duración del filo en plaquitas de metal duro recubiertas

CONAMET/SAM-SIMPOSIO MATERIA 2002
DURACIÓN DEL FILO EN PLAQUITAS DE METAL DURO RECUBIERTAS
N. E. Mazini, J. M. Blanco, L. Iurman, D. Ziegler
Universidad Nacional del Sur, Avda. Alem 1253, 8000 Bahía Blanca, Argentina
e mail: n.mazini@uns.edu.ar – jmblanco@criba.edu.ar
RESUMEN
En este trabajo se determinó la vida útil del filo de herramientas con plaquitas de metal duro de base P25
recubiertas con capas endurecedoras y lubricantes sin el empleo de fluidos de corte. Se usaron insertos
comerciales montados con un ángulo de posición de 45°, con distintas geometrías en un plano de ataque
recomendadas para operaciones de torneado en desbastes medios y pesados.
Para valores fijos de avance y profundidad de pasada, variando la velocidad, se monitorearon las fuerzas
de avance y empuje, observando del desgaste que se iba produciendo en los planos de ataque, incidencia
lateral y en el perfil curvo de la herramienta.
Se consideró como vida útil del filo el tiempo que originaba un desgaste parejo, en el plano de incidencia
lateral, con un ancho de 0,10 mm.
Para un acero 4140 templado y revenido con durezas de 20 y 50 Rc, se relacionaron los valores de la
velocidad de corte “v” y el tiempo de duración del filo “t” por medio de un diagrama log-log; lo que
permitió evalúa la constante C0 (velocidad para una duración de filo de 1 minuto) y el exponente “n” de la
ecuación de Taylor que vincula esas variables: v × t n = C 0 .
Comparando los valores de “n” y C0 obtenidos, con los que trae la bibliografía para plaquitas sin
recubrimiento se concluyó la ventaja que tienen las que poseen recubrimientos.
Se determinó la variación lineal del desgaste en función del tiempo de maquinado, el aumento de las
fuerzas de avance y especialmente la de empuje en relación con la vida útil del filo y las velocidades que
originan rotura catastróficas del mismo.
Palabras claves: Plaquitas recubiertas, vida útil, desbaste, aceros tratados térmicamente.
1. INTRODUCCIÓN
Los criterios usados para decidir el momento del
recambio de un filo en un inserto de metal duro
según norma ISO, (1972), son:
a) Rotura catastrófica del filo, criterio a usar
cuando se quiere determinar condiciones
extremas que limitan el corte.
b) Desgaste regular del filo en un plano de
incidencia lateral con un valor medio
VB = 0,3 mm, figura 2.
c) Desgaste irregular del filo con un valor
máximo VB = 0,6 mm.
Los dos últimos criterios se pueden complementar
con el seguimiento del cráter que se origina en el
plano de ataque, para el que se fija una
profundidad máxima Kt = 0 ,6 + 0 ,3 × a , siendo
“a” el avance de la herramienta en mm/rev.
La duración del filo de una herramienta se define
como el tiempo de maquinado necesario para
alcanzar las condiciones fijadas según un criterio
determinado de duración de filo.
La velocidad de corte es el factor más significativo
en la vida útil de un filo.
Así por ejemplo el uso de velocidades muy altas,
origina un crecimiento muy rápido del cráter que
se produce en el plano de ataque, debilitando la
resistencia del filo y conduciendo a la rotura
catastrófica del mismo.
El uso de menores velocidades de corte, debido al
mayor tiempo de duración del filo, permite elegir
una velocidad que conduce a una producción a
menor costo. En estos casos se adoptó como
criterio de duración del filo, el que produce un
desgaste regular determinado “VB” en el plano de
incidencia.
Cuando se representa en un diagrama log-log, la
velocidad de corte en función del tiempo de
duración del filo, para un criterio de desgaste del
mismo,
la
relación
entre
ambos
resulta
sensiblemente lineal , lo que permite usar la
ecuación de (Taylor 1906).
(1)
v × t n = C0
siendo “v” la velocidad de corte en m/min y “t” el
tiempo de duración del filo en minutos.
Debe tenerse en cuenta, (Clim y Ashby 1987), que
para velocidades muy bajas aparecen las
condiciones de filo recreado originadas por
adherencias de la viruta sobre el plano de ataque,
que producen malas terminaciones superficiales y
en el caso de velocidades muy altas aparecen
mecanismos adicionales de desgaste por fusión u
oxidación-difusión en los que no se cumple la
linealidad de la ecuación (1) pero se sigue
cumpliendo para un amplio rango de velocidades
de corte económicas, que permiten maquinar a
costo o tiempo mínimo de producción.
2. DESARROLLO EXPERIMENTAL
2.1
Materiales empleados
Se maquinó un acero 4140 templado y revenido
para obtener estructuras con durezas de 20 y 50
Rc.
2.2
Por medio de un cabezal dinamométrico (Mazini et
al 1999) se midió para las distintas velocidades, a
medida que progresaba el desgaste, las fuerzas de
corte, la de avance y la de empuje calculando la
potencia consumida y la energía específica por
unidad de volumen cortado.
Utilizando un microscopio de medición con mesas
en coordenadas con aproximación por tornillo
micrométrico y vernier de 0,001 mm se midió el
desgaste en los planos de incidencia lateral, de
ataque y en la punta curva, figura 2.
Herramientas utilizadas
Se usaron 2 tipos de plaquitas comerciales de
metal duro de base P25 recubiertas con capas de
óxido de aluminio y de nitruro de titanio, cuyos
perfiles son aptos para un desbaste medio (PM) y
para uno pesado (PR). En las figuras 1a y 1b se
indica el perfil, el ángulo de ataque y el refuerzo
del filo en el extremo curvo y en el centro del lado.
En la tabla 1 se dan los valores de los ángulos
efectivos de trabajo.
Figura 2 – Desgaste de las plaquitas en el plano
de ataque y de incidencia lateral.
Punta
Medio lado
Figura 1a – Perfil del inserto
SNMG 12 – 04 – 04 PM
Punta
Medio lado
Figura 1b – Perfil inserto
SNMN 12 – 04 – 08 PR
Tabla 1. Ángulos efectivos de trabajo.
Herramienta con inserto
PM
PR
- 4º
- 9º
Ataque secundario
+ 11º
+ 13º
Incidencia lateral
+ 9º
+ 9º
Elevación de filo
0º
0º
Posición de filo
+ 45º
+ 45º
Ataque primario
Si bien la norma fija como tiempo de duración del
filo aquél que produce un desgaste regular en el
plano de incidencia de VB = 0,3 mm o uno
irregular de VBmáx = 0,6 mm; en el ensayo para
reducir el tiempo se tomó como vida útil del filo el
tiempo “t” que producía un desgaste regular en el
plano de incidencia, VB = 0,1 mm.
Los valores de la velocidad “v” y el tiempo de
duración de filo se representaron en un diagrama
log-log que permitió determinar los valores del
coeficiente “C0” y la exponencial “n” de la
ecuación (1).
El desgaste “VB” en el plano de incidencia de la
herramienta en función del tiempo, se determinó
usando un modelo lineal por lo cual la velocidad
de corte para un desgaste diferente a 0,1 mm
vendrá dada por la ecuación:
V ×t n =
Las estructuras de 20 Rc se maquinaron con un
avance 0,2 mm/rev y una profundidad de 3 mm y
en las de 50 Rc, se debió reducir el avance a
0,1 mm, pues valores mayores producían la rotura
del filo. Las velocidades se incrementaron hasta
aquéllas que en pocos minutos originaban fallas
por roturas catastróficas del filo o ablandamiento
por temperatura y fluencia plástica del mismo.
(2)
Otros modelos consideran una relación no lineal,
afectando al cociente
2.3 Condiciones experimentales
VBi
×C0
V B0 ,1
V Bi
V B 0 ,1 , de la ecuación
(2), de un exponente distinto de uno y que puede
alcanzar el valor dos.
3. RESULTADOS OBTENIDOS
En las tablas 2 y 3, para las herramientas
designadas como “PM” y “PR” respectivamente y
el acero con una dureza de 20 ± 3 Rc, se muestran
los tiempos de duración del filo para 3 velocidades
distintas; se indican también las fuerzas de corte
“Fc”, la de avance “Fa” y la de empuje “Fe”, que
se registraron en el dinamómetro a los 5 minutos
de maquinado. Los valores de la potencia “P”, el
caudal de viruta “Q” y la energía específica “K´s”
se calcularon como:
P = Fc × v 60000
(4)
K´ s = P × 1000 Q
(6)
t2
t1
0.06
0.04
0.02
0
0
n = 0,58
130
9
1450
735
680
3,14
1300
2,41
160
6
1410
735
780
3,76
1600
2,35
C0 = 453
m/min
min
N
N
N
Kw
mm3/seg
GJ/ m3
n= 0,55
60
51
1650
735
615
1,65
600
2,75
150
9
1450
735
670
3,62
1500
2,41
190
6
1380
780
740
4,37
1900
2,30
C0 = 510
En la tabla 4 se llevan las mismas determinaciones
y cálculos para el acero con dureza de 50 ± 3 Rc,
usando la herramienta “PR”.
20
30
40
50
60
Figura 3 – Desgaste del filo para VB = 0,1 mm
en función del tiempo de maquinado.
En la figura 4, se representan las ecuaciones (1) en
un diagrama log-log según los valores obtenidos
de las tablas 1, 2 y 3. El exponencial “n” está dado
por la pendiente de las rectas y el valor “C 0” por la
velocidad que determina una duración de filo de 1
minuto.
(1) Rc 20 - PM ; n = 0,58 ; C0 = 453
v [m/min]
Tabla 3 – Acero 4140 – Rc 20
Herramienta “PR” – a = 0,2 – e = 3 mm
10
t [min]
1000
v
t
Fc
Fa
Fe
P
Q
K´s
C0 = 286
0.1
Tabla 2 – Acero 4140 – Rc 20
Herramienta “PM” – a = 0,2 – e = 3 mm
80
19
1580
735
640
2,10
800
2,625
55
15
1227
1150
720
1,12
252
2,35
0.08
C0 = anti log ( log vi + n × log ti ) (7)
m/min
min
N
N
N
Kw
mm3/seg
GJ/ m3
42
23
1280
1100
610
0,89
192
4,6
0.12
log
v
t
Fc
Fa
Fe
P
Q
K´s
25
55
1375
1050
570
0,57
114
5
En la figura 3, se representó del desgaste regular
del inserto en el plano de incidencia “V B” en
función del tiempo de maquinado para la
herramienta PR cuando se maquinó el acero de Rc
20 con velocidad de 60 m/min.
V B [mm/rev]
n=
m/min
min
N
N
N
Kw
mm3/seg
GJ/ m3
n = 0,61
(5)
Los valores de la exponencial y la constante de la
ecuación (1) y (3) se calcularon promediando los
valores obtenidos aplicando:
v1
v2
v
t
Fc
Fa
Fe
P
Q
K´s
(3)
Q = a × e × v × 1000 60
log
Tabla 4 – Acero 4140 – Rc 50
Herramienta “PR” a = 0,1; e = 2,75 mm
(2) Rc 20 - PR ; n = 0,55 ; C0 = 510
100
(1)
(2)
(3) Rc 50 - PR ; n = 0,61; C0
= 286
10
1
(3)
10
100
t [min]
Figura 4 – Diagrama log-log que relaciona
velocidad y tiempo de duración de filo.
4. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
Para el acero con dureza de 20 Rc las dos herramientas permiten maquinar con altas velocidades
sin que se produzca la rotura del filo. La geometría
de la PR permitió una mayor velocidad de corte,
para la misma duración del filo por tener un mayor
ancho en la faja del plano de ataque, un ángulo de
ataque primario más negativo y uno secundario
más positivo, tabla 1, lo que hace más reforzado el
filo.
El exponente “n” dio valores que oscilaron entre
0,55 y 0,64 y las velocidades para una duración de
filo de 1 minuto “C0”, según la herramienta usada
fueron de 453 y 510 m/min, que son superiores a
los que da la bibliografía para insertos de metal
duro sin recubrimiento, (Boothroyd G. 1978),
cuyos valores son para “n” entre 0,25 y 0,3 y para
“C0” no supera los 350 m/min.
En el caso del acero con dureza de 50 Rc, se ma quinó con las plaquitas PR pues su geometría
como se dijo anteriormente es más adecuada para
condiciones de desbaste pesado, debiendo bajarse
el avance a 0,1 mm/rev y la profundidad a 2,75
mm, a pesar de lo cuál sólo se pudo trabajar a bajas
velocidades.
En este caso no se pudo maquinar con velocidades
superiores a 70 m/min pues las cargas que actúan
sobre el filo originan su rotura por fluencia
plástica.
El exponent e “n” dio un valor entre 0,60 y 0,63 y
“C0” fue de 286 m/min también superiores a los
que da la bibliografía (Boothroyd G. 1978), para
plaquitas sin recubrimiento, que son para “n” los
mismos anteriores y “C 0” vale 180 m/min.
Los valores obtenidos tanto para “n” como para
“C0” justifican la ventaja del uso de plaquitas con
recubrimiento.
Según se desprende de la figura 3, para un desgaste
hasta el valor de VB = 0,1 mm, el mismo resulta
lineal en función del tiempo del maquinado. Si se
supone que la variación sigue lineal para mayores
desgastes resulta factible la aplicación de la
ecuación (2) tal como se planteó.
Para una plaquita 4025 PM, el fabricante aconseja
para un desbaste medio de acero de baja aleación y
dureza de menor que 20 Rc, con un avance de 0,3
mm/rev y una profundidad de 3 mm, usar una
velocidad de 255 m/min, para una duración de filo
de 15 min.
Aplicando la ecuación (2) con los coeficientes
obtenidos de la tabla 2, para una duración de filo
de 15 min y un VB = 0,3 mm resulta:
V =
0 ,3 453
×
= 284 m / min
0 ,1 15 0 ,58
valor éste perfectamente aceptable pues el avance
usado fue de 0,2 mm/rev en lugar de 0,3.
En todos los casos la fuerza de corte disminuyó al
crecer la velocidad, debido a la mayor temperatura
alcanzada en la zona de deformación primaria de la
pieza y en la viruta, lo que originó un cambio en la
mecánica del corte.
Las fuerzas de avance y especialmente la de empuje crecen con el incremento de la velocidad y estas
son las que originan la mayor abrasión y por lo
tanto la menor duración del fi lo o su rotura cuando
se maquinaron las estructuras más duras con
velocidades superiores a 70 m/min, en que la
fuerza de empuje en el momento de la rotura superó los 1000 N.
Velocidades muy bajas originan un corte con
formación de filo recreado pues se produce
adherencia entre la cara de la viruta y el plano de
ataque, lo que conduce a una mala terminación superficial. Para los rangos de velocidades estudiadas
la rugosidad superficial fue siempre muy buena
con un “Ra” menor de 3 µm para los aceros de Rc
20 y de 1 µm para los de Rc 50.
Si bien el aumento de la velocidad origina un
mayor caudal de viruta cortada, con un menor
consumo de energía por unidad de material maquinado, esto lo hace a costa de una menor vida útil
del filo pero dentro de las velocidades estudiadas
se encontrará la que combine velocidad y desgaste
para obtener una producción a costo mínimo o
menor tiempo de fabricación.
5. CONCLUSIONES
-
-
-
-
Las herramientas con plaquitas cuadradas de
metal duro con espesores de 4 mm, 12 mm de
lado y geometrías especiales, recubiertas con
capas de óxido de aluminio y nitruro de
titanio, pueden tornear en desbastes medios
aceros de baja aleación templados y revenidos
con durezas de hasta 50 Rc, sin usar fluídos de
corte dentro de un rango amplio de
velocidades económicas.
Para una dureza de 20 Rc las condiciones
máximas de corte fueron avance 0,2 mm/rev y
espesores de 3 mm, dando virutas continuas y
tubulares,
siendo
maquinables
hasta
la
velocidad máxima del torno utilizado de 500
m/min.
Para una dureza de 20 Rc, se redujeron las
condiciones de corte a un avance de 0,1
mm/rev y espesores de 2,75 mm, dando
virutas continuas en forma de cinta. Las
velocidades fueron más bajas y limitadas pues
las menores de 20 m/min formaron filos
recreados con mala terminación superficial y
las superiores a 70 m/min, originaron rotura
del filo por fluencia plástica.
La terminación superficial dio un “Ra” para
los aceros de 20 Rc menor a 3 µm y para los
de 50 Rc menor de 1µm.
Las ecuaciones que relacionan el tiempo de
duración del filo con la velocidad de corte
para un desgaste regular de VBi mm en el
plano de incidencia según los coeficientes y
exponenciales calculados fue:
Para aceros con Rc 20 y herramienta
SNMG 12 – 04 – 04 PM:
V × t 0 ,58 =
V Bi
0 ,1
× 510
(8)
6. REFERENCIAS
Para aceros con Rc 20 y herramienta
SNMN 12 – 04 – 08 PR:
V ×t
0 ,55
=
V Bi
0 ,1
× 453
1.
(9)
Para aceros con Rc 50 y herramienta
SNMN 12 – 04 – 08 PR:
V ×t
0 ,61
V
= Bi × 286
0 ,1
2.
3.
(10)
4.
-
-
Cuanto mayor es la velocidad de corte mayor
es el caudal de viruta maquinado con un
menor consumo de energía específica, pero
con una vida útil del filo menor.
Introduciendo las ecuaciones (8) a (10), en
una ecuación de costo de operación, derivando
la misma respecto de “t” o de “v” e
igualándola a cero, se podrá determinar cuál
es la velocidad óptima para una producción a
costo o tiempo mínimo.
5.
Norma ISO, Tool life testing with single point
turning tool, ISO /TO/ 29/WG 22/91, 1972.
Taylor F. W., On the art of cutting metals,
Transactions American Society Mechanical
Engineers 28, 1906.
Clim S. Ashby N. F., Overview N° 55 Wear
Mechanism map, Acta Metallurgica, vol 35,
N° 1, 1987.
Mazini N.E., Blanco J.M., Iurman L., Ziegler
D., Cabezal dinamométrico para medir fuerzas
de torneado, usando herramientas con insertos
de metal duro, Jornadas SAM '99, Rafaela,
Santa Fe, Argentina, 2 al 4 de junio de 1999.
Boothroyd G., Fundamentos del Corte de
Metales y de las máquinas herramientas, cap.
6, Mc. Graw Hill 1978.