metales toma lugar por encimade la recristalización o rango de endurecimiento por trabajo. El trabajo en frío debe hacersea temperaturas abajo del rango de recristalización y frecuentemente es realizado atemperatura ambiente. Para el acero, la recristalización permanece alrededor de 500ºC a700°C, aunque la mayoría de los trabajos en caliente del acero se hacen a temperaturasconsiderablemente arriba de este rango. No existe tendencia al endurecimiento por trabajomecánico hasta que el límite inferior del rango recristalino se alcanza. Algunos metales,tales como el plomo y el estaño, tienen un bajo rango recristalino y pueden trabajarse encaliente a temperatura ambiente, pero la mayoría de los metales comerciales requieren dealgún calentamiento. Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre todo en elrango de trabajo conveniente, siendo el resultado acostumbrado aumentar la temperaturadel rango recristalino. Este rango también puede incrementarse por un trabajo anterior enfrío.

Durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal está en estado plástico yes formado rápidamente por presión. Adicionalmente, el trabajo en caliente tiene lasventajas siguientes:

1. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de loslingotes fundidos contienen muchas pequeñas sopladuras. Estas son prensadas y a lavez eliminadas por la alta presión de trabajo.

2. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas através del metal.

3. Los granos gruesos o prismáticos son refinados. Dado que este trabajo estáen el rango recristalino, seria mantenido hasta que el límite inferior es alcanzadopara que proporcione una estructura de grano fino.

4. Las propiedades físicas generalmente se mejoran, principalmente debido alrefinamiento del grano. La ductilidad y la resistencia al impacto se perfeccionan, suresistencia se incrementa y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. Lamayor resistencia del acero laminado existe en la dirección del flujo del metal.

5. La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma del acero en estadoplástico es mucho menor que la requerida cuando el acero está frío.

Todos los procesos de trabajo en caliente presentan unas cuantas desventajas que nopueden ignorarse. Debido a la alta temperatura del metal existe una rápida oxidación oescamado de la superficie con acompañamiento de un pobre acabado superficial. Comoresultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajoen caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el proceso es económicocomparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.

El término acabado en caliente, se refiere a barras de acero, placas o formasestructurales que se usan en estado "laminado" en el que se obtienen de las operaciones detrabajo en caliente. Se hacen algunos desescamados pero por lo demás el acero está listopara usarse en puentes, barcos, carros de ferrocarril, y otras aplicaciones en donde no se

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requieren tolerancias cerradas. El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dadoque el contenido de carbono es menor del 0.25%.

Los principales métodos de trabajo en caliente de los metales son:

A. Laminado C. Extrusión

B. Forjado D. Manufactura de tubos

1.Forja de herrero o con martillo E. Embutido

2.Forja con martinete F. Rechazado en caliente

3.Forja horizontal G. Métodos especiales

4.Forja con prensa

5.Forja de laminado

6.Estampado

2.1.1 Laminado

Los lingotes de acero que no son refusionados y fundidos en moldes se convierten enproductos utilizables en dos pasos:

1. Laminando el acero en formas intermedias-lupias, tochos y planchas.2. Procesando lupias, tochos y planchas en placas, láminas, barras, formas

estructurales u hojalata.

El acero permanece en las lingoteras hasta que su solidificación es casi completa, que escuando los moldes son removidos. Mientras permanece caliente, los lingotes se colocan enhornos de gas llamados fosos de recalentamiento, en donde permanecen hasta alcanzar unatemperatura de trabajo uniforme de alrededor de 1200 °C en todos ellos. Los lingotesentonces se llevan al tren de laminación en donde debido a la gran variedad de formasterminadas por hacer, son primero laminadas en formas intermedias como lupias, tochos oplanchas. Una lupia tiene una sección transversal con un tamaño mínimo de 150 x 150mm.Un tocho es más pequeño que una lupia y puede tener cualquier sección desde 40mm hastael tamaño de una lupia. Las planchas pueden laminarse ya sea de un lingote o de una lupia.Tienen un área de sección transversal rectangular con un ancho mínimo de 250mm y unespesor mínimo de 40mm. El ancho siempre es 3 o más veces el espesor y puede sercuando mucho de 1500mm. Placas, plancha para tubos y fleje se laminan a partir deplanchas.

Un efecto del trabajo en caliente con la operación de laminado, es el refinamiento delgrano causado por recristalización. Esto se muestra gráficamente en la Fig.2. La estructuragruesa es definitivamente despedazada y alargada por la acción de laminado. Debido a laalta temperatura, la recristalización aparece inmediatamente y comienzan a formarsepequeños granos. Estos granos crecen rápidamente hasta que la recristalización es

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completa. El crecimiento continúa a altas temperaturas, si además la elaboración no esmantenida, hasta que la temperatura baja del rango recristalino es alcanzada.

Los arcos AB y A'B' son arcos constantes sobre los rodillos. La acción de acuñadura enla elaboración es superada por las fuerzas de rozamiento que actúan en estos arcos yarrastran al metal a través de los rodillos. El metal emerge de los rodillos viajando a mayorvelocidad de la que entra. En un punto medio entre A y B la velocidad del metal es lamisma que la velocidad periférica del rodillo. La mayoría de la deformación toma lugar enel espesor aunque hay algún incremento en el ancho. La uniformidad de la temperatura esimportante en todas las operaciones de laminado, puesto que controla el flujo del metal y laplasticidad.

La mayoría de los laminados primarios se hacen ya sea en un laminador reversible dedos rodillos o en un laminador de rolado continuo de tres rodillos. En el laminadorreversible dedos rodillos, Fig. 3A, la pieza pasa a través de los rodillos, los cuales sondetenidos y regresados en reversa una y otra vez. A intervalos frecuentes el metal se hacegirar 90° sobre su costado para conservar la sección uniforme y refinar el metalcompletamente. Se requieren alrededor de 30 pasadas para reducir un lingote grande a unalupia. Los rodillos superior e inferior están provistos de ranuras para alojar las diferentesreducciones de la sección transversal de la superficie. El laminador de dos rodillos esbastante versátil, dado que posee un amplio rango de ajustes según el tamaño de piezas yrelación de reducción. Está limitado por la longitud que puede laminarse y por las fuerzasde inercia, las cuales deben ser superadas cada vez que se hace una inversión. Esto seelimina en el laminador de tres rodillos, Fig. 3C, pero se requiere un mecanismo elevador.Aunque existe alguna dificultad debido a la carencia de velocidad correcta para todas las

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pasadas, el laminador de tres rodillos es menos costoso para hacerse y tiene un mayorrendimiento que el laminador reversible.

Los tochos podrían laminarse en un gran laminador del tamaño usado para lupias, peroesto no se acostumbra hacer por razones económicas. Frecuentemente se laminan lupias enun laminador continuo de tochos compuesto de alrededor de ocho estaciones de laminadoen línea recta. El acero formado, por último pasa a través del laminador y sale con untamaño final de tocho, aproximadamente de 50mm por 50mm, el cual es la materia primapara muchas formas finales tales como barras, tubos y piezas forjadas.

La Fig.4 ilustra el número de pasadas y la secuencia de reducción de la seccióntransversal de un tocho de 100 por 100mm para convertirlo en una barra redonda.

Otras disposiciones de rodillos usadas en laminadores se muestran en la Fig.3. Aquellosque tienen cuatro o más rodillos usan a los demás como respaldo de los dos que realizan ellaminado. Además, muchos laminadores especiales toman productos previamentelaminados y fabrican con ellos artículos terminados como rieles, formas estructurales,placas y barras. Tales laminadores usualmente llevan el nombre del producto que se laminay, aparentemente, son semejantes a los laminadores usados para lupias y tochos.

2.1.2 Forja

2.1.2.1 Forja Abierta o de Herrero

Este tipo de forja consiste en martillar el metal caliente ya sea con herramientasmanuales o entre dados planos en un martillo de vapor. La forja manual, como la hecha porel herrero, es la forma más antigua de forjado. La naturaleza del proceso es tal que no seobtienen tolerancias cerradas, ni pueden hacerse formas complicadas. El rango de forjadova desde unos cuantos kilogramos y sobrepasa los 90 Mg lo que puede hacerse por forja deherrero.

Los martillos de forja se hacen con bastidor del tipo sencillo o abierto para el claro detrabajo, mientras que el tipo de bastidor doble se hace para servicio pesado. Un martinete

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típico de vapor se muestra en la Fig.5. La fuerza del golpe es severamente controlada por eloperador, y se requiere considerable habilidad para el uso de esta máquina.

2.1.2.2 Estampado

El estampado difiere de la forja con martillo en que se usa más bien una impresióncerrada que dados de cara abierta. La forja se produce por presión o impacto, lo cual obligaal metal caliente y flexible a llenar la forma de los dados como en la Fig.6. En estaoperación existe un flujo drástico del metal en los dados causado por los golpes repetidossobre el metal. Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, lasoperaciones se dividen en un número de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente,controlando el flujo del metal hasta que la forma final se obtiene. El número de pasosrequeridos varía de acuerdo al tamaño y forma de la pieza, las cualidades de forja del metaly las tolerancias requeridas. Para productos de formas grandes y complicadas una operaciónde formado preliminar, usando más de un juego de dados, puede requerirse. Lastemperaturas aproximadas de forjado son: acero 1100 a 1250 °C; cobre y sus aleaciones750 a 925°C; magnesio 370 a 450°C.

La forja de acero en dados cerrados varia en tamaño desde unos cuantos gramos hasta10 Mg

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Los dos tipos principales de martillos de estampado son el martinete de vapor y elmartinete de caída libre o martinete de tablón. En el primero el apisonador y el martillo sonlevantados por vapor, y la fuerza del golpe es controlada por estrangulamiento del vapor.Con estos martinetes, los cuales trabajan rápidamente, se obtienen sobre 300 golpes porminuto. El rango de capacidades de los martinetes de vapor va desde 2 hasta 200 kN. Sonnormalmente diseñados de doble bastidor, con un cilindro de vapor ensamblado en su partesuperior que provee la potencia para actuar el apisonador. Para una masa dada delapisonador un martinete de vapor desarrollará el doble de la energía sobre el dado que laque podría obtenerse de un martinete de caída libre o de tablón.

En el martinete del tipo caída libre la presión de impacto es desarrollada por la fuerzade caída del apisonador y el dado cuando golpea sobre el dado que está fijo abajo. En laFig.7 se muestra un martinete de caída libre con pistón elevador. Utiliza aire o vapor paralevantar el apisonador. Este tipo de martinete permite la preselección de una serie de golpesde carrera corta o larga. El operador es liberado de la responsabilidad de la regulación delas alturas de la carrera y resultan unos terminados de forja muy uniformes. Los martinetesde este tipo pueden servir para apisonar masas de 225 kg y hasta masas de 4500 kginclusive. El martinete de caída libre con tablón tiene algunos tablones de maderaendurecida unidos al martillo con el propósito de elevarlo. Después de que el martillo hacaído, unos rodillos arrastran los tablones y levantan el martillo hasta 1.5 m. Cuando lacarrera es alcanzada los rodillos se separan y los tablones son sostenidos por unostrinquetes hasta que son liberados por el operador. La fuerza del golpe es enteramentedependiente de la masa del martillo, el apisonador, y el dado superior, el cual pocas vecesexcede los 35 kN. El martinete de tablón no se levanta tan rápidamente como la unidad deaire o de vapor. Los martinetes de caída libre encuentran un uso extenso en la industria paraartículos tales como herramientas manuales, tijeras, cubiertos, partes de herramientas ypiezas de aviación.

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El martinete de forja por impacto, que se muestra en la Fig. 12.8 tiene dos cilindrosopuestos en un plano horizontal el cual acciona los impulsores y los dados uno hacia elotro. El material se posiciona en el plano de impacto en el cual los dados chocan. Sudeformación absorbe la energía y no hay choque o vibración en la máquina. Con esteproceso al material se le trabaja igualmente en ambos lados; existe menos tiempo decontacto entre el material y el dado; se requiere menos energía que con otros procesos deforja; y el trabajo es realizado mecánicamente.

La pieza forjada tendrá una ligera saliente de exceso de metal extendiéndose alrededorde la línea de partición. Se le elimina en una prensa independiente de recorteinmediatamente después de la operación de forjado. La pequeña forja puede recortarse enfrío, aunque deben tenerse algunos cuidados en la operación de recorte para no deformar lapieza. La pieza a forjar usualmente es sostenida de manera uniforme por el dado en elapisonador y empujada a través de las aristas de corte. Operaciones de punzonado puedenhacerse también mientras el recorte se lleva a cabo.

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La Fig. 9 muestra los dados para forja del cilindro exterior principal del tren deaterrizaje de un gran avión. Los dados pesan poco más de 28 Mg. Algunas operaciones deforja requieren un recalentamiento del metal base entre las estaciones de estampado.

En general, todas las piezas forjadas están cubiertas con escamas y deben limpiarse.Esto puede hacerse por inmersión en ácido, granallado, o con arena dependiendo deltamaño y composición de la pieza forjada. Si ocurre alguna deformación durante el forjado,una operación de enderezado o formado puede requerirse. Usualmente se procura unenfriamiento controlado para piezas grandes y si ciertas propiedades físicas se necesitan setoman providencias para tratamientos térmicos posteriores.

La ventajas de la operación de forjado incluyen una fina estructura cristalina del metal,la eliminación de cualquier vacío, un tiempo reducido de maquinado, e insuperablespropiedades físicas. La forja es adaptable a aceros aleados y al carbono, hierro dulce, cobre,aleaciones ligeras, aleaciones de aluminio y aleaciones de magnesio. Sus desventajasabarcan las inclusiones de escamas y el alto costo de los dados que lo hacen prohibitivopara trabajos de pequeña serie. El alineamiento de los dados es algunas veces difícil demantener y debe tenerse mucho cuidado en su diseño para asegurar que no ocurran grietasdurante el forjado debido al plegado del metal durante la operación. Las estampas de forjatienen un gran número de ventajas sobre los dados abiertos de forja, incluyen una mejor

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utilización del material, mejores propiedades físicas, tolerancias más cerradas, ritmos altosde producción, y se requiere menos habilidad del operador.

2.1.2.3 Forjado en Prensa

Las prensas de forjado emplean una acción lenta de compresión deformando el metalplástico, contrariamente al rápido impacto del golpe del martillo. La acción de compresiónes mantenida completamente hasta el centro de la pieza que está prensándose, trabajando afondo la sección completa. Estas prensas son del tipo vertical y pueden ser operadas ya seamecánica o hidráulicamente. Las prensas mecánicas, cuya operación es más rápida, puedenejercer una fuerza de 4 a 90 MN.

La presión necesaria para formar el acero a temperatura de forja varía desde 20 hasta190 MPa. Tales presiones están basadas en la superficie de la sección transversal de lapieza forjada cuando ésta se mide sobre la línea de partición del dado.

Para el forjado de pequeñas piezas, se usan estampas, y una sola carrera del apisonadores normalmente necesaria para realizar la operación de forja. La máxima presión esalcanzada en el extremo de la carrera cuando se fuerza al metal dentro de la forma. Losdados pueden montarse como unidades separadas, o todas las impresiones pueden ponerseen un solo bloque. Para pequeñas piezas forjadas son más convenientes unidadesindividuales de dados. Existen algunas diferencias para el diseño de dados para metalesdiferentes. La forja de aleaciones de cobre puede hacerse con menos ensayos que en acero;consecuentemente, pueden producirse formas más complicadas. Estas aleaciones fluyenbien en el dado y son extruidas rápidamente.

En el forjado en prensa una mayor proporción del trabajo total puesto en la máquina estrasmitida al metal que en una prensa de martillo de caída libre. Mucho del impacto delmartillo de caída libre es absorbido por la máquina y su cimentación. La reducción delmetal con prensa es más rápida, y el costo de operación consecuentemente es menor. Lamayoría de las prensas de forjar son de formas simétricas con superficies que sontotalmente lisas, y proporcionan unas tolerancias más cerradas que las obtenidas con unmartillo de caída libre. Sin embargo, muchas piezas de formas irregulares y complicadaspueden forjarse más económicamente por forja abierta. Las prensas de forjado se usanfrecuentemente para operaciones de calibrado sobre partes hechas por otros procesos.

2.1.2.4 Forjado Horizontal

El forjado horizontal implica la sujeción de una barra de sección uniforme en dados y seaplica una presión sobre el extremo caliente, provocando el que sea recalcado o formadosegún el dado, como se muestra en la Fig. 12.10. La longitud de la barra a ser recalcada nopuede ser mayor de dos o tres veces el diámetro, pues si no el material se doblará en vez deexpandirse para llenar la cavidad del dado.

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Para algunos productos la operación principal puede completarse en una posición,aunque en la mayoría de los casos la pieza es progresivamente colocada en diferentesposiciones en el dado. Las impresiones pueden estar en el punzón, en el dado fijo o enambos. En muchas ocasiones las piezas forjadas no requieren de una operación de recorte.Máquinas de este tipo son una consecuencia de pequeñas máquinas diseñadas para hacerlescabeza en frío a clavos y pequeños tornillos.

El penetrado progresivo, o desplazamiento interno, es el método frecuentementeempleado en máquinas de forjado horizontal para producir partes tales como cascos deartillería y cilindros forjados de máquinas radiales. La secuencia de operaciones para elforjado de un cilindro se muestra en la Fig.11. Barras cilíndricas de una longitudpredeterminada para un cilindro, primero se calientan a temperatura de forja. Para facilitarla manipulación de la barra se prensa un porta barra dentro de un extremo. La barra esrecalcada y progresivamente penetrada hasta dejar una copa de fondo grueso. En la últimaoperación un punzón de extremo cónico expande y alarga el metal dentro del extremo deldado, liberando el portabarra y punzonando hacia afuera el extremo del pedazo de metal.Grandes cuerpos de cilindro con masas superiores a los 50 kg pueden forjarse de estamanera. El rango de partes producidas por este proceso va desde pequeños a grandesproductos que pesan algunos cientos de kilogramos. Los dados no se limitan al recalcado,pueden usarse también para penetrado, punzonado, recorte o extrusión.

Con objeto de producir más formas masivas por este método, una máquina horizontalcontinua ha sido desarrollada. Esta máquina puede alimentar barra de acero calentada por

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inducción a la cavidad del dado, en donde rápidos golpes del dado horizontal o si nomartillos exteriores y ajustables alcanzan a la pieza. Algunas de estas máquinas tienen undado de forjado horizontal hueco de longitudes tan largas como formas de seccióntransversal constante pueden producirse.

Otra variación para forjado horizontal es la unión de metales. En vez de formar unaabertura en la cabeza de la barra de acero, se hace una operación de forjado de una formacónica, similar a la Fig. 12.10B. El dado con- forma el perfil cónico deseado y la operaciónde unión de metal concluye.

2.1.2.5 Forja por Laminado

Las máquinas para forja por laminado son primeramente adaptadas para operaciones dereducción y conificación sobre barras de acero de pequeña longitud. Los rodillos de estasmáquinas mostrados en la Fig.12 no son completamente circulares sino que son cortados deun 25 a un 75% para permitir la entrada de la materia prima entre los rodillos. La porcióncircular de los rodillos se ranura de acuerdo a la forma que quiere darse. Cuando losrodillos están en posición abierta el operador coloca la barra caliente entre ellos,reteniéndola con tenazas. Como los rodillos giran, la barra es agarrada por las ranuras delos mismos y empujada hacia el operador. Cuando los rodillos se abren, la barra esempujada hacia atrás y laminada de nuevo, o se le coloca en la ranura contigua para laoperación siguiente de laminado. Girando la barra 90° después de cada paso de laminado,no existe la oportunidad de formar rebabas.

En el rolado de ruedas, tiras metálicas y artículos similares se usa un tren de rolado deconstrucción un poco diferente. La Fig.13 muestra como una pieza en bruto forjada seconvierte en una rueda, terminada por la acción de los diferentes rodillos dispuestosalrededor de ella. Como las ruedas giran, el diámetro es aumentado gradualmente mientrasla placa y el rin se reducen en sección. Cuando se roía la rueda a su diámetro final, se lelleva entonces a una prensa y se le da una operación de formado y calibrado.

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La forja por laminado se usa en una amplia variedad de piezas, incluyendo ejes, barraspara propulsores de avión, palancas, hojas de cuchillos, cinceles, estrechado de tubos yextremos de muelles. Las piezas hechas de este modo tienen muy buen terminado desuperficie y las tolerancias son iguales a otros procesos de forja. El metal es trabajadocompletamente en caliente y tiene buenas propiedades físicas.

2.1.3 Extrusión

Los metales que pueden trabajarse en caliente pueden extruirse con formas de seccióntransversal uniforme con ayuda de presión. El principio de extrusión, similar a la acción delchorro de la pasta de dientes de un tubo, ha sido muy usado para procesos en serie desde laproducción de ladrillos, tubo de desagüe, tubo de drenaje, hasta la manufactura demacarrones. Algunos metales como el plomo, estaño y aluminio pueden extruirse en frío,mientras que otros requieren la aplicación de calor para hacerlos plásticos o semisólidosantes de la extrusión. En la operación actual de extrusión, los procesos difieren un poco,dependiendo del metal y aplicación, pero en resumen consisten en forzar al metal(confinado en una cámara de presión) a salir a través de dados especialmente formados.Varillas, tubos, guarniciones moldeadas, formas estructurales, cartuchos de bronce, y cablesforrados con plomo son productos característicos de metales extruidos.

La mayoría de las prensas usadas en el extruido convencional de metales son de tipohorizontal y operadas hidráulicamente. Las velocidades de operación dependen sobre todode la temperatura y material, varían de unos cuantos metros sobre minuto hasta 275 m/min.

Las ventajas de la extrusión incluyen la facilidad de producir una variedad de formas dealta resistencia, buena exactitud y terminado de superficie a altas velocidades deproducción, y relativamente con un bajo costo de los dados. Más deformaciones o cambiode forma pueden conseguirse por este proceso que por cualquier otro, excepto fundición.Longitudes casi ilimitadas de sección transversal continua pueden producirse, y debido albajo costo de los dados, series de producción de 150 m pueden justificar su uso. El procesoes alrededor de tres veces más lento que la forja por rolado, y la sección transversal debepermanecer constante. Existen muchas variantes de este proceso.

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2.1.3.1 Extrusión Directa

La extrusión directa está ilustrada en el diagrama de la Fig.14. Un tocho cilíndricocaliente se coloca dentro de la cámara del dado, el falso bloque y el apisonador se colocanen posición. El metal es extruido a través del dado abriéndolo hasta que sólo queda unapequeña cantidad. Entonces es cortado cerca del dado y se elimina el extremo.

2.1.3.2 Extrusión Indirecta

La extrusión indirecta, Fig.14 es similar a la extrusión directa excepto que la parteextruida es forzada a través del vástago apisonador. Se requiere menos fuerza por estemétodo, debido a que no existe fuerza de rozamiento entre el tocho y la pared continente. Eldebilitamiento del apisonador cuando es hueco y la imposibilidad de proveer soporteadecuado para la parte extruida constituyen las restricciones de este proceso.

2.1.3.3 Extrusión por Impacto

En la extrusión por impacto un punzón es dirigido al pedazo de metal con una fuerza talque éste es levantado a su alrededor. La mayoría de las operaciones de extrusión porimpacto, tales como la manufactura de tubos plegables, son trabajadas en frío. Sin embargohay algunos metales y productos, particularmente aquellos en los cuales se requierenparedes delgadas, en los que los pedazos de metal son calentados a elevadas temperaturas.La extrusión por impacto es cubierta en el capitulo siguiente sobre trabajo en frío.

2.1.4 Manufactura de tubería

Los accesorios tubulares y tubería pueden hacerse por soldadura eléctrica o a tope,plancha para formado de tubos, perforado y extrusión. Los métodos de perforado yextrusión se usan para tubería sin costura, la cual es usada en trabajos de alta presión ytemperatura como también para transportar gas y líquidos químicos. Se ha manufacturadotubo de acero sin costura hasta de 400 mm de diámetro. Se usan también tubos extruidospara decantadores dado que el proceso puede adaptarse a configuraciones internas, talescomo rayado y ranurado. Tubo soldado a tope es el más común y se usa con propósitosestructurales, postes y para transporte de gas, agua y desperdicios. El tubo con soldadura

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eléctrica se usa principalmente para líneas de tubería que transportan productos del petróleoo agua.

2.1.4.1 Soldadura a Tope

En el proceso de soldadura a tope se aplican ambos métodos, intermitente y continuo.Tiras calientes de acero, conocidas como plancha para tubos, las cuales tienen los bordesligeramente biselados, son usadas de tal modo que se encontrarán exactamente cuando seanformados en un perfil circular. En el proceso intermitente, un extremo de la plancha paratubos es cortada en forma de Y para permitirle entrar a la campana de soldadura, como semuestra en la Fig.15A. Cuando a la plancha para tubos se le acerca hasta el calor desoldadura el extremo es agarrado por unas tenazas las cuales arrastran una cadena detracción. Como el tubo es arrastrado a través de la campana de soldado, la plancha paratubo es formada con un perfil circular y los bordes se sueldan juntos. Una operación finalpasa al tubo entre rodillos de terminado y calibrado para darle el tamaño correcto y quitarlela escama. El soldado continuo a tope del tubo es realizado abasteciendo la plancha paratubos en rollos y proveyendo los medios para soldar rápidamente los extremos del rollopara formar una tira continua. Como la plancha para tubos entra al horno, las flamas chocansobre los bordes de la tira para llevarla a la temperatura de soldado. Saliendo del horno, laplancha para tubos entra a una serie de rodillos horizontales y verticales la cual lo convierteen un tubo. Una vista de los rodillos, que muestra cómo el tubo es formado y calibrado estáen la Fig.15B. Cuando el tubo abandona los rodillos, es cortado en longitudes quefinalmente son procesadas por desescamado y operaciones de terminado. El tubo hecho poreste método tiene tamaños hasta de 75 mm de diámetro.

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2.1.4.2 Soldadura Eléctrica a Tope

La soldadura eléctrica a tope de tubo necesita un formado en frío de la placa de aceropara preparar la forma para la operación de soldadura. La forma circular es desarrolladapasando la placa a través de un tren continuo de rodillos que cambian su formaprogresivamente. Este es el método conocido como formado por laminado. La unidadsoldadora colocada en el extremo de la máquina formadora por laminado consta de tresrodillos de centrado y presión que mantienen al perfil formado en posición y dos rodilloselectrodo que abastecen corriente al generar el calor. Inmediatamente después de que eltubo pasó por la unidad de soldadura, el metal extruido rápidamente es eliminado delinterior y exterior del tubo. Rodillos de calibrado y terminado completan la operacióndando al tubo un tamaño exacto y concentricidad. Este proceso es adaptado a lamanufactura de tubo de hasta 400 mm de diámetro con espesores de pared que varían desde3 a 15 mm. Tubos de gran diámetro son usualmente fabricados por soldadura de arcosumergido después de que fueron formados a lo largo en prensas especialmenteconstruidas. Algunos tubos grandes se fabrican por soldadura a martillo, la cual esesencialmente un proceso de forja-soldadura.

2.1.4.3 Soldado por Recubrimiento

En el soldado por recubrimiento de tubo, las orillas de la plancha para tubos sonbiseladas como si salieran del horno. La plancha para tubo es entonces estirada a través deun dado de forjado, o entre rodillos, para darle forma cilíndrica con las orillas traslapadas.Después de recalentada, la plancha para tubo doblada se pasa entre dos rodillos ranuradoscomo se muestra en la Fig.16. Entre los rodillos se fija un mandril que ajusta en el diámetrointerior del tubo. Las orillas son soldadas por recubrimiento por la presión entre los rodillosy el mandril. El tubo soldado por recubrimiento se hace en tamaños de 50 a 400 mm dediámetro.

2.1.4.4 Perforado

Para producir tubo sin costura, se pasan tochos cilíndricos de acero entre dos rodillos deforma cónica operando en la misma dirección. Entre estos rodillos se fija un punto omandril que ayuda en el perforado y controla el tamaño del agujero cuando el tocho esforzado sobre él.

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La operación completa de la fabricación de tubería sin costura por este procesoconvencional se muestra en la Fig.17. El tocho sólido primeramente es punzonado al centroy después llevado a calor de forja en un horno antes de ser perforado. Entonces esempujado entre dos rodillos de perforado los cuales le imparten rotación y avance axial. Lacompresión alterna y la expansión del tocho abren un centro, el tamaño y forma del cualson controlados por el mandril de perforado. Como el espesor de pared del tubo resulta deltren de perforado, se pasa entre rodillos ranurados sobre un tapón sujeto por el mandril y esconvertido en un tubo largo con un espesor de pared especificado. Mientras permanece atemperatura de trabajo, el tubo pasa a través de la máquina de carrete la cual además deenderezar y calibrar da a las paredes una lisura de superficie. El calibrado final y terminadoes realizado de la misma manera que con el tubo soldado.

Este procedimiento se aplica a los tubos sin costura hasta de 150mm de diámetro. A lostubos grandes hasta de 350mm de diámetro se les da una segunda operación con los rodillosde perforado. Para producir tamaños hasta de 600mm de diámetro, recalentados, seprocesan tubos doblemente perforados en un tren de rolado rotatorio como se muestra en laFig.18 y se terminan finalmente con rodillos de carrete y de calibrado como se describió enel proceso de perforado sencillo. Pueden requerirse calentamientos intermedios.

En el método continuo, mostrado en la Fig.19 una barra redonda de 140 mm esperforada y transportada al mandril laminador de nueve estaciones en donde se inserta unabarra cilíndrica o mandril. Estos rodillos reducen el diámetro del tubo y el espesor de pared.Entonces es eliminado el mandril, y el tubo recalentado antes de entrar al laminadorreductor- alargador de doce estaciones. Este tren no sólo reduce el espesor de pared del

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tubo caliente sino también el diámetro del mismo. Cada rodillo sucesivo es impulsado aproducir una tensión suficiente para alargar el tubo entre estaciones. El máximorendimiento de este tren es 390 m/min para tubo de alrededor de 50mm de diámetro o máspequeño.

2.1.4.5 Extrusión de Tubo

El método usual para extruir tubos se muestra en la Fig. 20. Es una forma de extrusióndirecta, pero utiliza un mandril para formar el interior del tubo. Después de que el tocho secoloca dentro, el dado que contiene el mandril se empuja contra el lingote como se muestraen la figura. El vástago compresor avanza entonces y extruye el metal a través del dado yalrededor del mandril. La operación completa debe ser rápida y velocidades hasta de 180m/min han sido usadas en la manufactura de tubos de acero. Pueden extruirse tubos deacero de bajo carbono a temperatura cercana a la ambiente, pero para la mayoría de lasaleaciones el tocho debe calentarse alrededor de 1300°C.

2-19

2.1.5 Embutido

Para productos sin costura que no pueden hacerse con equipo convencional de rolado,se usa el proceso ilustrado en la Fíg.21. Se calienta una lupia a temperatura de forja y conun punzón de penetración operado con una prensa vertical, la lupia se forma por forjadentro de un extremo hueco cerrado. La pieza forjada es recalentada y colocada en el bancode estirado en caliente que consiste de algunos dados, que decrecen sucesivamente endiámetro, montados en un bastidor. El punzón operado hidráulicamente fuerza al cilindrocaliente a través de la longitud completa del banco de estirado.

Para cilindros largos o tubos de pared delgada, pueden requerirse calentamientos yembutidos repetidos. Si el producto final es un tubo, el extremo cerrado es cortado y elresto es enviado a través de rodillos para terminado y calibrado, similares a los usados en elproceso de perforado. Para producir cilindros con un extremo cerrado similares a los usadospara el almacenado de oxigeno, el extremo abierto es estampado en forma de cuello oreducido por rechazado en caliente.

2.1.6 Rechazado en caliente

El rechazado en caliente del metal se usa comercialmente para conformar o formarplacas circulares gruesas de alguna forma sobre un cuerpo giratorio y estrangular o cerrarlos extremos de tubos. En ambos casos una especie de torno se usa para hacer girar la piezarápidamente. El formado se hace con una herramienta de presión roma o rodillo que entraen contacto con la superficie de la pieza en rotación y provoca el flujo del metal y que éstese conforme a un mandril de la forma deseada. Una vez que la operación se desarrolla, se

2-20

genera un considerable calor por rozamiento el cual ayuda a mantener al metal en estadoplástico. Los extremos del tubo pueden reducirse en diámetro, formado según un contornodeseado, o cerrarse completamente por la acción del rechazado.

2.1.7 Forjado tibio

Un proceso, conocido como Termoforjado utiliza una temperatura intermedia quenormalmente se usa para trabajo en frío y en caliente. No hay cambios metalúrgicos en elmetal ni imperfecciones de superficie frecuentemente asociadas con el metal trabajado atemperaturas elevadas. La Fig.22 es una fotografía de la sección transversal de un tornillocabeza Alíen grabado con ácido. Se observa una alta resistencia indicada por la estructuracontinua de las fibras. Dado que las líneas de flujo siguen el contorno de la pieza, sereducen las concentraciones de esfuerzos. La temperatura del metal y las presiones yvelocidades de forjado deben controlarse cuidadosamente, puesto que el metal está abajo dela temperatura de recristalización.

2.1.8 Métodos especiales

A medida que se obtienen secciones más delgadas en piezas forjadas, pueden emplearsedados calientes. Si se usa el lubricante adecuado, la oxidación adicional de la superficie sereduce al mínimo, pueden obtenerse tolerancias más cerradas, la pieza permanece flexiblepor un periodo de tiempo mayor, y el ritmo de producción se incrementa. La vida del dadose disminuye, sin embargo, existe un costo asociado con el calentamiento del dado. Amenos que se deseen secciones delgadas, el proceso es pocas veces justificado.

2-21

Altas relaciones de energía de formado están usualmente asociadas con las operacionesde trabajo en frío pero algunas prensas de alta velocidad son manejadas por variosmecanismos, cargas explosivas, o descargas de capacitores. La mayoría de las partesformadas de esta manera son terminadas de un golpe. De este modo la operación es rápida,pueden forjarse secciones delgadas antes de que el calor sea perdido. Debido a la carga deimpacto y el rápido incremento de temperatura del dado asociado con este tipo deoperación, la vida del mismo es relativamente corta. El proceso es útil en la forja a altatemperatura, difícil para formar aleaciones.

Debido a lo altamente especializado de los problemas encontrados en la producciónmasiva de partes, algunas prensas clásicas de forjado se adaptan con apisonadoresauxiliares o punzones que se mueven dentro o a través de ellas. La Fig.23 muestra el uso deun punzón auxiliar que produce un agujero en la pieza forjada. Usualmente, punzones deesta clase son retrasados en su operación hasta que cualquiera de los dados ha casicompletado su trabajo. Debido a la complejidad de tales operaciones, sólo la producciónmasiva de series puede considerarse con este proceso.

Los metales que son difíciles de forjar (por ejemplo, el titanio) pueden fundirse apresión en atmósfera de gas inerte. Este proceso, conocido como formado en atmósferacaliente, elimina la mayoría de la oxidación y la cáscara y tiende a prolongar la vida deldado. Para piezas forjadas muy grandes, el gas inerte se lanza sólo dentro del área deformado, pero en el caso de prensas pequeñas, éstas son encerradas totalmente por unacabina dentro de la cual el argón es admitido.

2-22

Pequeños perdigones de aluminio, tan pequeños como granos de arroz, puedenlaminarse en hojas. La Fig.24 muestra cómo el aluminio fundido es vertido en un cilindrorevolvedor perforado. Las diminutas bolitas se enfrían suficientemente para mantener suforma. Ellas son transportadas por aire a una cámara de precalentamiento, roladas encaliente en hojas, y enfriadas. Este proceso es adaptable a la producción de grandesvolúmenes con un mínimo de gastos de equipo. Teóricamente, pueden formarse hojas delongitud ilimitada por este proceso.

Proceso de trefilación

La trefilación consiste en cambiar y/o reducir la sección de una barra haciéndola pasarpor tracción a través de un dado cónico. Este proceso se realiza en frío. En general esteproceso es económico para barras de menos de 10mm de diámetro.

2-23

Trefilación de una barra circular

Este método se basa en plantear el equilibrio de macro elementos del material,suponiendo una distribución de tensiones uniformes, más la aplicación posterior de lacondición de fluencia.

Sinterización,

Fuerte desarrollo que se prevé en la industria de la pulvimetalurgía que estudia ydesarrollan los mecanismos de interacción que tienen lugar entre la atmósfera y loscomponentes de la aleación, durante el proceso de sinterizado en horno; ya que estosmecanismos son diferentes a los que rigen para los aceros.

Con las atmósferas ALNAT P y ALNAT I trabajará con la cinética de reacciónadecuada para obtener piezas más resistentes y con menor dispersión, que las que obtendríacon cualquier otra alternativa.

2-24

El sinterizado láser puede convertirse en la llave que abra las puertas de la fabricación amedida, conocida también como e-manufacturing o producción electrónica.

2-25

2.2 Procesos de Manufactura con Arranque de Virutas

2.2.1 Procesos de Mecanizado Torneado

Movimiento fundamental de corte:-rotativo (pieza)

Movimiento fundamental de avance:-rectilíneo (generalmente herramienta)

Cilindrado Roscado Tronzado y Ranurado

Partes Principales de un Torno

Cabezal: proporciona el par necesariopara:-hacer girar la pieza-producir el corteBancada: posee guías paralelas al ejede giro de la piezaCarros:-carro longitudinal: se desplaza sobrelas guías de la bancada-carro transversal: sobre el anterior,soporta la torreta portaherramientas

2-26

Torneado Exterior

1. Cilindrado2. Refrentado3. Copiado-Hacia fuera-Hacia dentro4. Cortes perfilados5. Roscado6. Tronzado

Torneado Interior (Mandrinado)

1. Cilindrado2. Refrentado / Copiado3. Perfilados4. Roscado

Modos de sujeción de las piezas en el torneado

Modo 1: sujeción al aire-La pieza se sujeta por uno de susextremos-El mismo plato que la sujeta letransmite el movimiento de giro-Válido para piezas no esbeltas-La pieza se representa como unaviga simplemente empotrada

Modo 2: sujeción entre plato y punto-La pieza se sujeta por uno de susextremos y por el otro se encuentraapoyada en un punto-El plato es quien transmite el movimientode giro-Válido para piezas semi-esbeltas-La pieza se representa como una vigaempotrada y apoyada

2-27

Modo 3: sujeción entre puntos-La pieza se apoya en puntos de sus dos extremos-El movimiento de arrastre se comunica por un punto intermedio (mordazas, uñas)-Válido para piezas semi-esbeltas-La pieza se representa como una viga doblemente apoyada

Tipos de Tornos

Torno paralelo-Torno básico, económico-Pequeñas series-No pueden trabajar simultáneamente varias herramientas

2-28

Torno de copiar-Reproduce una plantilla-Palpador + servomecanismos-Clasificación en función de los servomecanismos

Torno revolver-Semiautomático-Permite a varias herramientastrabajar simultáneamente-Grandes series

Torno vertical-Eje de rotación vertical-Para piezas de gran diámetro y pocaaltura-Hasta 20m de diámetro

2-29

2.2.2 Taladrado

Taladrado Corto Taladrado Profundo

Brocas con plaquitas intercambiables Brocas integrales de metal duro y soldadas

2-30

2.2.3 Fresado

Planeado

Fresado en escuadra

Fresado de ranuras

2-31

Fresado de Perfiles

2.2.4 Herramientas para Mandrinar

Herramientas para desbastePara agrandar y/o preparar un agujero para una operación posterior, Ej.: mandrinado en

acabado.

2-32

Herramientas para acabadoPara mecanizar un agujero con tolerancias y acabado superficial específicos, Ej.: H7 y

Rt 6.3..

Herramientas silenciosas

Herramientas de mandrinar para desbaste

1. Desbaste pesado con cartuchos y correderas de extensión ajustables2. Herramienta para mandrinar de un sólo filo con una plaquita (Duobore)3. Herramienta gemela para mandrinar con dos plaquitas (Duobore)4. Antivibratoria para agujeros más profundos (Duobore)5. Doble filo con acoplamiento Varilock

2-33

Herramientas de mandrinar para acabado

1. Cabeza para mandrinado de precisión un sólo filo con cartucho montado en correderaajustable

2. Cabeza para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho3. Cabeza para mandrinado de un sólo filo con herramientas de mango redondo para

diámetros pequeños4. Cabeza para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho y corredera ajustable

montada en una bara concéntrica5. Cabeza para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho y corredera ajustable

montada en una barra6. Barra antivibratoria para mandrinado de precisión de un sólo filo con cartucho para

agujeros más profundos

2-34

2.2.5 Limadora

Limadora Vertical / Máquina de Ranurar

2-35

2.2.6 Cepilladora / Cepillo Mecánico

2.2.7 Máquinas Rectificadoras

Rectificadora de Bielas a Cuchilla:

2-36

Rectificadora Cilíndrica sin Centros:

Rectificadora Cilíndrica Entre Puntos:

2-37

2.2.8 Electro erosión

2-38

2.3 Herramientas de corte y consideraciones generales

2.3.1 Materiales y Nomenclatura de las herramientas de corte

2.3.1.1 Materiales de las herramientas de corteLas herramientas de corte deben poseer ciertas características específicas, entre las que

se destacan: resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, resistencia aldesgaste y resistencia a la temperatura (porque en un proceso de mecanizado conherramientas tradicionales tºherramienta > tºpieza > tºviruta ; con herramientas más avanzadas selogra concentrar el aumento de temperatura en la viruta). La selección de la herramienta decorte va a depender de la operación de corte a realizar, el material de la pieza, laspropiedades de la máquina, la terminación superficial que se desee, etc.

Para cumplir con cada uno de estos requerimientos han surgido herramientas formadaspor diferentes aleaciones. Los materiales para las herramientas de corte incluyen aceros alcarbono, aceros de mediana aleación, aceros de alta velocidad, aleaciones fundidas,carburos cementados, cerámicas u óxidos y diamantes.

Para conocer las aleaciones de aceros para herramientas hay que saber las funciones quecumplen cada uno de los elementos que forman la aleación. El resumen de estascaracterísticas se entrega en el cuadro 2.1. Los elementos se agregan para obtener unamayor dureza y resistencia al desgaste, mayor tenacidad al impacto, mayor dureza encaliente en el acero, y una reducción en la distorsión y pandeo durante el templado.

Elemento Cantidad PropiedadesCarbono, C 0,6 % - 1,4 % - Forma carburos con el hierro.

- Aumenta la dureza.- Aumenta la resistencia mecánica.- Aumenta la resistencia al desgaste.

Cromo, Cr 0,25 % - 4,5 % - Aumenta la resistencia al desgaste.- Aumenta la tenacidad.

Cobalto, Co 5 % - 12 % - Se emplea en aceros de alta velocidad.- Aumenta la dureza en caliente.- Permite velocidades y temperaturas de operaciónmás altas manteniendo la dureza y los filos.

Molibdeno,Mo

hasta 10 % - Elemento fuerte para formar carburos.- Aumenta la resistencia mecánica.- Aumenta la resistencia al desgaste.- Aumenta la dureza en caliente.- Siempre se utiliza junto a otros elementos dealeación

Tungsteno, W 1,25 % - 20 % - Mejora la dureza en caliente.- Aumenta la resistencia mecánica.

Vanadio, V Aceros al Carbono 0,20 % - 0,5 %

Aceros Alta Veloc.1 % - 5 %

- Aumenta la dureza en caliente.- Aumenta la resistencia a la abrasión.

Cuadro 2.1

2-39

En las herramientas de corte existen varias familias dependiendo del material que secomponen, cada una tiene ciertas características de resistencia y puede realizar mejoralguna operación de corte, ver cuadro 2.2.

Cuadro 2.2Herramienta Características Utilización

Aceros alCarbono

• Son el tipo de acero más antiguo enherramientas de corte.

• Son muy baratos.• Tienen buena resistencia al impacto.• Se pueden someter fácilmente a tratamientos

térmicos como el templado, lográndose unamplio rango de durezas.

• Se forman y rectifican con facilidad.• Mantienen su borde filoso cuando no están

sometidos a abrasión intensa o a altastemperaturas.

• Han sido sustituidos por otros materiales.

• Brocas que trabajan avelocidades relativamente bajas.

• Machuelos.• Escariadores y brochas.

Aceros de AltaVelocidad

• Son el grupo con mayor contenido dealeaciones de los aceros.

• Conservan la dureza, resistencia mecánica yfilo de los aceros.

• Empleando los equipos adecuados puedenser templadas por completo con poco riesgode distorsión o agrietamiento.

• Se templan al aceite.

• Taladrar.• Escariar.• Fresar.• Brochar.• Machuelar.• Máquinas para fabricar tornillos.

AleacionesFundidas

• Mantienen su elevada dureza a altastemperaturas.

• Tienen buena resistencia al desgaste.• No se necesitan fluidos de corte.

• Se recomiendan para operacionesde desbaste profundo convelocidades y avancesrelativamente altos

• Sólo se emplean para obtener unacabado superficial especial.

CarburosCementados *

Carburo deTungsteno

Aglutinado conCobalto

Carburo deTungsteno

Aglutinado con

• Tienen carburos metálicos.• Se fabrican con técnicas de metalurgia de

polvos.• Tienen alta dureza en un amplio rango de

temperaturas.• Elevado módulo elástico, dos o tres veces el

del acero.• No representan flujo plástico.• Baja expansión térmica.• Alta conductividad térmica.• Se emplean como insertos o puntas que se

sueldan o sujetan a un vástago de acero. Seencuentran en diferentes formas, circulares,triangulares, cuadrados y otras formas.

• Se emplean para mecanizarhierros fundidos y metalesabrasivos no ferrosos.

• Mecanizar aceros.

2-40

Cobalto +Solución Sólida

de WC-TiC-TaC-NbC

Carburo deTitanio con

Aglutinante deNíquel y

Molibdeno

W: Tungsteno C: CarbonoTi: Titanio Ta: TantalioNb: Niobio

• Opera a altas temperaturas debido a lasaltas velocidades de corte.

• Trabaja piezas de materiales con altaresistencia mecánica.

• Cortar.

CarburosRevestidos

• Son insertos normales de carburo revestidoscon una capa delgada de carburo de titanio,nitruro de titanio u óxido de aluminio.

• Con el revestimiento se obtiene unaresistencia superior al desgaste, a la vez quese mantiene la resistencia mecánica y latenacidad.

• No se necesitan fluidos de corte, si se aplicadebe ser en forma continua y en grandescantidades, para evitar calentamiento ytemplado.

• Los avances suaves, las bajas velocidades yel traqueteo son dañinos.

• Se utilizan en máquinas deherramientas rígidas, de mayorvelocidad y más potentes.

Cerámicas uOxidos

• Se constituyen de granos finos de aluminioligados entre sí. Con adiciones de otroselementos se logran propiedades óptimas.

• Resistencia muy alta a la abrasión.• Son más duras que los carburos cementados.• Tienen menor o nula tendencia a soldarse

con los metales durante el corte.• Carecen de resistencia al impacto.• Puede ocurrir una falla prematura por

desportilladura o rotura.

• Son eficaces para operaciones detorneado ininterrumpido a altavelocidad.

DiamantesPolicristalinos

• Tienen dureza extrema.• Baja expansión térmica.• Alta conductividad térmica.• Coeficiente de fricción muy bajo.• Se liga a un sustrato de carburo.

• Son empleados cuando serequiere un buen acabadosuperficial, en particular enmateriales blandos y no ferrosos,difíciles de mecanizar.

• Se emplea como abrasivo enoperaciones de rectificado.

CBNNitruro Cúbicode Boro Cúbico

• Es el material más duro que hay en laactualidad.

• Se liga a un sustrato de carburo.• La capa de CBN produce una gran

resistencia al desgaste.• Gran resistencia mecánica de los bordes.• Es químicamente inerte al hierro y al níquel

a altas temperaturas.

• Es adecuado para trabajaraleaciones de altas temperaturasy diversas aleaciones ferrosas.

• Se emplea como abrasivo enoperaciones de rectificado.

* : A los carburos cementados se le asigna Grado C-1, Grado C-2, etc. Los grados 1 a 4 se recomiendan paramecanizar hierro fundido, materiales no ferrosos y no metálicos; los grados 5 a 8 son para mecanizar aceros ysus aleaciones. Los grados 1 y 5 son para desbastar, los 2 y 6 son para uso general, 3 y 7 son para acabado, y 4y 8 son para acabado de precisión. Existen también otros grados para diversas aplicaciones y según loriguroso de la operación de mecanizado.

2-41

El siguiente cuadro muestra como difieren las propiedades de los distintos tipos deherramientas.

Cuadro 2.3

Aceros alcarbono

Aceros altavelocidad

Aleacionesde cobalto

Carburoscementados

Carburosrevestidos

Cerámicas Nitruro deboro cúbico

Diamante

Dureza encaliente

- - - Aumentando - - - →

Tenacidad - - - Disminuyendo - - - →

Resistenciaal impacto

- - - Disminuyendo - - - →

Resistenciaal desgaste


Resistenciaa melladura


Velocidadde corte


Resistenciaa cambios tº


Costo - - - Aumentando - - - →

Profundidadde corte

Baja amedia

Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Baja a alta Muy baja

Acabadoesperable

Regular Regular Regular Bueno Bueno Muy bueno Muy bueno Excelente

2.3.1.2 Nomenclatura de herramientas de corteExisten diversos tipos de herramientas de corte, entre las que se destacan las monofilo,

las multifilo y las abrasivas. Las herramientas monofilo se usan en las operacionesprincipales de torneado, las multifilo se usan en operaciones de fresado y taladrado, y lasabrasivas en procesos de rectificado.

Las herramientas de corte monofilo (un filo) estructuralmente constan de dos partes,una cortante (o elemento productor de viruta) y otra denominada cuerpo. Se encuentrannormalmente en tornos, tornos revólver, cepillos, limadoras, mandrinadoras y máquinasherramientas semejantes.

Fig. 2.1

2-42

En la figura 2.1 se observan las partes más importantes de una herramienta monofilodonde se pueden destacar :

• La cara, que es la superficie o superficies sobre las cuales fluye la viruta(superficie de desprendimiento).

• El flanco, que es la superficie de la herramienta frente a la cual pasa lasuperficie generada en la pieza (superficie de incidencia).

• El filo es la parte que realiza el corte, siendo el filo principal la parte queataca directamente a la pieza y el filo secundario la parte restante.

• La punta de la herramienta es el lugar donde se intersectan el filo principal ysecundario.

En general, la herramienta tiene dos componentes de movimiento. La primeracorresponde al movimiento derivado del movimiento principal de la máquina, y la segundaestá relacionada con el avance de la herramienta. El movimiento resultante corresponde almovimiento resultante de corte, y el corte, como tal, se produce por un movimiento relativoentre la herramienta y la pieza. El movimiento principal es el que consume una mayorcantidad de energía, y corresponde normalmente al que mueve al husillo. El movimiento deavance ocupa menos energía y puede ser un movimiento continuo o alternado.

Fig. 2.2

El ángulo entre la dirección del movimiento de corte principal y el movimientoresultante se llama ángulo de la velocidad de corte resultante (η). Debe destacarse que,como habitualmente el avance es relativamente pequeño en comparación con elmovimiento principal, el ángulo de corte resultante se considera cero.

2-43

Otro punto importante de tener presente es que no en todas las operaciones demecanizado la velocidad de corte es constante, pues por ejemplo, en el refrentado, lavelocidad de corte es función del radio de la pieza.

La velocidad de corte resultante ve , que es la velocidad instantánea relativa entre el filode la herramienta y la pieza, está dada por:

ve = v · cos(η) (2.1)Pero como para la mayoría de los procesos de mecanizado η es muy pequeño,

generalmente se considerav ve = (2.2)

Fig. 2.3

Finalmente, otro de los ángulos importantes cuando se considera la geometría de unaoperación de mecanizado es el llamado ángulo del filo principal de la herramienta, kr. Elespesor de la capa de material que está siendo removido por un filo en un puntoseleccionado, conocido como espesor de la viruta no deformada ac, afectasignificativamente la potencia requerida para realizar la operación. Esta dimensión debe sermedida en un plano normal a la dirección de corte resultante pasando por el filo.Adicionalmente, como η es pequeño, ac puede medirse normal a la dirección delmovimiento principal. Analizando la figura 2.3 se tiene:

a a kc f r= ⋅ sen( ) (2.3)

donde af es el encaje de avance, es decir, el encaje instantáneo de la herramienta en la pieza.Los datos anteriormente explicados, si bien se remiten al caso particular de las

herramientas monofilo, se amplían a los otros casos, como se detallará más adelante enotros capítulos.

2-44

2.3.2 Fluidos de corte y formación de la viruta

2.3.2.1 Consideraciones sobre los ejes coordenados Para efectos de mantener un ordenado uso de los ejes coordenados en lo que sigue,

se observará una serie de convenciones, las cuales se detallan a continuación:• Se definen como ejes para la máquina y sus rotaciones X, Y y Z, A, B y C. Para las

rotaciones en particular se observará la regla de la mano derecha para el sentido positivode éstas.

• Se definen como ejes para la herramienta y sus rotaciones X’, Y’ y Z’, A’, B’ y C’.• En cualquier máquina se definirá primero el eje Z, y éste irá paralelo al eje de

rotación del husillo.• Si la máquina no tiene husillo, el eje Z se define perpendicular a la superficie en

que se trabaja.• El sentido del eje Z es positivo cuando la herramienta se aleja de la pieza.• El eje X se define horizontal (cuando se pueda), por ejemplo, en el torno es radial.• En las máquinas sin husillo el eje X es paralelo a la dirección principal de

movimiento.• Si gira la herramienta, y el eje Z es horizontal, el eje X es horizontal también.• El sentido del eje X se define positivo cuando la herramienta se aleja del eje de

rotación.• Finalmente, el eje Y se impone manteniendo el orden conocido de los tres primeros

dedos de la mano derecha.

2.3.2.2 Fluidos de corteLos fluidos de corte son líquidos que se utilizan durante el mecanizado, aplicándose en

la zona de formación de viruta, para mejorar las condiciones de corte en comparación conun corte en seco. Estas mejoras van en pos de enfriar la herramienta, la pieza y la viruta,lubricar y reducir la fricción, minimizar la posibilidad de crear cantos indeseables en laherramienta, arrasar con la viruta y proteger la pieza de la corrosión. Los hay de tres tipos:

• Enfriadores y lubricantes, sobre una base de petróleo mineral• Aceite y agua, que enfrían por tener una gran capacidad de transferir calor• Aceites puros, que lubrican solamente, para mecanizados de baja velocidad

Ventajas de los enfriadores

1. Aumentan la vida de la herramienta bajando la temperatura en la región del filoprincipal

2. Facilitan el manejo de la pieza terminada3. Disminuyen la distorsión térmica causada por los gradientes de temperatura

producidos durante el mecanizado4. Realizan una labor de limpieza por arrastre, al ayudar a remover las virutas de la

región de corte.

2-45

Las ventajas 2 y 3 se manifiestan más claramente al realizar operaciones con muelasabrasivas.

Ventajas de los lubricantes Disminuyen la resistencia friccional al movimiento, aminorando el consumo de

potencia, alargando la vida de la herramienta y mejorando la calidad superficial del acabado1. Tienen un ingrediente reactivo que forma un compuesto de baja resistencia al

corte, el cual actúa como un lubricante en los bordes2. Son suficientemente estables como para mantener sus propiedades bajo las

condiciones de temperatura y presión existentes en la interfase viruta-herramienta

Sin embargo, la efectividad de todos los lubricantes para corte disminuye a medidaque aumenta la velocidad de corte.

2.3.2.2.1 Aplicación de fluidos de corte

La forma en que se aplique un fluido de corte tiene una influencia considerable en lavida de la herramienta, así como en la operación de mecanizado en general. A pesar de queexisten equipos muy complejos y efectivos para dosificar los fluidos en la zona del corte,estos no son necesarios para lograr buenos resultados.

Incluso el mejor fluido de corte puede no cumplir su función con éxito si no esdistribuido correctamente en la zona del corte. La idea es que el fluido forme una películasobre las superficies en roce, díganse la pieza y la herramienta (figura 2.4). Es preferibleque el fluido llegue en forma continua a la pieza antes de que llegue de maneraintermitente, pues de esta última manera pueden producirse ciclos de temperatura letalespara la microestructura tanto de la pieza como de la herramienta.

Fig. 2.4

2-46

Una buena aplicación de fluido de corte permite además una adecuada remoción deviruta, lo cual ayuda a alargar la vida de la herramienta.

Existen diversas maneras de aplicar el fluido de corte (figura 2.5), sin embargo sedestacarán tres:

• Manual: Se aplica el fluido con una brocha, lo que produce una aplicaciónintermitente, con una baja remoción de viruta y un limitado acceso a la zona de corte.

• Automática de chorro continuo (o por goteo): Se trata de una boquilla apuntada ala herramienta que chorrea constantemente a baja presión el fluido. Logra una buenapenetración a nivel de herramienta y pieza.

• Niebla (pulverizador): Se aplica un rocío constante con aire comprimido sobre elárea de corte. Presenta un riesgo a la salud si no se toman las medidas de seguridadcorrespondientes, ante la eventual inhalación de gotitas aceitosas.

Fig. 2.5

2-47

2.3.2.3 Formación de la virutaEl tipo de viruta producida durante el corte de metales depende del material que se esté

mecanizando y de las condiciones de corte utilizadas. Sin embargo, existen tres tiposbásicos de formación de virutas que se encuentran en la práctica: la viruta continua, laviruta continua con recrecimiento del filo y la viruta discontinua.

La figura 2.6 muestra la formación de viruta continua. Este tipo de viruta es comúncuando se mecanizan la mayoría de los materiales dúctiles, tales como hierro forjado, acerosuave, cobre y aluminio. Puede decirse que el corte bajo estas condiciones es un procesoestable, pues es básicamente un cizallamiento del material de trabajo con el consecuentedeslizamiento de la viruta sobre la cara de la herramienta de corte. La formación de laviruta tiene lugar en la zona que se extiende desde el filo de la herramienta hasta la uniónentre las superficies de la pieza; esta zona se conoce como la zona de deformación primaria.Para deformar el material de esta manera, las fuerzas que se transmiten a la viruta en lainterfase existente entre ella y la cara de la herramienta son suficientes para deformar lascapas inferiores de la viruta a medida que ella se desliza sobre la cara de la herramienta(zona de deformación secundaria). A pesar de que generalmente con esta viruta se logra unbuen acabado superficial, especialmente en máquinas automáticas, existe un grave peligro,cual es la posibilidad de que la viruta se enganche ya sea con el portaherramientas, la ropadel operador o incluso con la misma pieza. Esto se puede remediar usando “quebradores deviruta” en conjunto con las herramientas.

Fig. 2.6 Fig. 2.7

La figura 2.7 muestra la formación de viruta continua con recrecimiento del filo. Bajociertas condiciones, la fricción entre la viruta y la herramienta es suficientemente grandepara que la viruta se suelde a la cara de la herramienta. La presencia de este materialsoldado aumenta aún más la fricción, y este aumento induce el autosoldado de una mayorcantidad de material de la viruta. El material apilado restante es conocido como filorecrecido. A menudo el filo recrecido continúa aumentando hasta que se aparta a causa de

2-48

su inestabilidad. Los pedazos son entonces arrastrados por la viruta y por la superficiegenerada en la pieza. La figura muestra una superficie rugosa obtenida en estascondiciones. El recrecimiento del filo es uno de los principales factores que afectan elacabado superficial y puede tener una influencia considerable en el desgaste de lasherramientas. Sin embargo, a pesar de ser generalmente indeseable, una capa delgada yestable de filo recrecido puede llegar a proteger y alargar la vida de una herramienta.

Fig. 2.8La figura 2.8 muestra la formación de viruta discontinua. Durante la formación de la

viruta, el material es sometido a grandes deformaciones, y si es frágil, se fracturará en lazona de deformación primaria cuando la formación de viruta es incipiente, segmentándose.Esta segmentación puede presentarse como serrucho o definitivamente discontinua. Seproducen virutas discontinuas siempre que se mecanicen materiales tales como hierrofundido o bronce fundido, pero también pueden producirse cuando se mecanizan materialesdúctiles a muy baja velocidad y avances grandes. Debido a la naturaleza discontinua de estaviruta, las fuerzas varían contínuamente durante el corte. Consecuentemente, la rigidez delportaherramienta y otros elementos debe ser suficiente, de lo contrario la máquinaherramienta comenzará a vibrar, lo cual afecta adversamente la terminación superficial y laexactitud dimensional de la pieza. Además pueden existir daños o acortarse la vida útil delas herramientas.

Gran parte de lo anteriormente discutido para metales se aplica también a materiales nometálicos. Se pueden obtener diversas virutas al cortar termoplásticos, dependiendo del tipode polímero y los parámetros del proceso, dígase profundidad de corte, geometría de laherramienta y velocidad de corte. Debido a su naturaleza, los plásticos y cerámicas en sumayoría producirán viruta discontinua.

2-49

2.4 Operaciones de mecanizado

Las operaciones de mecanizado se pueden subdividir en dos grandes grupos:

1. Mecanizado sin arranque de viruta.2. Mecanizado con arranque de viruta.

Algunos ejemplos de estas operaciones se enuncian a continuación:

Mecanizado sin arranque de viruta:• Sinterización.• Laminación.• Estampado.• Trefilado.• Fundición.• Extrusión.• Forja.• Doblado.• Embutido.

Mecanizado con arranque de viruta:• Torneado.• Taladrado.• Escariado.• Mandrinado.• Limado.• Cepillado.• Fresado.• Aserrado.• Rectificado.• Bruñido.• Electroerosión.

Existen tres factores primarios que deben ser definidos en cualquier operación básica demecanizado, éstos son: velocidad, avance y profundidad de corte. Otros factores como eltipo de material y el tipo de herramienta tienen bastante importancia, pero los tres primerosson los que el operador puede ajustar independientemente de los demás.

Velocidad: se refiere a la velocidad de rotación del husillo de la máquina para elmecanizado. Está expresada en revoluciones por unidad de tiempo (RPM). Cada diámetrode trabajo nos entregará una velocidad de corte distinta, aunque la velocidad de rotaciónpermanezca constante, y es por esto que debe tenerse especial precaución al decidirla.

Avance: se refiere a la herramienta de corte, y se expresa como la razón de ladistancia longitudinal recorrida por la herramienta por revolución del husillo (mm/rev).

2-50

Profundidad de Corte: llamado también encaje axial, se refiere al espesor,∆diámetro o ∆radio (según esté convenido) que es removido en la operación demecanizado. Esta es una magnitud transversal, por lo que se expresará en milímetros o enotra unidad de longitud.

2.4.1 Operaciones con herramientas monofilo

A continuación se enuncian una serie de procesos de mecanizado con herramientasmonofilo, éstos se desarrollan básicamente en un Torno. En cada caso se hará un análisis delos tiempos de mecanizado necesarios, potencia necesaria para cada proceso, entre otros.

Operaciones en el Torno

La figura 2.9 muestra un torno horizontal convencional.

Fig. 2.9

Las operaciones de mecanizado en un torno se realizan principalmente con lasherramientas enumeradas a continuación.

En la siguiente figura se muestran distintas herramientas monofilo, siendo todas del tipopastilla.

2-51

Fig. 2.10Para fijar la herramienta al torno se utiliza un porta-herramientas, éste varía según la

operación a realizar, pero es común ver porta-herramientas que con pequeñas varianteslogren distintas operaciones. Distintos porta-herramientas se muestran en la figura 2.11.

Fig. 2.11

2-52

2.4.1.1 Cilindrado

Tal como su nombre lo indica, ésta es una operación de mecanizado que produce partescilíndricas. Tiene por objeto lograr una superficie cilíndrica de menor diámetro que laoriginal. En forma básica, esta operación puede ser definida como el mecanizado de unasuperficie externa, que es realizada:

- con la pieza rotando- con una herramienta de corte monofilo, y- con la herramienta de corte paralela al eje de la pieza y a una distancia que removerá

la superficie externa de la pieza.Todo lo anterior se ilustra en la figura 2.12.

Fig. 2.12

Como se muestra en la figura 2.12, en todo proceso de mecanizado podemos identificartres superficies:

Superficie de trabajo: superficie que va a ser removida en el mecanizado.Superficie mecanizada: superficie producida por la herramienta.Superficie de transición: la parte de la superficie formada en la pieza por el filo y que

será removida en la siguiente carrera o revolución.

Para el cilindrado exterior, los cálculos teóricos del mecanizado son los siguientes:

El encaje axial se define como:

[ ]mm2

d-d=a mw

p (2.4)

donde dw es el diámetro de trabajo y dm es el diámetro de mecanizado.

2-53

La velocidad de corte de la punta de la herramienta está dada por:

××=min2

d+d mw mmnV wavm π (2.5)

donde nw es la velocidad de rotación del husillo.

El material removido por unidad de tiempo es el producto de la velocidad de corte y lasección (área) de la viruta sin cortar,

×=

min

3mmVAZ avmcw (2.6)

Ac es el área de la superficie sacada, y se calcula como la multiplicación del avance f,medido en milímetros por revolución, y el encaje axial: Ac = f * ap

Por lo tanto,

( )

+××××=

min

3mmadnafZ pmwpw π (2.7)

este cálculo se puede visualizar en la siguiente figura:

Fig. 2.13 CilindradoEl tiempo de mecanizado es:

[ ]minnf

L

w

w

×=mt (2.8)

donde Lw es el largo de mecanizado.Conociendo esto podemos conocer la cantidad de material total removida en la

operación de mecanizado, la cual es:[ ]3mmtZZ mwtotal ×= (2.9)

2-54

Reemplazando (2.7) y (2.8),

[ ]32m

2ww mm

4)d-d(L ××

=π

totalZ (2.10)

El espesor de viruta no deformada está definido por la multiplicación del encaje deavance y el seno del ángulo formado por el filo principal y la pieza. En el caso deherramientas monofilo, el encaje de avance es igual al avance, f:

( )rc ksenfa ×= (2.11)

Para las condiciones anteriormente descritas debemos calcular la potencia necesariapara realizar la operación de mecanizado, cuyo valor está dado por la siguiente ecuación:

[ ]WZpP wsw 60

⋅= (2.12)

donde ps es la energía requerida para remover un volumen unitario de material, ésta esobtenida del gráfico 2.1 que se adjunta, considerando el espesor medio de la viruta nodeformada, ac , y el material que está siendo maquinado.

Gráfico 2.1

2-55

Todo lo anteriormente descrito corresponde a un cilindrado exterior, pero se puedeextender en forma análoga a cilindrados interiores (figura 2.14). Éstos consisten enmecanizar el agujero interior de una pieza cilíndrica mediante procesos similares a losdescritos en el cilindrado exterior. Se utiliza, sin embargo, una herramienta y un porta-herramientas distinto.

Fig. 2.14 Cilindrado Interior

Para el cilindrado interior las fórmulas son básicamente las mismas, cambiandosolamente la del material removido por unidad de tiempo, la cual queda como sigue:

( )

−××××=

min

3mmadnafZ pmwpw π (2.13)

2.4.1.2 RefrentadoEste proceso consiste en mecanizar una de las caras de la pieza cilíndrica para dejarla

perfectamente plana. Esto se realiza moviendo la herramienta en dirección normal al eje derotación de la pieza.

Con respecto a la herramienta de corte, cabe hacer mención que en este proceso secoloca con un cierto ángulo con respecto al eje de la pieza, ocupándose la mismaherramienta usada para el cilindrado. Debe tenerse precaución para evitar romper laherramienta en caso de pasarse del centro del diámetro del cilindro, puesto que en esa mitadel cilindro gira en sentido contrario y puede agarrar la herramienta por detrás, causándoleun daño irreparable.

Para el proceso de refrentado, la velocidad de corte con que se realizan los cálculosnuméricos se determina respecto al diámetro inicial de la pieza a mecanizar, ya que eldiámetro de trabajo varía en cada instante (figura 2.10).

2-56

El tiempo de mecanizado en el refrentado es:

[ ]minnf2

d

w

m

××=mt (2.14)

La velocidad máxima de corte y la cantidad máxima de material removido por unidadde tiempo son:

××=minmaxmmdnV mwπ (2.15)

××××=×=

min

3

maxmaxmmdnafVAZ mwpc π (2.16)

La cantidad total de material removido es:

[ ]32mp

4da

mmZ total

××=

π (2.17)

Finalmente, la potencia máxima necesaria para el refrentado se expresa como:

[ ]WZpP s

60max

max×

= (2.18)

En la figura 2.15 se muestra una operación de refrentado.

Fig. 2.15 Refrentado

2-57

2.4.1.3 TronzadoEste proceso consiste en hacer un canal en un cilindro, el cual puede llegar a cortar la

pieza de trabajo en dos partes (figura 2.16). Este proceso se realiza con una herramientamás delgada y débil que la que se usa para el cilindrado, por lo que su manipulaciónrequiere de especial cuidado. En los tornos convencionales este proceso se realizamanualmente, por lo que variables como el tiempo de mecanizado no son calculables enforma directa

Fig. 2.16 Tronzado

2.4.1.4 RoscadoEste es un proceso en el cual se le da forma de rosca a una pieza cilíndrica. Existen

muchos métodos para producir roscas, pero el torno fue el primero en implementarlo, ysigue siendo el más versátil y simple (figura 2.17).

Fig. 2.17

2-58

2.4.2 Operaciones con herramientas multifilo

2.4.2.1 Taladrado:Este proceso consiste en generar una superficie cilíndrica interior (agujero), por medio

del uso de brocas en espiral. La herramienta acostumbra tener dos filos y cada uno de elloscorta la mitad del material al dar un giro. La velocidad de corte es máxima en el bordeexterior del filo principal y cero en la punta de la broca, la cual tiene forma de un filo decincel corto. Este último, al taladrar, fuerza al material hacia los lados para ser removidopor los filos. La calidad del orificio producido es principalmente determinada por lascondiciones de los filos secundarios, siendo poco afectada por el estado de la punta. Hayque mencionar que la viruta formada por los filos toma una forma helicoidal y sale a travésde las ranuras de la broca.

En la figura 2.18 se muestra la punta de una broca.

Fig. 2.18

De acuerdo a la figura 2.18, y existiendo dos filos, se tiene que:

( ) [ ]mmksena rc ×=2f (2.19)

El tiempo de mecanizado será:

[ ]minnf

L

w

w

×=mt (2.20)

El material removido por unidad de tiempo es:

××

×=

minnf

4d 3

w

2 mmZ w

π (2.21)

al hacer un agujero de diámetro d.

2-59

Finalmente, tenemos

××

×=

minnf

4)d-d( 3

w

2i

2e mmZ w

π (2.22)

para agrandar un agujero de diámetro original di a un diámetro final de.

2.4.2.2 FresadoEste proceso consiste en arrancar material de una pieza haciéndola pasar por una

herramienta multifilo (varios dientes). A diferencia del mecanizado en un torno, en la fresase mueve la pieza a mecanizar (en el torno la herramienta) y la herramienta permanece fijarotando.

Toda herramienta para fresado queda definida por tres parámetros, según lanomenclatura A * B * C, donde A es el diámetro, B es el ancho y C es el número dedientes.

En la figura 2.19 se muestran algunas herramientas para el mecanizado en una fresa:

Fig. 2.19

2-60

El fresado se puede clasificar según la posición de la herramienta respecto del materialde trabajo en:

a.- Fresado horizontal: la superficie fresada es generada por los dientes localizados en laperiferia del cuerpo cortante (herramienta). El eje de rotación de la herramienta está en unplano paralelo al de la superficie de la pieza de trabajo.

b.- Fresado vertical: la herramienta es montada en un husillo, cuyo eje es perpendiculara la superficie de la pieza de trabajo. Aquí la herramienta corta solo con una parte de susdientes.

c.- Fresado superficial: es confundible con el fresado vertical, pero se diferencia en quela superficie de la herramienta en contacto con el material no es plana (fresado vertical),sino que tiene filo con formas diversas.

Todos estos procesos se muestran en la figura 2.20.

Fig. 2.20

2.4.2.2.1 Fresado Horizontal

Este proceso será en el que más profundizaremos en fresado, considerando que los otrostipos de fresado se analizan en forma análoga. Así, los resultados obtenidos en el fresadohorizontal serán ilustrativos del fresado vertical y superficial.

Todo proceso de fresado puede clasificarse según el sentido de rotación de laherramienta respecto del avance de la pieza a mecanizar (figuras 2.21 y 2.22).

2-61

Rotación a favor del avance

Fig. 2.21

Rotación en contra del avance

Fig. 2.22

En el caso de rotación a favor del avance se obtiene una mejor calidad superficial, perola herramienta suele montarse sobre la pieza, con lo que se rompe. Además, se requieremenor potencia y existe mayor rigidez. En la rotación en contra se obtiene una superficie demenor calidad, pero la herramienta asegura una mayor duración.

El sentido de rotación dependerá de las características del material a mecanizar. En elcaso de un material blando, a favor del avance, y si es un material duro, en contra delavance. En la práctica se usa principalmente el sentido de rotación en contra del avance.

Algunas operaciones de fresado horizontal se muestran a continuación en la figura 2.23.

2-62

Fig. 2.23

Para el fresado horizontal, el avance está dado por:

=

revmm

nV

w

ff (2.23)

donde Vf es la velocidad de avance de la pieza.

El encaje de avance se define como el avance por diente de la fresa:

=

dienterev

mma f N

f (2.24)

con N igual al número de dientes de la herramienta.

Para el fresado horizontal tenemos la situación que se ve en la siguiente figura.

Fig. 2.24

El espesor máximo de viruta no deformada está dado por:

)(senNf=

nN)(senV

w

fmax θ

θ×

××

=ca (2.25)

y2maxc

cavaa = (2.26)

2-63

De la figura 2.24,

( )cos = 1-2 * a

de

t

θ (2.27)

donde ae es el encaje axial y dt el diámetro exterior de la fresa.Entonces,

( )2

t

e

t

e

da

da

2=sen

−×θ (2.28)

Y reemplazando (2.28) en (2.25),2

t

e

t

e

w

fmaxc d

ada

nNV2

=a

−×

××

(2.29)

Reordenando (2.29),

××

××

t

e

t

e

w

fmaxc d

a-1

da

nNV2

=a

Y, si a de t⟨ ⟨ ,

t

e

w

fmaxc d

anNV2

=a ×××

(2.30)

El tiempo de mecanizado está dado por:

[ ]minV

L+L+L

f

1ow=mt (2.31)

donde( )eteo a-da=L ×

y L1 ≥d2

t

Esta última es la distancia que debe ser retirada la herramienta para poder sacar la pieza.

Estas dos dimensiones representan el punto en que comienza y termina el contacto entrela herramienta y la pieza, tal como se ilustra en la figura 2.25.

2-64

Fig. 2.25

El material removido por unidad de tiempo es:

××=

min

3mmVbaZ fwew (2.32)

siendo bw el ancho de mecanizado, el cual es el mínimo entre el ancho de la herramienta yel ancho de la pieza.

Para las condiciones anteriormente descritas podemos calcular la potencia necesariapara realizar la operación de mecanizado, cuyo valor está dado por la siguiente ecuación:

[ ]WZpP wsw 60

×= (2.33)

2.4.2.2.2 Fresado Vertical

En este caso, el espesor máximo de viruta no deformada será:

w

fmax nN

V×

=ca (2.34)

El tiempo de mecanizado está dado por

[ ]minV

d+L

f

tw=mt (2.35)

o por( ) [ ]min

Va-da2+L

f

etew ××=mt (2.36)

dependiendo de si el eje de rotación de la herramienta pasa (1) o no pasa (2) por sobre lapieza. Esto se ilustra en la figura 2.26, mirado desde arriba.

2-65

Fig. 2.26

2.4.2.3 Muelas AbrasivasLas muelas abrasivas se usan en máquinas llamadas rectificadoras, las cuales

generalmente son usadas para terminación, en rectificados planos o cilíndricos. Un ejemploconocido es el llamado esmeril. Todas las muelas abrasivas poseen un husillo, que gira agran velocidad, en donde se monta la muela. Esta muela abrasiva generalmente tiene formacilíndrica, y está compuesta por material cortante (granos) y un aglutinante. El material decorte puede ser óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), carburo de titanio onitrato cúbico de boro, y como aglutinantes se pueden usar resinas sintéticas, gomas oaglutinantes vitrificados. El tamaño de los granos varía entre los 0,00025 y 0,025 mm, espor esto que el encaje axial es muy difícil de calcular, pues se saca muy poco material.

Las muelas se van desgastando con el tiempo, ya que el aglutinante deja que los granosse desprendan y así la muela no se alise, entregando una pieza bien mecanizada (acabadasuperficialmente). La superficie de la pieza se considera terminada cuando no salen maschispas del contacto muela-pieza, lo cual demora.

En una rectificadora la pieza tiene dos movimientos, uno de avance longitudinal y otrolateral intermitente. Esto se observa en la figura 2.27.

Fig. 2.27

2-66

El tiempo de mecanizado está dado por:

[ ]minnf2

b=

w

wsm tt +

×× (2.37)

donde ts es el tiempo que transcurre hasta que deja de chisporrotear, nw es la frecuencia dealternación y f es el avance lateral por carrera.

Finalmente, el material removido por unidad de tiempo es:

××

minvaf=

3

transvpmmZ w (2.38)

Siendo vtransv la velocidad transversal, ap el encaje axial y f el avance lateral por carrera decorte.

2.5 Duración y desgaste de la herramienta

En todo proceso de manufactura tiene que haber un equilibrio entre el volumen deproducción y los costos de producción Es por esto que un tema de mucha importancia es eldesgaste y duración de la herramienta bajo las distintas condiciones de trabajo.

2.5.1 Desgaste de la herramienta

La vida de la herramienta de corte puede terminar por varias causas, pero éstaspueden separarse en dos grupos principales:

1. El desgaste progresivo de la herramienta.2. Fallas mecánicas que lleven a la herramienta a un final prematuro.

El desgaste progresivo de la herramienta se puede producir de tres manerasdistintas:

• Desgaste por abrasión: ocurre cuando materiales más duros que la herramienta tomancontacto con ésta rayándola y desgastándola.

• Desgaste por adhesión: como en la zona de corte existe una alta temperatura, el materialde corte y la herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende.

• Desgaste por difusión: se produce a partir del aumento de temperatura de la herramienta,con lo que se produce una difusión entre las redes cristalinas de la pieza y laherramienta, debilitando la superficie de la herramienta.

2-67

El desgaste se puede observar en dos regiones de la herramienta, la cara y el flanco. El desgaste en la cara se presenta como un cráter, lo que es un resultado del paso deviruta caliente al fluir a lo largo de la cara. Por otro lado, el desgaste del flanco es plano y es causado por el roce entre la piezay la herramienta; en este caso se pueden distinguir tres períodos de desgaste en la vida deuna herramienta:• Fractura inicial, el filo agudo se desportilla rápidamente.• Desgaste progresivo uniforme.• Fractura rápida, el desgaste progresa a una tasa creciente.

Estos tres períodos se muestran en la figura 2.28.

Fig. 2.28

La figura 2.29 ilustra el desgaste en la cara y el flanco de una herramienta en unaoperación de mecanizado.

Fig. 2.29

2-68

Las fallas mecánicas se pueden producir en cualquier momento, debe existir por lotanto precaución ante el hecho de usar inadecuadamente un avance o encaje demasiadogrande, pues al ocurrir una falla de este tipo, la herramienta será inútil inmediatamente, y sucosto no es nada de despreciable.

2.5.2 Criterios de duración de una herramienta

El criterio de duración de una herramienta permite obtener un valor mínimo detiempo de vida para la herramienta antes de que se desgaste. Como en las operaciones demecanizado el desgaste del cráter y del flanco no son uniformes a lo largo del filo principal,se debe especificar la locación y el grado de desgaste permisible para cada caso. En la figura 2.30 se muestra una herramienta ya desgastada. La profundidad delcráter (KT) es medida desde el punto más profundo de éste. También puede apreciarse queel desgaste del flanco es mayor en los extremos del filo principal. Como el desgaste no es uniforme en las zonas C, B y N, se considera un anchopromedio para la zona central, cuyo valor se estima igual al ancho que existe en la partemás uniforme del desgaste y se denomina VB.

Fig. 2.30

2-69

2.5.3 Criterios para reemplazar una herramienta

Los criterios recomendados por la ISO para definir la duración efectiva de unaherramienta son:

Para herramientas de acero rápido o cerámica: - Por rotura - Cuando VB promedio = 0,3 mm - Cuando VBmáx = 0,6 mm

Para herramientas de carburo cementado: - Por rotura - Cuando VB promedio = 0,3 mm - Cuando VBmáx = 0,6 mm - Cuando KT = 0,06 + 0,3 * f, donde f es el avance

2.5.4 Duración de la herramienta

La duración de la herramienta se define como el tiempo de corte requerido paraalcanzar un criterio de duración de la herramienta. La velocidad de corte es el factor mássignificativo que afecta la duración de una herramienta. Ésta, junto con el material detrabajo, el material y la forma de la herramienta son claves en la estimación de la vida deesta última. La relación entre el tiempo de vida y la velocidad de corte de una herramienta estádada por la siguiente ecuación, llamada, en honor a su creador, ecuación de Taylor.

VVr

n

=ttr

(2.39)

en donde: n = constante que depende del material de la herramienta V = velocidad de corte Vr = velocidad de corte de referencia tr = duración de referencia de la herramienta a velocidad de corte Vr t = vida (duración) de la herramienta a velocidad de corte V

En el gráfico 2.2 se muestran los valores de Vr, según el material de la herramienta yla dureza del material de la pieza a mecanizar, para el uso de la ecuación de Taylor. Parautilizar esta tabla debe usarse ya sea la dureza Brinnel o la resistencia a la tracción delmaterial a mecanizar, así como el material de la herramienta. Con estos datos se puede verun pequeño rango de valores para Vr, teniendo en cuenta que en este caso tr es de 60segundos.

2-70

Gráfico 2.2

Por otro lado, y como ya se dijo, n es una constante que depende del material de laherramienta. El rango de valores recomendados para n se muestra en el cuadro 2.4.

Material de la herramienta Valor de nHSS ( acero rápido ) 0,08 - 0,2Carburo cementado 0,2 - 0,49

Cerámica 0,48 - 0,7Cuadro 2.4

Finalmente, en la figura 2.31 se muestra como varía la vida de la herramienta para distintasvelocidades de corte. Podemos ver que a medida que aumentamos la velocidad disminuyela vida de la herramienta, y vice versa. Esto debe tomarse en cuenta a la hora de laselección de la velocidad de corte, ya que con una mayor velocidad aumentaríamos laproductividad, pero al mismo tiempo “consumiríamos” más herramientas, incrementandolos costos.

2-71

Fig. 2.31

2.5.5 Operaciones con corte intermitente

En la operación de fresado, el filo está en contacto con la pieza sólo una porción deltiempo total de mecanizado. Los tiempos de vida de la herramienta calculadosanteriormente son válidos para este proceso. Sin embargo, la ecuación de Taylor debe sercorregida por un factor Q. Así, la velocidad de corte está dada por:

Vc p ef

n

, , = V *t

Q * trr

c,p,ef

(2.76)

según cada criterio se usa la velocidad y el tiempo correspondiente. El coeficiente Q varía según el proceso, a continuación se muestran los coeficientespara el fresado tangencial, fresado frontal y fresado frontal-tangencial. Los tres casos seilustran en la figura 2.35.

Fig. 2.35

2-72

(a) Fresado tangencial

Q = θπ π2 *

= 14

+ 12 *

* arcsen2 * a

d - 1e

t

(2.77)

(b) Fresado frontal

Q = θπ π2 *

= 14

+ 12 *

* arcsen2 * a

d - 1e

t

(2.78)

(c ) Fresado frontal-tangencial

Q = θπ π

= 1 * arcsenad

e

t

(2.79)

2.6 Cálculo de Costos de Mecanizado

Todo proceso productivo debe tener presente el volumen de producción y los costosde producir este volumen. Cada uno debe decidir si está enfocado a maximizar la cantidadproducida , a minimizar costos o a optimizar todo el proceso.

Para poder estudiar este problema debemos tener presentes todos los costos y tiempoincurridos en la manufactura de una pieza. Por ejemplo se puede suponer el uso de más deuna máquina-herramienta, conocer tiempos de preparación y desgaste de herramientas,considerar o no el almacenaje de productos intermedios (piezas no terminadas), manejar unstock de materias primas, ver el problema de la mano de obra, entre otros.

Para efectos de cálculos se supondrá que las únicas variables manejables pornosotros son la velocidad de corte y el avance. Se puede asumir que el desgaste de laherramienta, el número de herramientas, etc. son directamente dependientes de estasvariables.

Como anteriormente describimos, el avance se calcula de acuerdo a criterios decalidad superficial y de potencia máxima (en el desbaste), por lo que la velocidad de cortela calcularemos de acuerdo a criterios económicos.

2-73

Las distintas variables de interés para los cálculos se enuncian a continuación:tL = tiempo ociosotm = tiempo de mecanizadotct = tiempo de cambio de la herramientaNb = número de piezas mecanizadasNt = número de herramientas usadasCt = costo de la herramientaM = costo general por unidad de tiempo, incluyendo mano de obra

El costo total de producción viene dado entonces por:

Costo de prod. total = ( )M * N * t + N * t + N * t + N * Cb L b m t ct t t (2.46)

Si dividimos por el número de unidades producidas, entonces:

Costo por unidad = M * t + M * t +NN

M * t +NN

* CL mt

bct

t

bt* (2.47)

Recordando la fórmula de Taylor para la vida de la herramienta

VV

=ttr

r

n

, se puede determinar la siguiente relación,

NN

=tt

=tt

* VV

t

b

m m

r r

1n

(2.48)

, la relación anterior indica que el tiempo total de mecanizado, Nb * tm, debe ser igual altiempo de vida de una herramienta por el número de herramientas usadas, Nt * t.

Para todo proceso de mecanizado el tiempo de mecanizado puede escribirse como:

t = kVm (2.49)

La variable k se debe determinar para cada proceso.

2-74

2.6.1 Operaciones con velocidad de corte constante

La operación clásica con velocidad de corte constante es el cilindrado. Siguiendonuestro análisis, en el cilindrado el tiempo de mecanizado está dado por 2.8 y reemplazandonw de la ecuación 2.42,

tm =L

f * nw

w

=π * D * L

f * Vw (2.50)

De aquí deducimos que el valor de k, en este caso, es:

k =π * D * L

fw (2.51)

ReemplazandoNN

t

b

en 2.47 usando la expresión para tm obtenida de 2.49 y 2.51, llegamos a

la siguiente expresión para el costo de producción en función de la velocidad de corte V,

( )C = M * t + M * k V

+ kt * V

* VV

* M * t + Cpr Lr r

1n

ct t

(2.52)

Ahora queremos encontrar la velocidad de corte óptima para minimizar el costo deproducción, para esto hacemos

∂

∂

C V

= 0pr ⇒ despejando se obtiene la velocidad de corte óptima para costo

mínimo de producción,

V = V n1- n

*M * t

M * t + Cc rr

ct t

*

n

(2.53)

El tiempo total de producción está dado por:

t = t + t +NN

* tpr L mt

bct (2.54)

, y reemplazando todo en función de la velocidad de corte:

t = t + kV

+ k

V * t V tpr L

r

1n

r

1 - nn

ct* * (2.55)

2-75

Ahora queremos encontrar la velocidad de corte óptima para minimizar el tiempo deproducción, para esto hacemos

∂

∂

t V

= 0pr ⇒ despejando se obtiene la velocidad de corte óptima para tiempo

mínimo de producción

Vp

n

= V * n1- n

*ttr

r

ct

(2.56)

En la figura 2.33 se muestra como varía el costo de producción para diferentesvelocidades de corte.

Fig. 2.33

De las dos minimizaciones anteriores obtenemos las velocidades de corte óptimas,según dos criterios. Para obtener los tiempos de vida de la herramienta para cada uno deestos criterios, usamos la ecuación de Taylor.

Vc * t = V tcn

r rn* (2.57)

Vp * t = V tpn

r rn* (2.58)

2-76

Despejando y reemplazando en 2.57 y 2.58 las respectivas velocidades 2.53 y 2.56obtenemos:

t c = 1- nn

t +CMct

t*

(2.59)

t p = 1- nn

t ct

* (2.60)

Cabe señalar que si se escoge la condición de costo mínimo, el tiempo deproducción será mayor que el mínimo, y si se escoge la condición de tiempo mínimo, elcosto de producción será mayor que el mínimo. Si bien hemos calculado los valores óptimos de la velocidad de corte, éstos nosquedaron en función de ciertos factores cuyo valor no conocemos. Para determinar M, gastos generales por unidad, se usará el siguiente criterio:

M = W +

Porcentaje del costogeneral del operario

100* W + M +

Porcentaje de gastosgenerales de la maquina

* Mo o t t

100

, donde Wo es la remuneración del operario por unidad de tiempo y Mt es el costo de lamáquina por unidad de tiempo. Estos valores varían según la empresa y máquina usada.

El parámetro Mt se calcula de la siguiente forma:

M t = costo inicial de la maquinan horas trabajadasal añ o

*periodo deamortizacion (añ os)

°

El costo de la herramienta depende de si es reafilable o no, se tiene entonces que:

Herramienta reafilable:

Cnt = costo de afilado + costo herramienta

afilados (real)°

Herramienta tipo pastilla:

Cpromt = costo pastilla

filos usadospor pastilla

+ costo porta - herramientasn filos usados durantela vida del porta - herramientas

. °

2-77

Para la herramienta tipo pastilla tenemos:

tct =tiempo en girar pastilla *

prom. filos usadospor pastilla

1 + tiempo de cambiar pastilla

promedio de filos usados por pastilla

−

Con todo lo anteriormente descrito estamos en condiciones de determinar la utilidadpor unidad de tiempo:

Pr =S - C

tpr

pr

(2.61)

, donde S es el precio de la pieza.

Para un proceso de mecanizado se pueden calcular velocidad y tiempo paraeficiencia máxima. Éstos se obtienen maximizando la utilidad por unidad de tiempo. Si sereemplaza el costo y tiempo de producción, derivando e igualando a cero se obtiene:

Vef

n

= Vttr

r

ef

*

(2.62)

tef

n

= 1 - nn

* t +t C

S +

C kn * S * V

*ttct

L t t

r

ef

r

* *

(2.63)

2.6.2 Operaciones con velocidad de corte variable El ejemplo clásico de estos procesos es el refrentado. En él, la velocidad de cortevaría linealmente con el radio instantáneo de corte (figura 2.34). Podemos deducir que eldesgaste será máximo en la periferia de la pieza e irá decreciendo a medida que el procesocontinúa.

Fig. 2.34

2-78

El incremento en el ancho de la zona de desgaste del flanco (VB) durante elmecanizado de cada pieza es (VB)o. Así,

( )( )

ttm o

m

=V

V

B

B

(2.64)

, donde (VB)m es el ancho de la zona de desgaste cuando la herramienta debe reafilarse.

Como( )∂

∂ V t'

=V

tB B m , despejando t y reemplazando en la ecuación de Taylor,

( )t m

n=

V

V t'

= t *VV

B

Br

r

∂∂

1

(2.65)

( )∂ ∂ V =

V

t* V

V t'B

B

r r

mn

1

* (2.66)

con V = 2 * * n * rsπ (2.67)

r = r - n * f * t'o s (2.68)

donde ns es la frecuencia rotacional del husillo, ro es el radio exterior de la pieza y r es elradio instantáneo al momento del corte. Además t’ representa el tiempo. Reemplazando en 2.66 e integrando,

( ) ( )∂

π∂ V =

V*

2 * * n * r t'B

0

B s

0

tmV

m

r r

nB o

t V∫ ∫

1

* (2.69)

Además se tiene de 2.68 que:

∂ ∂ r = - n f * t's * , despejando

∂∂ t' = - r

n fs * (2.70)

2-79

Reemplazando 2.70 en 2.69 y evaluando la integral, llegamos finalmente a laecuación 2.71:

( )( ) ( )V

V VB o

B mr

n =

tt

=NN

=2 * * n

* nf * n t n +1

r - rm t

b

s

s ro

n+1n

i

n+1nπ

1

* **

El tiempo de mecanizado será:

t m =r - rn * fo i

s

(2.72)

La velocidad óptima de rotación del husillo para el costo de producción mínimo seobtiene reemplazando 2.71 y 2.72 en 2.48, llegando a:

n s

n

c =

V2 * r

1+ n1- n

M * tM * t C

1- a

1- a

r

o

r

ct t

r

r

n+1n

π ** * *

+

(2.73)

,donde a r =rr

i

o

.

La vida para el costo mínimo de producción es:

t c = 1- nn

* t +CMct

t

(2.74)

, igual que para velocidad de corte constante.

Hay que tener presente que aquí se obtiene la velocidad óptima para la velocidad derotación del husillo de la máquina-herramienta y no la velocidad de corte.

Al igual que tc, la vida para tiempo mínimo de producción (tp) y la vida paraeficiencia máxima (tef) son idénticas a las para velocidad de corte constante. Sin embargo, la velocidad correspondiente al husillo debe obtenerse de:

ns

n

c p ef, , ** =

V2 * r

(1+ 1n

) * (1- a

1- a)c,p,ef

o

r

r

n+1n

π

(2.75)

, donde Vc,p,ef es la velocidad de corte para una operación de corte de velocidad constantecorrespondiente a una vida tc, tp o tef.

2-80

2.6.3 Operaciones con corte intermitente

En la operación de fresado, el filo está en contacto con la pieza sólo una porción deltiempo total de mecanizado. Los tiempos de vida de la herramienta calculadosanteriormente son válidos para este proceso. Sin embargo, la ecuación de Taylor debe sercorregida por un factor Q. Así, la velocidad de corte está dada por:

Vc p ef

n

, , = V *t

Q * trr

c,p,ef

(2.76)

según cada criterio se usa la velocidad y el tiempo correspondiente. El coeficiente Q varía según el proceso, a continuación se muestran los coeficientespara el fresado tangencial, fresado frontal y fresado frontal-tangencial. Los tres casos seilustran en la figura 2.35.

Fig. 2.35

(a) Fresado tangencial

Q = θπ π2 *

= 14

+ 12 *

* arcsen2 * a

d - 1e

t

(2.77)

(b) Fresado frontal

Q = θπ π2 *

= 14

+ 12 *

* arcsen2 * a

d - 1e

t

(2.78)

(c ) Fresado frontal-tangencial

Q = θπ π

= 1 * arcsenad

e

t

(2.79)

2-81

2.7 Aspereza superficial y selección de datos

Los factores a determinar en una operación de mecanizado son:1. El avance2. La velocidad de rotación del husillo3. El encaje axial

La variación de estos factores nos determinará la calidad superficial obtenida en laoperación. Es por esto que el requerimiento de calidad superficial será lo que nos determineel valor de estos factores. Por ejemplo, para una buena calidad superficial se requiere deuna velocidad de corte alta, un avance pequeño y baja profundidad de corte.

La nomenclatura de las distintas calidades superficiales es:∇∇∇∇ = calidad muy buena, en la práctica no hay requerimientos de tanta calidad∇∇∇ = calidad buena, bastante común∇∇ = calidad regular, bastante común∇ = calidad mala, no es usada

La aspereza superficial conlleva ciertas variables de interés, las cuales son:• Rt : Altura máxima de la rugosidad• Ra : Rugosidad media aritmética• Rms : Rugosidad media geométrica

Esto se aprecia en la siguiente figura.

Fig. 2.32

Los valores comunes para Ra se presentan en el cuadro 2.5.

Operación Ra (µm)Rectificado 0,05 → 2,5

Torneado herramienta diamante 0,1 → 1,0Fresa y torno convencional > 1,0

Cuadro 2.5 Para casos particulares se usan valores dados de Ra o Rt, sacados de tablasespecíficas dada una calidad superficial esperada.

RA

2-82

2.7.1 Operaciones en torno

En el torno, el acabado superficial depende del avance y del radio de la herramienta.Se definen dos criterios:

R t =f

8 * r

2

(2.40)

R a = 0,032 *fr

2

(2.41)

, donde f es el avance y r es el radio de la herramienta.

De tablas, y dada una calidad superficial, se obtiene el Rt o Ra, y luego de laecuación 2.40 o de la 2.41 se despeja el avance. Para obtener el encaje axial, si éste no está dado, se puede usar la siguiente relaciónen el caso de desbaste:

4 * f < ap < 10 * f

, se recomienda usar ap = 5 * f.

Para obtener la velocidad de corte usaremos, por el momento, la ecuación de Taylor.En el capítulo 2.5 agregaremos otras consideraciones para efectuar cálculos más ajustados ala realidad.

Para determinar la velocidad de rotación del husillo se tiene la siguiente ecuación:

V = * d * nw wπ (2.42)

Finalmente, no debemos olvidar de chequear si la potencia del torno es suficientepara la operación, considerando una eficiencia de un 70 % para éste.

El cuadro 2.6 muestra una combinación de avances y encajes axiales, para hacernosuna idea de los rangos en los cuales debemos trabajar.

Terminación f (mm/rev) ap (mm)Super acabado 0,05 → 0,15 0,25 → 2,0Acabado 0,1 → 0,3 0,5 → 2,0Desbaste ligero 0,2 → 0,5 2,0 → 4,0Desbaste 0,4 → 1,0 4,0 → 10,0Desbaste pesado ≥ 1,0 6,0 → 20,0

Cuadro 2.6

2-83

Ahora se presentará un ejemplo de algunos cálculos para una operación de torneado.

Problema: Realizar una operación de torneado a un acero aleado de dureza Brinell 300, laterminación superficial requerida es Ra = 5,8 µm. El radio de la herramienta es 1,2 mm. Seusa una herramienta de carburo, kr = 90°, y se pretende una vida útil de 30 minutos.

a) Determinación del avance: En este caso no debemos entrar a tablas ya que implícitamente nos dan una calidadsuperficial ∇∇; con el dato Ra = 5,8 µm y la ecuación 2.41:

R a = 0,032 *fr

2

, tenemos f = 0,466 (mm/rev).

Si solo nos hubieran dado la calidad superficial ∇∇, de tablas hubiésemos obtenidoRt = 25 µm, y con la ecuación 2.40:

R t =f

8 * r

2

, se tiene f = 0,489 (mm/rev).

b) Determinación del encaje axial: Se usará ap = 5 * f = 2,33 mm.

c) Determinación de la velocidad de corte: Como se pretende una vida útil de 30 minutos y usando la relación de Taylor:

VVr

n

=ttr

con: n = 0,3 t = 30 minutos Vr = 3 m/s, de tablas tr = 1 minuto

, se obtiene V = 1,081 m/s.

d) Revisión de la potencia: Sabemos que Pw = ps * Zw, con Zw = f * ap * Vavm.

De tablas se obtiene ps, para lo cual necesitamos ac, y tenemos que:

a f kc r= ⋅ sen( ) = 0,466 mm. ⇒ ps = 3 GJ/m3

Reemplazando, Pw = 3521,18 W = 4,72 hp.

2-84

2.7.2 Operaciones en fresa

Para la fresa se definen como criterios de elección del avance:

R a = 0,0642d

*Vnt

f

w

2

(2.43)

, donde dt es el diámetro exterior de la fresa, Vf es la velocidad de avance y nw es lavelocidad de rotación del husillo.

El procedimiento para la selección del avance es análogo al visto para el torno.

Para el encaje axial existe una relación con el avance por diente. En el caso dedesbaste, se puede usar la siguiente aproximación:

a e 4 * S0≈ (2.44)

La velocidad de corte se calculará mediante la ecuación de Taylor. En el capítulo2.5 agregaremos otras consideraciones para efectuar cálculos más realistas.

Para determinar la velocidad de rotación del husillo se tiene la siguiente ecuación: V = * d * nt wπ (2.45)

Finalmente, no debemos olvidar de chequear si la potencia de la fresadora essuficiente, considerando una eficiencia de un 50 %.

Ahora se presentará un ejemplo de algunos cálculos para una operación de fresado.

Problema: Realizar una operación de fresado de un acero aleado de dureza Brinell 300, laterminación superficial requerida es Ra = 5,8 µm. Se usa una fresa de acero rápido47x47x12, y se pretende una vida útil de 600 minutos.

a) Determinación del avance: Como nos dan Ra = 5,8 µm, y con la ecuación 2.43:

R a = 0,0642d

*Vnt

f

w

2

, y sabiendo que f =V

nf

w

⇒ f = 2,06 (mm/rev).

b) Determinación del encaje axial:

Usaremos a e = 4 * S0 , como S0 = fN

= 0,17 (mm/diente)

⇒ ae = 0,68 mm.

2-85

c) Determinación de la velocidad de corte Como se pretende una vida útil de 600 minutos y usando la relación de Taylor:

VVr

n

=ttr

con: n = 0,2 ( acero rápido ) t = 600 minutos Vr = 0,7 m/s, de tablas tr = 1 minuto

, se obtiene V = 0,195 m/s.

Este resultado es solo una aproximación al resultado correcto, pues como se verá enel capítulo 2.5.3, para la operación de fresado la ecuación de Taylor cambia. Sin embargo,para efectos de este ejercicio se mantiene la ecuación de Taylor inalterada. Como ejerciciopara más adelante se propone resolver nuevamente este problema con la ecuacióncambiada; es importante destacar que cambiarán la mayor parte de los resultados.

d) Determinación de la velocidad de rotación del husillo: De la ecuación:

V = * d * nt wπ ,reemplazando se obtiene nw = 79,27 r.p.m.

e) Determinación de la velocidad de avance: De la ecuación:

f =V

nf

w

⇒ Vf = 0,161 (m/min)

f) Determinación de la potencia de la fresadora: De las ecuaciones:

Pw = ps * Zw y Zw = ae * bw * Vf

Para el cálculo de ps necesitamos acav, éste se obtiene de

acmax =2 * VN * n

*ad

f

w

e

t

y de 2 * acav = acmax

Reescribiendo,

a cav = S *ad0

e

t

2-86

Reemplazando ⇒ acav = 0,0204 mm. De tablas, ps = 15 GJ/m3.

Suponiendo que la fresa ocupa todo su ancho cortando, bw = 47 mm y con los datosobtenidos anteriormente,

Pw = 1286,4 W = 1,72 hp.

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