Corte de metales: significado, historia y principios
Después de leer este artículo, aprenderá sobre: 1. Significado del corte de metal 2. Historia del corte de metal 3. Tipos de procesos de corte 4. Factores 5. Métodos 6. Principios 7. Velocidades.
Significado de corte de metal:
El corte de metal es "el proceso de remover material no deseado en forma de virutas, de un bloque de metal, usando una herramienta de corte". Una persona que se especializa en el mecanizado se llama maquinista. Una sala, edificio o empresa donde se realiza el mecanizado se denomina Taller de máquinas.
Los elementos básicos que intervienen en este proceso son:
(i) Un bloque de metal (pieza de trabajo).
(ii) Herramienta de corte.
(iii) Máquina Herramienta.
(iv) Fluido de corte.
(v) Velocidad de corte (movimiento primario).
(vi) Alimentación (movimiento secundario).
(vii) Chips.
(viii) Retención y fijación de trabajos.
(ix) Fuerza y energía disipada, y
(x) Acabado de la superficie.
Las condiciones esenciales para un corte de metal exitoso son:
(a) Movimiento relativo entre el trabajo y la herramienta de corte.
(b) El material de la herramienta debe ser más duro que el material de trabajo.
(c) El trabajo y la herramienta deben sujetarse rígidamente por la plantilla y los accesorios.
(d) Afilado filo de la herramienta de corte.
(e) Movimiento primario (Velocidad de corte).
(f) Movimiento secundario (alimentación de corte).
Casi todos los productos producidos por el proceso de extracción de metal, ya sea directa o indirectamente. Las principales desventajas del proceso son la pérdida de material en forma de chips.
Historia del corte de metales:
La historia del corte de metales comenzó en Egipto, donde se usó un dispositivo giratorio llamado cuerda de arco para perforar agujeros en las piedras.
La historia del corte de metales se muestra en la Tabla 9.1:
Tipos de Procesos de Corte (Operaciones):
El mecanizado no es solo un proceso; Es un conjunto de procesos. Hay muchos tipos de operaciones de mecanizado. Cada uno de los cuales está especializado para generar una cierta geometría de pieza y una calidad de acabado de superficie.
Algunos de los procesos de corte más comunes se muestran en la Fig. 9.1:
(i) Volviendo:
El torneado se utiliza para generar una forma cilíndrica. En este proceso, la pieza de trabajo se gira y la herramienta de corte elimina el material no deseado en forma de virutas. La herramienta de corte tiene un filo único. El movimiento de velocidad es proporcionado por la pieza de trabajo giratoria, y el movimiento de avance se logra al mover la herramienta de corte lentamente en una dirección paralela al eje de rotación de la pieza de trabajo.
(ii) Perforación:
La perforación se utiliza para crear un agujero redondo. En este proceso, la herramienta de corte se gira y se alimenta contra la pieza de trabajo fijada en un dispositivo de sujeción. La herramienta de corte tiene típicamente dos o más filos de corte. La herramienta se alimenta en una dirección paralela a su eje de rotación en la pieza de trabajo para formar el orificio redondo.
(iii) Aburrido:
La perforación se utiliza para agrandar un agujero ya perforado. Es una operación de acabado fino utilizada en la etapa final de fabricación del producto.
(iv) Fresado:
El fresado se utiliza para eliminar una capa de material de la superficie de trabajo. También se utiliza para producir una cavidad en la superficie de trabajo. En el primer caso se conoce como fresado de losa y en el segundo caso se conoce como fresado final. Básicamente, el proceso de fresado se utiliza para producir una superficie plana o recta. La herramienta de corte utilizada tiene múltiples filos de corte. El movimiento de velocidad es proporcionado por la fresa giratoria. La dirección del movimiento de avance es perpendicular al eje de rotación de la herramienta.
(v) Corte:
El corte se utiliza para cortar el metal en dos partes. En esta operación, la pieza de trabajo se gira y la herramienta de corte se mueve radialmente hacia adentro para separar los componentes.
Factores que influyen en el proceso de corte de metal:
En la Tabla 9.2 se dan varios factores o parámetros que afectan el proceso de corte y, por lo tanto, el acabado de la superficie y la precisión de la geometría de la pieza:
Variables independientes:
Las principales variables independientes son:
(a) Material de herramienta de corte, forma, geometría, ángulos.
(b) Material de la pieza de trabajo, condición, temperatura.
(c) Parámetros de corte, como velocidad, avance y profundidad de corte.
(d) Fluidos de corte.
(e) Especificaciones de la máquina herramienta.
(f) Retención y fijación de trabajos.
Variables dependientes:
Las variables dependientes están influenciadas por cambios en variables independientes.
Las principales variables dependientes son:
(a) Tipos de chips formados.
(b) Zona de temperatura en la interfaz de la herramienta de trabajo.
(c) Desgaste de la herramienta y fallas.
(d) Acabado superficial.
(e) Fuerza y energía en el proceso de corte.
Métodos de corte de metales:
Hay dos métodos básicos de corte de metal basados en el filo y la dirección del movimiento relativo entre la herramienta y el trabajo:
(i) Proceso de corte ortogonal (bidimensional)
(ii) Proceso de corte oblicuo (tridimensional)
(i) Proceso de corte ortogonal:
En el proceso de corte ortogonal, el borde de corte es perpendicular (90 grados) a la dirección de avance. El chip fluye en una dirección normal al filo de la herramienta. Una herramienta perfectamente afilada cortará el metal en la superficie de la rejilla.
El proceso de corte ortogonal se muestra en la Fig. 9.3. (una):
(ii) Proceso de corte oblicuo:
En el proceso de corte oblicuo, el borde de corte está inclinado en un ángulo agudo (menos de 90 grados) con respecto a la dirección de avance. El chip fluye de lado en un largo rizo. El chip fluye en una dirección en ángulo con normal al filo de la herramienta.
Algunas de las principales características comparativas de ambos procesos se dan en la Tabla 9.3:
Principio de corte de metales:
En la Fig. 9.2 se muestra un proceso típico de corte de metal mediante una herramienta de corte de punto único. En este proceso, una herramienta en forma de cuña se mueve en relación con la pieza de trabajo en un ángulo a. A medida que la herramienta entra en contacto con el metal, ejerce presión sobre él. Debido a la presión ejercida por la punta de la herramienta, el metal se cortará en forma de virutas en el plano de corte AB. Se produce un chip delante de la herramienta de corte al deformar y cortar continuamente el material, a lo largo del plano de corte AB.
El plano de corte es en realidad una zona estrecha y se extiende desde el borde de corte de la herramienta hasta la superficie de la pieza de trabajo. El filo de la herramienta está formado por dos superficies de intersección.
A continuación se detallan varias terminologías:
(i) Superficie del bastidor:
Es la superficie entre la viruta y la superficie superior de la herramienta de corte. Es la superficie a lo largo de la cual el chip se mueve hacia arriba.
(ii) Superficie del flanco:
Es la superficie entre la pieza de trabajo y la parte inferior de la herramienta de corte. Esta superficie está prevista para evitar el roce con la superficie mecanizada.
(iii) Ángulo de cremallera (α):
Es el ángulo entre la superficie del bastidor y la pieza normal a trabajar. El ángulo del bastidor puede ser positivo o negativo.
(iv) Ángulo de flanco / Ángulo de separación / Ángulo de alivio (γ):
Es el ángulo entre la superficie del flanco y la superficie mecanizada horizontal. Se proporciona cierta separación entre la superficie del flanco y la superficie mecanizada de la pieza de trabajo para evitar la acción de roce de la herramienta de corte en la superficie terminada.
(v) Zona de deformación primaria:
Es la zona entre la punta de la herramienta y el plano de corte AB.
(vi) Zona de deformación secundaria:
Es la zona entre la superficie del bastidor de la herramienta y el chip.
(vii) Zona de deformación terciaria:
Es la zona entre la superficie del flanco de la herramienta y la superficie mecanizada de la pieza de trabajo.
Casi todos los procesos de corte involucran la misma teoría de deformación por corte. La herramienta de corte utilizada en el proceso de corte puede ser una herramienta de corte de punto único o multipunto. Girar, enhebrar y moldear, taladrar, achaflanar y orientar son algunas operaciones de corte realizadas por una herramienta de corte de un solo punto. El fresado, taladrado, rectificado, escariado y escariado son algunas operaciones de corte que se realizan mediante una herramienta de corte multipunto.
Mecánica de la formación de virutas:
En la Fig. 9.5 se muestra un proceso típico de corte de metal mediante una herramienta de corte de punto único. En este proceso, una herramienta en forma de cuña se mueve en relación con la pieza de trabajo en un ángulo α. A medida que la herramienta entra en contacto con el metal, ejerce presión sobre él. Debido a la presión ejercida por la punta de la herramienta, el metal se cortará en forma de virutas en el plano de corte AB. Se produce un chip delante de la herramienta de corte al deformar y cortar continuamente el material a lo largo del plano de corte AB.
Un estudio microscópico muestra que las virutas son producidas por el proceso de corte. El proceso de corte en la formación de viruta es similar al movimiento de las cartas en una baraja que se desliza una contra otra, como se muestra en la Fig. 9.5. La cizalladura tiene lugar a lo largo de una zona de cizalla (plano de cizalla). El plano de corte es actualmente una zona estrecha. Se extiende desde el filo de corte de la herramienta hasta la superficie de la pieza de trabajo.
Este plano está en un ángulo llamado ángulo de corte (), con la superficie de la pieza de trabajo. La zona de cizallamiento tiene una gran influencia en la calidad de la superficie mecanizada. Debajo del plano de corte, la pieza de trabajo tiene una forma inferior mientras que sobre el plano de corte, la viruta ya está formada y se mueve hacia arriba hacia la cara de la herramienta.
La relación entre el grosor de la viruta antes del corte (t o ) y el grosor de la viruta después del corte (t c ) se conoce como relación de grosor de la viruta.
Generalmente se representa por r, que se puede expresar como:
El grosor de la viruta después del corte (t c ) siempre es mayor que el grosor de la viruta antes del corte (t o ). Por lo tanto, el valor de r es siempre menor que la unidad. El recíproco de r se conoce como relación de compresión de viruta o relación de reducción de viruta (1 / r). La relación de reducción de viruta es una medida del grosor de la viruta en comparación con la profundidad de corte (t 0 ). Por lo tanto, la relación de reducción de viruta es siempre mayor que la unidad.
Derivación para calcular los ángulos de corte:
Considerando el proceso de corte ortogonal para derivar la expresión para calcular el ángulo de corte, como se muestra en la Fig. 9.6. La herramienta de corte se define por el ángulo de inclinación (α) y el ángulo de despeje o alivio (γ). El chip se forma perpendicular al filo de la herramienta.
A continuación se presentan algunos supuestos sobre la mecánica de las formaciones de chips:
(i) La herramienta debe hacer contacto con el chip en su cara de rastrillo.
(ii) Se consideraron condiciones de deformación simple. Esto significa que no hay flujo lateral del chip durante el corte.
(iii) La zona de deformación es muy delgada (del orden de 10 -2 a 10-3 mm) adyacente al plano de corte AB.
En el anterior 9.6. Se utilizan los siguientes símbolos:
α - ángulo de inclinación
γ - Ángulo de separación (relieve)
φ - Ángulo de corte
AB - Plano de corte
t 0 - Espesor de viruta sin cortar
t c - Espesor de viruta (deformado)
Área DEFG - Área de chip sin cortar
Área HIJK - Área de viruta después del corte.
Esta es la relación requerida para calcular el ángulo de corte (). Esta relación muestra que φ depende de t 0, t c, y α (ángulo de inclinación). Esto significa que al medir t 0, t c y a de la herramienta, el ángulo de corte (φ) se puede determinar usando la expresión anterior.
La relación de grosor de la viruta (r) se puede determinar mediante los siguientes métodos:
(i) Usando la ecuación de continuidad
(ii) Pesando una longitud conocida de viruta.
(iii) Conociendo la velocidad del chip (V c ) y la velocidad de la pieza de trabajo (V).
(i) Usando la ecuación de continuidad:
Peso original de la viruta antes del corte = peso de la viruta después del corte.
(ii) Sopesando una longitud de viruta conocida:
Si la longitud del corte no se conoce directamente, podemos estimar pesando una longitud conocida de viruta; entonces
el cálculo 'r' y ɸ de las ecuaciones anteriores.
(iii) Conociendo Chip Velocity (V C ) y Work Piece Velocity (V):
Aplicando la ecuación de continuidad como:
Al poner el valor de r y α, podemos obtener el ángulo de corte ().
Velocidades en el proceso de corte de metal:
Debido al movimiento relativo entre la punta de la herramienta y la pieza de trabajo y el chip retirado, existen tres tipos de velocidades.
Estos son los siguientes:
(i) Velocidad de corte o Velocidad (V):
Es la velocidad de la herramienta de corte en relación con la pieza de trabajo.
(ii) Velocidad de corte (V s ):
Es la velocidad del chip en relación con la pieza de trabajo. De otro modo, la velocidad a la que se produce el cizallamiento.
(iii) Velocidad de viruta (V c ):
Es la velocidad del chip hacia arriba de la cara de la herramienta (cara del rastrillo) durante el corte.
Fig 9.7. Velocidades del proceso de corte de metales.
La Fig. 9.7 muestra tres velocidades y sus relaciones:
Deje V - Velocidad de corte
V s - Velocidad de corte
V c - Velocidad de viruta
φ - Ángulo de corte
α - ángulo de inclinación
r - relación de espesor de la viruta
γ - Ángulo de separación
Usando la ecuación de continuidad, el volumen de extracción de metal antes y después es el mismo, por lo tanto:
Vt = V c t c
V c / V = t / t c = r
En la figura 9.7, usando la regla del seno para los vectores de velocidad podemos escribir:
Desde la teoría de la cinemática, la velocidad relativa de dos cuerpos (herramienta y chip) es igual a la diferencia vectorial entre sus velocidades con respecto al cuerpo de referencia (pieza de trabajo), entonces
V = V C + V S
Fuerzas que actúan sobre el chip:
Las diversas fuerzas que actúan sobre el chip durante el corte de metal ortogonal se muestran en la Fig. 9.8:
(i) Fuerza de corte (F s ):
Está actuando a lo largo del plano de corte. Es la resistencia al cizallamiento del metal.
(ii) Fuerza Normal (F n ):
Es perpendicular al plano de corte generado por la pieza de trabajo.
(iii) Fuerza Normal (N):
Es ejercido por la punta de la herramienta en el chip.
(iv) Fuerza de resistencia fraccional (F):
Actúa sobre el chip y actúa contra el movimiento del chip a lo largo de la cara de la herramienta.
La figura 9.8 (b) indica el diagrama de cuerpo libre del chip que está en equilibrio bajo la acción de las fuerzas resultantes iguales y opuestas en magnitud y dirección.
Así,
Dado que, el chip está en condición de equilibrio, por lo que podemos decir que
Tipos de virutas producidas en el mecanizado:
Los chips producidos en el proceso de corte de metal no son iguales. El tipo de chip producido depende del material que se está mecanizando y las condiciones de corte.
Estas condiciones incluyen:
(a) Tipo de herramienta de corte utilizada.
(b) Velocidad y velocidad de corte.
(c) Geometría de la herramienta y ángulos de corte.
(d) Condición de la máquina.
(e) Presencia / Ausencia de fluido de corte, etc.
El estudio de los chips producidos es muy importante porque el tipo de chips producidos influye en el acabado de la superficie de la pieza de trabajo, la vida útil de la herramienta, las vibraciones, las vibraciones, los requisitos de fuerza y potencia, etc.
Es importante tener en cuenta que un chip tiene dos superficies:
(a) Superficie brillante:
Es la superficie que está en contacto con la cara del rastrillo de la herramienta. Su aspecto brillante es causado por el roce del chip a medida que se mueve hacia arriba en la cara de la herramienta.
(b) Superficie rugosa:
Es la superficie que no entra en contacto con ningún cuerpo sólido. Es la superficie original de la pieza de trabajo. Su apariencia rugosa es causada por la acción de corte, como se muestra en la Fig. 9.9.
Básicamente, hay tres tipos de chips comúnmente observados en la práctica como se muestra en la Fig. 9.9:
Estos se discuten a continuación:
(i) Chips continuos.
(ii) Fichas continuas con borde acumulado.
(iii) Fichas discontinuas o segmentarias.
(i) Chips continuos:
Las virutas continuas se producen cuando se mecanizan materiales más dúctiles como el acero dulce, el cobre y el aluminio.
Debido a la gran deformación plástica posible con más materiales dúctiles, se producen chips continuos más largos. Se asocia con buenos ángulos de la herramienta, velocidades correctas y avances, y el uso de fluidos de corte.
Ventajas:
1. Generalmente producen buen acabado superficial.
2. Son más deseables porque las fuerzas son estables y la operación se vuelve menos vibratoria.
3. Proporcionan altas velocidades de corte.
Limitaciones:
1. Las virutas continuas son difíciles de manejar y desechar.
2. Las virutas continuas se enrollan en una hélice y se enrollan alrededor de la herramienta y funcionan, e incluso pueden lesionar al operador si se suelta repentinamente.
3. Las virutas continuas permanecen en contacto con la cara de la herramienta durante un período más prolongado, lo que da como resultado que se utilice más calor por fricción para romper la viruta continua en pequeñas secciones, de modo que las virutas no puedan enrollarse alrededor de la herramienta de corte.
La forma más simple de rompevirutas se realiza al rectificar una ranura en la cara de la herramienta unos pocos milímetros detrás del filo de corte. A veces, se utiliza una pequeña varilla de placa de metal con la cara de la herramienta de corte como rompe virutas.
Condiciones de corte favorables:
Las condiciones de corte favorables para la producción de virutas continuas son las siguientes:
yo. Mecanizando más materiales dúctiles como el cobre, el aluminio.
ii. Alta velocidad de corte con avance fino.
iii. Mayor ángulo de inclinación.
iv. Filo más afilado.
v. lubricante eficiente.
(ii) Chips continuos con borde acumulado:
Las virutas continuas con borde incorporado (BUE) se producen al mecanizar materiales dúctiles en las siguientes condiciones:
yo. Alta temperatura local en zona de corte.
ii. Presión extrema en la zona de corte.
iii. Alta fricción en la interfaz herramienta-chip.
Las condiciones de mecanizado anteriores hacen que el material de trabajo se adhiera o se adhiera al borde de corte de la herramienta y forme un borde incorporado (BUE). El borde acumulado genera calor y fricción localizados, lo que resulta en un acabado superficial deficiente y pérdida de potencia.
El borde acumulado se observa comúnmente en la práctica. El borde construido cambia su tamaño durante la operación de corte. Primero aumenta, luego disminuye, y luego vuelve a aumentar, etc. Este ciclo es fuente de vibración y pobre acabado superficial.
Ventajas:
Aunque el borde de construcción generalmente no es deseable, un BUE delgado y estable suele ser deseable porque reduce el desgaste al proteger la cara de rastrillo de la herramienta.
Limitaciones:
yo. Este es un chip para evitar.
ii. El fenómeno produce un acabado superficial deficiente y daños en la herramienta.
Condiciones de corte favorables:
Las condiciones de corte favorables para la producción de virutas continuas con borde construido son las siguientes:
yo. Baja velocidad de corte.
ii. Bajo ángulo de inclinación.
iii. Alta alimentación
iv. Suministro inadecuado de refrigerante.
v. Mayor afinidad (tendencia a la unión) del material de la herramienta y del material de trabajo.
Reducción o eliminación de BUE:
La tendencia a formar BUE puede reducirse o eliminarse mediante cualquiera de las siguientes prácticas:
yo. Aumentar la velocidad de corte.
ii. Aumentar el ángulo de inclinación.
iii. Disminuyendo la profundidad de corte.
iv. Utilizando un fluido de corte efectivo.
v. Usando una herramienta afilada.
vi. La luz corta a velocidades más altas.
(iii) Fichas discontinuas o segmentarias:
Los chips discontinuos se producen cuando se mecanizan materiales más frágiles, como fundición gris, bronce, latón, etc. con ángulos de rastrillo pequeños. Estos materiales carecen de la ductilidad necesaria para la deformación apreciable de las virutas de plástico. El material falla en una fractura frágil delante del borde de la herramienta a lo largo de la zona de corte. Esto resulta en pequeños segmentos de chips discontinuos. No hay nada malo con este tipo de chip en estas circunstancias.
Ventajas:
yo. Dado que los chips se dividen en pequeños segmentos, la fricción entre la herramienta y el chip se reduce, lo que resulta en un mejor acabado de la superficie.
ii. Estos chips son convenientes para recolectar, manejar y desechar.
Limitaciones:
yo. Debido a la naturaleza discontinua de la formación de viruta, las fuerzas varían continuamente durante el proceso de corte.
ii. Se requiere más rigidez o rigidez de la herramienta de corte, el soporte y el dispositivo de sujeción de trabajo debido a las fuerzas de corte variables.
iii. En consecuencia, si la rigidez no es suficiente, la máquina herramienta puede comenzar a vibrar y vibrar. Esto, a su vez, afecta negativamente el acabado de la superficie y la precisión del componente. Puede dañar la herramienta de corte o causar un desgaste excesivo.
Condiciones de corte favorables:
Las condiciones de corte favorables para la producción de virutas discontinuas son las siguientes:
yo. Mecanizado de materiales quebradizos.
ii. Pequeños ángulos de rastrillo.
iii. Muy bajas velocidades de corte.
iv. Baja rigidez de la máquina herramienta.
v. Mayor profundidad de corte.
vi. Lubricante inadecuado.
vii Materiales que contienen inclusiones duras e impurezas.
