8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cuzco, 23 al 25 de Octubre de 2007

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1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cuzco, 23 al 25 de Octubre de 27 DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA Y DISPOSITIVOS NECESARIOS PARA LA FABRICACIÓN Y ENSAYO DE PLAQUITAS PULVIMETALÚRGICAS DE CORTE 1 Marín Calvo, N.*, Ortíz Vicente, F.F.º, Canteli Fernández, J.A.*, Cantero Guisández, J.L.* y Miguélez Garrido, M.H.* *Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Carlos III de Madrid, Av. Universidad 3, Leganés, Madrid, España. ºIBERDROLA Ingeniería y Sistemas. Madrid, España. * ncmarin@ing.uc3m.es RESUMEN En este trabajo se describen los distintos dispositivos y procedimientos que ha desarrollado nuestro grupo de investigación para la obtención y ensayo de plaquitas pulvimetalúrgicas para mecanizado por arranque de viruta. En concreto se presenta el diseño, fabricación y puesta a punto de un sistema para la compactación bidireccional de plaquitas y para la generación de filos adecuados para realizar ensayos de corte ortogonal. Asimismo se describe un portaplaquitas desarrollado para ensayar con distintos ángulos de desprendimiento las plaquitas obtenidas. Dicho portaplaquitas se instrumentó con galgas extensométricas para la medida de las componentes de la fuerza de corte. Finalmente, se realiza un utillaje y se establece un procedimiento de calibración para la medida de fuerzas y se muestran los resultados de algunos ensayos preliminares. PALABRAS CLAVE: mecanizado, fabricación de plaquitas, fuerzas.

2 INTRODUCCIÓN El objetivo principal de éste trabajo es la fabricación y puesta a punto de plaquitas pulvimetalúrgicas de torneado y de un portaplaquitas; ambos diseñados para realizar ensayos de torneado con corte ortogonal monitorizando las componentes de la fuerza. El filo de la herramienta presenta un ángulo de posición de 9º y es coaxial con el eje del mango de la herramienta. Se mecanizan tubos eliminando todo su espesor en una única pasada, con desplazamiento de la herramienta en la dirección del husillo principal de la máquina. El corte se realiza con la zona central del filo por lo que no debe considerarse el efecto de la punta de herramienta, ni del filo secundario. Con esta configuración se produce un mecanizado con corte ortogonal, en el que la fuerza de mecanizado únicamente tiene componentes en la dirección tangencial y axial. Dicha fuerza prácticamente sólo provoca flexiones en el mango de la herramienta, a partir de las cuáles se determina su valor mediante galgas extensométricas. El sistema descrito en este trabajo está orientado a la fabricación de pequeñas series de plaquitas de geometría sencilla, y por tanto es apropiado para la investigación de nuevos materiales de corte. Para el diseño del portaplaquitas se consideraron aspectos geométricos, de alojamiento y sistema de sujeción de la plaquita. El registro de componentes de fuerza de mecanizado también influyó en el diseño del portaherramientas, por lo que se tomaron en cuenta aspectos relacionados con la elección del punto de medida y la fijación de las galgas extensométricas en el mango de la herramienta. Todo utillaje o sistema, antes de ser utilizado, necesita pasar por un proceso de puesta a punto, fundamentalmente para la detección de problemas de diseño y para la realización de los ajustes necesarios. La puesta a punto permite a su vez, el establecimiento de procedimientos específicos para cada una de las fases del proceso en estudio. En este trabajo se realizaron comprobaciones para detectar posibles interferencias entre piezas de todo el sistema con el tubo a mecanizar, el manejo de cables durante el proceso y el montaje de la herramienta en la máquina. También se realizó el diseño, fabricación y la puesta a punto de dispositivos para la compactación bidireccional de las plaquitas, la generación de filos de corte y la calibración de medida de componentes de fuerza. Como etapa final de la puesta a punto del sistema, se hicieron ensayos con el fin de validar el buen funcionamiento del sistema. DISEÑO Y FABRICACIÓN DE PLAQUITAS Y PORTA PLAQUITAS Descripción de las plaquitas Las plaquitas de corte comerciales presentan una geometría compleja para la definición de sus ángulos de corte, rompevirutas, punta de herramienta, etc. Estas características dificultan su compactación y exigen una puesta a punto y útiles muy costosos, que no son viables para la fabricación de un número reducido de plaquitas. Para simplificar la fabricación del útil de compactación y mejorar los resultados obtenidos se decidió fabricar plaquitas cilíndricas con sus caras superior e inferior planas. Posteriormente a la compactación, se realizaron dos cortes a cada plaquita para generar dos aristas de corte rectas con ángulos de filo determinados. Para definir el ángulo de desprendimiento se diseño y fabricó un portaplaquitas que puede fijarse en cuatro posiciones. En dichas posiciones la plaquita queda orientada con ángulos de desprendimiento de -5º, º, 5º y 1º. Una vez establecido un determinado ángulo de desprendimiento en el portaplaquitas, el ángulo de incidencia queda definido en función del ángulo de filo de la arista de corte. Este sistema permitiría ensayar distintos ángulos de incidencia. Sin embargo, en este trabajo, en todos los casos se ha establecido un ángulo de incidencia de 5º, centrándose el estudio en el ángulo de desprendimiento por ser el de mayor influencia en el mecanizado. Por ejemplo, para trabajar con un ángulo de incidencia de 5º y un ángulo de desprendimiento igual a -5º, se utiliza una plaquita con ángulo de filo de 9º (cortada a º), como se observa en la figura 1 (izquierda). Manteniendo un ángulo de incidencia de 5º y ángulo de desprendimiento de 5º, se utiliza la plaquita con filo de 8º (1º), como se muestra en la figura 1(derecha). Para los filos 75º (15º) y 85º (5º), se ajusta el portaplaquitas a la posición correspondiente al ángulo de desprendimiento de 1º y º, respectivamente.

3 Fig. 1: Geometría de la plaquita y orientaciones del portaplaquitas en corte ortogonal: ángulo de desprendimiento -5º (izquierda) y 5º (derecha) Las fases correspondientes a la fabricación de las plaquitas realizadas son: Material de Partida, Mezclado de Polvos, Compactación, Sinterizado, Tratamientos Térmicos, Obtención de Filos y Control de las Plaquitas. Al final, se obtuvieron plaquitas de mecanizado de material cermet y de material de referencia de acuerdo a la norma [1]. Las plaquitas obtenidas tienen un diámetro de 15 mm, 4 mm de espesor y una distancia entre filos de 12,1 mm. Cada plaquita posee dos filos. A continuación se explican las fases de compactación y obtención de filos y los dispositivos diseñados para la realización de éstas dos fases. Compactación Para la obtención de plaquitas cilíndricas se diseñó un utillaje de compactación de doble efecto, capaz de soportar presiones máximas de compactación de 15 MPa. La compactación bidireccional o de doble efecto consiste en una matriz flotante y dos punzones, bajo la acción de los cuales el polvo es compactado. El utillaje de compactación de doble efecto proporciona una distribución simétrica respecto a la sección central de la pieza, reduciendo al mínimo la distorsión que suelen sufrir las piezas durante el sinterizado. El juego entre la matriz y los punzones es de,1 mm, por lo que no se utilizó lubricación durante la compactación; sólo se aplicó cera de compactación mezclada con los polvos del material. Además, es importante que el aire salga del material compactado, de lo contrario se pueden producir fisuras en las plaquitas. Aparte de la matriz y los punzones, el útil de compactación posee dos dispositivos adicionales para la sujeción y extracción de la matriz: el útil de sustentación y posicionamiento, que ayuda a sostener la matriz flotante mientras se introducen los polvos en la misma, y el útil de extracción, que se emplea en la extracción del punzón superior y la plaquita obtenida. En la figura 2 se muestran éstos dispositivos. Fig. 2: Útil de Compactación: Matriz y punzones (izquierda), útil de sustentación y posicionamiento (centro) y útil de extracción (derecha).

4 Obtención de Filos Para el corte de las aristas se utilizó una cortadora con disco de diamante y un útil que evita reglajes sucesivos del sistema y asegura el paralelismo entre los dos filos, ubicados a ambos lados de la plaquita. Se diseñaron y fabricaron dos útiles para la obtención de aristas con filos diferentes: con el primer útil se obtiene una arista con filo de 9º y una con filo de 85º y con el segundo, se obtienen filos de 75º y 8º (ver figura 3). Éste sistema permite realizar ensayos de corte con una plaquita con dos filos diferentes, lo que facilita la identificación de mismos durante el ensayo. 9º 85º 75º 8º Figura 3: Útiles para la obtención de filos de plaquitas pulvimetalúrgicas de corte La plaquita se coloca en el útil, situándola en su alojamiento y fijándola posteriormente con el puente y tornillos disponibles para tal propósito. Posteriormente se posiciona el conjunto en la cortadora y se comprueba la posición del disco con respecto al útil, a fin de evitar que durante el corte el disco dañe el útil. Después de cortar uno de los filos, el útil se gira 18º y se fija nuevamente a la cortadora para realizar el corte del segundo filo. Es necesario que el útil, al girarlo y apoyarlo sobre la otra cara, posea el mismo punto de entrada del disco. Este efecto se consigue aplicando simetría a las fijaciones y relaciones trigonométricas a las dimensiones del útil. Descripción del Portaplaquitas y Mango La herramienta diseñada se divide en 3 partes principales: mango, portaplaquitas y plaquita. Por la forma de las plaquitas fabricadas y por la necesidad de realizar un registro de las fuerzas soportadas por las mismas durante el mecanizado, se diseñó un conjunto portaplaquitas-mango con las siguientes características: Herramienta resistente y rígida con mango de acero de sección 2x2 mm 2. Posibilidad de fijar el portaplaquitas en cuatro posiciones para definir distintas geometrías de corte. El filo de la plaquita es coaxial con el del mango de la herramienta. De esta forma la fuerza de mecanizado no produce torsiones en el mango y se consigue una mayor precisión en la determinación de fuerzas. El alojamiento de la plaquita y su sistema de sujeción son válidos para las plaquitas fabricadas. El diseño de la herramienta permite el mecanizado de tubos con la zona central del filo de la plaquita. No permite el mecanizado de piezas macizas. El mango de la herramienta está instrumentado con cuatro galgas extensométricas (una en cada cara del mango) para la medida de las componentes de la fuerza de mecanizado. El sistema formado por la herramienta y las componentes de fuerza de corte (Fc) y fuerza axial (Fa) es similar tensionalmente a una viga en voladizo sometida a flexión simple, según dos direcciones perpendiculares entre sí. Para la determinación de las fuerzas se conectaron las cuatro galgas en ramas contiguas de dos puentes de Wheatstone. De estos circuitos se puede obtener una salida de tensión que es función lineal de la variación de resistencia y que está directamente relacionada con las fuerzas a través de un coeficiente de calibración [2]. 15 mm Fig. 4: Portaplaquitas en posición de 1º (izquierda) y voladizo de ± 15 mm del centro de las galgas (derecha)

5 El mango de la herramienta y el portaplaquitas se unen por medio de una brida y un eje central que asegura la concentricidad entre ambos. A su vez, la brida cuenta con ocho agujeros de fijación y cuatro agujeros de posicionamiento que permiten orientar el portaplaquitas en cuatro posiciones distintas. Los agujeros roscados (métrica 4) de los extremos (cuatro de un lado y cuatro del otro), son los correspondientes al anclaje o fijación. Los 4 agujeros centrales de diámetro 3 mm permiten introducir un pasante para definir la posición antes de fijar la brida tal y como se muestra en la figura 4 (izquierda). Las cuatro posiciones corresponden a cuatro ángulos de desprendimiento diferentes: -5º, º, 5º y 1º. Los agujeros de fijación y los de posicionamiento están ubicados a distintos diámetros del centro del mango y del portaplaquitas, para que cada vez sólo coincida una posición, es decir, para cada agujero en el portaplaquitas existe un agujero correspondiente en el mango. De ésta forma evitamos dañar el roscado de los agujeros del portaplaquitas al introducir los tornillos en una pareja de agujeros que no son los correctos y posibles errores a la hora de fijar una geometría de corte determinada. Por ejemplo, si se introduce el pasante en el agujero de la posición 1º del portaplaquitas (ver figura 4 izquierda), sólo coincidirá con el agujero correspondiente del mango por mucho que giremos la posición relativa entre ambas piezas. Para la puesta a punto del portaplaquitas se ha verificado el montaje de las diferentes geometrías y se realizaron comprobaciones de interferencias entre piezas. El montaje de la herramienta también depende de la colocación de un voladizo apropiado (ver figura 4 derecha) para evitar distorsiones en la medida y de la posición de las galgas y sus cables. Además se ha verificado que las plaquitas entran en el alojamiento diseñado para las mismas y que el filo de corte coincide con el centro de la herramienta. CALIBRACIÓN DEL SISTEMA Para determinar la constante que relaciona las señales del sistema de medida extensométrico con las fuerzas aplicadas, y para determinar la incertidumbre de medida correspondiente se diseñó y fabricó un útil de calibración. Este útil permite aplicar sobre la herramienta fuerzas en la dirección de la fuerza de corte y de la fuerza axial, dependiendo de la orientación de la herramienta en el útil de calibración. En la figura 5, se muestra el útil de calibración con la herramienta dispuesta para la medida de la componente de fuerza de corte. La fuerza se aplica a través de una célula de carga calibrada que permite conocer en todo momento su valor e incertidumbre. Para poder regular con precisión el valor de la fuerza aplicada se desplaza un eje roscado que actúa sobre un muelle. Para la orientación correspondiente a la fuerza de corte, se realizaron 1 series aplicando 1 valores de fuerzas equidistantes entre y 12N. En el caso de la calibración de la componente axial, también se realizaron 1 series, aplicando 1 valores de fuerzas equidistantes entre y 8 N. En todos los casos se registraron las salidas de tensión del sistema de medida correspondiente a la fuerza aplicada y la lectura de la célula de carga. Eje Roscado Célula de Carga Muelle (en el interior) Portaherramientas Fig. 5: Útil de calibración: calibración de fuerza de corte

6 Las rectas de regresión, correspondientes a las series medidas, responden a las ecuaciones: y1 =,39 x1,29 F = 256,41 E1 c +,74 y =,3846 x,133 = 26,1 E 3, Fa 2 La ecuación (1) corresponde a la calibración de la componente de fuerza de corte (x 1 ) y la ecuación (2), a la componente de fuerza axial (x 2 ). De las ecuaciones presentadas se obtienen los coeficientes de calibración, que son similares a los valores obtenidos de forma analítica para un Módulo de Young de 2GPa: F c =F a =261,43 E. Se puede observar que existe una diferencia de 1,3% entre los coeficientes de calibración obtenidos de forma experimental y analítica. La incertidumbre relativa correspondiente a las series de medidas realizadas decrece cuando el sistema mide valores de fuerza elevadas. Así se observó que para la componente de fuerza de corte se tienen incertidumbres relativas de entre un 1,7 y un,6%. Para la componente axial las incertidumbres relativas van de 2,4 a,3%. (1) (2) RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE LA PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA DE MEDIDA DE FUERZAS Para finalizar con la puesta a punto del sistema descrito, se realizaron algunos ensayos preliminares con los parámetros de corte mostrados en la tabla 1. En estos ensayos se mecanizaron tubos de acero soldado, de 25 mm de diámetro y,8 mm de espesor. En la tabla 1 también se muestran los valores de fuerza medidos, así como la fuerza específica de corte (f c ). Ésta se define como la fuerza de corte por unidad de sección de viruta, y se expresa en N/mm 2 [3]. Tabla 1: Parámetros de corte y componentes de la fuerza de mecanizado. Nº de Ensayo f (mm) V c (m/min) F a (N) F c (N) f c (N/mm 2 ) 1,1 47,124 24,95 331,5 4143,75 2,1 94, ,95 298, ,19 3,1 47, ,36 328, ,81 4,1 47, ,96 375,9 4688,73 5,15 94, ,76 426, ,17 6,15 125,664 22,16 377, ,18 Para aceros no aleados, en las condiciones de corte empleadas, la bibliografía [4] da valores de entre 31 y 36 N/mm 2, para un avance de,1 mm y 27 y 36 N/mm 2, para un avance de,15 mm. Los valores obtenidos en los ensayos fueron algo mayores. Ésta diferencia se explica porque el material mecanizado está endurecido por el cordón de soldadura y por la deformación en frío del proceso de curvado de la chapa para formar el tubo. 5 Fuerza vs Tiempo (7-4) Fuerza Axial Fuerza de Corte 5 Fuerza vs Tiempo (7-6) Fuerza Axial Fuerza de Corte 4 4 Fuerza (N) Fuerza (N) Tiempo (s) Tiempo (s) Fig. 6: Gráfica Fuerza vs Tiempo: Ensayo 4 (izquierda) y Ensayo 6 (derecha).

7 CONCLUSIONES Considerando el amplio campo de aplicación que tienen los procesos de arranque de viruta en el sector industrial, se hace indispensable el desarrollo de metodologías y dispositivos orientados a la mejora de los mismos. El diseño y fabricación de plaquitas pulvimetalúrgicas de corte en series reducidas, y de un portaherramientas con geometría especial para realizar ensayos de torneado con corte ortogonal, representa un aporte significativo en la búsqueda de procesos más versátiles y eficientes. El sistema implementado representa una alternativa a los procesos de fabricación de plaquitas, adecuada para la investigación de nuevos materiales de corte. El proceso se ve simplificado con la utilización de un único útil para obtener dos filos distintos y de un portaherramientas con el que se pueden ensayar diferentes ángulos de desprendimiento. De esta forma se reduce de forma muy importante el coste y dificultad del compactado de las plaquitas. El útil de compactación se diseñó para la obtención de plaquitas cilíndricas, cuya fabricación es más sencilla que la compactación de plaquitas comerciales. Con los resultados de los ensayos de puesta a punto y del procedimiento de calibración también se concluye que el sistema presentado permite medir las componentes de fuerza durante ensayos de mecanizado. REFERENCIAS [1] Norma ISO 3685:1993(E) Tool-life testing with single-point turning tools. [2] Cantero J.L.; Sistema de medida de fuerzas de mecanizado basado en técnicas extensométricas ; Tesis Doctoral, 21 [3] Productividad en el mecanizado, Sandvik Coromant 1997 [4] Apuntes de la Asignatura Tecnología de Fabricación II UNIDADES Y NOMENCLATURA componente de fuerza de corte (N) componente de fuerza axial (N) tensión de salida puente 1-F c (V), durante la calibración tensión de salida puente 2-F a (V), durante la calibración componente de fuerza de corte (N), durante la calibración componente de fuerza axial (N), durante la calibración tensión de salida de las galgas del puente 1-F c (V) tensión de salida de las galgas del puente 2-F a (V) E tensión de salida de las galgas (V) f avance (mm) V c velocidad de corte (m/min) f c fuerza específica de corte (N/mm 2 ) F c F a y 1 y 2 x 1 x 2 E 1 E 2 AGRADECIMIENTO Al Ministerio de Ciencia y Tecnología y al Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica de la Universidad Carlos III de Madrid. Éste trabajo forma parte del proyecto CYCIT con referencia DPI