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Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 12 3. PROCESOS DE TORNEADO 3.1. Introducción El proyecto se centrará en el proceso de torneado que es aquel donde una herramienta de punta única remueve material de la superficie de una pieza cilíndrica que se encuentra rotando sobre sí misma. En dicho proceso la herramienta avanza de manera lineal y en dirección paralela al eje de rotación (figura 3.1). Figura 3.1. Esquema del proceso de torneado La máquina herramienta empleada es el torno. Dentro de las elaboraciones que se pueden realizar están: cilindrado, refrentado, taladrado, roscado, tronzado, entre otras. El torno suministra la potencia necesaria y permite seleccionar diferentes parámetros de corte. El torneado será el proceso más común en el corte del metal, y es por ello que estará altamente optimizado mediante la elección de los distintos factores para su aplicación. Se podrá dividir en varias aplicaciones básicas referentes al tipo de herramienta, datos de corte, o la programación, como son el torneado longitudinal, el refrentado, o el perfilado. Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 13 3.2. Parámetros de corte Los parámetros de corte en el torneado vienen definidos por los movimientos fundamentales que realizan la pieza y la herramienta durante el corte. Estos son la velocidad de corte, la profundidad de corte y el avance (figura 3.2). (a) (b) Figura 3.2. Movimientos fundamentales del proceso de torneado: a) Cilindrado, b) Refrentado Velocidad de corte, será la velocidad lineal de la periferia de la pieza que está en contacto con la herramienta. Se expresará en metros por minuto (m/min). El valor adecuado para el mecanizado dependerá de muchos factores, entre ellos, localidad y tipo de herramienta empleada, la profundidad de corte, la dureza del material a mecanizar, o el avance usado. Esto queda reflejado en la ecuación 3.1. 𝑉𝑐 = 𝜋𝑛𝐷0 1000 (3.1) Donde n son las revoluciones por minuto y D0 es el diámetro inicial de la pieza a mecanizar. Además, la duración de la herramienta podrá ser determinada mediante la velocidad de corte, como se muestra en la ecuación 3.2 (ecuación de Taylor), en la se refleja como una lata velocidad de corte permite realizar el mecanizado en menos tiempo, a costa de acelerar el desgaste de la herramienta. 𝑉𝑐𝑇𝑛 = 𝐶 (3.2) Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 14 Avance, se llamará así a la velocidad relativa entre la pieza y la herramienta, es decir, la velocidad con la que avanza el corte en la dirección de corte. Será un parámetro muy importante en el proceso de torneado, que se medirá en milímetros por revolución (mm/rev). El avance estará limitado por la rigidez en las sujeciones entre pieza y herramienta, así como por la potencia del motor de la máquina. Profundidad de corte, medida en milímetros (mm). Dentro de las características de la herramienta, los factores a tener en cuenta serán: la forma, los ángulos característicos, la composición, los tratamientos sufridos, la dureza, el acabado superficial, y el estado de afilado. Más adelante, cuando se analicen los resultados, se podrán relacionar la influencia de estos factores en el resultado de rugosidad esperada. 3.3. Herramientas 3.3.1. Materiales de las herramientas Algunas de las propiedades importantes que deben tener los materiales empleados en herramientas estarán determinadas por los tipos de fallo que pueden aparecer en éstas, como son: El material de la herramienta deberá poseer una alta tenacidad, de manera que se capaz de absorber gran cantidad de energía sin que se produzca la fractura. La herramienta opera a elevadas temperaturas, y será necesario que el material de la herramienta conserve su dureza al aumentar la temperatura. Debe presentar resistencia al desgaste. No dependerá solo de la dureza de la herramienta, también influirá el acabado superficial de la herramienta, la composición química de la herramienta y de los materiales de trabajo o el empleo de fluidos de corte. A continuación, se van a analizar algunos de los grupos de materiales más usados para herramientas de corte. Acero al carbono A pesar de tener un bajo coste, de su facilidad a la hora del conformado y afilado, su uso es cada vez más limitado (operaciones de muy baja velocidad). Esto se debe, a su baja dureza en caliente y resistencia al degaste cuando se opera a velocidades de altas. Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 15 Acero rápido Serán aceros de alta aleación, con una buena dureza a elevadas temperaturas lo cual permite su uso a altas velocidades de corte. Los tipos de aceros rápido pueden dividirse en dos tipos principales: al molibdeno (serie M) y al tungsteno (serie T). En general, la serie M tendrán una mayor resistencia a la abrasión que la serie T, sufre menos distorsión durante el tratamiento térmico y es menos costosa. Es por ello que la mayoría de las herramientas de acero rápido se fabrican de la serie M. El acero rápido será uno de los materiales más importantes empleados en herramientas de corte en la actualidad. Las razón se encuentra en ser un tipo de material adecuado para una gran variedad de operaciones donde se requieren formas complejas de la herramienta, como brocas, escariadores, machuelos o cortadores de engranajes. La mayor limitación que presenta será que las velocidades de corte empleadas serán más bajas que en el caso de las herramientas de carburo (metal duro). Aleaciones de cobalto fundidas Debido a su gran dureza tienen una elevada resistencia al desgaste, además de conservar dicha dureza a altas temperaturas. Son menos tenaces que los aceros rápidos y sensibles a las fuerzas de impacto, lo cual hace que no sea recomendable su uso en operaciones de corte interrumpido (fresado). Metal duro Los grupos de materiales descritos anteriormente presentan limitaciones respecto a la resistencia mecánica y la dureza, y particularmente frente al choque térmico. Esto limita su eficiencia en operaciones donde se requiere una gran velocidad de corte. Los carburos, sin embargo, conservarán su dureza para un amplio rango de temperaturas. Además, poseen un alto módulo de elasticidad, una lata conductividad térmica, una baja dilatación térmica. Todo esto hace que sea uno de los materiales más importantes empleados en la fabricación de herramientas, pues tienen una gran versatilidad y un coste económico. Los dos tipos básicos que se emplean en mecanizado son el carburo de tungsteno y el carburo de titanio. El carburo de titanio tendrá mayor resistencia al desgaste que el de tungsteno, pero no será tan tenaz como este último. Cerámica Se componen principalmente de óxido de aluminio de grano fino y alta pureza, el cual se prensa y sinteriza a altas temperaturas en forma de insertos. Algunos fabricantes añaden otros componentes como carburo de titanio u Influencia de parámetrosde corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 16 óxido de circonio, que ayudan a mejorar propiedades como la tenacidad o la resistencia al choque térmico. Las herramientas fabricadas con este tipo de cerámica tienen una muy alta resistencia a la abrasión y dureza en caliente. Son más estables químicamente que los aceros rápidos y los carburos, lo que significa una menor tendencia a la aparición de filo recrecido. Ello colabora a obtener un mejor acabado superficial en fundiciones y aceros. El gran inconveniente será la baja tenacidad de las cerámicas, lo que puede llevar al fallo prematuro de la herramienta al desportillarse o a un fallo catastrófico. Los insertos de cerámica serán eficaces en el mecanizado a alta velocidad y operaciones de corte interrumpido, como el torneado de acabado o semiacabado. Diamante y nitruro de boro cúbico El material más duro conocido es el diamante, y destacan entre sus propiedades su baja fricción y su alta resistencia al desgaste. La alta dureza será una de las propiedades deseables en las herramientas de corte, por ello se empleará el diamante en operaciones en las que sea necesario un buen acabado superficial y exactitud dimensional, como puede ser aplicaciones de esmerilado y mecanizado. Para la fabricación de este tipo de herramientas suele emplearse diamante policristalino sinterizado (SPD). Se fabrica empleando un polvo fino de cristales de diamante granulado, y será la orientación aleatoria de dichos cristales la que confiera una mejora elevada de la tenacidad. Los insertos de este tipo de herramienta se fabrican depositando una capa de SPD de aproximadamente 0,5 mm de espesor sobre un substrato de carburo. Su uso será idóneo para operaciones de corte continuo de acabado, mecanizado de alta velocidad de metales no ferrosos y abrasivos no metálicos como fibras de vidrio, grafito y madera. No es recomendable su uso con acero y otros metales ferrosos, así como aleaciones de níquel, debido a la gran afinidad química existente. El diamante se usa también como abrasivo Tras el diamante, el material más duro será el nitruro de boro cúbico (CBN). La fabricación de herramientas de corte de este material se realizará de la misma manera que con el SPD. El CBN no reacciona con el hierro y el níquel, por lo que se empleará para mecanizar acero y aleaciones basadas en níquel. Tanto las herramientas de SPD como las de CBN son caras, por ello su uso deberá estar totalmente justificado. Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 17 3.3.2. Configuración de las herramientas Los elementos que definen la configuración geométrica de una herramienta de una sola punta se muestran en la siguiente figura 3.3.a. La eliminación de la viruta será un problema frecuente en el torneado. Los métodos para romper la viruta aparecen en la figura 3.3.b, siendo la finalidad de los rompevirutas la de controlar el flujo de la viruta durante el mecanizado, eliminar las virutas largas y reducir el calor y las vibraciones generadas. a) b) Figura 3.3. Ángulos de las plaquitas (a) y métodos de rompevirutas (b) También será importante la forma en la que se coloque el filo de corte de la herramienta. Las diferentes formas se recogen en la figura 3.4. De todas ellas, la que se suele emplear es la que fija mecánicamente la paquita al portaherramientas, debido a que permite un mejor aprovechamiento de la plaquita (permite darle la vuelta para usar la otra punta de corte). Figura 3.4. Herramienta enteriza y formas de fijar las plaquitas en el portaherramientas La configuración geométrica de las plaquitas determinará las características de las mismas, como se refleja en la figura 3.5. En general, cuanto mayor sea el ángulo de la herramienta mayor será su resistencia, aunque también requerirán una mayor potencia y estarán más expuestos a vibraciones. Además un mayor número de bordes representa una ventaja económica, pues permite darle un mayor uso a la plaquita. Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 18 Figura 3.5. Características de las plaquitas en función de su forma Por último, habrá que mencionar la clasificación ISO de las plaquitas de metal duro según el material al cual se aplique. Se pueden dividir en tres grupos que se distinguen por las siguientes letras: Grupo P, empleado en materiales que producen viruta larga como son los aceros o las fundiciones maleables. El color usado para su designación será el azul. Grupo M, empleado en materiales difíciles de mecanizar, que pueden generar viruta larga o corta, como son el hierro fundido, aceros austeníticos o aceros al manganeso. El color usado para su designación es el amarillo. Grupo K, empleado en materiales que producen viruta corta, como son el hierro fundido o aleaciones no férreas. El color usado para su designación es el rojo. A continuación de la letra se añaden dos cifras que pueden ir desde 01 a 50 (en incrementos de 5). Éstas indican en orden creciente el aumento de la ductilidad en la herramienta, mientras que en orden decreciente indican el aumento de la dureza en caliente. Es por ello que cuando las cifras sean altas, dichas herramientas se utilizarán en operaciones de desbaste y cuando sean bajas en operaciones de acabado. 3.3.3. Tipos de operaciones de torneado La forma de una pieza que se fabrica mediante mecanizado es debida a los movimientos relativos entre la herramienta y la pieza de trabajo, así como a la forma de la herramienta de corte. Según esto, las operaciones de torneado podrán clasificarse en función de la forma de la pieza creada como se recoge en la figura 3.6. Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 19 Cilindrado Refrentado Torneado de perfiles Perfilado Ranurado Tronzado Mandrinado Roscado Figura 3.6. Operaciones de torneado Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 20 3.4. Vibraciones Las vibraciones durante el proceso de mecanizado estarán relacionadas con la rigidez de la máquina empleada. Cuanto mayor sea dicha rigidez, menor serán las vibraciones o traqueteo producido, obteniéndose así mejores resultados en cuanto a la calidad superficial. Es por ello importante recalcar el efecto que puede tener sobre el acabado de la pieza si no se controlan, como por ejemplo: marcas de traqueteo sobre la superficie que crean un mal acabado superficial (ver figura 3.7); puede afectar a la vida útil de la herramienta de corte, acelerando su desgaste, así como provocando el fallo prematuro de la misma; falta de precisión en las dimensiones requeridas en el elemento de trabajo; también puede generarse un ruido molesto durante el mecanizado, sobre todo si se trabaja a altas frecuencias. Figura 3.7. Detalle del acabado superficial durante el mecanizado Se debe distinguir entre las vibraciones que son de tipo forzadas, y aquellas que son autoexcitadas. En cuanto a las primeras, no serán analizadas en el desarrollo del proyecto, pues este tipo de vibraciones son debidasa componentes del torno como pueden ser el funcionamiento del motor y la bomba, o el accionamiento de engranajes, es decir, se trata de una fuerza periódica que se introduce en el movimiento relativo entre la herramienta y la pieza. Por tanto, puede obviarse dicha vibración si se consigue aislar esa fuerza, o simplemente considerando su aportación como un ruido de fondo, al tratarse de elementos inherentes a la máquina herramienta que sean difíciles de modificar. En cuanto al segundo tipo de vibración, serán éstas a las que llamaremos traqueteo, y serán en las que nos fijaremos a la hora de analizar los resultados de los ensayos, y las medidas de aceleraciones tomadas. Este tipo Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 21 de vibración estará causada por el contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo, es decir, se referirá al proceso de remoción de material en sí mismo. Las causas del traqueteo se pueden resumir en la existencia de perturbaciones en la zona de corte, como pueden ser: la falta de homogeneidad en la superficie del material de trabajo, la variación en la formación de la viruta, o que la fricción entre la herramienta y la viruta varíe como consecuencia de los fluidos de corte empleados. También puede ocurrir que un material que haya sido mecanizado previamente (por ejemplo, con pasadas de desbaste), vuelva a mecanizarse para realizar una última pasada de acabado. Sin embargo, en dicha superficie habrá perturbaciones y rugosidad producida por la herramienta de corte en las anteriores pasadas, que contribuirán a la aparición de traqueteo, pues la profundidad real de mecanizado irá variando durante el proceso, produciendo vibración. Para poder aminorar dicho efecto, se podrá aumentar el amortiguamiento en la máquina, o bien, aumentar la rigidez dinámica del sistema. Ésta rigidez se puede definir como la relación entre la amplitud de la fuerza aplicada por la herramienta y la amplitud de la vibración resultante. Por tanto, puede modificarse variando los parámetros de corte durante el mecanizado, para que se reduzca el traqueteo lo máximo posible. Un hecho a destacar será que a medida que aumente la dureza del material a mecanizar, la tendencia a la aparición de traqueteo será mayor, lo que también estará influenciado por el tipo de viruta que se produzca. La viruta continua implica fuerzas de corte constantes, por tanto no habrá tendencia al traqueteo; mientras que la viruta discontinua, al producirse de manera periódica produce cambios en las fuerzas de corte que darán pie a la aparición de traqueteo. Visto así, si analizamos el tipo de viruta obtenida para cada material utilizado en los ensayos tenemos: Acero medio al carbono, se obtiene una viruta ininterrumpida que será larga. Acero inoxidable, se obtienen virutas en forma de láminas. Hierro fundido, se obtiene una viruta corta, como polvo, que además manchará mucho debido al alto contenido en carbono. La viruta continua suele estar asociada a buenos acabados superficiales, pero puede pasar que al ser tan larga la viruta, ésta acabe enrollándose en el portaherramientas, los soportes y la pieza. Si se trata de un torno en paralelo manual, esto puede ser reparado por el operario. Este tipo de viruta puede producir un mal acabado superficial en el mecanizado de metales suaves a bajas velocidades y ángulos de ataque, además de introducir esfuerzos residuales superficiales en la zona mecanizada. Un tipo de viruta continua que Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 22 afectará negativamente al acabado superficial será aquella en la que aparece borde recrecido [9]. Dicho borde se irá acumulando en el filo de la herramienta de corte modificando su geometría, y cuanto mayor sea peor será el acabado superficial obtenido. Aunque cabe mencionar, que un borde delgado y estable reduce el desgaste de la herramienta (actúa como protección). La viruta discontinua, se produce normalmente en materiales frágiles (como el hierro fundido), debido a la poca capacidad de absorber deformaciones cortantes durante el proceso de corte. Aquí también tendrá un papel importante el traqueteo antes descrito, pues la rigidez de la máquina herramienta deberá ser alta para impedir la vibración de la misma, que influye en la formación de la viruta discontinua. La influencia de la longitud de voladizo en el mecanizado (distancia entre portaherramientas y filo de corte de la herramienta) es analizada en el artículo “Three-component receptance coupling substructure analysis for tool point dynamics prediction” de Schmitz, Tony L. et al [27](2005). En él, los autores cuentan cómo realizan una serie de ensayos, para obtener la longitud de voladizo que les permita realizar cortes más profundos sin que aparezca traqueteo y con una velocidad cercana a la máxima de giro del husillo. Esos ensayos consistirán en un análisis de la respuesta en frecuencia de la máquina herramienta. El estudio del voladizo en varios tipos de aplicaciones les permitió definir algunas premisas: Si una herramienta en voladizo está vibrando, reducir la longitud del voladizo disminuirá probablemente su vibración. Sin embargo, habrá ciertos casos en los que puede ocurrir que la mejora de la estabilidad en la herramienta se produzca aumentando la longitud del voladizo. Para poder predecir cuándo hará falta una herramienta con mayor longitud de voladizo, será necesario primero realizar una serie de ensayos previos. En general, la vibración puede ser un parámetro que limite el rendimiento de la máquina herramienta, como por ejemplo, reduciendo la velocidad, el avance y la profundidad de corte. Algunas recomendaciones para reducir la tendencia a la vibración durante el mecanizado serán: Emplear un ángulo de entrada y un ángulo de inclinación positivo. Cuanto más positivo sea el ángulo de inclinación menor será la fuerza de corte, lo que implica una menor flexión. Emplear geometrías positivas genera menores fuerzas de corte y menor flexión de la herramienta. Controlar el desgaste de la herramienta y el tratamiento dado al radio de punta de la herramienta. El que el filo de corte tenga un redondeado Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado Capítulo 3 23 pequeño hará que las fuerzas de corte sean menores en todas direcciones, lo que facilita la acción de corte y reduce la flexión de la herramienta. Un desgaste excesivo de la plaquita, como puede ser el del flanco, podría causar problemas de vibración. Que la profundidad de corte sea mayor que el radio de punta de la herramienta. Disminuir la fuerza radial generará menor flexión en la dirección radial, aminorando la vibración de la herramienta (figura 3.8). Si comparamos dos fuerzas iguales en módulo, una aplicada en la dirección radial y la otra en la dirección axial, será esta última la que genere menos flexión de la herramienta (figura 3.8). Figura 3.8. Fuerzas de corte en torneado Para torneado interior, el ángulo de entrada no debe ser menor de 75° (ángulo de inclinación 15°). Elegir el radio de punta lo más pequeño posible, pues reduce la tendencia a la vibración. Para el ángulo del vértice, un ángulo pequeño dará mayor estabilidad a la herramienta. La velocidad de corte debe ser la adecuada. Una velocidad de corte demasiado alta puede generardesgaste en el flanco, mientras que si es demasiado baja favorece la aparición de borde recrecido. Si el patrón de desgaste es irregular, esto reduce la vida útil de la herramienta y empeora el acabado superficial. Las posibles combinaciones entre profundidad de corte y avance serán importantes a la hora de mejorar el área de la viruta. Si este área es muy grande, las fuerzas de corte serán demasiados grandes; mientras que si es muy pequeña, el rozamiento entre la pieza y la herramienta será excesivo. Si se produce vibración con voladizos largos, será recomendable aumentar el avance y modificar la velocidad de corte. En general, los mejores resultados se obtendrán para mayores velocidades de corte.
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