Fundamentos de manufactura moderna cap VI.pdf

Parte VIProcesos de remoción de material 21 TEORÍA DEL MAQUINADO DE METALES CONTENIDO DEL CAPÍTULO 21.1 Panorama general de la tecnología del maquinado 21.2 Teoría de la formación de viruta en el maquinado de metales 21.2.1 Modelo de corte ortogonal 21.2.2 Formación real de la viruta 21.3 Relaciones de fuerza y la ecuación de Merchant 21.3.1 Fuerzas en el corte de metales 21.3.2 La ecuación de Merchant 21.4 Relaciones entre potencia y energía en el maquinado 21.5 Temperatura de corte 21.5.1 Métodos analíticos para el cálculo de las temperaturas de corte 21.5.2 Medición de la temperatura de corte Los procesos de remoción de material son una familia de operaciones de formado (figura 1.4) en las que el material sobrante es removida de una pieza de trabajo inicial de tal manera que lo que queda es la forma final que se desea conseguir. El “árbol familiar” se muestra en la figura 21.1. La rama más importante de la familia es el maquinado convencional, en el que una herramienta aguda de corte se utiliza para cortar mecánicamente el material y así alcanzar la forma deseada. Los tres procesos principales de maquinado son el torneado, el taladrado y el fresado. Las “otras operaciones de maquinado” de la figura 21.1 incluyen el perfilado, el cepillado, el escariado y el aserrado. Este capítulo comienza con una cobertura del maquinado, el cual se prolonga hasta el capítulo 24. Otro grupo de procesos de remoción de material es el proceso abrasivo, que de forma mecánica remueve el material mediante la acción de partículas abrasivas duras. Este grupo de procesos, dentro del cual se encuentra el molido, se estudia en el capítulo 25. Los “demás procesos abrasivos” de la figura 21.1 son afilado, fundido y superacabado. Por último, se encuentran los procesos no tradicionales, que utilizan otras formas de energía aparte de la herramienta de corte agudo o de partículas abrasivas para remover el material. Las formas de energía incluyen la mecánica, la electromecánica, la térmica y la quími- ca. Los procesos no tradicionales se estudian en el capítulo 26. El maquinado es un proceso de manufactura en el cual se usa una herramienta de corte para remover el exceso de material de una pieza de trabajo, de tal manera que el material remanente sea la forma de la pieza deseada. La acción predominante del corte involucra la deformación cortante del material de trabajo para formar la viruta; al removerse la viruta, queda expuesta una nueva superficie. El maquinado se aplica más frecuentemente para formar metales. El proceso se ilustra en el diagrama de la figura 21.2. 482 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales Torneado y operaciones relacionadas Maquinado Taladrado y opera- convencional ciones relacionadas Fresado Otras operaciones de maquinado Procesos Procesos Operaciones de remoción de abrasivos de molido material Otros procesos abrasivos Procesos de energía mecánica Maquinado no Maquinado convencional electromecánico Procesos de energía térmica FIGURA 21.1 Clasificación de los procesos de Maquinado químico remoción de material. El maquinado es uno de los procesos de manufactura más importantes. La Revo- lución Industrial y el crecimiento de las economías basadas en la manufactura de todo el mundo se pueden describir en gran parte por el desarrollo de varias operaciones de maquinado (véase la nota histórica 22.1). Las siguientes razones explican la importancia de las operaciones de maquinado desde el punto de vista comercial y tecnológico. Amplia gama de materiales de trabajo El maquinado se puede aplicar a una amplia variedad de materiales de trabajo. Prácticamente todos los metales sólidos se pueden maquinar. Los plásticos y los compuestos plásticos se pueden cortar también por maquinado. Las cerámicas presentan dificultades debido a su alta dureza y fragilidad; sin embargo, la mayoría de las cerámicas se pueden cortar exitosamente mediante procesos de maquinado abrasivo, analizados en el capítulo 25. FIGURA 21.2 a) Sección transversal de proceso de maquinado. b) Herramienta con ángulo de inclinación negativo; compare con el ángulo de inclinación positivo en a). Herramienta Movimiento de viruta Viruta de corte Movimiento de la Cara herramienta Herramienta inclinada (respecto al trabajo) de corte Superficie original Flanco o superficie de incidencia Nueva superficie Ángulo de inclinación Deformación cortante negativo para formar viruta Material Ángulo de incidencia Herramienta de corte de la herramienta Filo de corte a) b) La característica común es el uso de una herramienta de corte que forma una viruta. En el torneado se usa una herramienta de corte con un borde cortante simple destinado a remover material de una pieza de trabajo giratoria para dar forma a un cilindro. Es más preciso que muchos otros procesos. llamado la velocidad de corte. Acabados superficiales de calidad. forjado y estirado de barras). el maquinado se realiza generalmente después de otros procesos de manufactura. agujeros redon- dos y cilindros.1 PANORAMA GENERAL DE LA TECNOLOGÍA DEL MAQUINADO El maquinado no es solamente un proceso. Precisión dimensional. Para realizar la operación. existen ciertas desventajas asociadas con el maquinado y otros procesos de remoción de material: Desperdicio de material. se puede crear formas geométricas irregulares. por ahora es apropiado identificar y definir los tres tipos más comunes: torneado. Algunos procesos abrasivos pueden lograr mejores acabados aún. Este movimiento relativo se logra en la mayoría de las operaciones de maquinado por medio de un movimiento primario. sin embargo. en términos de la operación unitaria. Otros procesos crean la forma general de la pieza y el maquinado produce la forma final. Debido a sus características. Combinando varias operaciones de maquinado en secuencia.3. en general. Esto se realiza generalmente con una herramienta giratoria que tiene dos filos cortantes. denominado el avance. La viruta que se genera en la operación de maquinado es material de desperdicio. Por otro lado. Consumo de tiempo. como se ilustra en la figura 21. cada una de las cuales es capaz de generar una cierta configuración geométrica y textura superficial. El movimiento de velocidad del torneado lo proporciona la pieza de trabajo giratoria y el movimiento de avance lo realiza la herramienta de corte. produce la forma deseada de la superficie resultante del trabajo. 21.4 micras (16 µ-in). la cual se remueve de la pieza de trabajo.025 mm (±0. como fundición o deformación volumétrica (por ejemplo. Sección 21. Una operación de maquinado. que se ilustran en la figura 21. La forma de la herramienta y su penetración en la superficie del trabajo.3a). como cuerdas de tornillos y ranuras T. esta viruta puede reciclarse. El maquinado es capaz de crear acabados superficiales muy tersos que pueden legar a ser mejores que 0. el material que se remueve significa desperdicio. se puede producir formas de complejidad y variedad ilimitada. moviéndose lentamente en una dirección paralela al eje de rotación de la pieza de trabajo. como se . El maquinado es inherentemente un desperdicio de material. La herramienta avanza en una dirección paralela a su eje de rotación dentro de la pieza de trabajo para formar el agujero redondo. combinada con estos movimientos. toma más tiempo en formar una pieza determinada que los procesos de formado alternos como el fundido o el forjado. se requiere movimiento relativo entre la herramienta y el material de trabajo. El taladrado se usa para crear un agujero redondo. y un movimiento secundario. El maquinado puede producir dimensiones con tolerancias muy estrechas de menos de ±0. El maquinado se puede usar para generar cualquier forma geométrica regular. las dimensiones y el acabado.001 in). Se analizarán estas operaciones detalladamente en el capítulo 22. como superficies planas. Tipos de operaciones de maquinado Hay muchas clases de operaciones de maquinado.1/Panorama general de la tecnología del maquinado 483 Variedad de formas y características geométricas. sino una familia de procesos. taladrado y fresado. Mediante la introducción de variaciones en las trayectorias y formas de las herramientas. en general. Aunque. una herramienta rotatoria con múltiples filos cortantes se mueve lentamente sobre el material para generar un plano o superficie recta. La cara inclinada que dirige el flujo de la viruta resultante se orienta en cierto ángulo. Esta superficie del flanco o de incidencia se orienta en un ángulo llamado ángulo de incidencia o de relieve. (trabajo) avance (trabajo) b) taladrado y dos formas de fresado: c) fresado Trabajo Trabajo periférico y d) fresado de frente. . La punta está generalmente redondeada en cierto radio llamado el radio de la nariz. o negativo. Además de las características de la herramienta que se muestran en la figura 21. El flanco de la herramienta provee un claro entre la herramienta y la superficie del trabajo recién generada.2. Ligadas al filo cortante hay dos superficies de la herramienta: la cara inclinada y el flanco o superficie de incidencia. como se muestra en la figura 21.2. hay una punta en la herramienta de la cual deriva su nombre la herramienta cortante.2a).4: a) herramientas de una sola punta y b) herramientas de múltiples filos cortantes. Hay dos tipos básicos cuyos ejemplos se ilustran en la figura 21. las dos básicas son el fresado periférico y el fresado de frente. Hay varias formas de fresado. Otras operaciones convencionales del maquilado son perfilado. como en la figura 21.5). llamado ángulo de inclinación a.3c) y d). como en el inciso b).3b). El filo cortante sirve para separar una viruta del material de trabajo. En la práctica. La dirección del movimiento de avance es perpendicular al eje de rotación.2. Asimismo. de esta forma protege a la superficie de la abrasión que pudiera degradar el acabado. c) d) ilustra en la figura 21. la mayoría de las herramientas de corte tiene formas más complejas que las de la figura 21.484 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales Movimiento de velocidad (herramienta) Nueva superficie Trabajo Movimiento de velocidad Broca (trabajo) Movimiento de avance (herramienta) Movimiento de avance Herramienta (herramienta) de corte Trabajo a) b) Movimiento de Rotación velocidad Fresa o cortador para fresadora Fresa o cortador Nueva para fresadora Nueva superficie superficie FIGURA 21. En el fresado.3 Los tres Movimiento procesos más comunes de de avance Movimiento de maquinado: a) torneado. el esmerilado y operaciones abrasivas similares se incluyen con frecuencia en la categoría del maquinado. El movimiento de velocidad lo proporciona la fresa rotatoria. Estos procesos por lo común siguen las operaciones de maquinado convencional y se utilizan para lograr acabados superficiales superiores de la pieza de trabajo. Una herramienta de una sola punta tiene un filo cortante y se usa para operaciones como el torneado. como se muestra en la figura 21. La herramienta de corte Una herramienta de corte tiene uno o más filos cortantes y está hecha de un material que es más duro que el material de trabajo. Durante el maquinado la punta de la herramienta penetra bajo la superficie original del trabajo. cepillado. escariado y aserrado (sección 22. El ángulo se mide respecto a un plano perpendicular a la superficie de trabajo. El ángulo de inclinación puede ser positivo. En los trabajos de maquinado para producción se realizan uno o más cortes para desbaste. se puede usar su producto matemático para obtener la velocidad de remoción de material del proceso: RMR = vfd (21. en ciertas operaciones (por ejemplo. Las operaciones para desbaste se realizan a altas velocidades y profundidades. Al conjunto de velocidad.1/Panorama general de la tecnología del maquinado 485 Borde de corte Vástago de la herramienta Cara inclinada Dirección de Borde de corte la rotación Punta de la herramienta Flanco o superficie (radio de la nariz) de incidencia a) b) FIGURA 21. en la operación de taladrado la profundidad se interpreta normalmente como la profundidad del agujero taladrado. Las condiciones de corte para una operación de torneado se describen en la figura 21. En otras operaciones de maquinado. representativa de las herramientas con bordes cortantes múltiples. las tolerancias y el acabado de la superficie. m/s (ft/min). la herramienta debe moverse lateralmente a través del trabajo. mm (in). y b) una fresa helicoidal. seguidos de uno o más cortes de acabado. Por ejemplo.4b) muestra un cortador de fresado helicoidal utilizado en fresado periférico. La figura 21. mm3/s (in3/min). mm (in). la mayoría de las operaciones con herramientas de una punta). El avance en torneado se expresa usualmente en mm/rev (in/rev) y la profundidad de corte se expresa en mm (in). distinguidas por el propósito y las condiciones de corte: cortes para desbaste primario (burdo) y cortes de acabado. f = avance. Sección 21. Las herramientas de una sola punta y de múltiples filos cortantes y los materiales utilizados en ellos se estudian con más detalle en el capítulo 23.25 mm/rev (0. Los cortes de acabado se usan para completar la pieza y alcanzar las dimensiones finales. Además. Aunque la forma es bastante diferente de la herramienta de punta simple. la cual debe convertirse a mm/s (in/min). Las unidades típicas usadas para la velocidad de corte son m/s (ft/min). El taladrado y el fresado usan herramientas rotatorias de múltiples filos cortantes.1) donde RMR = tasa de remoción de material. Los cortes para desbaste primario se usan para remover grandes cantidades de material de la pieza de trabajo inicial tan rápido como sea posible a fin de producir una forma cercana a la requerida. llamada profundidad de corte d. el flanco y la punta. y d = profundidad de corte.5. Éste es un movimiento mucho más lento. algunos de los avances típicos van de 0.750 in). v = velocidad de corte.4-1.5-20 mm (0. Las operaciones de maquinado se dividen normalmente en dos categorías.015-0. Éstas son las tres dimensiones del proceso de maquinado y. Condiciones de corte Para realizar una operación de maquinado se requiere el movimiento relativo de la herramienta y el trabajo. El movimiento primario se realiza a una cierta velocidad de corte v. llamado el avance f. Las operaciones de acabado se realizan a .100-0. que muestra la cara inclinada. pero dejando algún material en la pieza para una operación posterior de acabado.4 a) Una herramienta de una sola punta. Las herramientas de múltiples filos cortantes tienen más de un borde de corte y generalmente realizan su movimiento respecto a la pieza de trabajo mediante rotación.050 in/rev) y profundidades típicas de 2. avance y profundidad de corte se le llama condiciones de corte. muchos de los elementos de la forma son similares. estas unidades pueden ser diferentes. La dimensión restante del corte es la penetración de la herramienta de corte dentro de la superficie original del trabajo. Se dispone de un modelo simplificado del maquinado que desprecia muchas de las complejidades geométricas y describe la mecánica de los procesos con buena precisión. cambia las herramientas de corte y establece las condiciones de corte. en la cual el borde cortante es perpendicular a la dirección de la velocidad de corte. junto con el material de trabajo y las herramientas. El control de la herramienta. avance y profundidad que se han establecido.486 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales Velocidad de corte. en caso afirmativo. Aun cuando un proceso real de maquinado es tridimensional.005-0. v Profundidad. figura 21.015 in/rev) y profundidades de 0.025 mm (0. La determinación de usar o no un fluido de corte y. Máquinas herramienta Se usa una máquina herramienta para sostener la pieza de trabajo. Para enfriar o lubricar la herramienta de corte se aplica frecuentemente un fluido de corte en la operación de maquinado (los fluidos de corte se estudian en la sección 23.1 Modelo de corte ortogonal El corte ortogonal usa por definición una herramienta en forma de cuña. Las máquinas herramientas usadas tradicionalmente para realizar el torneado. avance y profundidad de corte de Avance.5 Velocidad de corte. taladrado y fresado son los tornos.001 in) o mejores. poner en posición la herramienta respecto al trabajo y proporcionar la potencia para el proceso de maquinado a la velocidad.030-0. la elección del fluido apropiado se incluyen generalmente dentro del panorama de las condiciones de corte. p FIGURA 21. Al presionar la herramienta . avances de 0.0 mm (0. conocido como control numérico por computadora (sección 38. Las máquinas herramienta convencionales las maneja usualmente un trabajador. El término máquina herramienta se aplica a cualquier máquina accionada por fuerza motriz que realice operaciones de maquinado.2 TEORÍA DE LA FORMACIÓN DE VIRUTA EN EL MAQUINADO DE METALES La forma de la mayoría de las operaciones de maquinado práctico son algo complejas. respectivamente. se llama modelo de corte ortogonal.4). 21. quien carga y descarga las piezas de trabajo.075 in) son típicas. Muchas de las máquinas herramienta modernas están frecuentemente diseñadas para realizar sus procesos con un alto grado de automatización. bajas velocidades de avance y a bajas profundidades. 21. La selección de estas condiciones. el modelo ortogonal tiene solamente dos dimensiones que juegan un papel activo en el análisis. a una operación de torneado. del trabajo y de la máquina herramienta permite fabricar piezas con gran precisión y repetitividad a tolerancias de 0. de las condiciones de corte.125-0.6. El término se aplica también frecuentemente a máquinas que realizan operaciones de formado de metal y prensado (capítulos 19 y 20). determina el éxito de una operación de maquinado.2. prensas taladradoras y máquinas fresadoras. Las velocidades de corte son más bajas en el trabajo de desbaste que en el de acabado. incluso el esmerilado.75-2.1).4 mm (0. la relación de viruta siempre será menor a 1. y el ángulo del claro provee un claro pequeño entre el flanco de la herramienta y la superficie de trabajo recién generada. contra el material se forma una viruta por deformación cortante a lo largo de un plano llamado plano de corte. Durante el corte. el borde cortante de la herramienta se coloca a cierta distancia por debajo de la superficie original del trabajo. donde el grueso de la energía mecánica se consume en el maquinado. Además de to.2) tc Como el espesor de la viruta después del corte siempre es mayor que el espesor correspondiente antes del corte. como se muestra en la figura 21. incrementa su espesor a tc. Al formarse la viruta a lo largo del plano de corte. Sea ls la longitud del plano de corte. Como se indicó previa- mente.6 Corte ortogonal: a) como un proceso tridimensional y b) tal como se reduce a dos dimensiones en una vista lateral. Solamente el borde afilado de corte de la herramienta hace que ocurra la falla del material. El inciso a) de la figura muestra la deformación cortante aproxima- . éste forma un ángulo a con la superficie de trabajo. Entonces: ls sen φ sen φ r= = ls cos(φ − α ) cos(φ − α ) Lo anterior puede agruparse a fin de determinar el valor de f: r cos α tan φ = (21. t r= o (21. Ésta corresponde al espesor de la viruta antes de su formación to.7. La forma del modelo de corte ortogonal permite establecer una relación importante entre el espesor de la viruta. la viruta se separa del material original. El material se deforma plásticamente a lo largo del plano de corte. La herramienta para corte ortogonal tiene solamente dos elementos geométricos: 1) el ángulo de inclinación y 2) el ángulo del claro o de incidencia. como resultado. se puede hacer la sustitución to = ls sen f y tc = ls cos (f .a).0. aun cuando esta dimensión no contribuya mucho al análisis en el corte ortogonal. La relación de to a tc se llama relación del grueso de la viruta (o simplemente relación de viruta) r.3) 1 − r sen α La deformación cortante que ocurre a lo largo del plano de corte puede estimarse al examinar la figura 21.6a). el corte ortogonal tiene una dimensión de anchura w. el ángulo de inclinación a determina la dirección en la que fluye la viruta formada en la pieza de trabajo. Sección 21.2/Teoría de la formación de viruta en el maquinado de metales 487 Herramienta Viruta Viruta Herramienta Trabajo Trabajo a) b) FIGURA 21. el ángulo de inclinación y el ángulo del plano de corte. 2: 0.4) EJEMPLO 21.4738 1 − 0.50 r= = 0. da.444 1. en la que una serie de placas paralelas se deslizan una contra otra para formar la viruta.1.444 cos 10 tanφ = = 0.7b.7 Deformación cortante durante la formación de viruta: a) formación de viruta representada como una serie de placas deslizándose una respecto a la otra b) una placa aislada para ilustrar la definición de la deformación cortante basada en este modelo de placa paralela y c) triángulo de deformación cortante usado para deducir la ecuación 21. De acuerdo con la definición de deformación cortante (sección 3.50 mm y el espesor de la viruta después del corte tc = 1.4 .1 En una operación de maquinado que se aproxima al corte ortogonal. El espesor de la viruta antes del corte to = 0. cada placa experi- menta la deformación cortante mostrada en la figura 21.488 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales Viruta = placas cortadas Espesor de la placa en forma paralela Herramienta Plano de corte Magnitud del material de formado a) b) c) FIGURA 21. Calcule el plano de corte y la deformación cortante en la operación.3: 0.444 sen 10 f = 25.4.25 El ángulo del plano de corte está dado por la ecuación 21. Si se relaciona con el inciso c. la herramienta de Corte ortogonal corte tiene un ángulo de inclinación = 10º. esto se puede expresar como AC AD + DC γ = = BD BD la cual puede reducirse a la siguiente definición de deformación cortante para corte de metales: γ = tan(φ − α ) + cot φ (21.4). Solución: La relación de espesor de la viruta puede determinarse de la ecuación 21.125 in. 111 = 2. Esto tiende a impartir una textura irregular a la superficie maquinada. la viruta se forma frecuentemente en segmentos separados (a veces los segmentos están unidos sin cohesión). la deformación cortante debe ocurrir dentro de una zona delgada de corte. se forman virutas largas y continuas. para distinguirlo del corte primario. En primer lugar. sino dentro de una zona. el proceso de deformación cortante no ocurre a lo largo de un plano. los cuales se ilustran en la figura 21. Ángulo f efectivo Zona primaria de corte Zona secundaria de corte . Sección 21. Su defecto aumenta con el incremento de la fricción entre la herramienta y la viruta. en la mayoría de los casos no hay mucha pérdida de precisión si se supone como un plano. ello implicaría que la acción de corte debería ocurrir instantáneamente al pasar a través de un plano. En tercer lugar.2/Teoría de la formación de viruta en el maquinado de metales 489 Por último. Cuando se forma este tipo de viruta se obtiene un buen acabado de la superficie. El corte secundario resulta de la fricción entre la viruta y la herramienta al deslizarse a lo largo de la cara inclinada de la herramienta.4 g = 0. en lugar de hacerlo en un periodo de tiempo finito (aunque breve).275 + 2. además de la deformación al corte que ocurre en la zona de corte. Éste es el modelo más realista del proceso de deformación al corte en maquinado y se ilustra en la figura 21.4 − 10) + cot 25. Como la zona de corte es tan delgada. Las zonas de corte primario y secundario se pueden ver en la figura 21. se presenta otra acción de corte en la viruta después de haber sido formada. hierro fundido) a bajas velocidades de corte. Para el material que se comporta en forma real. en la que se muestra la zona de corte más que el plano de corte.8. Un borde cortante bien afilado en la herramienta y una baja fricción herramienta-viruta propician FIGURA 21.8. En segundo lugar. Una alta fricción herramienta- viruta y los avances y profundidades grandes de corte promueven la formación de este tipo de viruta. la deformación cortante se calcula de la ecuación 21. Si el corte tuviera lugar a través de un plano de espesor cero. Se pueden distinguir cuatro tipos básicos de viruta.386 21. Este corte adicional se conoce como corte secundario.2. Los experimentos de corte de metal han demostrado que el espesor de la zona de corte es solamente de pocas milésimas de pulgada.2 Formación real de la viruta Se debe observar que hay diferencias entre el modelo ortogonal y el proceso de maquinado real.8 Visión más realista de la formación de viruta. b) Viruta continua Cuando se cortan materiales de trabajo dúctiles a velocidades altas con avances y profundidades pequeños.4: g = tan(25. la formación de la viruta depende del tipo de material que se maqui- na y de las condiciones de corte de la operación.9: a) Viruta discontinua Cuando se maquinan materiales relativamente frágiles (por ejemplo. También se muestra la zona secundaria de corte como resultado Viruta de la fricción herramienta- Herramienta viruta. 1). Cuando se maquinan materiales dú- ctiles a velocidades bajas o medias de corte. se puede definir el esfuerzo cortante. la fricción entre la herramienta y la viruta tiende a causar la adhesión de porciones de material de trabajo en la cara inclinada de la herramienta cerca del filo cortante. . se forma y crece.1 21. aceros) cuando éstos se cortan a altas velocidades [12].3. la formación de virutas continuas. Este cuarto tipo de viruta está asociado más cercanamente con ciertos metales difíciles de maquinar. tales como las aleaciones de titanio. b) continua.3. c) continua con acumulación en el borde y d) dentada. herramientas de corte y velocidades de corte han aumentado y se puede identificar un cuarto tipo: d) Viruta dentada (el término corte localizado se utiliza también para este cuarto tipo de viruta). algunas porciones del BUE pueden incorporarse a la superficie de trabajo recién formada. las herramientas de torneado a menudo están equipadas con separadores de viruta (sección 2. superaleaciones a base de níquel y aceros inoxidables austéni- cos cuando se maquinan a velocidad de corte elevadas. Esta formación se llama acumulación en el borde (BUE). Para solucionar estos problemas. luego se vuelve inestable y se rompe. Con base en estas fuerzas. 348-367. 1 Una descripción más completa del tipo de viruta dentada puede encontrarse en Trent & Wright [12]. ocasionando que la superficie se vuelva rugosa. los metales disponibles utilizados en maquinado. Gran parte de la acumulación de BUE se la lleva la viruta. a veces llevándose porciones de la cara inclinada de la herramienta con ella. lo cual reduce el tiempo de vida útil de la herramienta de corte.490 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales Viruta discontinua Viruta continua Viruta continua Zona de esfuerzo cortante elevado Zona de a a a t t esfuerzo nt a en en nt ie i i cortante ie m m m ra m ra ra bajo er er er rra H H H He Acumulación en el borde Superficie irregular debida a Buen acabado típico Partículas de BUE en la discontinuidad de la viruta la nueva superficie d) a) b) c) FIGURA 21. c) Viruta continua con acumulación en el borde. Sin embargo. Desde entonces. Los tipos de viruta anteriormente mencionados originalmente los clasificó Ernst a finales de la década de 1930 [12]. Estas virutas son semicontinuas en el sentido de que poseen una apariencia de diente de sierra que se produce por una formación cíclica de viruta de alta resistencia alternativa al corte seguida de una baja resistencia al corte. el coeficiente de fricción y algunas otras relaciones. Virutas continuas y largas (como en el torneado) pueden generar problemas respecto al desecho de viruta o enredarse alrededor de la herramienta. La formación de BUE es de naturaleza cíclica. dicho fenómeno también sucede en metales de trabajo comunes (por ejemplo.3 RELACIONES DE FUERZA Y LA ECUACIÓN DE MERCHANT Se puede definir varias fuerzas respecto al modelo de corte ortogonal. pp. Sin embargo.9 Cuatro tipos de formación de viruta en el corte de metales: a) discontinua. La suma vectorial de las dos fuerzas componentes Fs y Fn da por resultado la fuerza resultante R . Fn es normal a la fuerza cortante. La fuerza cortante Fs es la fuerza que causa la deformación de corte que ocurre en el plano de corte.8) sen φ El esfuerzo cortante determinado por la ecuación 21.1 Fuerzas en el corte de metales Considere las fuerzas que actúan en la viruta durante el corte ortogonal que se muestra en la figura 21. llamado ángulo de fricción.5) N La fuerza de fricción y su fuerza normal se pueden sumar vectorialmente para formar una fuerza resultante R.7 representa el nivel de esfuerzo requerido para realizar las operaciones de maquinado. N.3/Relaciones de fuerza y la ecuación de Merchant 491 Viruta Herramienta Herramienta Viruta Fs Fc R⬘ Fn Trabajo Ft Trabajo R⬙ a) b) FIGURA 21. Estos dos componentes se pueden utilizar para definir el coeficiente de fricción m entre la herramienta y la viruta: F μ= (21. Para que las fuerzas que actúan sobre la viruta estén balanceadas. y la fuerza normal a la cortante.6) Además de las fuerzas de la herramienta que actúan sobre la viruta. 21. Sección 21.7) As donde As = área del plano de corte. . este esfuerzo es igual a la resistencia cortante del material de trabajo (t = S) bajo las condiciones en las que ocurre el corte. Con base en la fuerza cortante se puede definir el esfuerzo cortante que actúa a lo largo del plano de corte entre el trabajo y la viruta: Fs τ= (21. Por lo tanto. Las fuerzas que la herramienta aplica contra la viruta se pueden separar en dos componentes mutuamente perpendiculares: fuerza de fricción y fuerza normal a la fricción.3. es perpendicular a la fuerza de fricción. La fuerza normal a la fricción.10a. la resultante R debe ser igual en magnitud. la cual se orienta en un ángulo b. La fuerza de fricción F es la que resiste el flujo de la viruta a lo largo de la cara inclinada de la herramienta. pero en dirección opuesta y colineal con la resultante R. el trabajo im- pone dos componentes de fuerza sobre la viruta: la fuerza cortante y la fuerza normal a la cortante.10 Fuerzas en el corte de metales: a) fuerzas que actúan sobre la viruta en el corte ortogonal y b) fuerzas que actúan sobre la herramienta y pueden medirse. El ángulo de fricción se relaciona con el coeficiente de fricción de la manera siguiente: m = tan b (21. Ésta se puede calcular como: to w As = (21. 11 Diagrama de fuerzas en el que se muestran las relaciones geométricas entre F.0 mm. Se puede deducir ecuaciones para relacionar las cuatro fuerzas componentes que no pueden medirse con las dos fuerzas que pueden medirse.9 y 21. determine la resistencia al corte del material de trabajo. Entonces en este caso especial.11) Fn = Fc sen f + Ft cos f (21.11. FS. Fn. EJEMPLO 21.12) Si la fuerza de corte y la fuerza de empuje son conocidas. El ancho de en maquinado la operación de corte ortogonal es w = 3.10) Fs = Fc cos f − Ft sen f (21.10 se reducen a F = Ft y N = Fc. Estos dos componentes actúan sobre la herramienta: La fuerza de corte Fc que va en la dirección del corte. Utilizando el diagrama de fuerzas de la figura 21. Fs y Fn puede medirse directamente en una operación de maquinado. de manera que se puedan medir directamente dos fuerzas componentes adicionales: fuerza de corte y fuerza de empuje.492 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales FIGURA 21. cuando el ángulo inclinado a = 0. Sin embargo.10b) junto con la fuerza resultante R .2 En el ejemplo 21. y con base en estos estimados se puede determinar el esfuerzo cortante y el coeficiente de fricción. se puede usar estas cuatro ecuaciones para calcular estimaciones de la fuerza cortante. N. es posible instrumentar en la herramienta de corte un dispositivo medidor de fuerzas llamado dinamómetro.1 suponga que la fuerza de corte y la fuerza de empuje se miden durante Esfuerzo cortante una operación de corte ortogonal con valores de Fc = 1 559 N y Ft = 1 271 N. la fuerza de fricción y la fuerza normal a la de fricción. así que los transductores de fuerza en el dina- mómetro pueden alinearse en concordancia. las ecuaciones 21. Ninguna de las cuatro fuerzas componentes F. La fuerza de corte y la fuerza de empuje se muestran en la figura 21. y Ft. se puede deducir las relaciones trigonométricas siguientes: F = Fc sen a + Ft cos a (21. Se puede observar que en el caso especial del corte ortogonal.9) N = Fc cos a − Ft sen a (21. y la fuerza de empuje Ft. Las direcciones respectivas de estas fuerzas son conocidas. . ya que las direcciones en las que están aplicadas varían en función a las diferentes formas de la herramienta y a las condiciones de corte. respectivamente. la misma dirección de la velocidad de corte v. to. N. es perpendicular a la fuerza de corte y está asociada con el espesor de la viruta antes del corte. la fuerza de fricción y su fuerza normal podrían ser medidas de manera directa por el dinamómetro. FC. Con base en estos datos. La fuerza cortante se puede calcular de la ecuación 21.11: Fs = 1 559 cos 25.497 mm 2 sen 25. expresado mediante la siguiente relación deducida de la combinación de las ecuaciones 21.15) (t o w / sen φ ) Merchant pensó que entre los ángulos posibles que emanan del borde cortante de la herramienta donde puede ocurrir la deformación de corte. entonces el diagrama de fuerzas de la figura 21. Sección 21.16 debe considerarse más como .8 y 21. Al recordar que en la ecuación 21. En este ángulo.497 Este ejemplo demuestra que la fuerza de corte y la fuerza de empuje están relacionadas con la resistencia al corte del material. Merchant empezó con la definición de esfuerzo cortante.4 Por lo tanto.13) sen φ cos(φ + β − α ) cos(φ + β − α ) y St o w sen(β − α ) F sen(β − α ) Ft = = s (21.1.4 = 863 N El área del plano de corte está determinada por la ecuación 21. La deducción está basada en la suposición de corte ortogonal. hay un ángulo f que predomina. el material de trabajo seleccionará un ángulo del plano de corte que minimiza la energía. el esfuerzo cortante es justamente igual a la resistencia al corte del material de trabajo.4º. Dado que estas suposiciones no corresponden a las operaciones prácticas de maquinado. Despejando f.11: Fc cos φ − Fs sen φ τ= (21.7 la fuerza de corte Fs = S As. si se conoce la resistencia al corte del material de trabajo.3/Relaciones de fuerza y la ecuación de Merchant 493 Solución: A partir del ejemplo 21. el esfuerzo cortante que iguala la resistencia al corte del material de trabajo es: 863 τ =S= = 247 N/mm 2 = 247 MPa 3.15 respecto a f. Las relaciones se pueden establecer en una forma más directa. pero en su validez general se extiende a operaciones de maquinado en tres dimensiones.5 )( 3.7.0 ) As = = 3. Dicho ángulo se puede determinar tomando la derivada del esfuerzo cortante S en la ecuación 21.11 se puede utilizar para deducir las ecuaciones siguientes: St o w cos(β − α ) F cos(β − α ) Fc = = s (21.16) 2 2 Una de las suposiciones en que se basa la ecuación de Merchant es que la resistencia al corte del material de trabajo es una constante a la que no le afecta la velocidad de de- formación. El esfuerzo cortante es menor que la resistencia al corte para todos los demás ángulos posibles.3. 21. 21.1 271 sen 25. la ecuación 21. la temperatura y otros factores.4 .2 La ecuación de Merchant Eugene Merchant dedujo una relación importante en el corte de metal [9]. En efecto. el ángulo inclinado a = 10º y el ángulo del plano de corte f = 25.8: (0. y por esta causa la deformación cortante ocurre en este ángulo. e igualando la derivada a cero.14) sen φ cos(φ + β − α ) cos(φ + β − α ) Estas ecuaciones permiten estimar la fuerza de corte y las fuerzas de empuje en una operación de corte ortogonal. por tanto la formación de viruta no puede ocurrir en otros ángulos. se obtiene la relación llamada ecuación de Merchant: α β φ = 45 + − (21. un mayor ángulo del plano de corte significa una menor área de corte. la fuerza de corte requerida para formar la viruta decrecerá cuando el área del plano de corte disminuya. el ángulo de fricción se puede estimar como sigue: b = 2(45) + 10 − 2(25.2° b) El coeficiente de fricción está determinado por la ecuación 21. No obs- tante. lo cual tiende a incrementar el ángulo cortante de acuerdo con la ecuación de Merchant. De esta manera la mayoría del corte tendrá lugar en la dirección del avance.1.16. . la fricción herramienta-viruta y el ángulo del plano de corte. y el corte en la nariz de la herramienta será despreciable. EJEMPLO 21. a) a mayor f. ángulo de fricción Solución: a) Del ejemplo 21.12. corresponde una mayor área del plano de corte.13 indica la conversión de una situación de corte a la otra. Un ángulo más alto del plano de corte da como resultado ener- gías y temperaturas de corte más bajas.6: m = tan 49.2 = 1.4) = 49. mientras el avance en estas operaciones sea menor respecto a la profundidad de corte. La importancia de incrementar el ángulo del plano de corte se puede apreciar en la figura 21. El ángulo de inclinación puede incrementarse diseñando la herramienta adecuadamente y el ángulo de fricción puede reducirse utilizando un fluido lubricante de corte. calcule: a) el ángulo de fricción usan- Estimación del do la ecuación de Merchant y b) el coeficiente de fricción.4º. Al reacomodar la ecuación 21. a = 10º y f = 25.494 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales Viruta Viruta nta ta amie Herramie n Herr to to f f Trabajo Trabajo a) b) FIGURA 21. Si todos los otros factores permanecen constantes. El ángulo del plano de corte puede incrementarse 1) aumentando el ángulo de inclinación y 2) disminuyendo el ángulo de fricción (o coeficiente de fricción) entre la herramienta y la viruta. resulta una menor área del plano de corte. Como la resistencia al corte se aplica a través de esta área. La figura 21. se considera su aplicación en el ejemplo siguiente. Aproximación al torneado por corte ortogonal El modelo ortogonal se puede usar para aproximar el torneado y algunas otras operaciones de maquinado con una punta. Note que el ángulo de inclinación es mayor en a). Éstas son dos buenas razones para tratar de hacer el ángulo del plano de corte tan grande como sea posible durante el maquinado.16 Lecciones basadas en la ecuación de Merchant El valor real de la ecuación de Merchant radica en que define la relación general entre el ángulo de inclinación. b) a menor f.3 Con los datos y resultados de los ejemplos anteriores.12 Efecto del ángulo del plano de corte f. una relación aproximada entre sus términos que un enunciado matemático preciso. la fuerza de empuje Ft en el modelo ortogonal corresponde a la fuerza de avance Ff en torneado. Las velocidades típicas de corte son de varios cientos de metros . La fuerza de corte en una operación de maquinado puede exceder 1 000 N (algunos cientos de libras).2.4 RELACIONES ENTRE POTENCIA Y ENERGÍA EN EL MAQUINADO Una operación de producción en maquinado requiere potencia. 21. como lo sugiere el ejemplo 21. Operación de torneado Modelo de corte ortogonal Avance f = Espesor de la viruta antes del corte to Profundidad d = Ancho del corte w Velocidad de corte v = Velocidad de corte Fuerza de corte Fc = Fuerza de corte Fc Fuerza de avance Ff = Fuerza de empuje Ft La interpretación de las condiciones de corte es diferente en los dos casos. TABLA 21. La tabla 21. En el corte ortogonal.1 resume las conversiones.1 Clave de conversión: operación de torneado contra corte ortogonal.13 Aproximación del torneado por el modelo ortogonal: a) torneado y b) el corte ortogonal correspondiente. Sección 21. La velocidad de corte y la fuerza de corte tienen la misma interpretación en los dos casos.4/Relaciones entre potencia y energía en el maquinado 495 Trabajo Viruta Trabajo Herramienta Herramienta a) b) FIGURA 21. Además. el espesor de la viruta antes del corte to corresponde al avance f en el torneado y el ancho de corte w corresponde a la profundidad de corte d en el torneado. to = 0.1.4 Continuando con los ejemplos anteriores. Ésta es la ecuación 21. FC = 1 557 N. Fc = fuerza de corte. La potencia unitaria también se conoce como la energía específica.21) RMR vt c w t o w Las unidades para la energía específica son típicamente N-m/mm3 (in-lb/in3). Utilizando dicha medida. hp. debido a las pérdidas mecánicas en el motor y la transmisión de la máquina. De aquí que: Fc v HPc = (21. N (lb).19) E E donde Pg = potencia bruta del motor de la máquina herramienta en W. El producto de la fuerza cortante y la velocidad dan la potencia (energía por unidad de tiempo) requerida para ejecutar la operación de maquinado: P c = Fc (21. la potencia de la operación es Pc = (1557 N)(100m/mm) = 155. EJEMPLO 21.5 ) 150 000 La potencia unitaria y la energía específica proporcionan una medida útil de cuán- ta potencia (o energía) se requiere para remover una pulgada cúbica de metal durante el maquinado. y se define como: Pc HPc Pu = o HPu = (21.0 )(0.700 J/min = 2 595 J/s = 2 595 W La energía específica se calcula a partir de la ecuación 21.21 sugiere que las unidades puedan reducirse a N-m/mm3 o J/mm3 (in-lb/in3).038 N-m/mm 3 100(10 3 )( 3.700 N-m/min = 155.2 representa un listado de los valores de los caballos de fuerza unitarios y de la energía específica para algunos materiales de trabajo determinados. La tabla 21. N-m/s o W (ft-lb/min). usando las conversiones de la tabla 21. A ésta se le llama potencia unitaria. Sin embargo. El valor típico de E para máquinas herramientas es de aproximadamente 90%. Al resumir los datos y los resultados de los ejemplos anteriores. es posible comparar los diferentes materiales de trabajo en términos de sus requerimientos de potencia y energía. U. mm3/s (in3/min).18) 33 000 donde. Estas pérdidas se pueden contabilizar por la eficiencia mecánica de la máquina herramienta. HPc = potencia de corte en caballos de fuerza. en maquinado w = 3. se determinarán la potencia de corte y la energía Relaciones específica requerida para desempeñar el proceso de maquinado si la velocidad de corte = de potencia 100 m/min. Pc HPc Pg = o HPg = (21. Las unidades en el sistema acostumbrado en Estados Unidos pueden convertirse a caballos de fuerza dividiendo ft-lb/min entre 33 000. HPg = caballos de fuerza brutos.50 mm. Muchas veces es útil convertir la potencia en potencia por unidad de volumen de corte del metal.17) donde Pc = potencia de corte. Pu (o caballos de fuerza unitarios.1. la última expresión en la ecuación 21.0 mm. m/s (ft/min). La potencia bruta requerida para operar la máquina herramienta es más grande que la potencia usada en el proceso de corte. La tasa de remoción de material se puede calcular como el producto de vtow. y E = eficiencia mecánica de la máquina herramienta.496 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales por minuto. HPu).21: 155 700 155 700 U= = = 1.18. . Solución: A partir de la ecuación 21. P Fv F U = Pu = c = c = c (21.20) RMR RMR donde RMR = tasa de remoción del material. y v = velocidad de corte. 8 Bronce 100-150 2.25 mm (0. Sección 21.6 Hierros fundidos 125-175 1. la velocidad de corte y el fluido de corte.010 in). Por ejemplo en el esmerilado. Para herramientas afiladas el factor es 1. mediante un factor de corrección que considere cualquier diferencia en el espesor de la viruta antes del corte.25 mm (0. una porción significativa de la energía total se absorbe en la herramienta.3 351-400 4. o al añadir un fluido de corte. otros factores influyen también en los valores de los caballos de fuerza unitarios y de la energía específica para una operación dada. Como una guía aproximada.25 mm (0.14 proporciona los valores de este factor de correc- ción en función a to. Al reducirse to. [7]. y espesor de la viruta antes del corte to = 0.8 251-300 2.6 520 000 1.2 se pueden usar aun para estimar los caballos de fuerza unitarios y energía. Si no se satisfacen estas suposiciones.25. Para herramientas casi completamente usadas en operaciones de acabado el factor es alrededor de 1.010 in).1 160 000 0. La distribución de la energía de corte entre la herramienta.10.4 175-250 1.6 Acero inoxidable 150-250 2. Los valores de la tabla 21. Debe hacerse notar que. aumentan los requerimientos de la potencia unitaria.8 Aleaciones de magnesio 50-100 0.6 201-250 2. En una herramienta des- gastada la potencia requerida para desempeñar el corte es más grande.2 se basan en dos suposiciones: 1) la herramienta de corte está afilada y 2) el espesor de viruta antes del corte to = 0. A esta relación se le llama algunas veces el efecto de tamaño.0 Aluminio 50-100 0. Energía específica U Caballos de fuerza Dureza o potencia unitaria Pu unitaria en HPu Material Brinell N-m/mm3 in-lb/in3 hp/(in3 /min) Acero al carbono 150-200 1.8 400 000 1. dependiendo del grado de uso de la herramienta. se requieren valores muy altos de ener- gía específica.0 Aceros aleados 200-250 2. en situaciones donde to no sea igual a 0.2 deben multiplicarse por el factor apropiado de corrección cuando to sea diferente a 0. Para los efectos de este libro.2 Valores de los caballos de fuerza unitarios y energía específica para materiales de trabajo seleccionados usando herramientas de corte afiladas.010 in). Al aumentar el ángulo de inclinación o la velocidad de corte.15 Datos recopilados de [5]. Los caballos de fuerza unitarios y la energía específica de la tabla 21.2 320 000 0.8 120 000 0.7 100 000 0.010 in).6 240 000 0. y para herramientas casi completamente usadas en operaciones de desbaste primario el factor es de 1.2 320 000 0. se tiene que hacer algunos ajustes.8 400 000 1.2 320 000 0. además del afilado de la herramienta y el efecto de tamaño.25. como se indica en la figura 21.6 240 000 0.25 mm (0. a velocidades más elevadas (y a niveles de energía más altos). los valores de U y HPu se reducen ligeramente. y esto se refleja en valores de caballos de fuerza unitarios y energía específica más grande.15.4 640 000 1.4/Relaciones entre potencia y energía en el maquinado 497 TABLA 21. el trabajo y la viruta va- rían con la velocidad de corte. en los ejercicios que se encuentran al final del capítulo se puede ignorar los efectos de estos factores adicionales. Estos otros factores incluyen el ángulo de inclinación.25 Aleaciones de aluminio 100-150 0. A velocidades bajas.4 60 000 0. La figura 21. Los valores de U y HPu en la tabla 21.8 400 000 1. los valores en la tabla deben multiplicarse por un factor entre 1.3 Latón 100-150 2. donde las virutas son extremadamente pequeñas en compara- ción con muchas otras operaciones de maquinado.00.2 320 000 0. Sin embargo.8 251-300 2. El espesor de la viruta antes del corte to afecta también los valores de los caballos de fuerza unitarios y de la energía específica. [10] y otras fuentes. el movimiento rápido de la viruta .00 y 1.0 301-350 3. 50 0.015 0.1 1.498 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales Espesor de la viruta antes del corte to (in). arriba de los 600 ºC (1 100 ºF) es muy común.75 0. la proporción de energía total absorbida por la herramienta se reduce y la mayor parte se la lleva la viruta.030 0.025 0.040 0.15 Distribución típica de la energía total de corte entre la herramienta. 21. FIGURA 21. Este calor puede hacer que las temperaturas sean muy altas en la interfaz herramienta-viruta.010 in). Trabajo Viruta ft/min m/s Velocidad de corte a través de la cara inclinada de la herramienta ofrece menos oportunidad a que el calor generado en la zona primaria de corte sea conducido a través de la interfaz herramienta- viruta hacia la herramienta. La energía restante (alrededor de 2%) se retiene como energía elástica en la viruta.25 0.2 los valores del espesor de la viruta antes del corte to son 0.005 0.38 0.25 mm Espesor de la viruta antes del corte to (mm). De aquí que. el trabajo y la viruta en Herramienta función de la velocidad de Proporción de la energía corte. 0.125 0.4 Factor de corrección 1.88 0. (Basada en datos de [8]).0 0.020 0.010 0.8 0.6 1.4 de fuerza unitarios en hp y la energía específica cuando 0.63 0.6 FIGURA 21.25 diferentes de 0. (0.5 TEMPERATURA DE CORTE Casi toda la energía que se consume en el maquinado (aproximadamente 98%) es convertida en calor.050 1. .2 1.14 Factor de corrección para los caballos 0. presentan algunos de ellos. La técnica de medición más frecuentemente usada es el termopar herramienta-viruta. Además. [3]. Solución: La velocidad de corte debe convertirse a las unidades de mm/s: v = (100 m/ min)(103 mm/m)/(60 s/min) = 1 667 mm/s.333 ΔT = ⎜ ⎟ (21. m/s (in/s).5. 2) generan viruta caliente que representa grandes riesgos para el operador y 3) pueden producir imprecisiones en las dimensiones de la pieza de trabajo debidas a la expansión térmica del material de trabajo.5) ⎞ ΔT = °C ⎜ ⎟⎠ = (138. m2/s (in2/s). to = espesor de la viruta antes del corte. Este termopar toma la herramienta y la viruta como dos metales diferentes que forman una junta de termopar. 21. Este método se dedujo de un análisis dimensional. En esta sección.038 ) ⎛ 1667(0.333 0. [8] y [14]. Sección 21. se analizan los métodos para el cálculo y medición de temperatura en las operaciones de maquinado.4. usando datos experimentales para varios materiales de trabajo a fin de establecer los valores de los parámetros de la ecuación resultante. ºC (ºF).0 (10-3) J/mm3-oC y la difusividad térmica = 50(10-6) m2/s (= 50 mm2/s).4 )(2. rC = calor específico volumétrico del material de trabajo.2 Medición de la temperatura de corte Se han creado métodos experimentales para la medición de temperaturas en maquinado. U = energía específica en la operación. Utilice los datos proporcionados en de corte los ejemplos anteriores en este capítulo: v = 100 m/min. EJEMPLO 21. 21. Las referencias [1].22) ρC ⎝ K ⎠ donde ΔT = aumento de la temperatura media en la interfaz herramienta-viruta.1 Métodos analíticos para el cálculo de la temperatura de corte Existen varios métodos analíticos para estimar la temperatura de corte.50 mm. K = difusividad térmica del material de trabajo.5 Para la energía específica obtenida en el ejemplo 21.5. La ecuación 21. se puede monitorear la diferencia de potencial generado por la interfaz herramienta-viruta durante el corte mediante un potenciómetro registrador u otro dispositivo de adquisición de datos apropiado. La ecuación se puede usar para predecir la elevación de la temperatura en la interfaz herramienta-viruta durante el maquinado: 0. Al conectar apropiadamente las terminales eléctricas a la herramienta y a la pieza de trabajo (que está conectada a la viruta). la temperatura de corte resultante es 20 + 353 = 373 ºC. calcule el incremento en la temperatura Temperatura por encima de la temperatura ambiente de 20 ºC. to = 0.0(10 3 ) ⎝ 50 Al añadir esta temperatura al ambiente.4U ⎛ vt o ⎞ 0.5/Temperatura de corte 499 Las temperaturas de corte son importantes debido a que las elevadas temperaturas 1) reducen la vida útil de la herramienta. el calor específico volumétrico para el material de trabajo = 3.4 (1.552 ) = 353°C 3. J/mm3-oC (in-lb/in3-oF). La salida de voltaje resultante del termopar herramienta-viruta (medido en mV) se puede convertir al valor de temperatura correspondiente mediante ecuaciones de calibración para la combinación particular herramienta-trabajo. = velocidad de corte. Se describe el método de Cook [3]. Trigger . Los investigadores han utilizado el termopar herramienta-viruta para estudiar la re- lación entre la temperatura y las condiciones de corte como velocidad y avance.22 se puede usar ahora para calcular el aumento de la temperatura media: 0. m (in). N-m/mm3 o J/mm3 (in-lb/in3). 931-938. Plasticity Conditions on Orthogonal Cutting”.2 Velocidad de corte (ft/min) [13] determinó la relación entre velocidad y temperatura y obtuvo la siguiente fórmula general: T = K vm (21. y Trigger. Engineers Handbook. Fundamentals of Metal [6] Kalpakjian. Prentice Hall/Pearson. G.. 2a. “Temperature Distribution at the [7] Lindberg.16 se muestran las gráficas de la temperatura contra la velocidad de corte para varios materiales de trabajo. T.. ed. ASME Transactions.J. Inc. I: Machining. pp. R. Journal Nueva York. Boston.348) Temperaturas de corte medidas experimentalmente 400 y graficadas contra la velocidad para tres materiales de trabajo. of applied Physics. Allyn and Bacon. REFERENCIAS [1] Boothroyd... 16 junio de 1945. ASME Transactions. Vol. Vol. vol. (Basada en datos de [8]). R.. [2] Chao. A. Mass. . y Shaw. E.. Los resultados empíricos tienden a apoyar la validez general de la ecuación de Cook.22. Black. 1990. 1983. J.A. C. ASME Transactions. Engineering Materials. ecuación 21. (eds.J. Society of McGraw-Hill Book Company. C. el efecto del avance sobre la temperatura no es tan fuerte como la velocidad de corte. En la figura 21. Inc. sin embargo. B.A. 1107-1121. Mich. ed.23) donde T = temperatura medida en la interfaz herramienta-viruta y v = velocidad de corte. E. y Wick.16 B1113 Acero libre maquinado ( T = 86. y Knight.. T. [4] DeGarmo. se muestra conformidad con la 200 400 600 800 1 000 ecuación 21. 1999. Dearborn. R. 318-324. 95..23 determinadas para cada material.361) 800 FIGURA 21. Tool and Manufacturing [10] Schey. Temperatures”. Materials and [9] Merchant... pp. octubre de 1955. con ecuaciones similares a la ecuación 21. Vol.. Upper Nueva York..2v0. K.. ed. Introduction to Manufacturing Processes. Processes and Materials of Manufacture... ed. noviembre de 1973. “Tool Wear and Tool Life”.182) 1 600 Temperatura de corte. “Mechanics of the Metal Cutting Process: Processes in Manufacturing. M.T. [5] Drozda.. 2. N. Tool-Chip Interface in Metal Cutting”. 2003. [8] Loewen. de 1954.. febrero Engrg. A.. 1989. Vol.500 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales RC-130B Titanio (T = 479v0. 217-225. John Wiley & Sons. Inc. 4a. 9a.P. ed. Manufacturing Processes form Machining and Machine Tools. 2003. pp. ed. núm.. Saddle River. J.). Los parámetros K y m dependen de las condiciones de corte (diferentes a v) y del material de trabajo. y Schmid. °F 1 200 18-8 Acero inoxidable (T = 135v0. Existe una relación similar entre la temperatura de corte y el avance.23.. 4a. 77. 4a. N... Nueva York. S. Manufacturing Engineers. E. M. G. 2 Las unidades reportadas en el artículo ASME de Loewen y Shaw [8] fueron ºF para temperaturas de corte y ft/min para la velocidad de corte. pp. Se ha conservado esas unidades en las gráficas y ecuaciones de la figura.. “On the Analysis of Cutting Tool [3] Cook. y Kohser. II. 76. for Industry. J. 3a. W. Marcel Dekker. J. ángulo de fricción en el modelo de corte ortogonal? quinado que use cada uno de los tipos de herramientas..9. y Chao. Heinemann. 163-174. ¿Una operación de desbaste primario involucra generalmente forjado. [12] Trent.3.19. B. Mass. Metal Cutting. febrero de 1949. ¿Con cuál de las formas geométricas siguientes está la de corte ortogonal? (tres respuestas mejores): a) se utiliza operación de taladrado más íntimamente relacionada?: a) un filo de corte circular.3 fica como procesos de remoción de material? (dos res. 21. ¿Qué significa el término efecto de tamaño en el corte de 21. 73. “An Analytical Evaluations of Me- sity Press.4. 21. Si las condiciones de corte en una operación de torneado activo en el análisis. 21. 2000. 21. Oxford Univer. Defina la diferencia entre las operaciones de desbaste 21. d) 21.16.. puestas correctas): a) colado. 2 on Tool-Chip Interface Temperatures”. ¿Por qué es útil el modelo de corte ortogonal en el análisis del maquinado metálico? CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE En las siguientes preguntas de opción múltiple hay un total de 17 respuestas correctas (algunas preguntas tienen varias respuestas correctas).0 in3/min. pp. E. ¿Cómo es la potencia requerida en una operación de corte que se incluyen en el conjunto de las condiciones de corte.5. ¿En qué se distingue el maquinado de otros procesos de 21. alta f y d. Boston. d) solamente dos dimensiones juegan un papel 21. 57-68. es la tasa de remoción de material?: a) 0. El porcentaje de calificación se basa en el número total de respuestas correctas. profundidad..100 in.C. baja f y d. g) moldeado..8.4. 2005. [14] Trigger. K. J. in3/min. enero de 1951. 21. núm. K. núm. Cuestionario de opción múltiple 501 [11] Shaw. 71. o d) 3. Por cada respuesta omitida o errónea.14. b) 0. Metal Cutting Principles. es comercial y tecnológicamente importante. ¿Cuáles son las dos categorías básicas de herramientas de 21. Identifique los parámetros de una operación de maquinado 21.6. c) agujero redondo. PREGUNTAS DE REPASO 21. d) fresado o e) torneado. c) extrusión. b) estirado. ¿Qué es la energía específica en el maquinado de metales? primario y las de acabado en maquinado. o 21. f y d. J. avance = 0.010 in/rev dirección de la velocidad de corte.025 in3/min. ASME Transactions. corte?: a) alta v. ¿Qué es una máquina herramienta? metales? 21. f ) maquinado. h) prensado a cuál de las siguientes combinaciones de condiciones de e i) rechazado. d) cuer.. Cada respuesta correcta vale un punto. c) 3. b) alta v. Inc. “Progress Report No.6 in3/min.2. c) se utiliza una herramienta de una sola das de tornillo o e) esfera. 21.11. c) aplanado. ¿Qué es un termopar herramienta-viruta? 21. Identifique las cuatro fuerzas que actúan sobre la viruta en manufactura? el modelo de corte metálico ortogonal. M. 21. P. b) plano liso. 21.12. ed. pp. b) se utiliza una herramienta de cilindro externo. y Wright.15.10. ¿cuál de las siguientes perpendicular a la dirección de la velocidad del corte y g) .17.. ¿Qué es una operación de corte ortogonal? 21. e) molido. Vol. ¿Cuál es la relación entre el coeficiente de fricción y el corte en maquinado? Dé dos ejemplos de operaciones de ma.3. punta. en relación con la fuerza de corte? 21. pero que no pueden 21. Identifique las dos fuerzas que pueden medirse en el modelo 21. 2. f = avance y d = de las siguientes operaciones de manufactura?: a) escariado. 4a. f ) el filo del corte es y profundidad de corte = 0. Mencione los tres procesos de maquinado más comunes.6. b) taladrado. de corte metálico ortogonal. la calificación se reduce en un punto.5. Inglaterra. ¿Cuál de los procesos de manufactura siguientes se clasi. K. Mencione y describa brevemente los cuatro tipos de viruta moción de material? que se producen en el corte de metales. f y d. Describa con palabras qué dice la ecuación de Merchant. ed. tal Cutting Temperatures”.18.. corte múltiple.2... e) el filo de corte es paralelo a la son velocidad de corte = 300 ft/min.13. T. Butterworth 1. Identifique algunas de las razones por la que el maquinado medirse directamente en una operación. 2a. ¿La máquina herramienta “torno” se utiliza para realizar cuál d) baja v. Vol.7. 21. ¿Cuáles son las tres categorías básicas de procesos de re. Para obtener una calificación perfecta hay que dar todas las respuestas correctas del cuestionario. Oxford. M. donde v = velocidad de corte. [13] Trigger.1. ¿Cuáles de las siguientes son las características del modelo 21.. c) baja v. ASME Transactions. y cada respuesta adicional que sobrepase el número correcto de respuestas reduce la calificación en un punto.1. ¿Para cuál de los siguientes valores de espesor de viruta 21.6 mm. b) el 0. La fuerza de corte y la fuerza de empuje se han medido tiene un ángulo de inclinación de 15º. Determine a) la resistencia al corte del material de trabajo 21.55. calcule a) la fuerza cortante.2 mm y el ancho del corte es de 4. ¿Cuál de las siguientes es la relación de espesor de viruta?: corte to corresponde a cuál de los siguientes condiciones a) tc/to. el ángulo de incli- respectivamente. d = profundidad y w = ancho del corte. Calcule a) ancho de corte de 0. Determine 100 ft/min. ¿cuál de los si.10. d) incremento velocidad? en el temperatura de corte. 21.7 involucra un material de trabajo cuya resistencia Calcule a) el ángulo del plano de corte y b) la deformación al corte es de 40 000 lb/in2. La fuerza de corte y la fuerza de empuje en una operación 21. En una operación de corte ortogonal. El avance y profundidad del corte son 0. f = avance. ¿el espesor de la viruta antes del 21. El espesor de la en una operación de corte ortogonal y son de 300 lb y 291 viruta antes del corte es de 0.11. 21.010 in. El ángulo de inclinación de la herramienta nación es de –5º. Después del corte. la herramienta 21. suponga que el ángulo de inclinación y b) el coeficiente de fricción de la operación. Con base en sus respuestas al cortante para la operación. si los otros factores permanecen igual (dos 0. 21. b) la 21.30 mm y 2.200 in. c) la fuerza de empuje y d) la fuerza de configura para proporcionar una velocidad de corte de 1.010 in.12. La relación de espesor de la coeficiente de fricción en la operación. de espesor de la viruta medida después del corte es de 0.150 in. viruta resultante es de 0. c) 0. La relación la operación.38.100 in. b) latón.027 in. De acuerdo con la ecuación de Merchant. el un espesor de viruta deformada de 0. la herramienta de Determine a) el espesor de la viruta después del corte. el espesor de la viruta antes del corte es de 0. donde tc = espesor de la del torneado? a) profundidad de corte d. La relación de es de 0.1. En una operación de torneado. Determine a) el espesor de la viruta la deformación cortante y c) la velocidad de remoción del después del corte. el espesor de 21.8 fricción. Determine a) el ángulo del pla- . El ángulo de inclinación es de 10º. b) continua acero. operación de torneado. Una operación de corte ortogonal se realiza usando un permaneciera igual. c) f/d o d) to/w.0 mm. b) to/tc. En el problema 21. e) incremento en el ángulo del plano de corte? PROBLEMAS Formación de viruta y fuerzas de maquinado 21.13. problema anterior. b) 0. 21. ¿Cuál de los siguientes metales podría tener generalmente 21.015 in a) la resistencia cortante del material de trabajo y b) el y ancho del corte de 0. Suponiendo que el ángulo de fricción 21.2. 21. Al usar el modelo de corte ortogonal para aproximar una ángulos de inclinación y de relieve. La operación de corte ortogonal descrita en el problema la viruta deformada se mide y tiene un valor de 0. d) el coeficiente de fricción y e) la deformación aproximación del proceso de torneado.8. el espesor de la viruta antes del corte es es de 8°.4.7.4. to = espesor de la viruta antes del velocidad v. respectivamente.0 mm.012 in y ancho del corte de 0. ¿Cuál de las siguientes condiciones de corte tiene un b) disminución de los requerimientos de potencia. Después del corte. del corte sea de 0.6. 50 000 lb/in2. el ancho del corte es de utilizando una herramienta con un ángulo de inclinación 5. con acumulación en el filo. c) discontinua. determine a) el ángulo plano de corte. En una operación ortogonal de corte. cambiara a a = 0°. cortante. b) el ángulo de corte.025 in. 21. respectivamente.49 mm. c) dis. El ángulo de corte.50 mm.250 in de ancho tiene un ángulo de inclinación de 5º. espesor de la viruta antes del b) el espesor de la viruta y c) la deformación cortante para corte de 0.3. En una operación de corte ortogonal.4. c) el ángulo de fricción. la velocidad de la aguja se fuerza de corte. c) hierro fundido o d) sobre un material de trabajo frágil? a) continua.9. b) avance f o c) viruta después del corte.50. espesor de la viruta antes del corte de 0. el espesor de la viruta deformada de 0. 21.5. corte.30 mm y el corte produce lb.502 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales los dos elementos de la forma de la herramienta son los 21.1. d) el coeficiente de torno se configura para que el espesor de la viruta antes fricción y e) la deformación cortante. mejores respuestas): a) disminución en el ángulo de fricción. m/s. b) viruta es de 0. antes del corte to esperaría usted que fuera más grande la guientes resultados podría tener un incremento en el ángulo energía específica? a) 0. ¿Cuál de los cuatro tipos de viruta se podría esperar en una los caballos de fuerza unitarios más bajos en una operación operación de torneado conducida a baja velocidad de corte de maquinado? a) aluminio. para la operación.9. o d) dentada. Una operación de corte ortogonal se realiza El ángulo de inclinación es de 5°.12 mm o d) de inclinación. Determine a) el ángulo plano de corte.8.10.6 y de 20° con las siguientes condiciones de corte: velocidad de la relación de espesor de la viruta es de 0. La resistencia al corte de cierto material de trabajo es de de corte ortogonal son 1 470 N y 1 589 N.015 y la relación de espesor de la viruta de 0. Utilice el modelo de corte ortogonal como una fricción. ángulo de inclinación de 15°.7. el espesor de la viruta antes del el ángulo del plano de corte y b) la deformación cortante corte de 0. c) el ángulo de material. efecto mayor en la temperatura de corte? a) avance o b) minución en el ángulo del plano de corte.65 mm. Con base en los valores de los caballos de tiene una eficiencia mecánica = 87%? Utilice la tabla 21.11.100 in. b) la 21.22. c) la fuerza de corte y la es de 3.0 mm. determine a) el ángulo del plano de corte.075 in. Una operación de torneado se lleva a cabo en aluminio su eficiencia mecánica es de 90%.83. b) la fuerza de corte. b) los caballos de fuerza que la tabla 21. unitaria y la energía específica para el material de trabajo 21. Con base en estos guientes: velocidad de corte de 1.20.3 se deduce de la definición fuerza de corte. un avance de 0. las condiciones bono (175 BHN). en cuya dureza está en el rango de 325 a 335 HB. caballos de fuerza que debe generar el torno. Utilizando el valor de (100 BHN). de 5º en la dirección del flujo de la viruta. y 21. b) la fuerza cortante.2 para obtener el valor de energía específico apro.010 in/rev y una profundidad una operación de torneado a una velocidad de corte de 400 de corte de 0.0 mm.120 in. ¿puede llevarse a cabo este trabajo en un torno de rev y profundidad de 4. figura 21. utilizando el diagrama de una operación de torneado con una velocidad de corte de 3.010 in/rev y profun- avance de 0.15. b) la tasa de remoción del material en a cero en la dirección del flujo de la viruta. problemas.18. 21. Repite el problema 21. En el problema anterior.3 m/s. Determine a) los caballos de fuerza consumidos esta operación si su eficiencia mecánica es de 90%? Utilice por la operación de torneado. Una operación de torneado se hace con un ángulo de in- al corte de 45 000 lb/in2.35.23. ecuación 21. c) los caballos de fuerza unitaria. Acero al bajo carbono con una resistencia a la tensión de 21.27. La relación de 21.25 mm/rev avance máximo que se puede obtener en esta operación.19. En una operación de torneado con aluminio. 21. de la relación de viruta. pero con las modificaciones si- la profundidad de corte es de 0. Se sabe que la resistencia al corte del ft/min. El avance es de 0.21.9 a 21. b) los piado. N. de fuerza consumidos por la operación de torneado. En el problema 21. Las condiciones mine la fuerza de corte y la fuerza del avance. la velocidad 0. determine a) los caballos para obtener el valor de caballos de fuerza unitaria apro.030 in/rev y 21.6 m/s.0 fuerzas de la figura 21.29. En una operación de maquinado con acero simple al car. El avance es de 0. ortogonal de corte como una aproximación del proceso de Utilizando el modelo ortogonal como una aproximación al torneado. y d) el coeficiente de fricción entre la herramienta y la 21. c) la fuerza cortante y la fuerza de avance. m/s. que en el problema anterior. El material de . determine el velocidad de corte de 5.6. ¿cuánta potencia consumirá el torno para llevar a cabo de 0. Demuestre cómo la ecuación 21.2 fuerza unitaria de la tabla 21.11. Utilizando el modelo ortogonal clinación se modificó a –5° y la relación de espesor de la vi.5 21. El motor del torno consume 25 kW y 21. como una aproximación al torneado.24.011 in/rev y la profundidad de corte material de trabajo es de 50 000 lb/in2 y la relación de es- es de 0. Una barra de acero de carbono de 7. FS y Fn (ecua- 300 MPa y una resistencia al corte de 220 MPa se corta en ciones 21. Repite el problema 21. el torno tiene una eficiencia mecánica min.250 in. didad de corte de 0.2 determine a) la potencia de de desbaste primario se hace sobre una aleación de acero corte y b) la potencia bruta en la operación de torneado.20 mm/rev y la profundidad del corte Potencia y energía en maquinado 21. 21. Se va a llevar a cabo una operación de torneado en un eficiencia mecánica de 0. la velocidad de corte de 200 m/min. Observe que a pesar de que la 20 hp? Utilice la tabla 21. La velocidad Watts. corte es de 6. excepto porque el avance es de bono cuya dureza de Brinell es de 275 HB.7 metal es aproximadamente 40% más grande.0 mm. El ángulo de inclinación de la herramienta en pesor de la viruta medida después del corte es de 0. Deduzca las ecuaciones de fuerza para F.85.0075 in/rev y el material de trabajo es acero inoxidable de corte se configura a 200 m/min y la profundidad de (dureza Brinell = 240 HB). de corte de 400 ft/min. avance de 0. del plano de corte. Con base en los valores de ener- torno de 20 hp que tiene una eficiencia de 87%.4 se deduce a partir de la viruta. calcule los requerimientos de en esta operación.14.17.2.10 excepto porque el ángulo de in.25. torneado. El avance es de 0.40. deben generarse por el torno y c) los caballos de fuerza piado. Demuestre cómo la ecuación 21.85. El ángulo de inclinación de la herramienta es fuerza de empuje y d) la fuerza de fricción.12. avance de 0.25 mm/rev y la profundidad del corte de 7. 21. una resistencia a la tensión de 65 000 lb/in2 y una resistencia 21. Resuelva el problema 21. el avance de 0.26. las condiciones de corte son: velocidad de corte son las siguientes: velocidad de corte de 900 ft/min.0 mm.12 en el texto). viruta resultante es de 0. de corte es de 375 ft/min.52. avance de 0. hp-min/in3.2 y figura 21. el energía específica (in-lb/in3).020 in/rev y profundidad de corte de 0.8 es de 200 ft/min. El diámetro se reduce utilizando clinación de 10º.12.13. Una operación de torneado se realiza en un torno corriente.64 in de diámetro tiene y la fuerza de avance.2 para obtener el valor de caballos potencia usada en esta operación es prácticamente la misma de fuerza unitaria más apropiado. Problemas 503 no de corte.27.16. A partir de sus respuestas en estos 21. potencia del torno si el avance es de 0. El torno tiene una 21. Las condiciones de corte son las siguientes: energía específica apropiada de la tabla 21.2. El torno tiene una eficiencia ¿Cuántos caballos de fuerza requiere el motor si el torno mecánica de 0. En una operación de torneado de acero inoxidable con una in3/min. En una operación de torneado sobre un acero de bajo car- 21. determine a) el ángulo ruta resultante es de 0. la velocidad de remoción de 21.5b).75 mm/ valores. c) la fuerza cortante 21. y la profundidad de corte de 2.45.50 mm/rev.150 in. Suponga que la velocidad de corte de los problemas 21. d) la dureza de 200 HB.25. Use el modelo de corte dan como resultado una relación de viruta de 0.28. El corte gía específica de la tabla 21. encuentre a) los caballos de fuerza consumidos usando una herramienta con un ángulo de inclinación igual en la operación. Deter- la dirección del flujo de la viruta es de 13°. el avance es de 0. del proceso de torneado.2 y calcule la v = 160 m/min. T = 552 °C.45.1 y de 70 °F.008 in y 21.35.34. y una difusividad térmica de 0. T = 505 °C. El ángulo de inclinación de la herramienta 0. Se utilizan de la temperatura ambiente (20 ºC).25 mm y el térmica de 0. un avance de 0.0 el avance f = to = 0.18 21. La fuerza de corte es de 200 lb. 3) energía específica apropiado de la tabla 21. determine la temperatura corte. viruta mide 700 °C de incremento de temperatura arriba lb/in3-oF.30. utilice la fórmula de Cook para calcular la temperatura de Utilizando los valores de las propiedades térmicas que se corte en la operación dado que la temperatura ambiente es encuentran en las tablas y definiciones de la sección 4. durante los cortes a tres diferentes velocidades de corte (el 21. ecuación 21.010 in y el ancho del corte es de 0. el avance es de 0. Durante un operación de torneado.100 in. El material de trabajo tiene un calor condiciones de corte siguientes: la velocidad de corte es de específico volumétrico de 210 in lb/in3-°F y una difusividad 4. za de trabajo de 6 in de diámetro. valor de 1170 N. trabajo es de 20 mm2/s y el calor específico volumétrico es 21.5 (10-3) J/mm3-°C.2 mm. m/s.16 in2/s.015 in/rev y la Usando el valor aproximado de energía específica de la profundidad es de 0. Determine una ecuación para la temperatura de corte por medio de la ecuación de Cook temperatura en función de la velocidad de corte que esté en de una operación de torneado en la que se utilizan las con. el espesor de la viruta sin cortar es de 0. Utilizando la ecuación de Cook.125 in y la velocidad de corte es de 300 ft/min. Use el modelo de corte ortogonal fuerza unitaria listada en la tabla 21. La resistencia al corte del Temperatura de corte 21.140 in2/s. determi.37. Se utilizan las corte es de 0. Después es de 6°. La fuerza de corte tiene un es de 88 °F. Utilice el modelo de corte ortogonal como una aproximación 21. Si acero cuya dureza es de 225 HB a una velocidad de 3.00 mm. Suponga que la temperatura ambiente es de corte de 4.025 in. Si un termo-acoplador herramienta- cierto metal cuyo calor específico volumétrico es de 110 in. a) de corte sea de 700 ft/min. La fuerza de corte en el proceso es de 300 lb. de 22 °C. T = 592 °C. se utilizó un termo- ancho del corte de 0. b) los caballos de fuerza unitaria fuerza. El espesor de la viruta después tabla 21. 21.8 cm2/s. Utilice el valor de 100 m/min. Un torno ejecuta una operación de torneado sobre una pie.2 para una to de 0.2. La máquina está configurada para que la velocidad del corte la relación del espesor de la viruta es de 0. una densidad de 2. Suponga que la temperatura ambiente ancho del corte es de 2. la forma de la ecuación de Trigger. y c) los caballos de operación de torneado. b) Con base en los caballos de que requiere la operación. . 2) v = 130 m/min. 350 ft/min. 21. Se lleva a cabo un corte ortogonal en un metal cuyo calor diciones de corte siguientes: la velocidad de corte es de 500 específico volumétrico es de 1.9 ft/min.8 in3/min. calcule los caballos de fuerza del motor si el torno de corte es de 0.31. La difusividad térmica del material de de 20 °C. la profundidad de corte es de 60 000 libras/in2. Se obtuvieron los datos de temperatura siguientes de corte si la temperatura ambiente es de 70 ºF.23. calcule un estimado de la fuerza de corte para la de este material bajo estas condiciones.2.32.090 in. El material de trabajo tiene una difusividad térmica de 0.015 in/rev. Considere una operación de torneado llevada a cabo sobre in2/s y un calor específico volumétrico de 124 in-lb/in3-°F.0 J/g-oC. Una operación de corte ortogonal se lleva a cabo con un de 3.25 mm y una profundidad de 4. el valor de la energía específica apropiada de la tabla 21.5 m/s. determine la energía las condiciones de corte siguientes: velocidad de corte de específica del material de trabajo para esta operación. trabajo es de 40 000 lb/in2 y la resistencia a la tensión es de El avance es de 0. Una operación de torneado utiliza una velocidad de corte de calcule un estimado de la temperatura de corte utilizando la 200 m/min.25 mm/rev y una profundidad ecuación de Cook. acoplador herramienta-viruta para medir la temperatura de Utilizando la ecuación de Cook.005 in/rev y la profundidad de g/cm3 y una difusividad térmica de 0. Una operación de maquinado ortogonal remueve metal a ne la temperatura de corte si la temperatura ambiente es 1.100 in.070 in. Determine: a) los caballos de fuerza tiene una eficiencia de 85%.504 Capítulo 21/Teoría del maquinado de metales trabajo es una aleación de acero con dureza Brinell de 325.33. un avance de 0.0 mm. espesor de la viruta antes del corte de 0.010 in.36. como una aproximación del proceso de torneado. Se desea estimar la temperatura de corte de una aleación avance y la profundidad se mantuvieron constantes): 1) v = de acero cuya dureza es de 240 Brinell. se ofrece un panorama acerca de la creación de la configuración geométrica de las piezas mediante el maquinado. En este capítulo.3.1.3 El torno mecánico 22.3 Prensas taladradoras 22.2 Operaciones relacionadas con el torneado 22. dientes de engrane.1. Una pieza de trabajo .1 proporciona una breve historia de la evolución de la tecnología de las máquinas-herramienta.1.3 Máquinas fresadoras 22.5. Para introducir el tema en este capítulo.2.4 Centros de maquinado y centros de torneado 22.3. pero carece de la precisión y exactitud del maquinado.2.5.5.3 Aserrado 22.1 Perfilado y cepillado 22.5 Otras operaciones de maquinado 22.2 Escariado 22. superficies lisas).3 Fresado 22.4 Otros tornos y máquinas de torneado 22.2 Condiciones de corte en fresado 22.6 Maquinado de alta velocidad El maquinado es el más versátil y preciso de todos los procesos de manufactura por su capacidad de producir una diversidad de piezas y características geométricas (por ejemplo. La nota histórica 22.1.1. roscas de tornillos. Las piezas maquinadas se clasifican en rotacionales y no rotacionales (figura 22. OPERACIONES DE MAQUINADO Y 22 MÁQUINAS HERRAMIENTA CONTENIDO DEL CAPÍTULO 22. La fundición también puede producir una variedad de formas.5 Máquinas perforadoras 22.2 Taladrado y operaciones afines 22.1 Condiciones de corte en el taladrado 22. se describen las operaciones de maquinado y las máquinas herramienta utilizadas para llevarlas a cabo.1 Tipos de operaciones de fresado 22.1 Condiciones de corte en el torneado 22.1 Torneado y operaciones afines 22.2 Operaciones relacionadas con el taladrado 22.3.1).2. después de que se inventó el control numérico (nota usado el torno de madera por muchos siglos. a) b) . inventó el primer torno tipo de operación de corte. se introdujeron en la década de cortador de tornillos alrededor de 1800. una herramienta de corte elimina material de una pieza de trabajo giratoria.1). textil y a otras máquinas asociadas con la Revolución Cuando James Watt diseñó su máquina de vapor en Industrial. perfiladoras y prensas una máquina perforadora con una rueda movida por agua taladradoras usadas hoy en día tienen el mismo diseño alrededor de 1775. uno de los problemas por James Nasmyth alrededor de 1846. Esta máquina perforadora se reconoce últimos siglos. La trayectoria seguida por la herramienta durante su movimiento de avance se imparte a la superficie de trabajo a fin de crear la forma. la cual permitió técnicos que enfrentó fue hacer la perforación del cilindro taladrar agujeros de precisión en el metal. Estas operaciones se clasifican según la forma de la pieza creada. En la operación característica que produce estas formas. rotacional tiene la forma de cilindro o disco. Cada operación de maquinado produce una forma característica debido a dos factores: 1) los movimientos relativos entre la herramienta y la pieza de trabajo y 2) la forma de la herramienta de corte. Henry Maudsley. sólo que en la mayoría de las operaciones de taladrado se crea una forma cilíndrica interna y la herramienta es la que gira (en lugar del trabajo). Los centros modernos de maquinado. creadas durante los dos máquina de vapor. entre 1800 y 1835. la máquina de histórica 39. como se ilustra en la figura 22. escapara alrededor del pistón. Los ejemplos de generación de formas de trabajo en FIGURA 22. L a remoción de material como un medio de manufactura con la cual se pudieron desempeñar operaciones de avance se remonta a los tiempos prehistóricos cuando los seres y roscado con mucha mayor precisión que por cualquier humanos aprendieron a tallar la madera y esculpir piedras medio anterior. Una pieza de trabajo no rotacional (también llamada prismática) es una pieza en forma de bloque o placa. La prensa taladradora mecanizada fue inventada Inglaterra alrededor de 1763. Aquí se muestran como bloques y piezas planas. que frecuentemente como la primera máquina herramienta. Esta forma se logra por movimientos lineales de la pieza de trabajo combinada con movimientos lineales o rotatorios de la herramienta.1 Tecnología de las máquinas herramienta. para hacer implementos de caza y labranza. En la generación. máquinas fresadoras. Aunque se había 1950. cepillos. John Wilkinson construyó tornos. la forma de la pieza de trabajo está determinada por la trayectoria del avance de la herramienta de corte.1b). como respuesta a la necesidad de hacer La aparición de las máquinas herramienta modernas componentes destinados a la máquina de vapor. Las operaciones en esta categoría incluyen fresado. El taladro se relaciona estrechamente. perfilado. Los ejemplos incluyen el torneado y el perforado. lo suficientemente preciso para prevenir que el vapor se La mayoría de las máquinas convencionales de perforado. al equipo se relaciona estrechamente con la Revolución Industrial. Hay evidencias A Eli Withney se le acredita la invención de la primera arqueológicas de que los antiguos egipcios usaron máquina fresadora en Estados Unidos. cepillado y aserrado. mecanismos rotatorios de palos y cuerdas para taladrar El desarrollo del cepillo y el perfilador ocurrió en Inglaterra agujeros. ya sea por generación o por formado.1 Las piezas maquinadas se clasifican en: a) rotacionales o b) no rotacionales. Maudsley adicionó una herramienta deslizante mecanizada. alrededor de 1818.506 Capítulo 22/Operaciones de maquinado y máquinas herramienta Nota histórica 22. la cual permitió a Watt construir su básico que las versiones antiguas. son máquinas herramienta capaces de ejecutar más de un Otro inglés. El torneado de formas. c) torneado de contornos.2 Generación de formas en maquinado: a) torneado recto.4 para el corte de roscas sobre un torno y el tallado de ranuras en una fresadora. como se ilustra en la figura 22. ilustradas en la figura 22. d) fresado plano y e) fresado perfilado.2. El formado y la generación se combinan algunas veces en una operación. conforme el corte prosigue. pero la gran velocidad de avance genera las cuerdas. el torneado de contornos. Capítulo 22/Operaciones de maquinado y máquinas herramienta 507 Superficie generada = cilindro Superficie generada = cono Superficie generada Trabajo Trabajo Trabajo Superficie generada = plana Trabajo Superficie generada Trabajo FIGURA 22. el movimiento de avance produce cambios en la profundidad y el ancho. el fresado periférico y el fresado de perfiles. el torneado ahusado. el filo de corte de la herramienta tiene el reverso de la forma a producir en la superficie de la pieza. En estas operaciones. la herramienta de corte imparte su forma al trabajo a fin de crear la forma de la pieza. En el corte de roscas la forma puntiaguda de la herramienta de corte determina la forma de las cuerdas. b) torneado ahusado. el taladrado y el escariado son ejemplos de este caso. la herramienta de corte forma la configuración geométrica de la pieza. Por ejemplo. el ancho del cortador determina el ancho de la rendija.3. En cada una de estas operaciones la remoción de material se realiza por el movimiento de la velocidad en la operación. . La trayectoria de avance puede involucrar variaciones en la profundidad o el ancho de corte durante la operación. En el ranurado (también llamado fresado de ranura). pero la forma de la pieza se determina por el movimiento de avance. respectivamente. todos ellos ilustrados en la figura 22. pero el movimiento de avance crea la ranura. Las condiciones de corte en el formado incluyen generalmente el movimiento primario de velocidad combinado con un movimiento de avance que se dirige directamente hacia el trabajo. En efecto. en el torneado de contorno y las operaciones de fresado de perfiles que se muestran en la figura. maquinado incluyen el torneado recto. La profundidad de corte en esta categoría de maquinado se refiere a la penetración final dentro del trabajo una vez que termina el movimiento de avance. En el formado.

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