la termodinámica en el corte de metales
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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio para el poder popular de la
Educación superior instituto Universitario
Politécnico “SANTIAGO MARIÑO”
Formación para la excelencia.
Tutor de cátedra
Ing. Jaime Serpa
Realizado por.
Acosta Patricia
Joselín Chacon
Wilson Payares
Ronny Perez
Diana Jimenez
Ciudad Ojeda, Junio del 2016.
Índice
Nª de Pág. Portada IÍndice IIIntroducción IIILa termodinámica en el corte de metales 4Importancia de las variables de corte, calor, energía y temperaturas presentes. 12Uso de tablas físicas y químicas asociadas a la termodinámica de corte de metales.
13
Seguridad industrial y el desprendimiento de virutas en el proceso de manufactura.
16
Conclusión 17Bibliografía 18
Introducción
Anteriormente al periodo conocido como Revolución Industrial (1750), la
habilidad de los operarios determinaba una buena construcción mecánica.
Cada máquina era una obra de artesanía y su calidad dependía directamente
de la maestría y experiencia. Tras la Revolución Industrial, la producción se
modifica hacia la fabricación de grandes series. Aparición de piezas fabricadas
independientemente y montadas o ensambladas entre si para formar el
producto final, ya que resulta imposible fabricar una pieza con dimensión
nominal exacta aparece el término de Tolerancia. Las máquinas cuentan con
una mayor importancia en fabricación/producción (más perfección) y disminuye
la influencia de habilidad del operario. Actualmente, con las máquinas más
modernas, el operario tiene solo la función de controlarlas y alimentarlas. La
necesidad de control sobre el proceso de producción obligó, al mismo tiempo,
la evolución de los sistemas de medición (aparece en 1840 el pie de rey y entre
1870-1880 el Micrómetro de tronillo o Palmer, el uso de calibres se extendió
desde 1880 y sustituyeron la medición de una dimensión por la comparación
con una dimensión fija. Con los nuevos productos se crean sistemas
mecánicos cada vez más complejos en los que intervienen muchos factores
que cada vez más determinan la variabilidad e influyen en la capacidad.
Necesidad de definir un Valor objetivo y su margen de variabilidad
(normalizado) denominados Tolerancias (Dimensionales, Forma, Posición,
Orientación). Mantener una consistencia entre tolerancia, capacidad, corte de
fabricación, carece de sentido asignar tolerancias que no puedan obtenerse
con las capacidades de los procesos y equipos de fabricación, con las técnicas
y equipos de medida y con los procedimientos de regulación y control
establecidos. Hay diferentes tipos de herramientas de corte, en función de su
uso. Las podríamos clasificar en dos categorías: herramienta hecha de un
único material (generalmente acero al cobalto), y herramienta con plaquitas de
corte industrial. La principal diferencia es que la punta de las segundas está
hecha de otro material con mejores propiedades (metal duro o conglomerados
metálicos). Esta punta puede ir soldada o atornillada.
1. La termodinámica en el corte de metales
En la Termodinámica se encuentra la explicación racional
del funcionamiento de la mayor parte de los mecanismos que posee el hombre
actual, La termodinámica en el corte de metales, mediante el uso de
herramientas de corte, donde existe desprendimiento de viruta Es importante
describir lo que es el corte de metales, esta es Tradicionalmente, un corte que
se realiza en torno, taladradoras, y fresadoras en otros procesos ejecutados
por máquinas herramientas con el uso de varias herramientas cortantes.
Hay diferentes tipos de herramientas de corte, en función de su uso. Las
podríamos clasificar en dos categorías: herramienta hecha de un único material
(generalmente acero al cobalto), y herramienta con plaquitas de corte industrial.
La principal diferencia es que la punta de las segundas está hecha de otro
material con mejores propiedades (metal duro o conglomerados metálicos).
Esta punta puede ir soldada o atornillada. Las herramientas con la punta de
otro material, son más duras, lo que permite que corten materiales más duros,
a más altas temperaturas y más altas velocidades, sin incrementar demasiado
el coste de la herramienta.
Las plaquitas también se pueden fijar a la herramienta por medio de un
tornillo. Están hechas de diferentes materiales duros como el acero al carbono
o cerámicas, de forma que aguanten elevadas temperaturas. Tienen la ventaja
de que cuanto la arista de corte se desgasta, se puede sacar el tornillo, girar la
plaquita por una cara nueva y volverla a utilizar. Finalmente cuando todas las
caras se desgastan, se puede poner una nueva plaquita sin tener que cambiar
la herramienta. Esta es una manera económica de tener las herramientas con
aristas siempre afilado.
Movimientos de la herramienta.
Para mecanizar una pieza existe dos posibilidades: que la pieza este quieta
y la que se mueva sea la herramienta como es el caso de la fresa, o que la
herramienta permanezca quieta y la que se mueva sea la pieza como en el
caso del torno. Esto condiciona la geometría de la herramienta.
Geometría del corte.
La forma básica de la herramienta de corte es una cuña, con dos superficies
planas que delimitan un ángulo diedro. La forma principal de ataque es con la
arista común paralela a la pieza. La arista común es la arista de corte principal
o filo. Es la línea donde se produce el corte principal de la pieza en cuanto hay
un avance longitudinal, es decir frontal a la pieza. La superficie de incidencia
principal es la cara de la cuña que queda frente a la superficie trabajada de la
pieza en corte frontal. La superficie de desprendimiento o de ataque es la otra
cara de la cuña, por donde la viruta que se forma al producirse el corte se
desprende de la pieza. Generalmente la viruta desliza por esta superficie antes
de desprenderse. Cuando se produce un avance transversal el contacto se
genera en el lateral de la pieza de corte con lo que tenemos la arista de corte
secundaria o contrafilo: Es la arista por donde se corta cuando hay un avance
transversal y la superficie de incidencia secundaria, la cara que avanza
perpendicularmente con el avance transversal.
La geometría de las herramientas de corte se puede describir por medio de diferentes ángulos: Si consideramos la normal y la tangente a la pieza obtenemos un ángulo
recto. Dentro de este ángulo esta herramienta. El ángulo de la cuña,
herramienta, recibe el nombre de ángulo de filo o de hoja, y se denota por β. El
ángulo que queda entre la superficie de incidencia principal y la tangente a la
pieza recibe el nombre de ángulo de incidencia y se denota por α. Y el ángulo
de queda entre la superficie de desprendimiento recibe el nombre de ángulo de
desprendimiento o de ataque y se denota por γ. Este último puede ser
negativo, lo que significa que la superficie de desprendimiento va más allá de la
normal y se mide hacia es otro lado. Con esta convención la suma de los tres
es siempre 90º.
La herramienta debe elegirse de acuerdo con el material a mecanizar, con
una geometría de corte específico que forme una cuña de corte apropiada.
Esto asegura, junto con la correcta velocidad de corte el flujo óptimo de viruta y
por lo tanto el mecanizado rentable de la pieza de trabajo con la calidad óptima,
o requerida, de la superficie.
Velocidad de corte.
La velocidad de avance es un término utilizado en la tecnología de
fabricación. Es la velocidad relativa instantánea con la que una herramienta (en
máquinas tales como máquinas de fresado, máquinas de escariar, tornos) se
enfrenta el material para ser eliminado, es decir, la velocidad del movimiento de
corte. Se calcula a partir de la trayectoria recorrida por la herramienta o la pieza
de trabajo en la dirección de alimentación en un minuto.
Velocidad de corte en función de los materiales.
La velocidad de corte esta tabulada, y estos valores se basan en la vida de
la herramienta. De hecho, la herramienta debe ser capaz de tomar fuerte
durante 60-90 minutos de trabajo. La velocidad de corte es una función tanto
del material de pieza de trabajo y material de la herramienta. En general, la
velocidad de corte se tabula como una función de la dureza del material. Existe
un método llamado "Par herramienta material" para determinar la velocidad de
corte correcta para el mecanizado del material. La velocidad de corte es mayor
cuando hay lubricación respecto a "seco". Los materiales duros se cortan a
baja velocidad, mientras que los dúctiles se cortan a alta velocidad. Esto debido
a que los materiales dúctiles y con alta fricción son propensos a producir un filo
recrecido. Este fenómeno conduce a una variación en el ángulo de inclinación
del filo de corte y por lo tanto una fuerte pérdida de eficacia de la acción de
corte. Este fenómeno se reduce, hasta su casi eliminación, al aumentar la
velocidad de corte. De este modo aumenta la velocidad de la deformación del
material que se está trabajando y el mismo tiende a alejándose del estado
pastoso. Por lo tanto, puede formar un chip similar a la de los metales duros,
que no se mezcla con la herramienta.
Velocidad de corte para los diferentes materiales a mecanizar (m/min)
Material a
mecanizar
Herramienta de
acero rápido
Herramienta
de carburo
Mecanizado a
grande vitesse
Acero (resistente) 15 - 18 60 - 70 -
Acero dulce 30 - 38 110 - 140 -
Fundición (media) 18 - 24 70 - 85 -
Bronce 24-45 - -
Latón (recuit) 45 - 60 - -
Aluminio 75 - 400 150 - 1000 2000
Titanio 30 60 - 70 -
Para una buena herramienta de corte, los materiales que la forman deben
tener las siguientes características:
Dureza - Debe tener mucha dureza para aguantar la elevada
temperatura y fuerza de fricción cuanto está en contacto con la pieza.
Resiliencia - Debe tener resiliencia para que las herramientas no se
agrieten o se fracturen.
Resistencia al desgaste - Debe tener una duración aceptable, debido a
los costos de producción y evitar un recambio de piezas.
Seguidamente se describen diferentes materiales utilizado para fabricar
herramientas de corte o plaquetas.
Material de la herramienta
Propiedades
Acero no aleado
Es un acero con entre 0,5 a 1,5% de concentración de carbono. Para temperaturas de unos 250 º C pierde su dureza, por lo tanto es inapropiado para grandes velocidades de corte y no se utiliza, salvo casos excepcionales, para la fabricación de herramientas de turno. Estos aceros se denominan usualmente aceros al carbono o aceros para hacer herramientas (WS).
Acero aleado
Contiene como elementos aleatorios, además del carbono, adiciones de wolframio, cromo, vanadio, molibdeno y otros. Hay acero débilmente aleado y aceros fuertemente aleado. El acero rápido (SS) es un acero fuertemente aleado. Tiene una elevada resistencia al desgaste. No pierde la dureza hasta llegar a los 600 º C.Los metales duros hacen posible un gran aumento de la capacidad de corte de la herramienta. Los componentes principales de un metal duro son el wolframio y el molibdeno, además del cobalto y el carbono. El
Metal duro
metal duro es caro y se suelda en forma de plaquetas normalizadas sobre los mangos de la herramienta que pueden ser de acero barato. Con temperaturas de corte de 900 º aunque tienen buenas propiedades de corte y se puede trabajar a grandes velocidades.
Cerámicos
Estable. Moderadamente barato. Químicamente inerte, muy resistente al calor y se fijan convenientemente en soportes adecuados. Las cerámicas son generalmente deseables en aplicaciones de alta velocidad, el único inconveniente es su alta fragilidad. Las cerámicas se consideran impredecibles en condiciones desfavorables. Los materiales cerámicos más comunes
Cermet
Estable. Moderadamente caro. Otro material cementado basado en carburo de titanio (TiC). El aglutinante es usualmente níquel. Proporciona una mayor resistencia a la abrasión en comparación con carburo de tungsteno, a expensas de alguna resistencia. También es mucho más químicamente inerte. Altísima resistencia a la abrasión. Se utiliza principalmente en convertir los bits de la herramienta, aunque se está investigando en la producción de otras herramientas de corte. Dureza de hasta aproximadamente 93 HRC. No se recomiendan los bordes afilados generalmente.
Diamante
Superior resistencia a la abrasión, pero también alta afinidad química con el hierro que da como resultado no ser apropiado para el mecanizado de acero. Se utiliza en materiales abrasivos usaría cualquier otra cosa. Extremadamente frágil. Se utilizan sobre todo para trabajos muy finos en máquinas especiales. Los bordes afilados generalmente no se recomiendan. El diamante es muy duro y no se desgasta.
Tipos de herramientas
Taladro: es una máquina herramienta con la que se mecanizan la
mayoría de los agujeros que se hacen a las piezas en los talleres
mecánicos. Destacan estas máquinas por la sencillez de su manejo.
Tienen dos movimientos: El de rotación de la broca que le imprime el
motor eléctrico de la máquina a través de una transmisión por poleas y
engranajes, y el de avance de penetración de la broca, que puede
realizarse de forma manual sensitiva o de forma automática, si incorpora
transmisión para hacerlo.
Fresadora: es una máquina herramienta para realizar trabajos
mecanizados por arranque de viruta mediante el movimiento de una
herramienta rotativa de varios filos de corte denominada fresa.1
Mediante el fresado se pueden mecanizar los más diversos materiales,
como madera, acero, fundición de hierro, metales no férricos y
materiales sintéticos, superficies planas o curvas, de entalladura, de
ranuras, de dentado, etc. Además, las piezas fresadas pueden ser
desbastadas o afinadas.2 En las fresadoras tradicionales, la pieza se
desplaza acercando las zonas a mecanizar a la herramienta,
permitiendo obtener formas diversas, desde superficies planas a otras
más complejas.
Torno: (del latín tornus, y este del griego τόρνος, giro, vuelta)1 a un
conjunto de máquinas y herramientas que permiten mecanizar, roscar,
cortar, trapeciar, agujerear, cilindrar, desbastar y ranurar piezas de
forma geométrica por revolución. Estas máquinas-herramienta operan
haciendo girar la pieza a mecanizar (sujeta en el cabezal o fijada entre
los puntos de centraje) mientras una o varias herramientas de corte son
empujadas en un movimiento regulado de avance contra la superficie de
la pieza, cortando la viruta de acuerdo con las condiciones tecnológicas
de mecanizado adecuadas. Desde el inicio de la Revolución industrial, el
torno se ha convertido en una máquina básica en el proceso industrial
de mecanizado.
Procesos que provocan desprendimiento de viruta
La formación de la viruta y la reacción de su forma, a factores tales como
duración de la herramienta y el acabado de la superficie. Las virutas
herramientas se han calcificado en tres tipos.
El tipo 1 una viruta discontinua o fragmentada, representa una conducción
en el que el metal se fractura en partes considerablemente pequeñas de las
herramientas cortantes. Este tipo de viruta se obtiene por maquina la mayoría
de los materiales frágiles, tales como el hierro fundido.
En tanto se producen estas virutas, el filo cortante corrige las irregularidades
y se obtiene un acabado bastante bueno. La duración de la herramienta es
considerablemente alta y la falla ocurre usualmente como resultado de la
acción del desgaste de la superficie de contacto de la herramienta.
También puede formar virutas discontinuas en algunos materiales dúctiles y
el coeficiente de ficción es alto. Sin embargo, tales virutas de materiales
dúctiles son una inducción de malas condiciones de corte:
Un tipo ideal de viruta desde el punto de vista de la duración de la
herramienta y el acabado, es la del tipo B continua simple, que se obtiene en el
corte de todos los materiales dúctiles que tienen un bajo coeficiente de fricción.
En este caso el metal se forma continuamente y se desliza sobre la cara de la
herramienta sin freacturarse. Las virutas de este tipo se obtienen a altas
velocidades de corte y son muy comunes cuando en corte se hace con
herramientas de carburo. Debido a su simplicidad se puede analizar fácilmente
desde el punto de vista de las fuerzas involucradas.
2. Importancia de las variables de corte, calor, energía y temperaturas presentes.
Durante el proceso normal de mecanizado la mayor parte de trabajo se
consume en la formación de virutas en el corte de plano, la temperatura y el
calor dependen de la fuerza de corte, la energía mecánica introducida en el
sistema produce un aumento de temperatura.
Algunas características importantes son:
Una temperatura excesiva afecta adversamente a la resistencia y
dureza.
El calor puede introducir daños térmicos a las superficies de la maquina
y esta causando daño al material.
La energía térmica es transmitida parcialmente a la viruta y a la pieza.
El calor se propaga desde la zona de origen hasta la herramienta a
través de la conducción.
Para convertir materia prima en diferentes productos se requieren de
variables que ayuden a la finalización del proceso que se este radicalizando.
Calor: Es la forma de energía que se trasfiere entre dos sistema, debido
a un sistema de temperatura. Dentro del proceso el calor es importante
ya que se requiere para ejecutar distintos procesos por ejemplo si
tenemos una pieza metálica o termoplástica que puedan soldarse para
construir una estructura mediante mediante la unión de piezas, se aplica
calor en la cual la pieza son soldadas fundiendo ambas y pudiendo
agregar un material de relleno fundido que al enfriarse, se convierte en
una unión fija.
Temperatura y energía: Estas variables se relacionan significativamente
puesto que la temperatura es considerada como una fuente de energía
en diferentes procesos de manufactura, esta se emplea en las acerías
donde se requieren una fuente concentración de energía calórica que
permita realizar diferentes tipos de aleaciones, y la temperatura aplicada
se conforma a las características de los materiales que se requieren
fundir.
Uso de tablas físicas y químicas asociadas a la termodinámica de corte de metales: Mediante las tablas físicas y químicas de los materiales y sus propiedades se puede conocer cual es la tolerancia de los mismo, para tratarlos sin afectar su estructura de manera innecesarias.
3. Las tablas físicas y químicas asociadas a la termodinámica de corte de metales. Determinan a que grado de temperatura se puede trabajar los costos de
una pieza. Si son buenos conductores del calor y la electricidad. Casi todos los
óxidos metálicos son sólidos iónicos básicos. Si son sólidos maleables y
dúctiles. Tienden a formar cationes en solución acuosa determinan las capas
externas si contienen poco electrones habitualmente o menos. A veces, sobre
todos los metales, estos factores auxiliares son más importantes.
Por ejemplo: los materiales blandos como los plásticos pueden ser difíciles de
mecanizar a causa de su mala conductividad térmica.
Tabla 1.Mecanizado de virutas.
Tabla 2.Propiedades mecánicas del polímero comparado con las de la fundición gris. Fuente elaboración propia.
Seguridad industrial y el desprendimiento de virutas en el proceso de manufactura.
Dentro del área laboral los trabajadores o empleados deben seguir normas y
lineamientos para su seguridad y protección. Así prevenir accidentes o
lecciones desfavorables inesperadas.
El operario debe llevar ropa ajustada, las mangas deben ser cortas.
Se debe utilizar botas de protección. Con puntas de acero, para
prevenir los golpes por caídas de herramientas o elementos pesados en
los pies.
No se debe utilizar ningún accesorio como lo son los anillos, aretes,
cadenas reloj. Ya que pueden enredarse y ocasionar algún accidente.
Se debe utilizar gafas para protección visual de cualquier objeto volante.
Se debe mantener la maquina en perfecto estado mecánico y eléctrico.
Debe guardarse un orden en las herramientas. Un lugar para cada cosa
en su lugar.
Mantener el piso limpio de sustancias tales como agua, aceite etc. Ya
que pueden ocasionar caídas.
Prohibido fumar, comer y beber mientras se realice cualquier trabajo.
Asegurarse de la fijación de la pieza antes antes de empezar a trabajar
con la maquina de manera especial durante pasadas prolongadas a
altas revoluciones con grandes desbastes.
Formar e informar en el manejo correcto de la maquina. Instrucciones
de trabajo: velocidad de la maquina etc.
Conclusión
Desde que hombre descubrió las diferentes materias primas dio inicio a
su procesamiento 8manufactura) con el fin de obtener productos específicos
para satisfacer las necesidades. Es necesario dar impulso a las mejoras de los
proceso de manufacturas que permitan el aprovechamiento máximo de cada
uno de los recursos que intervienen en la fabricación de los productos, y con
ello buscar las mejoras de calidad y costos, para así obtener los volúmenes
demandados en los tiempos requeridos. Los procesos de virutas componen un
sistema universal y que bajo el debido tratamiento dado se obtiene el producto
terminado a la perfección como futuros ingeniero Industriales en fundamental
conocer a plenitud los procesos manufactureros, las maquinarias y
herramientas con los que estos se realizan debido a que estos son
instrumentos para el ejercicio o desempeño de su rol dentro de una
organización tomando como base el diseño, ejecución y control de un sistema
productivo.
Bibliografía.
https://es.wikipedia.org/wiki/Herramienta_de_corte
http://sssslide.com/www.slideshare.net/peter18159/termodinamica-en-el-
proceso-de-mecanizado-pedro-perez-adriana-freites
http://documents.mx/engineering/la-termodinamica-en-el-corte-de-matales-
mediante-el-uso-de-herramientas-de-corte-donde-existe-desprendimiento-de-
viruta.html#