Mecanica del corte

FUNDAMENTOS DEL MECANIZADO
MECÁNICA DEL CORTE
Objetivos
Conocer los principios
básicos de la formación de
la viruta y su influencia en
las fuerzas de corte y el
desgaste de la herramienta
Introducir el mecanizado
de alta velocidad
MECÁNICA DEL CORTE
 Corte ortogonal vs corte oblicuo.
 Mecánica de formación de viruta  Tipos de viruta.
 Cinemática y Dinámica del corte ortogonal.
 Balance energético en el mecanizado.
 Desgaste de herramienta.
 Refrigeración y lubricación.
 Mecanizado de alta velocidad (MAV o HSM).
Mecánica del corte
Corte ortogonal vs Corte oblicuo
Corte ortogonal
 El filo de la herramienta (OF) es perpendicular a velocidad de corte (v).
Corte oblicuo
 El filo de la herramienta (OF) y la velocidad de corte (v) no forman un
ángulo recto, sino l0 (inclinación del filo) y/o X 90 (posición).
Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal
Modelos de formación de la viruta
Z
MODELO DE
PIJSPANEN
Plano de cizallamiento
X=90º; l=0º
Mat. Pieza maleable
Hta rígida
Régimen estacionario
Flujo continuo
de viruta
Y
Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal
Parámetros geométricos
Ángulo de cizallamiento, 
 Formado por el plano de cizallamiento con la superficie a mecanizar.

 Depende de: material de pieza y conds de corte.
 Formación de viruta: proceso de
deformación plástica.
 Disminuye la longitud y aumenta el
espesor de la viruta.
 Causas para una mayor deformación:
• menor , y
• menor  (mayor s).
Z
Y
Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal
Parámetros geométricos

Factor de recalcado,  ( c)
  es la relación entre la long de viruta formada y la del mat. equivalente (o
espesor no deformado y espesor de viruta tras el corte): (entre 0.2 y 1)
lv h
OA.sen
 e     deformación
 
1
lm e OA. cos(   )
 Relación entre factor de recalcado y ángulo de cizallamiento: (entre 10 y 60º)
 
 . cos 
tg 
1   .sen
 Factores influyentes:
•  tenacidad pieza   
•  calidad de hrrta   
•
•
 Efectos de   ( e):
•  velocidad salida de viruta.
•  Pc y Tª.
Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal
Parámetros geométricos

Deformación, 
s
 2  2 . cos   1
  lim
 cot   tg(   ) 
x 0 x
 .sen
cos 
 
sen . cos(   )
 Para un  dado, la deformación es mínima si:


4


2
 =1 e=h
 La relación de estos parámetros es:
• Para un , si  ( e)   deformación ().
• Para un  (e=cte), si     deformación ().
Mecánica de formación de viruta en corte ortogonal
Longitud de contacto de la viruta
 Cuando dejen de actuar sobre la viruta esfuerzos de compresión normales a
la cara de desprendimiento  no habrá contacto con la herramienta.
 Longitud de contacto de la viruta con la herramienta:
sen
l  OB  BC  h.
 e1  tg (   )
sen . cos(     )


4
 

Mecánica del corte
Viruta en el Corte Oblicuo
 La viruta no fluye sobre la cara de desprendimiento de la hrrta en dirección
perpendicular al filo  forma un ángulo  con la normal.
 Aplicando principios de tª de plasticidad:
l
 Se puede aplicar fórmulas de corte ortogonal,
teniendo en cuenta que:
•   e
sen e  sen 2l  sen . cos 2 l
Corte ortogonal y oblicuo
Sección de la viruta
S  p.a  b.h
p  b.sen
a
h
sen
Corte ortogonal y oblicuo
Sección de la viruta
mat. no arrancado  necesidad de filo secundario
 Espesor de viruta equivalente:
he = área sección viruta / long filo cortante
p . a = l . he
Mecánica del corte
Tipos de Viruta
 Totalmente discontinua:




Mats. frágiles (no soportan tensión de cizallamiento)
Mats. dúctiles (vc, avance); No metálicos.
Superf. de contacto muy reducida.
 bajo o negativo ( ); mec. en seco;  rigidez máquina
 Parcialmente segmentada:
 Compuesta de elementos parcialmente unidos
y ligados entre sí.
Si rigidez no adecuada, como Fc varía continuamente,
aparecen vibraciones  calidad superficial y precisión dimensional
 Continua:
 Mats. tenaces y dúctiles (vc, a).
  grandes ( ).
Mecánica del corte
Tipos de Viruta
 Ondulada:
 Existencia de vibraciones.
 Continua con filo de aportación (recrecido):
 Se forman capas de viruta debido al rozamiento
en la superf de contacto viruta-herramienta, y se
quedan adheridas a hrrta.
 Filo aportado crece hasta que rompe bruscamente.
 Consecuencias:  acabado superf. y  vida hrta.
Mecánica del corte
Cinemática del corte ortogonal
 v, veloc. de corte: relativa entre hrrta y pieza, debida al
mov. de corte.
 vs, veloc. de deslizamiento de la viruta respecto pieza.
 vc, veloc. de deslizamiento de la viruta respecto hrrta.
 Velocidad de deformación muy elevada:  = vs/y = 102
106 s-1 (ensayos de fluencia 10-2; choque 102)  ? Usar
características comunes de materiales  ensayos propios
(y cte separación de planos de deslizamiento 0.0180.18 mm)
vs
v
v
 c 
cos  sen cos(   )
h
sen
  .v  v
e
cos(   )
cos 
vs  v
cos(   )
vc  v
 la max velocidad a la que
puede fluir la viruta sobre la
sup desprendimiento de hrrta
es v (velocidad de corte).
Dinámica del corte
Análisis de las fuerzas de corte ortogonal
En corte ortogonal, la fuerza total F está contenida en el plano normal
al filo de la herramienta.
F se descompone según 3 sist. de fuerzas (círculo de Merchant):
 Dirección del mov pral de corte y avance: Ft (Fc) y Fn (Fa).
Ft  Fc  F cos(   )
 ó    Fa/Fc = tg(-)
Fn  Fa  Fsen(   )
 Plano de cizalladura y normal: Fs y Fsn
Fs  F cos(     )
Fsn  Fsen(     )
 Superf. de hrrta y normal: F y Fn
F  Fsen
Fn  F cos
siendo coef. fricción  roz  tg 
F
Fn
Dinámica del corte
Tensiones en el corte ortogonal
Tensiones actuantes en el plano de cizallamiento:
 Tensión dinámica de cizallamiento:
s 
Fs F
 sen cos(     )
As A
As 
Fs  F cos(     )
1
sen . cos(     )
cos(   )
Ft  Fc  A s
sen . cos(     )
sen (   )
Fn  Fa  A s
sen . cos(     )
F  A s
 Tensión normal al plano de cizallamiento:
Fsn F
s 
 sen .sen (     )
As
A
A
sen
Dinámica del corte
Modelos de mecanizado en corte ortogonal
 , ,  no se pueden relacionar geométricamente, pero sí con teorías de
plasticidad y consideraciones energéticas  Modelos de mecanizado.

- 
 Conclusiones:
 Relaciones lineales.
 Para un  determinado,    y  As (As = A / sin  )
 Como resist. media de mat. en zona cizallado es cte, si  As   Fc
 Para un  determinado,      Fc
Dinámica del corte
Corte oblicuo
F  F F F
2
a
2
p
2
c
P  Fc .v  Fa .va  Fp .v p  Fc .v
Fa 
Fc
Fp 
Fc
5
3
Dinámica del corte
Presión específica de corte, ps
 Estudio del arranque de viruta y cálculo de fuerzas de corte y potencia 
presión de corte, ps o ks.
F
ps  k s  c
A
Fuerza de corte
Sección de viruta
Cuando A = 1 mm2, se tiene la presión específica de corte, kso.
 Potencia específica de corte, Psp: potencia necesaria para arrancar un
volumen unitario de material en la unidad de tiempo.
P  Fc .vc
Q  A.vc
Fc .vc Fc
Psp 

A.vc
A
Vol de material arrancado en 1 min
Dinámica del corte
Presión específica de corte, ks
Factores de los que depende ks:
 Características del material a mecanizar:  dureza pz   ks
 Mat. y geometría de hrrta:  HTA/PZA   ks
    ks
 kr, X   ks
En fresado:
ps = ps TABLA . k
 1º    ks 1%
Dinámica del corte
Presión específica de corte, ks
 Sección y espesor de viruta.  h, A   ks
 Velocidad de corte.
 V   ks
Dinámica del corte
Presión específica de corte, ks
 Lubricación y refrigeración: modifican rozamiento pieza-hrrta.
 Desgaste de la herramienta: modifica la hrrta   ks.
Cálculo de ks:
ps  k s 
Fc
F
 c
A hm .bm
Fc  k b h
y x
so m m
y 1
z  1 x
k so 
ks
hm(1 x )
 k s .hm z
kso y z dependen del mat de pieza y mat. y
geometría de hrrta.
En catálogos de fresado: ps hm, = ps TABLA . k . khm
Dinámica del corte
Presión específica de corte, ks
Mecánica del corte
Fuentes de calor en el mecanizado
 Energía absorbida en el proceso de corte se utiliza en:
 Deformación elástica: se devuelve sin producir calor.
 Deformación plástica: no se devuelve (romper enlaces atómicos con
desprendimiento de calor).
 Pérdidas por rozamiento.
P = Ps + Pr + Parr = Fc.vc
Arrollamiento viruta
Def. plástica
Rozamiento
Cizallamiento
Rozamiento
Def. plástica y
rozamiento
Mecánica del corte
Temperatura en el corte
 La energía disipada se convierte en calor  incremento de Tª en zona de corte.
 Las mayores Tªs se alcanzan con: mat pieza muy duro, alta vc y ap. Si el mat
pieza tiene alto calor específico y conductividad térmica, la Tª no es tan alta.
vc
vc
Mecánica del corte
Filo recrecido
 Debido a la existencia de rozamiento entre viruta y hrrta  alcanzar límite
de cizalladura en el interior de viruta antes que deslice sobre hrrta  zona de
cizalladura secundaria.
 Variación de geometría de viruta y conds de corte, ya que hay un añadido al
filo cortante y un aumento de e (provoca  Fc).
 Filo adherido es inestable  desgaste de la cara de desprendimiento y
perjudica el acabado.
 Menor incidencia de filo recrecido si vc, ya que al Tª, el mat se ablanda e
inhibe su formación.
Mecánica del corte
Desgaste de la herramienta

Tipos de desgaste
 En el corte, la hrrta está sometida a: grandes tensiones mecánicas, alta Tª y
efectos corrosivos del refrigerante  desgaste progresivo o fallo prematuro.
 Fallo prematuro provocado por: deformación plástica del filo, fatiga y
rotura frágil (tensiones y baja tenacidad).
 Desgaste progresivo no puede ser evitado, pero sí controlado.

Mecanismos de desgaste progresivo
Desgaste de la Herramienta
Tipos de desgaste
Desgaste de la Herramienta
Remedios al desgaste
Mecánica del corte
Refrigerantes/Lubricantes

Tipos
 Aceites de corte: minerales + aditivos; vegetales (capa lubricante); mixtos.
 Fluidos base agua: emulsiones (aceite mineral + agua (directas (90%) / indirectas) +
emulsionante = taladrina); soluciones (sintéticas y semisintéticas).

Funciones
 Refrigeración (enfriar eficazmente hrrta):  viscosidad, capacidad de mojar bien el
mat (contacto),  calor específico y  conductividad térmica.
 Lubricación:   facilita flujo viruta     y .
 Prevenir filo recrecido
 Proteger de corrosión
 Lubricar M-H
 Evacuar viruta
Mecánica del corte
Refrigerantes/Lubricantes

Selección
 Tipo y mat de hrrta: acero al C (emulsiones), HSS (sg pieza), metal duro (emulsiones o en seco)
 Mat de pieza: aleac. no férreas ligeras y pesadas (en seco o aceites); aleac. Ni ( emulsiones); fundición
(en seco); aceros (aceites)
 Conds. de mecanizado: cond extremas y delicadas ( aceites); cond ligeras (emulsiones)
 Tipo de mecanizado: rectificado (emulsiones); taladrado (aceites puros de baja viscosidad)
 Reciclaje y mantenimiento

Forma de aplicación
 Fluido: riego a 10225 l/min. Localización próxima a la zona de corte.
 Neblina: para acceder a zonas difíciles y mejorar visibilidad pieza. En rectificado, a
1080 psi de presión, con emulsiones.
 Alta presión: 800 5000 psi. Actúa como rompevirutas. Mayor evacuación de calor en
procesos de elevada velocidad y potencia de corte.
Mecánica del corte
Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM)
Definición: optimización del mecanizado con las limitaciones existentes
pieza/material/máquina-herramienta. Puede suponer mecanizar a velocidades
de corte entre 5 y 10 veces superiores a las que se utilizan de manera
convencional “para cada material”. (no implica necesariamente  rpm)

Causas de su aparición: desarrollo de mat de hrrta, desarrollo de M-H
(componentes y sistemas de control) y conocimientos del mecanismo de
formación de viruta y desgaste de hrrta.  optimización y proceso diferenciado.

Mecánica del corte
Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM)

HSM como proceso diferenciado:
 Fenómenos físicos asociados al corte: mats responden a la hipótesis de Salomon
 Fenómenos difusión asociados al desgaste de hrrta: capas de recubrimiento contra
el desgaste por difusión.
Mecánica del corte
Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM)

Efectos del incremento de vc:
 Mat. dúctil: zona de deformación primaria tiende al plano de cizallamiento, de forma
que        deformación   Fc
   entre viruta y hrrta
 Desaparece filo recrecido   calidad superficial
 Casi la totalidad del calor se evacua por la viruta
  Frecuencia de excitación dinámica  alejada de frecuencia crítica de M-H.

Consecuencias:
Mayores gastos de inversión (25 veces): formación,
infraestructuras, herramientas, controles, CAD/CAM;
cambio de mentalidad y distribución del tiempo.

Mayores beneficios:  calidad superficial,  tp
mecanizado (30% en fresado),  operaciones acabado
(pulido),  dinero en consumo de htas y  seguridad.

Mecánica del corte
Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM)

Campos de aplicación (Solución no general)
Mecanizado Alta Velocidad (MAV o HSM)
 Análisis
DAFO