Tema 50 – Condiciones de trabajo en las máquinas herramientas. Mecánica del corte. Cálculo de fuerzas, potencia y tiempo. Estudio económico del corte. Maquinabilidad. Refrigerantes y lubricantes: tipos y características. Tipos de lubricación. Sistemas de lubricación. Lubricación en las máquinas.

INDICE.

1. INTRODUCCION

2. CONDICIONES DE TRABAJO DE LAS MÁQUINAS HERRAMIENTAS. MECÁNICA DE CORTE

3. CÁLCULO DE FUERZAS, POTENCIA Y TIEMPO

3.1 Fuerza de corte

3.2 Potencia de corte

3.3 Tiempo de mecanizado

4. ESTUDIO ECONÓMICO DEL CORTE

4.1 Tiempo de máxima producción

4.2 Tiempo de mínimo coste

4.3 Velocidad de máximo beneficio

5. MAQUINABILIDAD

6. REFRIGERANTES Y LUBRICANTES

6.1 Refrigeración del corte

6.2 Lubricación de la máquina

1. INTRODUCCIÓN

El arranque de viruta por parte de las máquinas-herramientas supone vencer las tensiones que se oponen a este proceso. Hay implícitas en ellos un trabajo que vendrá determinado por diversos factores, según las condiciones en que se realice: avance, profundidad de corte, sección de la viruta, volumen de viruta arrancado, velocidad de corte, esfuerzo de corte y potencia absorbida en el mismo.

2. CONDICIONES DE TRABAJO DE LAS MÁQUINAS-HERRAMIENTAS

Como decimos, existen numerosos parámetros que hemos de fijar para realizar el proceso de mecanizado. Como paso previo vamos a estudiar algunos de ellos:

Avance. Se mide por el desplazamiento “a” (mm) perpendicular al movimiento de corte en cada cada vuelta (caso de máquinas con movimiento circular) o en cada carrera (caso de máquinas con movimiento de corte rectilíneo).

Profundidad de corte. Definido por el espesor “p” de la capa de material que se arranca en cada pasada.

Sección de la viruta, se obtiene multiplicando el avance por la profundidad de corte, obteniendo la sección en mm².

Velocidad de corte. Es la que corresponde al movimiento principal del proceso. Representa el número de metros por minuto (m/min) recorridos por un punto de de la pieza o de la arista de corte de la herramienta. Si el M_c es rectilíneo esté vendrá definido

por y si es circular n= r.p.m

La velocidad así definida es la velocidad teórica de corte. Puesto que el corte es un proceso muy complejo, en el que juega un papel muy importante la herramienta, queda claro que la V_C no podrá ser elegida arbitrariamente: con V_C pequeñas, el tiempo de mecanizado es largo, mientras que si las velocidades son elevadas se calienta el filo de la herramienta por el rozamiento y tiene que ser reafilada o sustituida.

Como veremos más adelante esto supone aumentar el tiempo de accesorio y en consecuencia los gastos. Por esta razón se define la velocidad económica de corte como aquella que permite obtener máxima cantidad de viruta con el mínimo gasto.

Puesto que son muchos los factores que influyen en esta velocidad, generalmente se acude a ábacos y diagramas experimentales que permiten calcularla.

Entre estos factores podemos citar:

Þ El material de la pieza, su comportamiento queda reflejado por la maquinabilidad.

Þ Material de la herramienta, ha de ser duro, resistente a las altas temperaturas y resistente al desgaste.

Þ Sección de la viruta, en general secciones grandes de viruta se obtienen con velocidades lentas de corte y viceversa.

Þ Refrigeración y lubricación del filo de la herramienta. Como veremos en el epígrafe 6, se logra así disminuir el rozamiento útil-viruta y consecuentemente el calentamiento de la herramienta. Esto permite aumentar la V_C.

3. CÁLCULO DE FUERZAS, POTENCIA Y TIEMPO

Tan importante como la V_{C ,}y directamente relacionado con ella, son las fuerzas de corte, la potencia consumida y el tiempo de mecanizado.

3.1 Fuerzas de corte

Su cálculo analítico tampoco es sencillo a causa de muchos factores que intervienen en el proceso. Por otra parte son diferentes según el tipo de mecanizado y, en general, variables durante el mismo.

Sin que ello restrinja la generalidad (pues se ha de estudiar cada caso particular de corte) podemos tomar el caso de un cilindrado en el torno.

La fuerza total resistente R₁ que experimenta la cuchilla perpendicularmente a la arista de filo, puede descomponerse en tres fuerzas según los ejes:

Þ F_c fuerza tangencial o de resistencia al corte. Situada en el plano principal.

Þ F_a fuerza axial o de resistencia al avance. Paralela al eje principal.

Þ F_p radial o de resistencia a la penetración.

La fuerza tangencial supera considerablemente a las otras dos, hasta el punto de ser la única que se tiene en cuenta para los cálculos. En el caso del torno, por ejemplo la relación F_c:F_a:F_p 5:1:2.

Esta fuerza tangencial o fuerza de corte en general puede ser obtenida a partir de un coeficiente fundamental basado en casos prácticos. Es lo que conocemos como Fuerza especifica de corte definida como la fuerza tangencial de corte necesaria para cortar viruta con una sección de 1 mm² o la fuerza efectiva de corte dividida por el área teórica de viruta. Para aceros al carbono (0.8%) es 2700 N/mm² y para una aleación normal de aluminio 750 N/mm². Se expresa por K_s:

La fuerza específica de corte depende del material de la herramienta, de los ángulos de corte y posición así como de la sección de la viruta y del avance. La velocidad de corte, sobretodo cuando tiene valores altos apenas influye.

3.2 Potencia de corte

Será calculada por la fórmula mecánica , en este caso F_c = fuerza de corte en daN y V_c en m/min.

Esta potencia es la consumida en el corte, es decir, en el arranque de la viruta, teniendo sólo en cuenta F_c. Para considerar las otras fuerzas, así como las pérdidas en el mecanismo transmisor del motor a la herramienta, se considera un rendimiento η de tal manera que la potencia absorbida por la máquina será:

con η entre (0.7-0.9)

3.3 Tiempo de mecanizado

La importancia de determinar el tiempo de fabricación es tan evidente que huelga resaltarla, pues su de correcto conocimiento dependen el precio de venta de las piezas.

Conocemos como el tiempo total de corte, al que necesita un operario para realizar la operación que se le ha encomendado. Es decir, el tiempo total se compone de dos partes:

· Tiempo de preparación, es el empleado en operaciones previas, necesarias para la realización de la tarea encomendada: tiempo para analizar los planos, preparar la máquina y preparar la herramienta. No depende del número de piezas a mecanizar.

· Tiempo de ejecución, este sí depende del número de piezas y se obtiene como el producto del número de ellas por el tiempo empleado en cada una. Este tiempo de ejecución a su vez se puede subdividir en:

à Tiempo de corte o funcionamiento de la máquina. Este es el único tiempo que puede calcularse matemáticamente dependiendo de la velocidad de corte, dimensiones del mecanizado… etc.

à Tiempo de accesorios, es el que se consume en operaciones imprescindibles pero no de corte, esto es, sujetar o soltar la pieza, tiempo de cambio de herramienta, medir o verificar dimensiones de la pieza mecanizada, quitar la viruta…etc. Este tiempo a diferencia del tiempo de preparación es proporcional al número de piezas. Los criterios de costes y tiempos tienden a sacar de este subgrupo el tiempo de cambio de herramienta.

4. ESTUDIO ECONÓMICO DEL CORTE

Como decíamos anteriormente, la vida de la herramienta T, es función de la V_c, el avance a y la penetración p. Si se aumenta cualquiera de estos tres parámetros la duración o vida de la herramienta disminuye, pero también lo hace el tiempo de fabricación. Existen diferentes teorías que desarrollan relaciones entre dicha velocidad de corte con la duración de la herramienta (teoría de Taylor, teoría de Kronenberg) y con el volumen de viruta eliminado (teoría de Denis).

Debido a que el estudio económico del corte está afectado por numerosas variables como son: el salario de los empleados, coste de las herramientas, utilización de las máquinas, tiempos de entrega de las piezas…etc. existen varias teorías sobre tiempos y costes.

4.1 Tiempo de máxima producción

El tiempo de ejecución será:

T_ejec=T_accs+T_ch+T_c

Cada uno de estos sumandos los podemos poner en función de otros parámetros como son el tiempo de reposición del filo, la vida de la herramienta, velocidad de corte, avance…etc., de tal manera que el T_ejec será función de todas estas variables. Si derivamos ahora respecto de V_c o respecto de a, e igualamos a cero, estamos maximizando la velocidad de corte. Encontraremos así el valor del tiempo de máxima producción. Definido como: siendo t_rp el tiempo de reposición de la herramienta

Este valor nos dice qué parámetros hemos de tomar para que el volumen de viruta arrancado sea máximo, es decir, para que la producción sea máxima, independientemente del valor de la herramienta.

4.2 Tiempo de mínimo coste

Si el coste de las herramientas es elevado, el salario de los operarios no es restrictivo y no existe la necesidad de entrega de productos urgente, es conveniente utilizar el criterio del tiempo mínimo de coste. El coste de ejecución o producción viene determinado por

C_ejec=C_accs+ C_c + C_ch + C_h

Salvo el C_h los demás costes serán función del tiempo, y del valor cuantificable de ese tiempo como son el coste de la maquinaría, el salario del operario, los costes indirectos (lubricación, tasas…) etc.

Si desarrollamos la ecuación del C_ejec en función de estos parámetros y derivamos con respecto a la V_c obtenemos el tiempo de mínimo coste.

Siendo X = Gasto del operario y de la maquina por unidad de tiempo (€/min)

4.3 Velocidad de máximo beneficio

Se puede demostrar que la velocidad de máximo beneficio es intermedia entre la velocidad de mínimo coste y la velocidad de máxima producción, de tal forma que estos dos valores de la velocidad de corte delimitan una zona de trabajo llamada de máxima eficiencia.

5. MAQUINABILIDAD

Ya hemos nombrado anteriormente el concepto maquinabilidad, vamos a intentar definirlo. En 1937, el finlandés Piispannen hizo el primer estudio científico en que demostraba cómo la formación de la viruta era un problema esencialmente elástico. El descubrimiento de Piispannen, junto con el conocimiento científico de la micro-macroestructura de los metales condujeron a establecer el concepto de maquinabilidad o “capacidad de un material para ser mecanizado”. Esta capacidad es casi imposible de expresar analíticamente. Experimentalmente, sí se ha comprobado que la maquinabilidad depende de los siguientes factores:

1. De la composición química del material

2. De su constitución (microestructura)

3. De las inclusiones que contenga

4. De su dureza

5. De la acritud

6. Del tamaño de grano y tratamientos térmicos.

Resulta así facil comprender como no puede obrarse con la maquinabilidad igual que con otras propiedades (resistencia, dureza) asignándole un valor numérico, pues en aquellos casos en que se hizo, la experiencia demostró como el valor bueno para un proceso resultaba inaceptable para otro.

6. REFRIGERANTES Y LUBRICANTES

6.1 Refrigeración del corte

Volvemos a resaltar aquí la importancia de los refrigerantes y lubricantes. Como hemos comentado, durante el proceso de corte se produce el calentamiento del filo por lo que las prestaciones de la herramienta disminuyen. Para evitarlo se envían sustancias líquidas al corte que además de refrigerar engrasan la superficie consiguiendo:

1. Disminuir el rozamiento, con lo que disminuye la potencia necesaria para el corte hasta un 10%.
2. Permite aumentar la V_c hasta un 50%. Figura
3. Permite aumentar la sección de la viruta cuando no puede aumentarse la velocidad de corte (aumentando la penetración o el avance).
4. Protege contra la oxidación la pieza, si se emplean lubricantes adecuados.
5. Limpian las piezas y arrastran las virutas.

Si se desea que predominen las propiedades lubricantes sobre las refrigerantes se emplean aceites puros como líquidos de corte. Si por el contrario el proceso demanda alta refrigeración se emplea agua (por su elevado calor específico) junto con aceites emulsionados en proporciones desde el 30 al 2% (taladrinas).

La instalación de refrigeración estará compuesta por depósito, filtros, conductos…etc. El fluido es lanzado a través de boquillas dispuestas sobre tubos flexibles que permiten orientar el flujo a la zona exacta de corte.

Una posible alternativa al uso de lubricantes-refrigerantes directamente sobre el cortes son los sistemas MQL interno. Con este sistema se produce un aerosol en el depósito del equipo y se alimenta a través del husillo de la herramienta. El aceite suministrado se evapora sin dejar residuo cuando se alcanza el punto óptimo de operación.

6.2 Lubricación en las máquinas herramientas

El rozamiento crea una pérdida de energía mecánica (potencia) perjudicial para el mecanismo, que se traduce en un calentamiento de las piezas que estén en contacto, ocasionando desgaste, deformaciones y eventualmente adhesión (gripaje). Es por esto, que además de la zona de corte, el resto de piezas móviles de las m-h deberán ser lubricadas.

Las zonas móviles que necesitan ser lubricadas pueden disponer de engrasadores manuales o realizarse la lubricación automática mediante un sistema centralizado. Los sistemas centralizados utilizan una bomba para repartir grasa o aceite desde un depósito central hacia los puntos de lubricación de forma completamente automática. Este sistema aporta perfectamente las cantidades de grasa o aceite especificadas por los fabricantes de maquinaria.

7. CONCLUSIÓN

Hemos visto en este tema los números factores que afectan al proceso de corte en las máquinas-herramientas. Entre todos ellos hemos de remarcar la importancia de la Vc y la sección de la viruta obtenida. A partir de ellos existen diversas teorías sobre el tiempo y la economía del corte.

Hemos de concluir que todos los parámetros vistos serán difíciles de establecerse numéricamente a priori y dependerán de la experiencia del operario y de datos empíricos anteriores.